火花点火式沼气燃烧的试验研究
沼气是一种新型的可再生能源，主要由有机物发酵产生，其燃烧产生的废气污染物较少，具有资源广泛、价格便宜、排放清洁的特点［1］。四川拥有农村沼气用户近600 万户，同时，四川是一个农业养殖大省，随着农村养猪集约化发展，大、中型养猪场排泄物所带来的环境污染已引起环保部门的高度关注。通过建立沼气池对养猪场的排泄物进行发酵处理是生态养殖业的发展方向，利用沼气发电解决养猪场自身供电问题，是有效利用沼气、实现节能减排的重要途径。沼气内燃机是实现生物质沼气的热值转换为动能，带动发电机组转换为电能的重要装置。
沼气的主要成份是甲烷，其火焰传播速度较慢，层流火焰速度低于汽油-空气的层流火焰传播速度，因此，合理组织缸内气流运动，促进燃烧的进行，对点燃式沼气内燃机就变得尤为重要［2］。盆形燃烧室的特点是凹坑较浅，底部较平［3］。为详细分析盆形燃烧室形状对缸内混合气及火焰传播的影响，本文应用CFD 软件，对由某4100 汽油机改造的沼气发电机的燃烧室内的燃烧过程进行了三维数值模拟，得出缸内压力、速度和湍动能分布等信息，并利用定容燃烧系统对沼气燃烧速度进行了层流火焰传播速度测量，为盆形燃烧室使用沼气作替代燃料时的改进提供依据。
1 沼气理化特性
沼气的主要成分是甲烷，含量达50%～70% ，其它的主要成分是二氧化碳(25%～50%)，还含有少量的硫化氢、氧气及一氧化碳等气体［4］。由于沼气的主要成分是甲烷，甲烷的着火温度较高(905.3 K)，燃烧速度较慢，另外，沼气中大量存在的CO2 对燃烧具有强烈的抑制作用，故沼气的燃烧速度很慢［4］。当沼气用于内燃机时，容易产生后燃等不正常的燃烧现象，通过采用快速燃烧技术、改变压缩比及加强缸内混合气的气流扰动等措施可得到解决［1，5］。
本文的研究对象是一款研发的4100 超低排放沼气专用内燃机，它是适应沼气燃料的清洁能源内燃机，其主要用途是作为养猪场发电机组的动力输入。考虑到沼气燃烧速度较慢，为减少后燃产生的可能性，将其原机的压缩比提高到了12。进行实验用的沼气是参考某养猪场的沼气成分进行配制的。因此，对养猪场的沼气及试验所用的配制气进行了气相色谱仪成份分析(见表1)，试验用气相色谱仪为上海科创生产的GC9800 型。
表1 沼气成份 (%)不同沼气 氮气 甲烷 二氧化碳 其它养猪场沼气7.60 68.60 23.46 0.34配置沼气2.42 69.82 24.18 3.58
从试验结果可以看出，调试标定所用配制气成份中甲烷的含量与养猪场沼气成份中甲烷的含量基本接近，说明调试标定所用的配制气的成份能够反映养猪场沼气的主要特性，满足试验及使用要求。根据气相色谱仪测得的试验结果，计算出养猪场沼气及调试标定所用配制气在标准状态下的低热值及气体密度如表2。
表2 沼气低热值及密度不同沼气氮气 甲烷 二氧化碳 硫化氢 其他微量成分 燃料低热值 密度%%%%%MJ· Nm -3 kg·Nm -3 7.60 68.60 23.46 0.03 0.31 24.625 1.052配制沼气养猪场沼气2.42 69.82 24.18 3.48 0.10 25.057 1.010
2 模型建立
如图1 所示，为4100 发电机的燃烧室结构简图，发动机缸径和行程分别为100 mm 和115 mm，改进后的压缩比为12。由于该燃烧室是一个中心对称的盆形结构，为节约计算时间，计算只针对燃烧室空间的1/8 空间进行。图2 是燃烧室的1/8 容积在不同曲轴转角下划分的网格图。
图1 燃烧室结构示意图
图2 不同位置下的燃烧室网格图
计算从进气门关闭(即228oCA)开始，到排气门开启(即484oCA)结束，计算转速为1500 r·min-1，点火提前角为24oCA。边界设置时，将1/8 容积的扇形体周向相对应的两个边界定义为循环边界，其余边界定义为固定壁面边界，缸壁温度(520 K)，缸套温度(475 K)，活塞表面温度(550 K)，燃料初始温度(330 K)。流动模型采用标准κ-ε 双方程源流模型，点火模型采用火花塞点火模型，燃烧采用CFM-2A 连续火焰燃烧模型，NOX 生成采用Zeldovich 模型，碳烟生成模型采用Kennedy-Hiroyasu-Magnussen 模型。
3 计算结果及分析
3.1 示功图及放热率曲线
图3 是示功图实测值与模拟计算值的对比，可以看出，计算值与实测值较吻合。
发动机的点火提前角为24oCA，由于发动机所用燃料为沼气，其主要成份是CH4，因此，混合气火焰传播速度较慢。据研究，其传播速度仅为汽油-空气混合气的0.8～0.9 倍，这就造成燃烧室内混合气的燃烧速度变慢。通过模拟计算也可以看出，在24oCA 的点火提前角下，试验用发动机在360oCA 附近达到缸内最高压力，说明压缩比调大到12 时较能满足发电机做功对压缩比的要求。
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