xin生物质燃气发动机燃烧稳定性试验研究

生物质燃气发动机燃烧稳定性试验研究院系航空航天工程学部专业热能与动力工程班级24040202学号2012040402054姓名王泽龙指导教师陈雷负责教师陈雷沈阳航空航天大学2016年6月摘要现如今，环境污染和能源匮乏的问题越来越严重，生物质燃气作为内燃机的替代燃料之一，具有资源丰富容易取得等优点，但是生物质燃气也有其缺点，例如它的组成成分及含量多变，不可燃组分含量较多，而不可燃组分又会导致部分燃烧等我们不想要的燃烧发生，因此生物质燃气发动机在工作时经常出现燃烧稳定性差等问题，针对这个问题，我们在一台小型风冷汽油发动机上采用瓶装气体模拟实际生物质燃气的方法做了可变的组分生物质燃气发动机的燃烧循环变动试验研究，分析了二氧化碳以及各个可燃的成分的含量变的化对发动机运行时工作稳定性与否的影响，也找到了燃料组分多少的变化对发动机稳定与否的一些影响规律。结果显示，当理论空燃比除以实际空燃比（当量比）的比值较小、且燃料组份中氢气的含量相对较小时，二氧化碳的含量对燃烧稳定性起决定性的支配作用，循环变动的增加的原因主要是因为二氧化碳含量的增加，但随着氢气含量的增大以及理论空燃比除以实际空燃比的比值变大特别是当氢气的含量达到50%之后，二氧化碳对燃烧的控制影响作用开始越来越弱。本试验通过进行生物质燃气发动机的燃烧试验，旨在找出燃烧最稳定状态下各组分含量，获得改善稳定性方法。关键词：生物质燃气；小型风冷汽油发动机；循环变动；平均指示压力系数；当量比；ExperimentalResearchoncombustionStabilityofBiomassGasEngineAbstractNowadays,environmentalpollutionandthelackofpowersourcesarebecomingmoreandmoreserious.Asanalternativefuelofinternalcombustionengine,thebiomassgashastheadvantagesofabundantresourcesandeasieraccess.However,thebiomassgasalsohasitsdisadvantages,suchasthechangeablenessofitscompositionandcontent,thehighcontentofnon-combustiblecomponent,whichwillleadtosomeunwishedcombustionsoccurs.Hencethebiomassgasengineoftenappearstheproblemsuchaspoorcombustionstabilityinworkingcondition.Inordertosolvethisproblem,weusebottledgastosimulatetheactualbiomassgas,andexperimentalstudyoncyclicvariationofbiomassgasenginewithvariablecompositioninasmallair-cooledgasolineengine,thenanalyzetheimpactofthecontentchangesofCO2andthecombustiblecomponentsonthestabilityoftheengine,meanwhilefindfuelinfluenceofcomponentchangeonenginestability.ResultsshowthatthecontentofCO2hasadominanteffectoncombustionstabilityontheconditionofthecontentofhydrogeninthefixedequivalenceratiowhenthetheoryofair-fuelratioandtheactualair-fuelratio（equivalentproportion）istheratioofandtherelativelysmallhydrogencontentinthefuelcomponent.TheincreaseofCO2contentleadstotheincreaseofcyclicvariations.However,withthehydrogencontentincreasingandwhenthetheoryofair-fuelratioandtheactualair-fuelratioistheratioofbig,theinfluenceofCO2oncombustionbecomesweaker,especiallywhenthehydrogencontentisupto50%.Thisstudyaimstofindoutthecontentofeachcomponentinthemoststablecombustionandobtainthemethodofimprovingthestabilitywiththecombustionexperimentofbiomassgasengine.Keywords:biomassgas;smallaircooledgasolineengine;cyclechange;meanpressurecoefficient；equivalentproportion1绪论1.1课题背景及意义1.1.1能源危机我国是在资源的消费和生产上都有十分庞大的数量，拥有各种的化石和天然气资源。2015年，我国原煤产量为36.8亿吨，同比下降3.5%，探明剩余可采矿产储量约占全世界的12%，居世界第三位。但是我国的人均资源拥有量比较低，矿产资源和水资源人均的拥有量只有世界平均水平的一半甚至更少，石油、天然气的我国人均资源拥有量更深比世界平均水平低很多甚至不到世界平均水平的16%。能源资源存量不均衡并且开发起来难度相对较大，石油、天然气和煤炭等重要能源的储量非常不够。而随着社会进步和工业革命后工业发展至今，特别是我国私家车数量的迅速发展导致发动机的耗油量越来越高，石油的需求量开始越来越大，加大了能源危机。到2004年底，在全球消耗的能源结构比例中，石油、煤炭以及天然气、水还有核能分别占的比例为36%，27%,23%,6%,6%。随着能源侧重点的不断变化，我们对能源的使用结构也会有比较大的改变。天然气、石油、煤炭、核能、水能和其他能源分别占30%.28.5%.24.3%,8.3%,8.5%.4.2%,目前探明的天然气、石油、煤炭的储量分别为155万亿m3，154.3万亿m3和1886亿吨，现储存量可用年限为40年、60年和100年。以前，我们使用的主要能源类型是石油、煤炭和天然气，但随着能源来源的不断变化以及社会技术的不断提高，新能源的应用会不断增加。但目前来看我国拥有的所有能源的总量已经能维持未来十年我们的使用，现属于资源匮乏的国家之一，石油和天然气都只靠当前的开发已经不能维持所需，表1-1为煤炭，燃油和燃气在使用时候的使用量多少，从表中我们可以得这几种燃料的使用情况在持续增长而且炭还是占有很大的比例。形成煤炭，石油等化石燃料是一个长期的过程，并且有研究显示现如今地球如今的情况基本上不会有动植物在死之后变成化石燃料，所以煤炭石油等已经成为了用一点少一点用完就没有了的东西，能源危机现状十分严重,表1-2为我国现阶段资源概概况1-2我国现阶段资源概况1.1.2环境问题化石燃烧造成的污染已经越来越严重，化石燃烧排气中有碳氢化合物、NO、CO、甲醛等有害气体以及颗粒物，损害人的身体健康以及造成全球变暖现象和酸雨等的出现，而石油和煤炭的燃烧正是产生这些污染物的原因。经历了长期发展，发动机的使用越来越读多，内燃机燃烧形成的有害物质对空气和环境的污染也开变得越来越严重，内燃机排放的废气也越来越多，表1-3为我国一些城市汽车排放污染物比率。表1-3我国一些城市汽车排放污染物比率由内燃机排放的有害物质导致的环境破坏让如今的环境问题越来越严重，已经开始让如今人们的身体健康越来越差。而伴随着现在人对环境的越来越重视，希望治理环境改变能源结构的呼声越来越高，这就要求我们必须尽快找到能代替老能源结构的清洁能源。1.1.3研究意义随着科技的快速迅猛发展，能源缺乏与环境破坏越来越严重，许多土地在环境被破坏后已经难以变好到之前的样子，我们也不能再在哪里生活。能源的缺乏和环境的越来越差已经成为整个人类社会所关注的重中之重，我们人类必须为我们所生存的家园负责，尽快解决能演危机，造福子孙后代。为达到可持续不断发展的目的，当今科学家们研究出用好得到并且可以用来代替的燃料解决能源危机。而生物质燃气便是此中之一，生物质燃气是指秸秆、动物粪便、植物杆、木头等匪气农作物或者生物质经过发酵或者燃烧得到的生物质燃气，主要成分为可燃气体甲烷、一氧化碳、氢气等以及不可燃气体二氧化碳和氮气等，我国土地辽阔，木材秸秆以及动物粪便等数量都特别巨大，所以研究生物质燃气燃烧的稳定性，最大限度的利用生物质燃气这一资源对我国的环境保护和能源利用都有十分重要的意义。1.2生物质燃气研究现状1.2.1国外研究现状一些公司都推出生物质燃气发动机印度农业研究院介绍了不同来源的生物质燃气的制取瑞士Verenum研究院对生物质净化气在内燃机上的应用研究发现了，如何达到对发动机最低运行安全要求。国外学者不只探讨生物质燃气的燃烧特性，对一些代替气体燃料也展开了比较深入的探讨。英国帝国理工学院教授利用自己研发并设计的上安装有压电传感器和蓝宝石玻璃的圆筒容弹装置，测量了燃烧压力和找出了火焰阴影图像。日本冈山大学和汽车公司合作设计了带孔板的燃烧弹，孔板的作用主要是产生湍流，研究表明气流可以从孔板到容弹末端，湍流的强度不断减弱，随点火时刻变化而发生变化，最大湍流强度为1.8m/s。美国的加利福尼亚大学等人研究了氢气和一氧化碳的燃烧动力学机理和甲烷-一氧化碳-氢气的混合气燃烧，以及在不同情况下混合气和燃烧速度以及反应速度，结果显示无论何种情况下当量比略大于1时速度都接近最大，减少一氧化碳和增大温度都会增大火焰层流的燃烧速度。加拿大卡尔加里大学里解释了为何点火发动机它的气体燃料燃烧期约为50°CA美国西北大学研氮气和空气混合气随压力和当量比变化时的层流燃烧速度。英国利兹大学定量的分析和测定火焰的发展情况。他们研究结果显示，Marksteinlength随压力的下降会下降，但是随温度的变化不大，并且会随着当量比的增加而增大。印度理工学院在一氧化碳,氢气中加入氮气，发现当氮气含量从零变化到60%的时候，火焰最大速率出现的地方从当量比0.5变化到0.7。已经有人指出EGR率不能超过40%，否则对气体燃烧速度的影响非常大。德国亚探大学在AVL单缸发动机机上研究了天然气与氢气燃料的发动机性能，可以得出，当氢气的含量达到20%之后，点火提前角会向后推迟4°CA，有利于降低NOX排放而且还降低火焰的温度。在气体燃料中添加氢气的方法和氢气含量大于50%和小于50%时对混合气的影响也有了研究，并发现氢气含量大于50%和小于50%对混合气的影响有很大的不同给出15%以内体积比的甲烷加入到氢气中发现随着甲烷含量的增加，火焰稳定性增加1.2.2国内研究现状由于生物质燃气的成分和热值不太稳定，造成燃烧不稳定，太原理工大学在燃气轮机上燃用低热值气体研究一氧化碳、甲烷和氢气的燃烧特性，根据可燃气体和非可燃气体成分变化添加某种组分，研究表明，添加一定量的一氧化碳、甲烷或者氢气，可以得到稳定的燃烧西安交大利用燃烧弹，重点研究了甲烷和空气、甲烷和氢气这两种混合气的燃烧特性，研究者得到了两种混合气在不同初始压力、不同当量比、残留废气系数下的影响规律。他们对预气湍流进行了循环分析，得到了湍流燃烧所产生的试验结果、以及火焰火发展初期它的变化情况、湍流参数对燃烧产生特性的影响。西交大用数值模拟甲烷一氧化碳和空气层流火焰的V，