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柴油甲醇组合燃烧发动机在电站机组中的应用研究 摘要 本课题主要着眼于组合燃烧发动机在电站机组中的应用研究，通过对本公司 生产的柴油机和电站机组的理论分析和具体实践，在组合燃烧发动机减少碳烟和 h o ，排放，降低当量比油耗，提高机组的使用经济性，以及组合燃烧发动机满足 电站机组特殊的动力匹配方面进行了创造性的总结，并论证了适合我国技术水平 和能源状况的组合燃烧理论。 组合燃烧发动机的结构特点，是将柴油机改造成执行组合燃烧的喷醇发动 机。这种燃烧利用醇的高汽化潜热和含氧特性，达到同时降低柴油机碳烟和n o x 排放的目的。与此同时，利用甲醇取代部分石化燃料，可以缓解石化燃料的供需 矛盾，符合我国的能源政策。 研究表明，为满足电站机组在负荷阶跃式变化过程中的电压和频率的稳定， 组合燃烧发动机必须和单纯柴油动力一样，满足电站机组对发动机的较高调速率 要求，此电子调速模式为本课题的又一重点。 组合燃烧发动机应用到电站机组，该课题的提出及研究结论不仅在理论上而 且在应用前景方面都具有十分重要的意义。 关键词：柴油电站机组，组合燃烧，电子调速，碳烟与n o x 排放，使用经济性 t h es t u d yo f d i e s d m e f l m n o lc o m p o u n dc o m b u s t i o ne n g i n e i s a p p u e dg e n e r a a n g s e t s a b s t r a c t t h i sr e s e a r c hf o c u s e so nt h ei n v e s t i g a t i o no fa p p l i c a t i o no fc o m p o u n dc o m b u s t i o n e n g i n ei ng e n e r a t i n gs e t s t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n so f d i e s e la n dg e n e r a t i n gs e t sp r o d u c e db yo u rc o m p a n y , c o m p r e h e n s i v ei n v e s t i g a t i o n s h a v eb e e nc a r r i e do u ti ns u c ha s p e c t sa ss o o ta n dn o xe m i s s i o n sr e d u c t i o nf r o m c o m p o u n dc o m b u s t i o ne n g i n e s ，s p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o nr e d u c t i o n ，i m p r o v e m e n t so f f u e le c o n o m yo fg e n e r a t i n gs e t sa n dc o m p o u n dc o m b u s t i o ne n g i n em e e t ss p e c i a l p o w e rm a t c ho fg e n e r a t i n gs e t s an o v e lc o m p o u n dc o m b u s t i o nt h e o r yi sa r g u e d w h i c hs u i t st h et e c h n o l o g yl e v e la n dt h er e s o u r c eo f t h ee n e r g yo fo u rc o u n t r y t h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i co fc o m p o u n dc o m b u s t i o ne n g i n ei sm o d i f i c a t i o no f b a s i cd i e s e le n g i n e si n t oa l c o h o l - i n j e c t i o ne n g i n e s i tc a ns i m u l t a n e o u s l yr e d u c et h e s o o t ( p m ) a n dn i t r i d eo x i d a t i o n o x ) e m i s s i o n sf r o mt h ee n g i n e s ，a n da tt h es a m e t i m eu s i n gm e t h a n o li nd i e s e le n g i n e sc a nr e l i e v et h ep r e s s u r eo fp e t r o l e u mf u e l c o n s u m p t i o n ，a l l e v i a t e st h eu n b a l a n c eb e t w e e nt h en e e da n ds u p p l yo fp e t r o l e u m w h i c hi si na c c o r d a n c ew i t ht h en a t i o n a le n e r g yp o l i c y r e s e a r c h e ss h o wt h a tc o m p o u n dc o m b u s t i o ne n g i n e ss h o u l dh a v et h es a m e c a p a b i l i t y t o s a t i s f yv o l t a g e a n d f r e q u e n c ys t a b i l i t y i nt h ec o u r s eo fl e a p t r a n s f o r m a t i o no fl o a do fg e n e r a t i n gs e t sa n dm e e tt h en e e do fh i g h e rg o v e r n o rr a t e r e q u i r e db yt h eg e n e r a t i n gs e t s t h i se l e c t r o n i cg o v e r n o rc o n t r o lc o d ei sa n o t h e r k e y s t o n eo f t h es t u d y a p p l i c a t i o n so fc o m p o u n dc o m b u s t i o ne n g i n e si ng e n e r a t i n gs e t s t h i ss t u d yi so f g r e a ts i g n i f i c a n c ei nt h e o r e t i c a lc o n t r i b u t i o n sa n dp r a c t i c a lf u t u r ea p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：d i e s e lg e n e r a t i n gs e t s ，c o m p o u n dc o m b u s t i o n ，e l e c t r o n i cg o v e r n o r , p ma n dn o x e m i s s i o n ，u s i n ge c o n o m i ce f f e c t i v e n e s s 图l - l 图l 一2 图l 一3 图卜4 图2 - 1 图3 1 图3 2 图3 - 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 - 7 图4 - 1 图4 - 2 图4 3 图4 - 4 图4 5 图4 - 6 图4 7 图4 - 8 图4 - 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 一1 3 图4 1 4 图4 一1 5 图4 1 6 图4 - 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 - 2 0 碳烟的形成过程一一 插图清单 一z l 碳烟形成数量与温度及过量空气系数的关系一4 喷油提前角与燃油消耗和排放之间的关系一一一5 组合燃烧理论的控制模式 3 0 g f 一3 柴油电站机组结构图一 甲醇一柴油组合燃烧发动机测试台 三相负载加载箱一一 试验装置布置图 过渡醇箱一 电控装置的组成及原理 控制装置试验板一 a t 8 9 c 5 1 内部结构 1 0 一1 6 一一一1 8 一一1 9 一一1 9 2 0 一一一一一2 5 2 6 】5 0 0 r m i n 不同喷醇点缸压曲线图 1 5 0 0 r m i l 2 不同喷醇点d p d 中图一 1 5 0 0 r m i n 不同喷醇点n o x 排放 1 5 0 0 r m in 不同喷醇点碳烟排放 】5 0 0 r m i n 不同喷醇点h c 排放 1 5 0 0 r m i n 不同喷醇点c o 排放 5 0 0 r m i n 不同喷醇点排气温度 喷醇对进气温度的影响 喷酵对碳烟排放的影响 3 0 3 0 喷醇发动机与柴油机n o x 排放对比 3 l 3 】 3 1 3 1 3 2 喷醇对当量比油耗的影响一一一 喷醇对有效热效率的影响一 喷醇对发动机排气温度影响 喷醇对c o 排放的影响 喷醇对t h c 排放的影响一一 转速随负载的变化曲线 电压随负载的变化曲线 频率随负载的变化曲线 3 4 一3 4 3 5 一3 5 一一3 6 不同负载下频率随时间的变化曲线 不同负载下电压随时间的变化曲线 3 7 3 7 表l l 表3 一l 表格清单 柴油、甲醇的主要理化特性一 电控装置的组成及功能一一 1 4 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获 导佥目g 王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 靴做储裤：槲钠飙。年多胁曰 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些鑫堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘t 允许论文被查阅或借阅。本人授权金 自b 王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：0 6 年 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期 电话 邮编 日 胁 r “ 勰一 致谢 硕士研究生阶段的学习和科研工作结束了，硕士论文也完成了，每想到此， 心中既有兴奋和激动，也有诸多感慨，我深切的感到，论文的顺利完成，有自 己的辛勤努力，但更多地是获得了老师、同事、领导及家人的无私帮助和真诚 支持。 早在十几年前的本科学习阶段，本人就有幸成为李旗员老师的一名弟子， 在他的教诲下，我不但学到必须的文化知识，更学到了许多做人的道理。几年 前，当我又回到学校，重新拿起书本进行硕士研究生课程学习的时候，李老师 已成为一名有严谨的治学态度，渊博学识的教授，并走向重要的领导岗位，我 为选择李老师为我的指导老师而感到欣慰。本文是在李老师的悉心指导和亲切 关怀下完成的，从课题的选向到论文的撰写，每一个过程都凝聚他的心血。在 此对李老师表示衷心地感谢。 非常感谢合肥工业大学研究生院彭好伟老师在硕士论文的格式、写作要点 方面给予的指导和支持。 真诚地感谢天津大学燃烧学国家重点实验室的姚春德教授在课题研究的基 础理论方面给予的指导。感谢王银山博士、段峰硕士在实验测试方面给予的合 作与支持。 感谢我公司的主要领导，是他们的大力支持，才使我在繁忙的工作中，挤 出时间，从事自己的课题研究工作。 感谢我公司的时优华高工、陶德义工程师及产品试验室的其他试验人员， 是他们无私地工作、协助我完成各项基础研究和样机测试方面的工作。 最后感谢我的家人。特别是妻子童燕妮，对我工作的理解和支持，使我的 课题研究及论文写作能顺利地完成。 作者：秦望峰 2 0 0 6 年5 日 1 1 前言 第一章绪论 1 1 1 用途日益广泛的柴油电站机组 电站机组又名发电机组，是一种由其他形式的能转化为电能的装置。常见 的电站机组有蒸汽轮组、燃气轮组、水轮机组、内燃机动力机组、核动力机组、 太阳能机组、风力机组等。内燃机动力机组是上述机组的一种，现通常指工频 柴油动力机组和汽油动力机组，且以柴油动力机组为主，其基本结构包含内燃机、 发电机、连接和固定装置、控制仪表等。”1 。工频柴油动力机组广泛用作工矿企业、 医院、宾馆、饭店的应急备用电源；军事和民用通信，战地和野外作业，车辆、 船舶等特殊用途的独立电源；大电网不能输送到的地区或不适于建立火力发电厂 的生活和生产所需的电源及各种移动电站等。 随着我国经济特别是工业经济的持续快速增长，电力需求必然相应增加。 然而，我国今年夏季继去年继续出现了最为严峻的缺电局面。国家电网公司有关 负责人近日表示，今年全国电力缺口达3 0 0 0 万千瓦，拉限电范围迸一步扩大， 到目前为止，共有2 4 个省级电网拉限电，仅国家电网公司系统就累计拉限电8 0 多万条次，电网安全稳定运行面临着巨大的压力和困难。今年夏季用电紧张，部 分电力需求将转移到冬季，另外冬季枯水季节水电也将少发，今冬明春，华东、 华中、华北和南方电网仍将维持紧张的形势，东北、西北地区用电高峰在冬季， 也可能出现的缺电局面。 国家发改委预测，今冬明春全国电力供需将总体紧张。 之所以中国电力供应再度成为“瓶颈”最主要有三大原因。( 1 ) 建设速 度滞后于需求增长导致总量不足是根本原因。近年来电力建设投资占全国基建投 资比例逐步下滑，由“八五”时期的1 2 0 9 降到“九五”的1 0 4 ，到2 0 0 2 年 仅为7 1 7 ，电力不仅已经不再先行，甚至落后于g d p 的增长幅度。而建设速度 放慢的同时，需求却不断上升。从2 0 0 0 年到2 0 0 2 年，电力需求增速平均1 0 左 右，高于同期发电装机增长速度约4 3 个百分点，而到今年需求增幅高于发电装 机增幅甚至超过7 个百分点。( 2 ) 高耗能行业增速过高，用电结构重型化使电 力对经济增长的支撑力下降。今年，钢材、铝、有色金属等高耗能产品产量增速 超过2 0 ，黑色和有色金属冶炼用电分别增长2 5 8 2 和2 4 5 2 。高能耗行业的快 速增长导致g d p 用电单耗上升，今年头三个季度达到1 7 3 7 千瓦时万元，同比 增长6 5 5 ，仅此一项就拉动用电增长7 1 个百分点。用电单耗增长使电力供应 支撑经济增长能力下降。( 3 ) 气候导致随机性缺电使电力供应雪上a n 霜。高温、 干旱、江河来水少导致了负荷上升，水电发电量减少，而农业灌溉用电量增加。 同时华东、华南、华中电网夏季空调负荷比重均超过3 0 ，部分城市超过4 0 ， 这在过去从未有过。一升一降加剧紧张程度。此外，电网和电价制约、电煤供应 紧张、机组非计划停运次数增加等其他因素也加剧了部分地区的用电紧张局面。 由于国家电力建设速度滞后于需求，供电紧张的矛盾无法从根本解决，而使用 柴油电站机组是缓解这一问题的有效方法。在此背景下，投资少、见效快，便于移 动和搬运，可作为工厂、农村、矿山、船舶自备电源和移动电源的内燃机动力机组， 特别是柴油电站机组，得到了迅速的发展。2 0 0 4 年全国柴油电站机组销量达到1 0 0 0 万千瓦左右，创历史新高。今年上半年，国内各柴油发电设备公司( 含中外合资公 司) 各类电站机组的总功率数比去年同期又增加3 0 。兰州电机厂、上海马拉松、 无锡新时代、重庆康明斯等公司的产品一直是供不应求。柴油电站机组有一个十分 好的发展前景。因此对柴油电站机组的研究十分必要。 11 2 节能和环保是内燃机发展的两大主题 内燃机和其它动力装置相比，具有热效率高，功率密度大，使用寿命长，工作可 靠，操作方便，价格低廉等优点，而这些优点是其它动力装置短时间内无法超越的， 保持这一独特地位的前提是能够处理好环保、节能和安全这三大主题。其中与内燃 机发展相关的最重要的两大主题是节能和环保，这就关系到能源和环境问题。 能源是社会发展的物质基础，是人类改造自然、进行生产活动、创造物质财富 并赖以生存的动力，而地球上最紧缺的石化资源主要就是由内燃机消耗的，因此， 节能是内燃机永恒的主题。 与此同时，大量使用石化资源，也引发了许多环境问题，目前全世界数亿人生 活在空气污染严重的城市里，呼吸着质量不良的空气，以至于每年有几十万人过早 死亡，数以万计的人患有急性或慢性疾病，人类正面临着有史以来最严峻的环境危 机。环境是指与人类密切相关的、影响人类生活和生产活动的各类自然力量或作用 的总和。面对能源与环境问题，i 9 8 7 年联合国世界环境与发展大会提出人类社会持 续发展的概念，即发展不仅是满足当代人的需要，还应考虑不损害下代人的需要。 因此保护人类赖以生存的自然环境和自然资源成为当今世界共同关心的全球性问 题。我国的中华人民共和国节约能源法中，已将“保护环境”作为该立法的目 的之一，以实现经济建设与环境保护的协调发展。 在诸多的环境问题中，大气污染是一个十分严重的问题，对国内外大城市大气 质量的测试结果表明，内燃机的废气排放是城市大气污染的主要来源。 在柴油机中，其排放污染物主要是微粒和n o x ，如何降低碳微粒和n o x 的排放 是解决好柴油机发展的主要问题所在，而降低碳微粒和n o x 的排放的困难在于：同 时降低n o x 排放和p m 排放时，存在着相反的规律”1 。这也是本课题需研究的一个 2 主要问题。 1 1 3 碳烟和n o x 的排放是制约柴油机发展的两大因素 11 3 1 碳烟和n o x 的危害 碳烟是柴油机微粒的主要组成部分。美国环境保护局定义的柴油机排气微粒 是：稀释到j 1 7 以下的柴油机排气流过带有聚四氟乙烯树脂的滤纸时，被滤纸 所过滤下来的所有物质。包括：以碳元素为主的碳烟、未氧化或未完全氧化的碳 氢化合物、硫酸盐以及与硫酸盐结合的水和其它杂质”3 。碳烟本身无毒，但碳烟 常夹附有s o ：及其它碳氢化合物，如致癌的多环芳香烃( p h a ) 、苯丙芘等。由于 国内柴油机技术水平落后、维护保养不当、燃油质量差等原因，造成国内柴油汽 车冒黑烟的现象比比皆是，满载等工况下工作时经常是“黑烟滚滚”，给国民留 下极不好的印象，形成了人们观念上的“厌柴”和政策上的“禁柴”。 氮氧化物有n o 、n o ：、n 必，、n 1 0 、n 。0 j 、n ：o 、n o 。，统称为n o x 。排放的废气 中主要是n o 和n o ：。n 0 是一种无色无味的气体，毒性不大，在空气中能生成n ( ) ：， 但高浓度的n o 对血液有毒性作用，能使中枢神经瘫痪及痉挛。n 0 1 是一种红棕色 气体，有强烈的刺激性气味，是排放的废气中恶臭物质成分之一，被吸入肺部时， 能与肺部的水分结合生成可溶性硝酸，有刺激作用，严重时会引起肺气肿。在强 烈阳光下会发生光化学反应，形成二次污染。 为了限制柴油机排入大气中的有害物质，世界各国制定了严格的柴油机排放 标准。与我国排放法规关系密切的是欧洲排放标准。 1 1 32 碳烟和n o x 的生成机理 柴油机碳烟的生成条件是高温和缺氧。由于柴油机混合气极不均匀，尽管总 体上是富氧燃烧，但局部的缺氧还是导致了碳烟的生成。图卜1 为碳烟的大致形 成过程：燃油中的烃分子在高温缺氧的条件下热裂解，形成部分乙烯和聚乙烯； 乙烯和聚乙烯在不断脱氢后，聚合成以碳为主的，直径为2 n m 左右的碳烟核心； 气体中的烃在这个碳烟核心的表面凝聚，以及碳烟核心之间的凝聚，使得碳烟核 心的表面增大，成为直径为2 0 3 0 n m 左右的碳烟基元。至此，碳烟的质量已基 本确定。最后碳烟基元堆积成直径li j i l l 以下的微粒”3 。 乳夕 ：鬯。：二：j ：j i ：i i ：? 芦 - d i i q 潮i h * ， 图1 一1 碳烟的形成过程图卜2 碳烟形成数量与温度及过量 空气系数的关系 碳烟形成数量与温度及过量空气系数的关系见图卜2 。碳烟的形成数量随着 过量空气系数的降低而增加。温度对碳烟形成数量的影响，则在1 6 0 0 l7 0 0 k 之 间达到最大值”。 柴油机n o x 的生成条件是高温、富氧及高温持续时间。内燃机排放物的n o x 主要是n o 。n 0 的主要来源是参与燃烧的空气中的氮。由大气中生成n o 的化学机 理是泽尔多维奇( z e l d o v i t c h ) 奇机理。在化学当量混合比( 中a = 1 ) 附近。导 致生成和消失n 0 的主要反应为： 0 1 营2 0 n ! + o 营n o + n n 十0 1 n 0 + o n 十o h n 0 + h 由于n o 的生成反应比燃烧反应慢，所以只有很少一部分n o 产生于很薄 ( 枷1 m m ) 的火焰反应带中。大部分n o 在离开火焰的燃气中生成。n 0 的生成强 烈地依赖温度，氧浓度的提高也使n o 生成量增加。 碳烟和n o x 的不同生成条件同时在柴油机内出现，给治理其排放带来极大 的困难。 1 1 3 3 降低柴油机碳烟和n o x 的主要措施 为了达到严格的柴油机排放法规要求，人们研究了各种降低碳烟和n o 。的措 施，如推迟喷油提前角、增压中冷技术、高压麸轨技术、改进燃料的性质、废气 后处理技术、废气再循环技术和新概念燃烧理论一均质混合气压燃着火( h c c i ) 等。 4 推迟喷油提前角 可以降低气缸 的压力升高率和燃烧最高温度，使柴油 机的n ( ) 、排放量减少。但是，柴油机的微 粒排放增加，m 和c o 的排放量也上升。 柴油机的动力性能和燃油经济性下降。 因此，仅用推迟喷油提前角来降低柴油 机的n 0 、排放的潜力是有限的，如图卜3 所示。 增压中冷技术增压柴油机一般采 用比非增压更大的过量空气系数，促进 了燃料的氧化反应，因此，增压有利于 降低柴油机的微粒排放，而且c o 和h c lo 扎 0 丑 。io 留 瞵：| 一ed0d ( 嗤油时划 图卜3 喷油提前角与燃油 消耗和排放之间的关系 ； u 墼 8 的排放也会降低。但增压后的进气温度较高，有的甚至高达1 5 0 。这又使最高 燃烧温度提高，在富氧条件下又会造成n o 。排放量升高。为了满足未来严格的柴 油机排放标准，增压柴油机必须采用中冷技术以降低进气温度，但增加中冷器势 必增加发动机的成本，并且其安装在空间要求严格的车辆上也受到一定的限制。 高压共轨技术目前最有发展前途的供油系统之一就是高压共轨。在低转速 下也可以实现高压喷射，在循环喷油量一定的条件下可以使用很小的喷孔直径， 有利于减少微粒排放：便于控制喷油时刻和喷油量，实现分次喷射和先导喷射， 达到控制燃烧放热规律、改善燃油经济性、降低n o ，排放和燃烧噪声的目的。然 而高压共轨系统在低速、部分负荷时，喷油泵消耗的功增加，会引起燃油消耗率 增加。 此外，能实现超高压喷射的供油系统如单体泵( e u p ) 、泵喷嘴( e u i ) 系统 目前的喷射压力可达2 0 0 m p a ，可以有效地控制微粒和n o x 的生成，但这些新型 燃油系统在柴油机上应用时，原柴油机改动大，价格高，对燃油的品质要求高， 并且关键技术国外企业对我国进行封锁。 改进燃料的性质燃料的性质与柴油机的燃烧过程和排放有很大的关系。燃 料中c h 和c o 比越大，越容易生成碳烟。石油燃料成分中，烷烃生成碳烟的倾 向最小，芳香烃、炔烃最大，烯烃居中。醇类、醚类燃料由于含氧量大，产生碳 烟的可能性小。 柴油中的含硫量对柴油机的微粒排放有重要的影响，英国的一项研究表明， 使用含硫量为io p p m 的清洁柴油，可以减少微粒排放约2 5 3 0 。当柴油机使 用无硫和芳香烃含量少的柴油时，现代直喷式涡轮增压柴油机微粒的排放比使用 欧洲标准燃油时减少约3 0 。世界许多国家的汽油、柴油中的硫含量将分别下降 到0 0 0 4 和0 0 0 3 以下，而由于我国石化部门加氢脱硫能力低，致使我国燃油 m o m 钟曲0 京 强装如。 的硫含量居高不下。目前国内大部分地区使用的柴油的含硫量为0 0 5 ，北京、 上海等少数城市使用的特供柴油含硫量也不过0 0 3 5 。因此，为了进一步降低 柴油机碳烟排放必须严格限制柴油中的含硫量。 排气后处理技术柴油机要满足未来的欧洲号排放标准并且保证良好的 经济性，必须要借助于先进的柴油机控制技术和高度成熟的废气后处理技术。目 前降低柴油机排放的后处理措施主要有氧化催化转化转换器、选择性催化转换 器、n 0 x 吸藏型催化转换器、微粒捕捉再生等技术。 氧化催化转换器，可以氧化微粒中的可溶性有机物( $ o f ) 和排气中的h c 与c o ，但不能氧化微粒中的碳烟，降低柴油机微粒的能力是有限的。选择性催 化转换器，采用氨、氨水或尿素作为还原剂，可以降低柴油机排气中9 5 以上的 n o 。但成本高、转换器和尿素罐的安装空间受限。此外，选择催化还原剂只在 一个相当狭小的温度范围内有较高的n o 。转化率，因此，选择催化系统有待于完 善。n o x 吸藏型催化转换器，燃油经济性较好，但催化剂要求排气温度在2 6 0 、3 8 0 之间才能使n o 。转化率超过7 0 ，而且在稀燃的条件下排气中的s ( ) ? 被氧化为 s o 。并以硫酸盐的形式沉积在吸附材料上，这些硫酸盐比硝酸盐更稳定，污染n o x 吸附剂，因此有必要使用无硫燃料。微粒捕捉再生系统，是降低柴油机微粒排放 的重要手段之一，但必须定期缝清除微粒捕捉器以保证柴油机的动力性能和经济 性。连续捕捉再生系统排气背压较低，可咀减少燃油消耗量的增加，而且连续再 生捕捉可以使微粒排放减少到1 3 个量级，但对柴油含硫量的要求非常严格。 废气再循环技术( e g r )是降低柴油机n o 。排放最有效的措施之一，e g r 技 术一方面减少了直接排入大气的废气绝对量，另一方面，大量的废气进入气缸参 加燃烧，使燃烧温度大幅度降低，破坏了n o ：生成条件，也使其排放量减少，因 此e g r 技术在国外的低排放发动机上得到了广泛的应用，但是国内在柴油机废气 再循环方面所做的研究工作只处于起步阶段。 均质混合气压燃着火技术h c c i 以预混合燃烧和低温反应为特征的燃烧方式， 其核心学术思想为“均质、压燃、低温火焰燃烧”。采用h c c i 燃烧方式可以同 时有效降低柴油机的n o x 和碳烟排放，并提高柴油机的循环热效率。h c c i 发动机 通常工作在高空燃比和较低的压缩比条件下，低负荷工况时，满足预混合条件和 实现h c c 燃烧比较容易；但是在高负荷工况下，由于喷油量增加，喷油持续期变 长，同时缸内温度和压力升高导致着火延迟期缩短，往往造成在喷射结束之前， 混合物就已经着火，导致燃油无法充分混合，使n o x 和碳烟排放增加，并且同时 伴有粗暴的敲缸现象。如何控制燃烧进程成为h c c 燃烧面临的首要问题。控制 h c c i 燃烧进程的实质是控制燃烧的化学反应速率，这是一个非常复杂和综合的过 程，目前大部分h c c i 的研究还只是停留在实验室阶段，仅有日产“心燃烧过程”， 丰田公司的“u n i b u s 系统”可以算作h c c i 研究中的成功范例”3 。 6 1 1 4 寻找合适豹石油譬代燃料是我国能源可持续发展的一大重点 11 4 1 我国石油燃料供需矛盾日趋尖锐 中国能源的后备资源严重短缺是一个毋庸讳言的事实。我国人均占有的石油、 天然气储量在世界上分别位于第3 4 位和第6 6 位。1 9 9 9 年中国新能源与可再生 能源白皮书称：“根据国际上通行的能源预测，石油将在4 0 年内枯竭，天然气 将在6 0 年内用光，煤炭也只能用2 2 0 年。”我国从1 9 9 3 年开始进口石油，2 0 0 0 年我国石油进口超过7 0 0 0 万吨，估计到2 0 0 6 年国内石油缺口将达1 亿吨”1 。有关 专家认为，当国家石油进口量超过年消耗量的三分之一时，国际油价就会影响国 民经济。2 0 0 0 年因石油涨价使我国g d p 少增1 。根据国际权威组织预测，全国石 油储量和产量在2 0 2 0 年前稍有增长，从2 0 2 0 年开始减少，4 0 年后趋于枯竭。2 0 0 3 年新的海湾战争一方面使得国际原油价格急剧波动，另一方面形成了新的国际政 治环境，加剧了中东地区的局势不稳，也对世界原油价格构成很大的影响。我国 的石油量占总进口总量一半以上来自中东地区，大量从中东进口石油，对我国未 来能源安全性构成了极大的威胁。积极寻找石油替代燃料是国家实施能源可持续 发展战略的重点之一。 1 1 4 2 醇燃料是最具应用前景的石油燃料替代品 作为柴油电站机组动力源的柴油机，虽然具有热效率高、动力性好等特点， 但鉴于节省能源和环保的双重要求，减少石化燃料消耗和降低其有害排放物是目 前柴油机应用中存在的主要问题，而代用燃料的应用是解决上述存在问题的一个 有限途径。国内外研究和利用较多的几种石油代用燃料主要有甲醇、乙醇、液化 石油气( l p g ) 、压缩天然气( c n g ) 和氢气。气体代用燃料的分子量比汽油、柴 油小的多，这对燃料的混合、燃烧、抑制微粒排放有很大好处。使用天然气和液 化石油气的内燃机排放较干净，因此天然气和液化石油气是很好的洁净代用燃 料。但是使用压缩天然气的最大缺点是：除需要输气管网外，建站费用很高，约 4 0 0 8 0 0 万人民币；高压储气罐大而重。液化石油气( l p g ) 可以在压力下以液 态存储，体积小，行驶半径大，建站费用低，约8 0 9 0 万元人民币，但是国内 资源少，需要大量进口。氢在自然界中的含量非常大，并且氢燃烧后只生成水， 环境效益良好。但是，氢能的制取以及储运非常困难，液态氢的成本是汽油的 2 8 倍。醇类为液体燃料，其储运、携带、使用都和传统的汽油、柴油差不多。 乙醇燃料主要来自农作物，属可再生能源，用生物技术路线取代化学技术路线进 行生物燃料的生产，已成为全球各国能源规划的核心内容1 。近年来国家已开始 立项建立多个用生物技术路线进行生物燃料生产的基地，其中包含安徽蚌埠的丰 原生化。2 ( i ( 1 5 年4 月1 日，安徽省率先在省内推广使用加入1 0 变性燃料乙醇作 为汽油车燃料用的乙醇汽油简称e i o ，醇类燃料的使用已真正的规模化和市场 化。甲醇作为内燃机的一种代用燃料，具有含氧量高，燃烧迅速，燃烧后产生的 有害排放物低等特点。获取甲醇的方法般有两种，( 1 ) 在天然气中混入氧和水 蒸汽，高温加热合成甲醇：( 2 ) 将煤炭等原料进行合成，也可获得甲醇，并且煤 资源丰富，制甲醇技术较为成熟，生产成本低( 一般低于1 0 0 0 元吨，利用高硫 煤“多联供”生产甲醇单位产品成本仅为7 4 4 元吨) ，并且环境效益好，其推广 可大大降低燃料成本，所以市场竞争力最强”“。将甲醇作为超低排放的燃料在国 外已经得到一些应用，如自1 9 9 8 年起，美国便首先在排放要求最严的洛杉矶等 地的公交车和轿车上使用甲醇作为燃料。试验测试的结果表明，一辆公交车使用 甲醇为燃料时每小时n o x 排放量为1 7 9 ，纯柴油却为4 o g 。微粒排放使用甲醇 每小时为0 0 3 9 ，柴油则为0 17 - - 0 2 5 9 ”“。 纵上所述，甲醇燃料是资源丰富的、燃烧清洁的、具有广阔应用前景的石油 替代燃料。 1 2 组合燃烧发动机 121 柴油机燃用醇燃料的主要方法 虽然醇燃料在燃烧和资源等方面有较大的优势，是石化燃料最具应用前景的 替代燃料。但由于醇燃料的十六烷值低，着火性能差；粘度低，润滑性能差；汽 化潜热高，冷起动困难等，不经过任何改动，醇燃料不能直接在现有柴油机上应 用”。为了在柴油机上燃用醇燃料，国内外主要采取了如下措施： 乳化法1 就是在燃料被喷入发电机之前，使柴油与醇燃料均匀混合，混台 好的燃料经喷油泵、喷嘴被喷入柴油机进行燃烧。对原柴油机不需进行任何改动， 就可以燃用部分醇燃料。但醇燃料与柴油乳化燃料的稳定性较差，容易分层：醇 燃料的掺混率高时滞燃期加长，发动机冷起动困难，工作粗暴；发动机在冷起动、 暖车及小负荷工作时，h c 及醛类排放浓度增加：若往乳化燃料加入助溶剂、十 六烷值改进剂等物质，因这类物质多是硝基化合物，对发动机的碳烟和n o x 排放 又十分不利。 助燃法”由于醇燃料自发着火比较困难，借助某些措施来辅助醇燃料着火 燃烧，主要有火花助燃法、热面助燃法和电热塞助燃法，可以燃用1 0 0 甲醇。 但缸盖上不仅安装喷嘴，还要预留出火花塞的位置，结构复杂；火花塞、电热塞、 热面受醇的激冷作用，寿命短，可靠性差；低负荷会有失火现象发生，h c 、c o 8 排放差。 直接压燃法j “采取适当提高压缩比、增加十六烷值添加剂、进气加热等措 施，可以直接压燃醇燃料。但借助添加剂、加热等辅助措施，实际应用困难较大， 费用高、应用较少。 柴油引燃法”3 1 通过进气系统或供油系统向柴油机气缸内输入部分醇燃料， 在气缸内形成部分预混可燃气体。然后用喷嘴喷入柴油引燃醇燃料混合气。引燃 法可以分为：化醇器法、缸内烈喷射法和电控进气管喷射法等。化醇器法是将化 油器适当改造安装到柴油机进气管上，通过节气门来控制醇的量。改造简单，但 发动机的低负荷时起动性、经济性和排放都较差：进气节流损失大；当高负荷醇 燃料喷入过多时，会使滞燃期太长，发动机工作粗暴，还会使化醇器喉口处结冰。 缸内双喷射法在气缸上安装两只高压喷嘴，一只喷柴油、一只喷醇，柴油引燃醇。 气缸盖上安装两只高压喷嘴，还要安装电热塞，结构复杂：高压供给醇的系统偶 件磨损严重；电控进气管喷射法，在进气管安装低压喷嘴，喷入醇形成预混和气， 进入气缸由柴油引燃。可以避免化醇器法的节流损失，可以精确控制醇的量，但 小负荷喷醇时，h c 和醛类排放剧增，冷起动性能差。 1 2 2 组合燃烧理论 由于我国柴油机行业整体技术落后，应用国外降低柴油机碳烟和n o x 排放的 先进技术如高压共轨、泵喷嘴、电控e g r 等发动机需要重新设计，国内燃油品质 较差限制了废气后处理技术的升级，并且国外的一些先进技术对我国进行封锁， 因此必须寻找适合我国技术水平的措施来降低柴油机碳烟和n o x 排放。柴油机燃 用醇燃料可以有效降低碳烟和n o x 排放，但是如上节讲述的一些方法在实际应用 方面存在着许多问题。鉴于此，本研究引用了一种适合我国技术水平和能源状况 的，能够同时降低柴油机碳烟和n o x 排放的燃烧控制理论，即组合燃烧理论。组 合燃烧理论的核心是：在同一台发动机上，按照发动机最优性能的需要采用不同 的燃烧模式。在起动、暖车及小负荷工作时，发动机以纯柴油工作实行扩散燃烧； 而在中高负荷时，在柴油机进气管喷射部分醇燃料，与进气形成均质混合气进入 气缸，由柴油引燃实行准均质混合气燃烧”3 1 。组合燃烧理论的控制模式见图 卜4 。图中t 为冷却水温度，t 。为设定地喷醇最低冷却水温度：t r 为排气温度， t h 为设定地喷醇最低排气温度：n 为转速，n 。为设定地喷醇最低转速：t t q 为扭 矩，t t q 。为设定的喷醇最小扭矩。试验中为操作方便，通过设定油门位置来设定 t t q n 。 9 起动发动机 暖车 人否 j 是 否 否 人否 丫， 1 、固定柴油量 发动机靠柴i 2 、启动电动油泵油工作 3 、启动醇喷嘴 发动机靠柴油和醇工作 图卜4 组合燃烧理论的控制模式 由于柴油机在低负荷时的碳烟和n o x 排放都较低，所以可以充分利用柴油的 十六烷值高、着火性能好的优点。仅靠纯柴油工作，可以保证良好的起动性能， 避免小负荷燃用醇燃料工作时h c 及醛类的剧增。但到了中高负荷，参与扩散燃 烧的柴油量增加，使得部分柴油进入局部缺氧区域，造成大量碳烟的生成，同时 燃烧温度的增加以及大的过量空气系数又促进了n o x 的产生。大量研究表明，用 尽量多的预混燃料替代传统柴油机的扩散燃料可以大幅度降低烟排放。n o x 的生 成强烈地依赖温度，降低燃烧温度可以从源头上减少n o x 的生成，推迟喷油定时、 h c c i 燃烧方式都是因为降低了燃烧温度，才有效降低n o x 的排放。此时，从柴 油机进气管喷入部分醇燃料( 甲醇) 。醇燃料在经压力喷射后初步雾化，又由于醇 燃料挥发性好，在气流的作用下形成均质混合气。由于醇的汽化潜热比柴油大的 1 0 多，在形成混合气的同时吸收很多热量，进入气缸后，随混合气温度的升高会进 一步吸收气缸内的热量，致使最高燃烧温度得到限制，因而会抑制n o x 的产生。 因为预混醇燃料的加入可以减少参加扩教燃烧的柴油量。再者由于醇的含氧量非 常高，c o 的比例小，有“自供氧效应”这有利于降低柴油机碳烟排放。并且 可以利用醇燃料替代部分石化燃料，缓解石化燃料的供需矛盾。应用组合燃料理 论可以达到降低柴油机排放和替代部分石化燃料的双重效果，柴油、甲醇的主要 理化特性见表卜1 “。 表卜1 柴油、甲醇的主要理化特性 含氧着火 十六烷分子变 燃料 量 密良汽燃粘度撇 温度 ( k g l 。)姒l 培。)( 曲s )( m j 蚵。)值更系数 恿 r c l _ ( ) 3 柴油 0 0 40 8 50 2 73 84 2 72 8 04 5 娟 1 ( j 6 甲醇 5 0 on7 9 n1 0 8 80 6 1 11 9 9 24 7 03 51 ( 】6 1 3 1 ，2 ，3 龟6 祝组对组合燃烧发动机的匹配需求 和其他形式的内燃机一样，组合燃烧发动机除需满足电站机组的动力性指标， 振动、噪音以及其他安全性指标外，还必须着重满足电站机组特殊的电力参数指 标( 如电压、频率稳定性) 要求。开始喷醇后变原4 1 0 0 a d 柴油机的机械离心式 调速为喷醇控制电子调速即是这一需求的体现。 1 3 本课题的主要工作 本课题就是针对内燃机电站机组的发展前景及我国柴油机的技术水平，采取 符合我国能源状况的技术途径，面向电站机组，探求基本结构不发生大的改变， 且能实现较优的使用经济性，同时降低碳烟和n 0 x 排放的内燃机电站机组新型动 力。为实现这一目的，本研究引用柴油甲醇组合燃烧理论，并通过系列试验验证 该理论，同时探讨组合燃烧发动机和电站机组的匹配特点。为达到该目的，本研 究所进行的主要工作如下： l 、制定总体实施方案。 2 、按组合燃烧理论的要求将本公司的一台4i o o a d 柴油机 改成台组合燃烧喷醇发动机。 3 、在本公司产品试验室发动机测试台架上对经过参数优 化的组合燃烧喷醇发动机组进行全面性能试验。 4 、在本公司电站机组测试台上进行组合燃烧喷醇发动机和电站机组的匹配试 验。 总结试验结果，为组合燃烧电站机组市场化做好前期准备。 2 第二章柴油电站机组 2 1 电站机组用柴油机的动力特性与匹配 2 1 1 柴油机的特性 内燃机按照其燃料和燃烧方式的不同主要有汽油机和柴油机两大类。与汽油 机相比，柴油机的压缩比高、燃烧系统传热和节流损失小，充气效率高，而且在 整个燃烧过程中燃烧较稀的混合气。因此柴油机具有更高的热效率和更好的燃油 经济性，能源消耗为汽油机的4 5 一6 0 ，二氧化碳的排放量比汽油机大约低 3 0 一3 5 ，环境效益十分显著”1 。在内 燃机电站机组中，超过1 0 k w 的机组几乎 全是柴油动力电站机组。因此本课题以柴 油机作为主要研究对象。 柴油机工况就是指柴油机实际运行 的工作状况，运行工况的参数可由下式表 达：p o c t np 。为有效功率，t 为柴油机的 如 ：形 、 转矩，r l 为柴油机的工作转速。以p 。一n 为坐标绘出柴油机可能运行的工况图。 显然，如上图所示，柴油机的工作区域被限度在一定范围内，其边界限制线 包括：上边界线3 为柴油机油量控制机构处于最大位置时，不同转速下柴油机所 能发出的最大功率；左侧边界线为柴油机最低工作转速限制线，低于此转速时， 由于曲轴飞轮等运动部件储存能量较小，导致转速波动大，柴油机无法稳定工作： 右侧边界线为最高转速限制线，它受到转速过高所导致的惯性力增大、机械摩擦 损失加剧、充量系数下降、工作过程恶化等各种不利因素的限制。因此，柴油机 可能的工作区域就是图中边界线加上横坐标轴所围成的区域。 柴油机的工作区域取决于柴油机的用途，通常把柴油机的工况分为三类： 1 ) 固定式柴油机工况，其特点是柴油机的功率变化时，转速几乎保持不变， 发电用柴油机即是如此，其负荷呈阶跃式突变，并无规律，而转速必须保持稳定， 以保证频率的稳定，反映在工况图上就是一条垂直线( 上图中曲线1 ) ，称为线 工况。 2 ) 推进工况，其特点是柴油机的功率和转速接近于幂函数关系( 上图中曲 线2 ) ，当柴油机作为船用主机驱动螺旋桨时，其功率呈现一种十分有规律的变 化，此工况亦属于线工况。 3 ) 功率和转速都在很大范围内变化，它们之间没有特定的关系。汽车及其 它陆地运输用柴油机，都属于这种工况。此时，柴油机的转速决定于行驶速度， 可以从最低稳定转速一直变到最高转速；负荷决定于行驶阻力，在同一转速下， 可以从零变到全负荷，相应的工况区域称为面工况。 为了评价柴