一种新颖的瓦斯气内燃机空燃自动混合控制装置

太原理工大学  乔安平

乔安平  1967年生，副教授；1989年毕业于吉林工业大学（现吉林大学），先后在各类学报及期刊发表一级论文和二级论文几十篇，多次被引用与收录，科研成果多项。目前在太原理工大学机械工程学院从事车辆及动力机械工程的教学与科研等工作。

摘要：我国是煤资源大国，长期来在采煤的同时，抽放排空大量煤层瓦斯，不仅浪费资源，还严重污染大气。利用煤层瓦斯发电是解决煤层瓦斯放空的重要途径。文章介绍一种全新的有别于传统发动机的瓦斯内燃机空燃自动混合控制装置，其中包括：煤层瓦斯的理化特性、装置的结构、工作原理及工作过程，阐述了结构参数对发动机性能的影响。经过在中心瓦斯工区内燃发电机组群上安装试运行，结果表明：该装置可以适用于高、中、低不同浓度的煤层瓦斯，性能稳定、可靠，达到了设计性能指标，完全满足燃气内燃机组的使用要求，并取得了很好的经济效益、生态效益和环保效益。

关键词：煤成气  内燃机  空燃自动混合控制装置  结构  工作原理

煤层瓦斯气的理化特性

我国地域辽阔，各地煤层气分布不一，煤层瓦斯气含量有一定的差别，其中瓦斯气含量有一定的差别，其中瓦斯气主要成分为：CH₄含量97%～70%；CO₂含量0%～4%;N₂含量2%～26%。然而在煤炭的开采过程中，煤层瓦斯气抽放浓度将进一步下降（即瓦斯气实际排出浓度），而且浓度变化范围较大，其中有效成分CH₄含量为40%～75%。当CH₄点燃时，火焰无烟无色，生成物是水（H₂O）和二氧化碳（CO₂），高温下还会发生裂解反应等。而我国煤层气资源分布相对比较集中，在地域分布上以华北地区为主，约占全国煤层气资源总量的60%；在垂直分布上主要位于海拔1000～2000m的地层范围内，约占全国煤层瓦斯气总量的66%，山西是“产煤大省”，同时拥有丰富的煤层瓦斯气资源，全省煤层瓦斯气资源总量超过10×10¹²m³，约占全国煤层瓦斯气总资源的三分之一，主要分布在晋中南沁水煤田和黄河东岸的河东煤田等大煤田，由于山西煤层瓦斯气资源丰富，可采性好，气体质量高，这为山西发展煤层瓦斯气内燃发电机组创造了良好的条件。而且煤层瓦斯气作为一种气体燃料，其理化特性适于作为发动机的燃料，具有燃烧热效率高，排放污染低的效果。煤层瓦斯气的有效成分CH₄：常温下为气体；凝固点-182.48℃；沸点-164℃；密度0.717kg/m³；低热值49.54MJ/kg（当CH₄含量在98%以上时），21.63MJ/kg（当CH₄含量在65%以上时）；辛烷值为120RON。煤层瓦斯气作为内燃机燃料具有以下特点：

1）燃烧排放特性好。由于煤层瓦斯气是以气态形式和空气混合进入发动机气缸，使其容易与空气混合，且混合迅速、均匀。因此燃烧比较充分、完全，从而使排放中的CO、HC、NO_X等有害成分大为减少。

2）燃烧抗爆燃性能好，工作热效率高。由于瓦斯气和汽油燃料、柴油燃料相比有较高的辛烷值（120），故其抗爆性能好，可用于高压缩比的发动机，再加上气体燃料与空气混合更加均匀，因此这将充分发挥和提高发动机的工作效率。

3）混合气发火界限宽。瓦斯气与空气混合具有很宽的发火界限，可在大范围内改变混合比，提供不同成分的可燃混合气。通过采用稀薄燃烧技术可进一步提高发动机的经济性能和环保效益。

4）使用性能好。由于瓦斯气是气体燃料，低温起动性及低温运转性能良好，并且气体燃料进入气缸后不会对润滑油产生稀释作用，从而使发动机润滑状况也提高很多，零件磨损进一步降低，发动机故障减少，使用寿命长。

5）经济性能好。在燃烧相同质量的燃料时，煤层瓦斯气热值（以有效成分CH₄计）比汽油高12.7%，而且从理论空燃比看，一定量的空气所需的瓦斯气比汽油约少16.5%，所以燃用煤层瓦斯气的费用要低廉的多。

6）动力性能有所下降。由于瓦斯气燃料本身是气态，当采用缸外预混合方式时，就会占据部分进入气缸的空气流通截面，使发动机充气系数比使用液体燃料大约低10%左右，因此在同一机组上使用瓦斯气燃料将使发动机功率有所下降。

空燃混合控制装置的结构与工作原理

1.瓦斯气内燃机发电机组空燃自动混合控制装置的结构

瓦斯气内燃机空燃自动混合控制装置主要由端盖、调节弹簧、弹簧定位套、碟片、膜片、阀体、阀柱、燃气管、混合体、壳体、空气管、可燃混合气管、密封垫、螺钉等组成。

端盖与壳体法兰相连接，用来固定膜片，并构成膜片密封腔。同时端盖中心凸出部分还对调节弹簧起轴向定位导向作用。

调节弹簧安装于端盖与膜片总成之间，用来调节平衡膜片的动作。其中弹簧簧丝直径、弹簧外径、弹簧刚度通过膜片总成的动作直接影响发动机的性能。

弹簧定位套装于膜片总成之上，用来定位弹簧，它是由轻质材料做成，如铝合金、硬塑料等。

碟片用来连接安装阀体总成。碟片要尽量轻，采用铝合金制成，碟片要求平整光滑无毛刺等，以免损坏膜片，影响膜片总成的正常工作与寿命。

膜片是装置的关键零件之一，膜片要有一定的弹性和韧性，不能透气，密封性要好，要防水防火，结实耐用。

阀体总成装于膜片总成之上，用来导向、定位膜片的运动，度量空气与燃气的混合与配比，通过膜片的动作，阀体直拉控制新鲜空气的供给量。同时在阀体上还设计有真空通道，以便将混合体内的真空传至膜片弹簧一侧，使膜片根据不同的真空度而动作。阀体用铝合金膜锻成形加工而成。

阀柱安装于阀体总成上，由圆柱与圆锥体组成，以适应发动机不同工况下的燃气供给量，使燃气从燃气管流入混合体内腔，同时与通过阀体端面进入混合体内腔的新鲜空气混合，形成可燃混合气。停机时，阀柱伸入燃气管内，对燃气起一定的节流密封作用。

燃气管安装在壳体内，其端面设有凸缘，用来与阀体端部凸缘配合密封（停机状态时），起动工作时，则将进气管内的真空度通过阀体、膜片总成引入端盖与膜片密封腔，以引起膜片的运动，使阀体升起，空气流入混合体，同时带动阀柱也升起，使燃气从燃气管也进入到混合体，二者在此混合，形成可燃混合气，并通过混合管送入进气管。

壳体用来连接安装固定装置的零部件，并提供新鲜空气通道等。

空气管一端与壳体相连，另一端与空气滤清器相连，用来输送新鲜空气。

可燃混合气管一端通过壳体与混合体相连，另一端通过节气门体与发动机进气管相连，用来输送可燃混合气（空气与瓦斯气的混合体）。

2.瓦斯气内燃机发电机组空燃自动混合控制装置的工作原理。

该装置装于发动机进气管与空气滤清器之间，它是通过调节弹簧自动调节与平衡不同工况时发动机在进气混合体内产生的不同真空度以及膜片阀体总成自身的重力，使膜片总成开启一定的升程，新鲜空气与燃气便以一定的比例进入发动机气缸，实现装置向发动机提供一定流量的合适的可燃混合气。其中可燃混合气的流量由膜片的升程自动控制。而膜片的升程则随装置混合体内真空度的不同而自动调节。在发动机低速运转时，由于节气门开度较小，产生较大的节流作用，使混合体内产生较小的真空度，从而膜片升程也小，提供的可燃混合气量也小，随着发动机转速的上升，节气门开度逐渐增大，节气门节流作用相应减弱，这时混合体内的真空度上升，膜片升程加大，可燃混合气流量相应增加。其中新鲜空气经过空气滤清器、空气管、膜片阀体总成相对混合体凸缘控制的环形气道进入混合体，燃气则通过燃气总管、中心燃气管、阀柱控制的流通截面进入混合体内，形成可燃混合气。

装置具体工作过程为：当发动机起动工作时，由于活塞吸气造成进气管内产生真空度，这一真空度通过节气门体总成、可燃混合气管、混合体、阀体真空小孔传到膜片调节弹簧一侧，使得端盖密封腔内的压力下降。与此同时，新鲜空气通过空气滤清器、空气管作用在膜片总成上，由于膜片两侧压力差的缘故，使膜片总成向压力低的一侧移动，从而新鲜空气便通过膜片阀体总成控制的环形气道进入混合体。同时，膜片的移动还带动阀柱移动并打开中心燃料输出管口，使瓦斯气体进入混合体内腔，与新鲜空气进行混合，形成可燃混合气。

当发动机负荷增加时，节气门开度增大，混合体内腔的真空度增加，并通过真空孔传递作用于膜片弹簧侧，使膜片总成的位移也增加，从而使新鲜空气流入混合体的截面和瓦斯气从阀柱流出的截面都增大，混合气流量增加，以满足发动机负荷增大时对可燃混合气量的需求。

当发动机关机停转时，节气门关闭，混合体内的真空迅速降低，膜片总成便在调节弹簧弹力的作用下，使膜片总成与混合体端面的凸缘紧贴，截断新鲜空气进入发动机的通道，并带动阀柱移动，使其进入中心燃料管，截断燃气向混合体内腔的供气过程，于是发动机便停止运转。

装置结构参数对发动机性能的影响

装置调节弹簧有效工作圈数、簧丝直径、弹簧节距、弹簧外径及弹簧刚度、膜片质量、阀体流通截面、阀柱结构尺寸、混合体流通截面、燃气管流通截面、空气管流通截面、真空孔径大小等结构参数对发动机性能的影响。

1）调节弹簧的有效工作圈数的影响：弹簧有效工作圈数增加，则弹簧刚度减小在进气真空度的作用下，膜片响应灵敏迅速，发动机对工况的适应性能得到改善。

2）调节弹簧丝直径的影响：调节弹簧簧丝直径增加，则弹簧刚度增加，膜片动作对发动机进气真空度的反应迟缓，发动机对工况的响应变差；

3）弹簧节距的影响：弹簧节距增加，则弹簧高度增加，使弹簧稳定性变差，进而影响膜片动作的稳定性，造成发动机性能波动变差；

4）弹簧外径的影响：弹簧外径增加，则弹簧刚度减少，使膜片对发动机工况的响应速度加快，有助于发动机过渡工况生能的改善；

5）弹簧刚度的影响：弹簧刚度增加，则膜片对发动机不同工况的适应性变差，发动机性能变差；

6）膜片质量的影响；膜片气密性好，则对发动机工况的变化反应灵敏，反之则不能较好的适应发动机的不同工况，同时膜片良好的弹性与韧性，有助于提高发动机工作的可靠性。

7）阀体结构尺寸的影响：阀体外径增加，则不利于新鲜空气的输入，而有助于燃气的流出，从而使可燃混合气偏浓，发动机燃烧恶化，排放污染增加，发动机性能下降；当阀体内径变小时，有利于新鲜空气的输入，而不利于燃气的输出，形成的可燃混合气偏稀，使后燃期延长，引起发动机排气管放炮，动力经济性能恶化，排放污染也相应增加。

8）阀柱结构尺寸的影响：阀柱圆柱体的直径小，则不利于真空度的建立，并使燃气漏泄过多，不利于发动机的起动工作；而阀柱圆锥体的锥角决定着发动机过渡工况的性能；同理，阀柱起动槽设计越小，则起动时，燃气流量越少，可燃混合气变偏稀，也不利于发动机的动作工作；阀柱总体高度越高，则装置膜片升程越大，发动机响应越慢，但有利于工作人员的监控操纵。

9）混合体直径的影响：混合体内径越小，则装置结构越紧凑，重量越轻，但造成可燃混合气流量下降，发动机动力性能下降。

10）燃气管直径的影响：燃气管直径越小，则燃气流量越小，从而使可燃混合气浓度偏稀，燃烧速度下降造成发动机动力性能下降，排放污染增加。

11）空气管流通截面的影响：空气管流通截面越小，则可燃混合气浓度趋于偏浓，从而造成混合气燃烧不完全，使发动机动力经济性能下降，排放污染严重。

12）真空孔径大小的影响：真空孔径大，则节流损失小，使膜片反应灵敏、升程增大，发动机对工况的响应加快，性能得到改善，反之，节流损失较大，膜片升程变小，发动机对工况适应性差。

装置设计及试运行

根据装置的工作原理及结构特点，作者运用有关专业知识，对这一装置进行了设计计算及加工试制，并在西区建设中心瓦斯气工区内燃发电机组群上安装试运行，结果表明，该装置性能稳定、可靠，达到了设计性能指标要求，取得了显著的经济效益和社会效益。仅以西区建设中心周围近十台瓦斯气内燃发电机组计，每台机组每小时发电300kW，每台日发电量达7200 kW，日创经济效益3000元，月创收达9万元，十台机组月创收达90万元，全年可创收1000多万元。同时还可以有效解决矿区瓦斯气日抽放排空污染量达20×10⁴m³之多，每年减少瓦斯气排空污染量可达7000多万m³，真正实现了瓦斯气变害变废为宝。若全国各地矿区投入同样机组700台；则每年可创经济效益7亿多元，同时可减少瓦斯气排空污染量达49×10⁸m³之多。这不仅给单位、社会创造了巨额的财富，而且社会生态效益和环保效益非常显著，同时还有效解决了矿区瓦斯气排空造成的安全生产的稳患等问题。由此说明了这种结构及其工作原理切实可行，具有一定的工程实用价值。关于装置的具体设计计算过程请参阅“乔安平，瓦斯气内燃发电机组空燃自动混合控制装置的设计计算及应用”本文略。另外，在额定功率400kW机组上，该装置使用运行效果与国内外同类产品运行效果的对比结果表明：作者开发设计的装置在瓦斯气浓度不低于40%时，可以正常工作，单台工作，单台机组发电量在300kW/h以上；而国外同类产品确只能在瓦斯气浓度大于60%时工作，发电量也只有150kW/h以上，且装置成本昂贵。因此，该装置不仅性能优于进口产品，而且还填补了国内这一领域的空白，解决了进口产品无法燃用低浓度瓦斯气的问题，从而可以替代进口产品，每台还可节约外汇折合人民币30000余元，若全国矿区投入700台同样机组运行，则每年可节约外汇折合人民币21000000多元。

结束语

本文提出的瓦斯气发电内燃机空燃自动混合控制装置，填补了国内这一领域的空白，同时经过讲一步设计、加工、试制，已在西区建设中心瓦斯气工区内燃发电机组群上得到成功应用，取得了良好的经济效益和社会效益，说明了该装置结构合理，设计思路正确，完全可以满足瓦斯气内燃发电机组的使用要求，从而为国内瓦斯气发动机的开发应用提供了一定的理论依据，也为其它气体燃料发动机的开发应用提供了一定的参考价值。尤其是为矿区瓦斯气内燃发电项目的开发利用，提供了相应的科学依据，解决了矿区瓦斯气大量抽放排空造成的环境污染和由此产生的影响矿区安全文明生产的严重隐患问题。同时还为企业和国家创造了显著的经济效益。

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