沼气发动机文献综述
增压沼气发动机燃料供给系统的研究——文献综述
摘要:本文主要介绍了沼气发动机的改装、应用及其增压技术和燃料供给系统的发展和研究现状,以及气体发动机空燃比控制策略。
关键词:沼气发动机;燃料供给系统;增压;电控混合器;空燃比;
1. 选题背景及意义
1.1 选题背景
1.1.1 能源与环境问题
众所周知,能源问题已成为一个世界性的问题。自20世纪70年代能源危机以来,人们更加清醒地认识到世界能源的严峻形势。因此,各个国家都在不断的探寻研究新能源。新能源又称非常规能源。是指传统能源(如煤炭、石油、天然气、水能、木材等)之外的各种能源形式。指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源,如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。伴随能源问题的出现,环境问题也日趋严重。其中全球变暖尤为突出。环境问题不再是某个国家的问题,而是整个世界面临的严重问题。近100多年来,全球平均气温经历了冷-暖-冷-暖两次波动,总得看为上升趋势。进入八十年代后,全球气温明显上升。1981-1990年全球平均气温比100年前上升了0.48℃。导致全球变暖的主要原因是人类在近一个世纪以来大量使用矿物燃料(如煤、石油等),排放出大量的CO 2等多种温室气体。由于这些温室气体对来自太阳辐射的短波具有高度的透过性,而对地球反射出来的长波辐射具有高度的吸收性,也就是常说的温室效应,导致全球气候变暖。全球变暖的后果,会使全球降水量重新分配,冰川和冻土消融,海平面上升等,既危害自然生态系统的平衡,更威胁人类的食物供应和居住环境。因此,人们在探寻开发新能源的同时还要将环境问题考虑进去,而且还要将此作为一个重要标准,即要探寻开发清洁能源。
汽车及发动机已成为现代文明社会重要标志的,由于传统的发动机主要以化
石燃料为主并且排放的尾气中含有大量的有害气体,因此汽车及发动机的发展正承受着来自上述两方面的巨大挑战。据统计2010年我国汽车保有量为7000万辆,低于日本的7500万辆汽车保有量,相当于美国2.85亿辆汽车保有量的四分之一。由此可见我国汽车发展的空间非常大。汽车保有量的不断攀升,虽然给人类带来经济的繁荣,但同时也给城市带来了大气污染和汽车能源的压力。专家学者指出实现本世纪汽车及发动机工业健康发展的根本出路是降低其有害污染物排放,减少对石油的过度依赖。因此探索开发替代石油基燃料的新型洁净燃料,开发高效低污染发动机是当前世界各国关注的重大问题。
1.1.2 沼气发动机的发展
目前世界上采用的能源大多是化石燃料,专家认为在21世纪初,会有一半的化石燃料被耗尽,世界石油资源短缺和生态环境恶化是21世纪人类面临的主要问题。合理利用资源及开发清洁燃料将是人类今后的不懈追求,这使得气体机 的发展越来越受到重视,气体机竞争也越来越激烈。目前气体发动机的分类如表
1.1所示[1]。在国外,由于近年来广阔的市场需求,各发动机制造企业为了满足市场的需求,争相开发性能优越的气体机。比如美国的Caterpilar 公司、Fairbanks Morse 公司、Cooper 公司、Conoco 公司、Cummius 公司,英国的Ruston 公司、Varity Perkins公司,日本的NKK Yanmar公司,奥地利的Jenbaher 公司,德国的MAN B&W公司等[6]。
随着世界各国对新能源不断深入的研究,目前已经出现多种替代燃料,如甲醇、乙醇、石油液化气(LNG )、压缩天然气(CNG )、二甲醚(DME )、氢气、生物柴油、煤层气和沼气等等。尽管替代燃料的种类繁多,但能够真正被广泛应用的却很少,主要是因为替代燃料在发动机动力性和经济型上的表现不足。现在应用比较多的是石油液化气和压缩天然气,在我国大中城市的部分公交车使用石油液化气,部分出租车则使用压缩天然气。另外,乙醇按一定的比例加入汽油中作为汽车的燃料。尽管很多替代燃料目前没有得到广泛的应用,但是他们的发展前景却非常广阔。
例如沼气,它是一种混合可燃气体,其主要成分是甲烷,其余为二氧化碳、氧气、氮气和硫化氢等。沼气具有资源广泛、废物利用、价格便宜、燃烧完全、
排放清洁等特点。因此沼气发动机也慢慢的进入人们的视野。沼气发动机分为双燃料和全烧式两种[2],双燃料式沼气发动机的工作原理是通过向燃烧室内喷入少量柴油,经压燃后引燃沼气燃烧做功。结构上只需对柴油机的进气管和调速机构做些变动,改装简单,;全烧式沼气发动机则由火花塞跳火点燃沼气和空气的混合气,无需柴油引燃。两种沼气发动机的结构如图1,2所示[3]。双燃料式沼气发动机在沼气资源不是很充裕的地方具有良好的灵活性,当沼气量减少时,以柴油为主,不影响发动机的运行。在沼气资源丰富的地区,全烧式沼气发动机会有更好的优越性。目前沼气发动机主要用作固定动力源,例如用作发电机组和动力与供热复合装置系统等。图3[3]是沼气发电机组系统布置图。
图1:沼气-柴油双燃料式发动机示意图
图2:火花点火全烧式沼气发动机示意图
图3:沼气发电机组系统布置图
表1.1气体发动机的分类
国外对对沼气发动机的研究起步很早,沼气发动机的零部件的性能稳定,如普遍使用电子调速器和电子点火装置等,这就保证了整机有良好的综合性能指标。近年来国外大型沼气发动机发展迅猛,主要用于发电机组。国外用于沼气发电的内燃机主要使用Otto 发动机和Diesel 发动机,其单位重量的功率约为27 kW/T。汽轮机中燃气发动机和蒸汽发动机均有使用,燃气发动机的优点是单位重量的功率大,一般为70-140kW/T;蒸汽发动机一般为10kW/T。国外沼气发电机组主要用于垃圾填埋场的沼气处理工艺中。目前,美国在沼气发电领域有许多成熟的技术和工程,处于世界领先水平。现有61个填埋场使用内燃机发电,加上使用汽轮机发电的装机,总容量已达340MW ;欧洲用于沼气发电的内燃机,
较大的单机容量在0.4-2MW ,填埋沼气的发电效率约为1.68-2kWh/m3。
国内对沼气发动机的研究始于八十年代初,先后有一些单位进行沼气发动机的结构改装和提高热效率方面的研究工作。在沼气发动机发展的初期,主要是对沼气-柴油双燃料发动机进行研究,因此技术上也相对比较成熟。早在1982年,中国农机研究院与四川绵阳新华内燃机厂合作,共同研制出了S195-1型沼气-柴油双燃料发动机。成都科技大学在1105双燃料机上对调速和供气系统进行了研究;四川南充农业机械研究所在S195双燃料机上对提高发动机的热效率进行过研究;上海新中动力机厂在20/27柴油机基础上研制出20/27G双燃料机,用以燃烧天然气、沼气、煤气等。在双燃料发动机中,由于引燃柴油燃烧后释放能量大, 对燃烧过程有利,多以双燃料发动机工作时的问题不是很突出[4]。 早期人们对全烧式沼气发动机的研究相对少些。潍坊柴油机厂是我国研制全烧气体发动机较早的单位,该厂于八十年代初研制了功率为120千瓦的6160A-3型沼气发动机;贵州柴油机厂和四川农业机械研究所共同开发出60千瓦的6135 AD(Q)型全烧沼气(天然气) 发动机发电机组。此外重庆红岩机器厂、上海内燃机研究所、南通柴油机厂等单位也进行过这方面的研究、研制工作。
1.1.3沼气发动机的应用
沼气是一种新型的可再生能源,其燃烧产物中的污染物很少,而且沼气厌氧发酵技术对工厂废水、城市生活垃圾、农业废弃物等有非常好的处理效果,有积极的环保意义。我们以沼电在酒厂中的的综合效益为例:四川荣县进行了120 kW沼气发电的生产和示范。用酒糟废水经厌氧消化产生沼气,发电效率为1.69 kWh/m3,当年成本为0.0465元/kWh。沼电能够基本满足该厂的生产用电。山东昌乐酒厂安装2台120 kW的沼气发电机组,170m 3酒糟日产沼气4800m 3,发电8640kwh ,全年能源节约开支29万元,工程运行一年即收回全部成本。杭州天子岭填埋场发电工程在运行过程中,在平均电价为0.438元/kWh的条件下,投资回报率可达14.8%。沼气作为照明和炊火能源已广泛地应用于许多发展中国家的偏远地区,并取得了巨大了成效。我国农村偏远地区还有许多地方严重缺电,如牧区、海岛、偏僻山区等高压输电较为困难,而这些地区却有着丰富的生物质原料。因地制宜地发展小沼电,犹如建造微型“坑口电站”,可取长补短就地供
电。
沼气发电机组主要用于垃圾填埋场的沼气处理工艺中,垃圾填埋沼气发电技术是垃圾无害化、能源化、减量化处理的一条重要途径。目前,美国在沼气发电领域有许多 成熟的技术和工程,处于世界领先水平,其现有61个垃圾填埋场使用内燃机发电加上使用汽轮机发电的装机,总容 量已达340MW 。欧洲用于沼气发电的内燃机,较大的单机容量在0.4-2MW ,填埋沼气的发电效率约为
1.68-2kW·h/m。德国政府鼓励新能源的利用,给沼气发电上网 提供了法律支持与政策鼓励,因此近年来德国应用沼气发电也迅速增加。目前,德国国内沼气发 电工程的数量已由1992年的139家发展到2003年底超过2000家,发电装机总量由1999年的50MW 猛增到2002年的250MW 。生物质能发电并网在西欧、德国、丹麦、奥地利、芬兰、法国、瑞典 等一些国家的能源总量的比例为10%左右,预计本世纪末 将增加到25%[5]。
近年来由于环境和能源的严峻挑战,我国在农村地区大力发展沼气技术, 有效地解决了当地居民的炊火能源的问题,保护了当地的森林资源。沼气发电技术可以将这种清洁的可再生能源转化为电能,输入公用电网,对我国许多农村偏远地区的用电提供了一个经济可行的途径,可有效地解决部分地区生活及生产中小功率用电的困难,并有利于缓解我国用电紧张的局面。在发达国家,沼气发电技术被广泛应用于垃圾填埋厂等大型垃圾废水的处理过程中,是一种经济有效的垃圾处理技术,受到广泛的关注与深入的研究。
1.2 选题意义
目前我国经济处于高速发展阶段,能源和环境问题在我国尤为凸显。这两方面是制约我国经济发展的主要瓶颈。新能源已经被列入国家十二五计划,并被作为重点项目。我国在面对能源和环境问题上做出了重大举措,节能减排,产业调整等等。对于汽车及发动机行业,研究开发清洁能源,设计高效低排放的发动机是发展的重点。
沼气是有机物在空气隔绝和一定的湿度、温度、酸碱度等条件下,经过沼气细菌作用产生的。它可以通过有机物(如秸秆等)在厌氧条件下发酵制取,也可以对工厂和农村中的多种污染物质(如动物粪便等)和污水进行适当的处理而得
到。而我国有地域广阔的农村,有大量的可用作生产沼气的禽畜粪便和工业有机废水资源,每年全国集约化养殖产生的畜禽粪便约有40336万吨,其中干物质总量为3715.5万吨;工业有机废水排放总量约为222.5亿吨,是沼气燃料的重要来源,具有很大的开发潜力。利用上述物质制取沼气具有多重效益:1) 实现了垃圾、废物的利用,减少了环境污染,是城市垃圾处理的最好途径;2) 利用废弃物生产出了宝贵的能源;3) 避免了有机垃圾的露天存放或焚烧,减少了排向大气的甲烷(甲烷的温室效应是二氧化碳22倍) ,缓解了大气温室效应;4) 生产出优质的肥料。国外一些国家已经在这方面进行开发。
沼气作为一种优良的代用燃料,具有来源丰富、废物利用、成本低、燃烧完全清洁和较高的热值及较好的抗爆性的特点,其在发动机上的应用越来越受到人们的重视。结合我国的实际国情,沼气的储备量非常的大,制取非常方便,沼气发动机一旦成熟,并得到广泛应用,这对于能源问题和环境问题的解决会非常有利。随着对环境的日益重视,人们开始利用各种方式来减少工农业生产对环境的破坏。近十几年来,在各级政府有关部门和企业的帮助协调下,用于处理畜禽粪便及各种生产、生活污水的大中型沼气工程纷纷上马,至1998年底,我国已建成大中型沼气工程742处,年产沼气量为16393.94万立方米;垃圾填埋法产生沼气是处理城市垃圾的主要方式之一,具有简单易行和费用较低的特点,同时还可回收能源,正受到世界各国的普遍欢迎。目前,全世界共建成4817座垃圾填埋场,每年可回收沼气51.42亿立方米。
在众多的代用燃料中,沼气是一种良好的代用燃料,由于它的优点众多,而被各国广泛研究。因此对沼气发动机的研究也日渐深入。目前沼气发动机的零部件的性能稳定,并且国外已经普遍使用电子调速和电子点火装置等,这保证了沼气发动机具有良好的综合性能指标。国内对沼气发动机的研究大约始于上世纪八十年代,发动机类型以双燃料为主,全烧式机型很少。并且国内的沼气发动机主要是由现有的柴油机或汽油机改装而成,这使得发动机在运行过程中会出现很多问题,诸如热负荷高、可靠性差以及启动困难等。随着电控技术的高速发展及在发动机上的应用,如何将现有的电控技术应用于沼气发动机,并开发配套的控制系统,是现在国内面临的主要问题。如果解决了这些问题,沼气发动机的使用前景将非常的广阔。
2. 沼气的燃烧特性以及对发动机的影响
2.1 沼气的燃烧特性
沼气是一种清洁能源,主要用作民用燃料,用于照明、供暖、燃烧发电等,。沼气是一种较好的代用燃料,它完全燃烧时火焰呈蓝白色,火苗短而急,稳定有力,同时伴有微弱的滋滋声,沼气的燃烧温度较高并放出大量的热,燃烧后的产物是水和二氧化碳。沼气的主要成分是甲烷,甲烷的着火温度比较高,而沼气中的二氧化碳对燃烧有剧烈的抑制作用,所以沼气的燃烧速度很慢,不足液化石油气燃烧速度的1/4,仅为焦炉煤气燃速的1/8。每立方米沼气的热值约为17.95MJ-25.13MJ ;1m 3沼气的热值相当于1kg 原煤的热值,主要是由于沼气燃烧效率是煤的3.3倍,因此,在热值利用时,1m 3米沼气能代替3.3kg 原煤使用。沼气的主要成分和物化特性以及和其他种类燃料的对比见表2-1、2-2、2-3[6]。 由以下三表可知沼气的燃烧特性[7]:
(1) 热值低。低热值18-25MJ/ m3,随 CH 4含量的多少不同而改变。
(2) 着火温度高。达到654-800℃,这是沼气中的氮气和二氧化碳的惰性作用。
(3) 火焰传播速度低。最大只有25cm/s,是甲烷的1/3,是甲醇的1/2,所以燃烧速度慢。
(4) 沼气与空气混合气的热值,随着过量空气系数的变化而变化,当增大时,混合气的热值降低,且沼气与空气的混合气的热值比柴油与空气的混合气的热值低。
(5) 沼气中甲烷值高,其辛烷值高,抗爆性强,可采用高压缩比燃烧。
(6) 沼气与空气混合的空燃比为17.25:1,比柴油与空气混合的空燃比15:1大,所以燃烧需要空气比柴油多。
(7) 柴油机用液体燃料,使用沼气燃料后,气缸容积效率低,只有提高沼气进入密度,才能使容积效率增高。
表2-1 沼气的主要组分和物化特性
表2-2 与其他燃料特性的比较
表2-3 沼气与其他种类气体燃料的对比
沼气中硫化氢含量虽然很少,但对发动机的影响却很大。一般来说,当硫化氢的含量低于0.1,沼气可不经任何前处理直接进入发动机燃烧;而当硫化氢的
含量超过0.1,沼气则必须先经脱硫处理 降低硫化氢的含量才能进入发动机,否则硫化物将严重腐蚀发动机零部件,特别是气缸、活塞环和轴瓦等。沼气在燃烧过程中空气的混入量对其燃烧特性有很大的影响。lafay 等人对沼气稳定燃烧区域、火焰结构、甲烷/空气和沼气/空气火焰结构的变化进行了分析,结果表明,燃气组成变化时火焰及其动态变化与火焰的分层结构有强烈的依赖关系。在沼气中加入少量的氢气可以明显地改善沼气的燃烧性能[8]。Porpatham 等在沼气中加入少量的氢气(5%、10%、15%,以能量计) ,并以此为燃料,在一定速度下研究了不同的氢气比例对火花点燃式发动机的性能、排放、燃烧的影响。结果表明,氢气的加入明显增加了沼气的燃烧率,减少了沼气燃烧的限制, 在制动热效率和制动能量上有明显的改善。然而高于15%的氢含量并没有导致相对较高的燃烧率[9]。
2.2 沼气燃烧特性对发动机的影响
沼气的燃烧特点决定了沼气发动机具有与其他燃料发动机不同的特征[2]:
(1) 压缩比。沼气含有大量的甲烷以及二氧化碳,其抗爆性好,不会发生末端气体自燃的现象,因此可适当提高压缩比。
(2) 进气系统。在空气滤清器后,需加装一套沼气一空气混合器,以调节空燃比和混合气进气量,混合气应调节精确。
(3) 燃烧室。由于沼气中含有大量二氧化碳,其燃烧速度很慢,对于燃烧过程的组织不利,因此采用加快燃烧速度的燃烧室。
(4) 调速系统。沼气发动机的运行场合大多是以发电机为负荷,所以调速系统必不可少。
(5) 沼气脱硫装置沼气中含有少量的硫化氢,该气体对发动机有强烈的腐蚀作用,因此供发动机用的沼气要先经过脱硫处理。
(6) 废气排放。由于沼气中有大量的甲烷,所以其整机排烟少,又沼气中含有较多的二氧化碳,这有助于降低燃烧温度,从 而减少氮氧化合物的排放量; 同时其燃烧速度很慢,这容易导致碳氢化合物的生成,所以对合理组织好缸内燃烧要求较高。
Muiholand 通过对甲烷在着火过程中化学反应动力学的研究[10],认为甲烷
的着火延迟时间较长,随着可燃混合气温度的增加可以减少着火时间。因此采用增大压缩比和高能点火来缩短着火延迟时间,促进火焰传播的方法都是有利于沼气燃烧的措施。火花点火式沼气发动机可采用高能点火系统增大放电初期的电流和电压可明显改善点燃式沼气发动机的性能[11 12 13]。E. Porpatham等人[14]对沼气在点燃式发动机上的应用进行了研究。研究表明,沼气中二氧化碳含量对发动机的动力性,排放性以及燃烧特性有很大的影响。采用点燃式沼气发动机,转速保持在1500rpm ,压缩比采用13:1,随着沼气中二氧化碳含量的降低,发动机的动力性提高,并且碳氢化合物的排放都得到有效的降低。浙江大学内燃机研究所的夏来庆等人[15]以及浙江大学动力机械及车辆工程研究所熊树生等人[16]先后从分析沼气燃烧特点出发,提出改善火花点火式沼气发动机性能的快速燃烧方法,并开发出具有风扇形状燃烧室的新型快速燃烧系统。通过模拟和上机实验,结果表明:风扇形燃烧室对加快混合气燃烧速度,改善沼气发动机中的燃烧过程有明显的效果;新型燃烧系统对改善火花点火式沼气发动机可靠性和经济性具有明显的效果。浙江工业大学的陈勇[17]等人对这种新型的快速燃烧系统进行了更深入的研究,肯定了这种快速燃烧系统在改善沼气发动机可靠性和经济型的作用。
沼气燃烧速度慢,致使燃烧持续期延长,后燃严重,排温高,燃烧效率低,是导致火花点火式沼气发动机可靠性和经济性差的根本原因。提高燃烧速度可以减轻后燃的严重状态,从而降低排气温度,改善发动机的可靠性和经济性。湍流强度高的燃烧室可以有效的加快沼气的燃烧速度,另外,沼气的甲烷含量很高,抗爆性能较好,因此在兼顾其他影响因素后,应尽量提高沼气发动机的压缩比。增大点火能量对提高沼气燃烧速度,改善发动机性能也有明显的作用。
3.沼气发动机国内外研究现状
3.1 沼气发动机的改装
目前,用于沼气发电的设备主要有内燃机和汽轮机,主要机理是沼气燃烧使内燃机或汽轮机转动带动发电机发电。内燃机一般由柴油机和汽油机改制而成, 分为双燃料式和单燃料式两种。由于沼气的着火点很高, 靠压缩自燃比较困难, 因此需要采取一定的技术措施。一般单燃料式烧纯沼气,用电火花点火;双燃料
式喷柴油点火。若将柴油机改烧沼气,须作如下几项工作:(1) 确定为降低压缩 比及燃烧室形状所必需的机器改装;(2) 设计沼气的进气系统和沼气一空气混合器机构;(3) 设计气体调节系统及其与调速器相配的联动机构;(4) 设计点火系统。若是由汽油机改烧沼气则不需再作(1) 、(3) 、(4) 项工作[18]。
国内外对沼气发动机的改装做了大量的研究。
李会芬等以沼气作为小型汽油机的燃料在165F 汽油机上进行了燃用沼气的改装试验,初步得出沼气作为小型汽油机的燃料是可行的[20]。广西大学周从钜等人将165F 柴油机改装成沼气-柴油双燃料发动机,将其性能与原机对比,实验研究证明在原机压缩比不变,增大进气量,控制空燃比及增大供油提前角等技术措施下,沼气发动机能取得节油效果,其动力性接近原机指标[7]。江苏大学汽车与交通工程学院的盘朝奉等人对165F 汽油机进行改装后燃用沼气进行了试验研究,并搭建了沼气实验装置平台如图4所示[19]。实验表明将汽油机的磁电机点火装置改成蓄电池点火装置,加装沼气-空气混合器,加大进气管,沼气发动机燃烧纯沼气能够正常启动,低转速范围动力性能较好,使得装备磁电机点火装置的沼气发动机难以启动的问题可以解决。另外,通过提高压缩比和增大点火提前角,发动机性能可得到一定的优化,接近原机燃用汽油的动力性指标。在较大的转速范围,发动机的输出功率和转矩随压缩比和点火提前角的增大而增大。熊树生等利用快压机对沼气燃烧的过程进行了模拟,提出了火花点火沼气发动机性能的快速燃烧方法,设计出了包括燃烧室在内的快速燃烧系统, 并将其用于
6160
图4:沼气发动机实验装置
沼气发动机发电机组的开发[16]。目前较成熟的国产沼气发电机组的功率规格主要集中在100-500kW 这个区段,根据沼气建设发展趋势分析和对沼气发电设备
的市场需求调查,对大于和小于这个区段规格的发电机组的需求正在增长。刘振波等人根据农村户用沼气池的系统特征和沼气的燃烧特性,设计研制了功率分别为700、l800、3800、4800W 等系列的户用沼气发电装置[21]。陈志强等人测试了不同天气情况下沼气成分的变化,并将汽油机加装自制的沼气-空气混合器改装成沼气发动机,在此基础上开发出一种小型沼气发电机,并对该机进行了测试,对今后沼气发电机的开发提出了建议[22]。天津大学赵勇对6160Q 柴油改装沼气发动机进行了研究,他在6160A 型柴油机的基础上重新设计了汽缸盖、活塞连杆,并相应的增加了燃气供给系统、高能点火系统、电子调速结合组等一系列技术措施,将其改装成燃气发动机[23]。广西大学的莫德赟将汽油机改装成汽油-沼气双燃料发动机,设计了空气混合器,对空燃比和汽油量的控制采用的是开环控制策略电控的方法[6]。
Duc 等人研究了沼气发动机的性能、柴油燃料的替代、能量消耗和长期的使用效应,结果显示:使用沼气-柴油双燃料除了降低发动机的能量转换效率,而沼气对柴油燃料的替代抵消了能量转换率的降低,除此之外对发动机的性能没有明显的副作用。这种发动机在某些方面的长期使用是具有经济可行性的[24]。N. Tippayawong 等人[25 26]对小型沼气-柴油双燃料动机作为发电机进行了研究。他们将一小型柴油机改装成沼气-柴油双燃料发动机,并与发电装置连接。2007年进行了2000h 的耐久性试验,2010年进行了超过3500h 的耐久性试验。燃烧90%的沼气,10%的柴油。实验证明沼气完全可以作为柴油的替代燃料,减少柴油消耗,并且发动机长时间工作稳定。小型沼气发动机作为发电机使用的潜力很大。Siripornakarachai S等人[27 28]将一台Hino K-13CTI涡轮增压柴油机改装成沼气发动机用于发电设备。加装沼气空气混合器,用火花点火系统代替燃油喷射系统,并把压缩比从原来的16:1减小到8:1,发动机转速固定在1500rpm ,改装后的发动机输出功率为134.20KW ,并且一氧化碳及氮氧化物的排放降低。
综上所述,沼气发动机可以由柴油机和汽油机进行简单的改装,加装沼气-空气混合装置。根据沼气的燃烧特性,使沼气发动机稳定高效的运转,还要对其性能参数进行适当的优化。沼气燃烧速度慢,致使燃烧持续期延长,后燃严重,排温高,燃烧效率低,是导致火花点火式沼气发动机可靠性和经济性差的根本原因。提高燃烧速度可以减轻后燃的严重状态,从而降低排气温度,改善发动机的
可靠性和经济性。湍流强度高的燃烧室可以有效的加快沼气的燃烧速度,另外,沼气的甲烷含量很高,抗爆性能较好,因此在兼顾其他影响因素后,应尽量提高沼气发动机的压缩比。增大点火能量对提高沼气燃烧速度,改善发动机性能也有明显的作用。国内沼气发动机主要用作发电机组和动力与供热混合系统装置。在城市垃圾污水处理厂,酒厂等沼气能源较充足的地方装配有较大型的沼气发电机,但是由于国内沼气发动机的性能不是非常完善,很多大型沼气发动机都是从国外进口。另外,我国农村沼气资源丰富,但资源很不集中,不能引进大型沼气发动机,因此近年来国内各研究单位正不断研究开发小型沼气发动机。小型沼气发动机改装方便,适合广大农村及偏远地区发电。目前国内很多厂家已经推出小型沼气发动机。大多数的小型沼气发动机只是在原柴油机或原汽油机的基础上加装沼气-空气混合装置,这使得发动机的性能很不稳定。如何在沼气发动机上利用先进的增压技术、快速燃烧系统、高能点火以及电控技术等,提高沼气发动机的可靠性、动力性、经济性和排放性是我们需要关注的重点。
3.2 沼气发动机的增压
发动机输出的机械功是由燃料在气缸中燃烧产生的热能转化而来的, 输出功的大小取决于进入气缸内的燃料和空气数量, 以及热能的有效利用程度。因此, 要提高发动机的功率, 就必须向气缸喷射更多的燃料, 并使它充分燃烧, 而要使燃料充分燃烧,就必须在增加燃料喷射量的同时增加进入气缸的空气量, 保证合适的空燃比。增加进气量的有效方法之一是增加进气密度, 进气压力升高和温度降低都可以使进气密度增加。目前广泛采用的是增加进气压力的方法。进气增加, 一般分为机械增压、废气涡轮增压及复合增压3种型式。由于废气涡轮增压是利用排气过程所排出废气的剩余能量来带动压气机, 充分利用了排气能量。该方式不仅使发动机功率上升, 而且燃料消耗率反而下降, 提高了动力性, 改善了经济性, 因而被广泛采用。
由于沼气发动机近年来才得到重视和研究应用,目前国内外专门介绍沼气发动机增压技术的参考文献几乎没有,但是进气系统带有节气门的汽油机和天然气发动机增压技术以及柴油发电机组增压技术对沼气发电机组增压具有很大程度的借鉴性。
土耳其Yildiz Technical 大学的Ugur Kesgin[29]使用BOOST 软件研究了废气涡轮增压系统的参数对天然气发动机性能的影响,特别是排气歧管直径,涡轮出口管道直径,增压器效率,增压器位置,涡轮出口背压和压缩机前的压力损失等。Siripornakarachai S等人[27 28]将一台Hino K-13CTI涡轮增压柴油机改装成沼气发动机用于发电设备。加装沼气空气混合器,用火花点火系统代替燃油喷射系统,并把压缩比从原来的16:1减小到8:1,发动机转速固定在1500rpm ,改装后的发动机输出功率为134.20KW ,并且一氧化碳及氮氧化物的排放降低。国家燃气汽车工程技术研究中心的陈万应等人[30]就增压技术在CNG 汽车上的应用进行了试验研究。他们选用了安装比较方便的涡轮增压机方案对发动机进行改装,实验表明:采用增压技术后,在发动机可以保持良好排放性能和燃料经济行的情况下,可以使发动机功率恢复到原汽油机的水平。北京理工大学的魏明山等人[31 32]就带有可变喷嘴的涡轮增压系统的天然气发动机进行了试验研究。他们在CA4G22E 发动机的基础上开发出一台多点顺序喷射的天然气发动机。实验结果表明,采用增压中冷技术和可变喷嘴涡轮技术可以提高发动机的进气量,优化发动机在全工况范围内与增压器的匹配,大幅度提高了发动机的动力性和经济性。北京交通大学的孟金喆等人[33]对天然气增压发动机工作过程进行了模拟分析研究。北京交通大学的安存春等人[34]利用GT-POWER 软件对电控CNG 发动机建立了仿真模型,对发动机与增压器的匹配进行了仿真模拟。结果表明,发动机能够与增压器进行较好的匹配,但由于增压器采用了了放气阀压力调节装置,致使某些工况下发动机的效率降低。北京理工大学的郝利君等人[35]对电控可调涡轮增压天然气发动进行了开发。他们将一台CA488汽油机改装成电控可调涡轮增压天然气发动机。该发动机采用了多点燃气顺序喷射技术、电控高能电火技术、可调喷嘴涡轮增压技术及中冷技术。经过试验研究可知采用可调涡轮增压技术可提高发动机的进气量,优化增压器在全工况范围内与发动机的匹配,大幅度提高了发动机的动力性与经济性。增压后天然气发动机的最大功率与原汽油机相当,低速转矩特性明显,同时发动机使用经济性也得到提高。
综上所述,对于沼气发动机而言,合理的采取增压技术,配合高能电火、增压中冷等先进的技术,可以使发动机的动力性和经济行有很大的提高。目前国内对增压技术在沼气发动机上的应用研究还比较少,都是直接应用其他气体发动
机。随着沼气发动机在国内的应用及发展,对沼气发动机应用增压技术的研究迫在眉睫。
3.3 沼气发动机的燃料供给系统
目前,对于气体发动机,国内外对CNG 气发动机和LPG 发动机的研究相对较多。普通的气体机一般是由现用的柴油机或汽油机改装而成。其中最关键的技术就是燃料供给系统和燃料调节系统。目前气体发动机的供气分为缸内供气和缸外供气,缸内供气主要是高压喷射阀供气,缸外供气可分为混合气供气和低压喷射阀供气。缸外进气道喷射分为进气总管单点喷射和进气歧管多点喷射两种。按照各缸的工作顺序向各个进气歧管喷射燃气。
进气道混合器预混合式分为机械混合器预混合式燃料控制系统和电控混合器预混合式燃料控制系统。
机械混合器预混合式燃料控制系统控制精度不高,动力性较差,排放难以达到国家法规要求。
电控混合器预混合式燃料控制系统,属于简单闭环控制,增加电子控制模块、氧传感器、燃料控制步进电机,对空燃比进行闭环控制。步进电机响应慢,并且存在丢步现象,难以满足发动机瞬态动力响应,排放控制的要求。但是结构简单,成本低,可适用于不同的气体燃料。
混合器根据原理的不同大体可分为两种,即文丘里管式(图5) 和比例调节式(图6) [36]。文丘里管式混合器对于气体压力的要求比较严格,且在开机时不容易找到最佳混合比,起动性能较差,在突然加载时,由于燃气调节不能及时跟上负载的变化容易脱载。而大部分现有沼气发电机组功率不大,用户多采用直接带负载的方式,所用此种混合器存在着一定的弊端。但此种混合器的优点是可以适应不同的沼气浓度。比例调节式混合器阀芯由两个关联的节流阀芯组成,分别控制燃气和空气流通截面积。混合器工作时,膜片感应到进气管真空度的变化,带动阀芯上下移动,改变燃气和空气流通截面积,从而控制燃气和空气流量,实现控制混合器的空燃比。
图5:文丘里管混合器
图6:比例调节混合器
通常,控制燃气与空气的混合气流量有三种方法:1)时间控制法,即控制燃气流通截面不变,改变流通时间;2)控制截面积法,即流通时间不变,改变燃气流通截面积:3)压力控制法,通过改变压差以改变燃气流量[37]。
太原理工大学将压力控制法和截面积控制法结合起来,研制了煤层气发动机比例调节式混合器,由弹簧调节混合器内膜片的升程,带动一个连动阀,同时对燃气和空气流量进行调整[38]。胜利油田管理局研制的煤层气和沼气发动机电控混合器,采用了类似的结构,区别在于连动阀的机械驱动机构由ECU 控制的执行器来替代[36 39~42]。胜利石油管理局动力机械厂分别对煤气机和沼气发动机进行了研究。他们开发研制了6105型沼气发电机组,采用电控混合器,计算机监控系统实时监控燃烧室内的燃烧情况,并将燃信号反馈到ECU 控制单元,ECU 发出指令,使电控混合气的执行器带动操纵机构,改变沼气与空气的进气流道面积,
根据沼气中甲烷的变化合理匹配空气和沼气的流量,达到实时调节空燃比的目的,实现稳定的稀薄燃烧,有效的发动机的控制热负荷;另外,他们针对煤层气甲烷成分变化自行研发了一种混合器来控制空燃比,发动机自动实时监控燃烧状况,由中央控制单元发出指令,执行器动作改变空气与瓦斯通道面积,达到调节空燃比的目。通过电子控制系统监测发动机燃烧状况,实时自动调节发动机空燃比在理想状态。这种结构形式的混合器虽然可以调节混合气的混合比,但只能按照固定的比例进行调节。为此,合肥工业大学滕勤提出了一种新的电控双阀式气体燃料混合器方案。采用文丘里管式混合器,在混合器之前的燃气和空气的通路中均加装由ECU 控制的控制阀,从而大大提高了空燃比控制的自由度和灵活性。进气系统示意图如图7所示[43]。上海交通大学的樊俊杰对60KW 生物质内燃机发电机组的控制系统设计进行了研究。基于文丘里管式混合器开发设计了一种类似的电控混合器。该电控混合器的控制原理如图8所示[44]。
图7:电控煤层气发动机系统示意图
图8:电控混合器控制原理
国外对沼气发动机的研究相对比较多。就气体发动机的进气系统而言,国外已经经过电控混合,电控单点喷射,电控多点喷射,缸内直喷。目前,在CNG 发动机上缸内直喷应用已经比较成熟。但对于沼气发动机而言,由于其甲烷含量比较低,并且成分变化比较大,应用较多的还是机械混合和电控混合。
Viktória Barbara Kovács 等人[45]对沼气在内燃机上的应用进行了研究。他们将沼气与液体燃料以及天然气在内燃机上的燃烧进行了对比,由于沼气中含有二氧化碳等抑制燃烧的气体,导致沼气的热值比较低,这使得沼气在气体燃料发动机上的应用受到限制。尽管现在燃料仍然依赖化石燃料,但是采取先进的混合技术可以使沼气成为很好的替代燃料。Iván Darío Bedoya等人[46]研究了混合系统以及不同引燃燃料对沼气-柴油双燃料发动机性能的影响。他们采用了一种高压混合器,以沼气作为主要燃料,生物柴油作为引燃油,在一台柴油发电机上进行了实验。和原机对比,使用沼气以及生物柴油作为引燃油完全可以替代柴油,并且热效率明显提高,一氧化碳排放也明显降低。Phan Minh Duc等人[47]研制了一种沼气预混控制双燃料发动机。并对发动机进行了测试。Kokubu K等人[48]为气体发动机发电装置开发了一种沼气-天然气混合系统。日本已经研发出结构紧凑高效的热电联产系统,Kokubu K等人在此基础上开发出了简单且合理控制沼气-天然气混合装置,该装置可以在0%-100%范围内调节沼气与天然气的比例。目前这种混合器已经应用于东京的一家啤酒厂,效果良好。
电控调压燃料控制方式,是一种新开发的燃料控制方式,控制方式类似于单点喷射系统,引入比例式混合器,通过控制进入混合器的燃气压力控制混合器空燃比,特点是燃气为连续供给,在瞬态空燃比控制和瞬态响应方面优于单点喷射。上海交通大学的王都等人[49~51]对稀燃增压CNG 发动机启动怠速及怠速控制进行了试验研究,针对国四及以上排放标准,设计了基于电控调压器的重型车用稀燃增压天然气发动机的电控系统。发动机的电控燃料供给系统如图9所示。
图9: 天然气发动机电控燃料供给系统
终上所述,目前沼气发动机可以应用的供气方式有:(1) 机械控制混合气预混合式供气。沼气-空气混合比有两种方法:一种是通过机械装置控制通入混合气的沼气压力;另一种是机械装置控制混合器中的阀门开度来调节供气量。对于沼气-柴油双燃料发动机,在实际操作中时通过操纵喷油泵调节齿杆来控制引燃柴油量。(2) 电子控制混合气预混合式供气。目前,电控喷射技术在汽油、柴油的应用已经非常常熟,在很多气体发动机(如CNG 发动机、LNG 发动机等)也得到应用。但是目前就国内而言,电控喷射技术在沼气发动机中还未应用。主要由于不同的制取方法,压力,温度等因素对沼气成分的影响非常大,这就对精确控制空燃比带来了很大的困难。这也是目前国内开发沼气发动机电控燃料供给系统的难点。
3.4 沼气发动机的空燃比控制策略
气体燃料具有经济性好、排污低等优点,可以替代日益短缺的石油资源,极
具研究价值;但是,需要合理的控制利用才能发挥这些优点,特别是控制混合气的空燃比。国外对燃气供给系统的研究经历了机械混合、电控混合、电控气体喷射3个阶段。我国改装较多的是机械汽化混合系统,正在向电控混合系统过渡。
就气体发动机而言,国内外对CNG 和LPG 发动机相对比较成熟。因为CNG 、LPG 的气体成分相对比较稳定,这对空燃比的控制室相当有利的。但是沼气、煤层气等气体的成分随压力、温度的变化相当大,这对发动机空燃比的精确控制造成很大的困难。就国内而言,对煤层气发动机的空燃比控制研究相对比较多一点,专门对沼气发动机空燃比控制的研究几乎没有。因此,可以参考煤层气等组分变化比较大的发动机的空燃比的控制策略,对沼气发动机的空燃比控制进行研究。
空燃比控制策略按照控制环是否闭合分为开环控制和闭环控制。由于稀燃时氧化催化剂的废气转化效能受空燃比影响很大,另外,燃气发动机的功率、平均有效压力受燃气成分和空燃比的影响相对于汽、柴油较大,因此闭环控制是最为有效的方案。闭环控制通常采用氧传感器来反馈排气中的实际氧浓度,从而达到精确控制空燃比的目的。闭环控制包括前馈控制和反馈控制。前馈控制器(发动机脉谱)控制空气流量及燃气流量,反馈控制器对燃气或空气供给量进行更精确的控制。
当前空燃比控制一般采用以下几种控制方式:基于经典控制理论的PID 控制;基于模型的空燃比控制;基于模糊控制和神经网络的人工智能控制。第一种控制的难点在于有滤波延时和传感器响应和信号提取延时,需大量时间来制作MAP 图;第二种控制难点在于需要快速的处理器,需要发展计算动态系统的控制方法或辨识方法;第三种控制难点在于智能系统结构或规则的选择,对处理器的计算速度与存储容量有较高的要求[52]。目前,基于PID 控制器及其变形的控制器在空燃比控制中容易实现,使用较广。PID 控制包括PI ,PD ,PID 几种形式。PID 控制器是将给定值与实际输出值偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量,对被控对象进行控制。
山东理工大学研究开发了一套变浓度煤层气发动机电子控制燃气喷射系统,提出了与煤层气发动机相适应的驱动电路,并设计了系统控制软件。当发动机处于过渡工况,如加载、卸载和加减速时,运用开环控制,根据转速信号和节气门
位置信号对事先制取的燃气MAP 图进行取值操作;当发动机处于稳定工况时,采用闭环控制,根据闭环系统氧传感器反馈的信号,采取不同的控制策略实时控制,使空燃比达到理想状态[53]。
山东理工大学李光举针对8300发动机燃用煤层气设计了一套燃气发动机空燃比控制系统。系统机构图如图10所示。为了使稳定工况时空燃比的平均值接近理论空燃比,发动机工况突然变动造成空燃比偏离目标值时,系统可以迅速响应将空燃比控制到目标值,同时防止发动机瞬态工况下排放恶化等情况,提出了基于CMAC 和PID 并行控制的空燃比方法[54]。之后,李玉明针对燃用煤层气的8300发动机,对基于PID 控制和CMAC+PID并行控制的两种策略进行了仿真,由仿真结果看出,后者较前者稳态误差小,控制精度高。CMAC+PID并行控制系统(图11)采用小脑模型控制与并行控制,小脑模型控制进行前馈控制,实现被控对象的逆动态模型控制,PID 常规控制器实现反馈控制,保证系统的稳定性,且抑制扰动,使得系统在高反应速度和非线性条件下具有较好的稳定性和鲁棒性[55]。
图10: 燃气发动机空燃比控制系统结构示意图
图11: CMAC 和PID 并行控制的发动机空燃比控制结构框图
合肥工业大学刘一鸣等针对由S195柴油机改造来的煤层气发动机提出了双蝶阀控制策略。进气结构系统如图12所示。在过渡工况开环控制方案中,采用了基于比值控制器的双阀控制。控制框图如图13所示。ECU 控制过程中,根据节气门开度和发动机转速从MAP 图中读取燃气阀开度作为控制系统的输入。比值计算器中的比例系数由空气阀和燃气阀配比曲线拟合得到。稳态工况下控制结构采用“前馈一反馈”模式,前馈部分即基于比值控制器的开环控制。反馈部分是基于氧传感器的PID 闭环控制,通过步进电机控制空气阀开度,因为此时调整量较小,只需对空气阀进行调整就能快速的实现控制的目的。控制图如图14所示[56]。
图12: 煤层气发动机进气系统结构
图13:基于比值控制器的空燃比控制方框图
图14: 发动机空燃比控制方框图
东南大学朱文俊等对燃气发电机组空燃比调节子系统进行了软硬件的设计。该系统是一种可满足低热值气体安全发电的基于DSP 的燃气发电机组智能化空燃比调节子系统。他们采用自适应PID 控制策略,根据空燃比和转速的变化,实时准确控制发动机燃气和空气进气量,实现了各种热值下燃气与空气量自适应
调节及发电机组转速的精确控制,提高了燃气发电机组的发电了效率[57 58]。
Luhman D J 开发了带有三元催化转化器的预混合式LPG 发动机闭环空燃比控制系统,进入混合器的燃气流量由一个步进电机驱动的燃气计量阀来调整[59]。Kerxhalli D M和Parker J K研制了电控天然气混合器,利用以Intel 8031为核心的微控制器,根据排气氧传感器提供的信息,通过步进电机调节混合器膜片的预载荷,采用“bang-bang ”控制策略,对空燃比实施闭环控制,有效提高了瞬态空燃比的控制响应性[60]。Baik D S等人针对混合器入口设有燃气阀的预混合式LPG 发动机,采用基于氧传感器反馈的PID 控制算法,通过提供不同的占空比信号控制燃气量,在CVS-75模式下进行了发动机性能和排放特性试验,结果表明有害排放物明显降低[61]。
综上所述,沼气发动机精确控制空燃比的难点在于:1)变工况时,空燃比可以很快的调节到理论值;2)当气体燃料组分、浓度、压力等变化时,空燃比可以得到有效的调节;3)稳定工况时,将空燃比控制的理论值附近,使平均空燃比接近理论空燃比。对于启动,变工况和加速时,需要过浓的混合气,因此一般采用开环控制,开环控制反应速度较快,但控制不够精确;稳定工况时,需要精确调节空燃比,一般采取闭环控制。目前国内正在将模糊控制理论和神经网络控制理论应用在气体发动机上,并且正在向智能化发展。针对沼气的性质,选择和开发合适的控制策略也成为我们关注的焦点。
3. 总结
鉴于我国能源和环境问题的突出,以及我国汽车和发动机行业的快速发展,探寻清洁环保的代用燃料已经成为迫在眉睫的问题。在众多的代用燃料中,沼气以其资源广泛、废物利用、价格便宜、燃烧完全、排放清洁等特点受到人们的广泛关注。因此,沼气发动机也日渐被人们所重视。目前,沼气发动机主要作为发电机组或热电联产设备,已被广泛用于城市垃圾处理厂、污水处理厂、养殖场、酒厂等沼气资源比较丰富的地区。
本文主要是对沼气的性质以及沼气发动机的发展、应用、改装、增压、进气系统和空燃比控制策略进行了研究。对沼气发动机的总结如下:
1. 沼气发动机的改装
沼气发动机主要是由现有的柴油机和汽油机改装而成。根据沼气的特性,在火花点火式沼气发动机改装过程要注意以下几个问题:
1) 沼气的辛烷值较好,抗爆性较好,可提高压缩比。汽油机改装一般要将其压缩比提高,柴油机改装要将其压缩比降低。
2) 沼气燃烧速度较慢,后燃严重,要采用快速燃烧系统。如采用风扇形燃烧室等。
3) 沼气燃烧温度较高,需采用高能点火系统。汽油机改装要更换高能点火系统,柴油机改装将喷油器换为火花塞。点火提前角要重新调整。
4) 进气系统改装,要对沼气进行前处理,如脱水、脱硫等。进气管要加大,对多缸机各个进气歧管应布置一直,保持各缸进气均匀。加装
沼气-空气混合器。
5) 对于增压发动机要重新对增压器进行匹配,调整增压度。
这里只是针对沼气发动机改装中的普遍问题进行了总结,对于实际的改装要根据发动机型号及参数,适当采取必要的改装措施。
2. 沼气发动机的增压
改装后的沼气发动机功率会下降,为了补偿功率的下降,就要增加进入燃烧室的混合气量。增加进气量的有效方法之一是增加进气密度,进气压力升高和温度降低都可以使进气密度增加。目前广泛采用的是增加进气压力的方法。在增加进气压力的方法中涡轮增压是比较常用技术。
目前国内外还没有对沼气发动机增压进行专门的研究,国外一般都是直接用CNG 发动机直接燃烧沼气。国外的沼气质量相对比较高,直接燃用沼气只需对发动机的压缩比、点火提前角等参数进行必要的修改即可。国内对CNG 发动机的增压匹配的研究相对比较多,因此可以借鉴CNG 发动机增压匹配的方法,对沼气发动机进行增压器选配。
3. 沼气发动机的燃料供给系统
目前,国内外在沼气发动机的燃料供给系统中普遍采用的是电控混合器。电控混合器较机械式混合器有很大的优势,可以较好的控制空燃比。
沼气中含有二氧化碳和氮气,影响沼气的燃烧速度,在进系统中应当尽量去
除;另外,沼气中含有少量二氧化硫,它对沼气发动机的曲轴和轴瓦损害比较大,也应在进气系统中应用脱硫装置。除此之外稳压装置,阻火防爆装置也必须要有。混合气的混合采用电控混合器。文丘里式混合器在沼气发动机燃料供给系统中的应用比较多。
国内对沼气发动机电控混合器的研究也比较少,对煤层气发动机的的电控混合器的研究相对较多。可以参考煤层气发动机电控混合器的研究对沼气发动机电控混合器的结构尺寸计算和软、硬件开发进行研究。
目前,双阀式电控混合器是研究的热点。它是在空气进气管和燃气进气管分别装有一个阀门,阀门分别由一个步进电机控制。通过步进电机控制阀门开度来控制混合气的空燃比。由于沼气受制取方法、温度、压力等因素的影响,其组分和浓度会发生变化,这给精确控制空燃比带来很大困难。针对沼气发动机,使之在变组份变浓度的情况下仍然能够正常运转是研究的重点。
4. 沼气发动机空燃比控制策略
沼气燃料具有来源丰富、经济性好、排污低等优点,可以缓解能源短缺和环境污染等问题,极具研究价值;但是,需要合理的控制利用才能发挥这些优点,特别是控制混合气的空燃比。
沼气发动机一般做为发电机组使用,其主要工作在稳定工况。对于启动,变工况和加速时,需要过浓的混合气,因此一般采用开环控制,开环控制反应速度较快,但控制不够精确;稳定工况时,需要精确调节空燃比,一般采取闭环控制。目前国内正在将模糊控制理论和神经网络控制理论应用在气体发动机上,并且正在向智能化发展。
沼气是有机物在空气隔绝和一定的湿度、温度、酸碱度等条件下,经过沼气细菌作用产生的。不同的发酵条件对沼气组分的影响很大,并且,在燃用沼气时,沼气池中的沼气浓度使呈周期性变化的,这将给沼气发动机精确控制空燃比带来很大的困难。这也就要求沼气发动机在变组分、变浓度的情况下能够迅速且精确的调节空燃比,使得发动机可以稳定运转。
国内对变组分条件煤层气发动机空燃比控制的研究比较多。部分生产单位及高校应用PID 控制理论及其他先进的控制理论,开发出很多有效的控制策略。如PID 闭环控制、自适应PID 控制策略、CMAC + P ID 并行控制等。这对沼气
发动机空燃比控制有很大的借鉴性。
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