图1-2 分布式发电系统中的内燃机配置示意图

1.历史和现状

内燃机的发展超过100年，是第一种化石燃料驱动的分布式发电技术。Otto循环（火花点火）和Diesel循环（压燃点火）发动机，几乎在世界的每一个领域都获得了广泛的应用，功率范围从小型手持式微小动力设备到60MW的内燃机发电厂。内燃机是一种活塞在气缸中作往复直线运动的发动机一般功率比较小的发动机主要用于运输动力，并且经过很小改动即可用于发电动力；功率比较大的发动机用于发电、机械驱动或船舶动力。目前，世界各地生产的内燃机可以满足任何发电机组的功率需求，而且内燃机具有高效率、低成本优势；但是维修要求高，柴油发电设备的排气污染比较严重。图1-2为分布式发电系统中的内燃机配置示意图。

2.内燃机发电机组的运行

几乎所有的发电用内燃机都是四冲程的，经历进气、压缩、做功和排气四个冲程完成一个工作循环。过程开始于燃料与空气混合，一些发动机采用增压或高增压，以提高发动机的功率输出。其作用是使进入气缸的气体，被进气系统中的小压缩机预先压缩。燃料与空气的混合物被引入气缸中，然后在活塞从下止点向上止点运动时被压缩。在柴油机中，空气和柴油是被分别引入的。在空气被发动机中的活塞压缩后，柴油开始喷入。当活塞运动至接近上止点时，火花塞产生电火花点燃混合气（大多数柴油机混合气由压缩而点火）。双燃料发动机在电火花周围，使用少量柴油引燃大量的天然气着火燃烧。燃烧压力和燃气驱动活塞在气缸中从上止点向下运动。活塞的运动能量被曲轴转变成旋转能量。当活塞到达下止点时，排气门开启，废气从气缸中排出。

3.内燃机排放控制技术

燃烧过程产生NO_x（因为不适当的燃油/空气混合比和过度的气缸冷却所致）、CO、HC和PM排放。柴油机应用广泛，但日益苛刻的排放法规已经使它难以适应柴油发电机的要求。像可选催化反应器（selective catalytic reduction，SCR）一样的控制技术是非常昂贵的，柴油机正在被用于紧急和备份电源，它们的设备安装成本低、性能轨迹记录及其有效的训练机制使人们拥有技术选择性。

双燃料发动机提供给人们效益和可靠性相结合的燃料可变选择，使用天然气的排放效益更好。和单一燃料柴油机相比，双燃料发动机的效率更高，产生的NO_x和PM排放更低。通过采用预燃烧室，使用更少柴油点火，可以获得更低的排放。更新的天然气发动机聚焦在高空燃比稀燃技术。稀燃发动机具有高效率、低排放的优点；但是功率输出也会降低，不过可以通过采用增压技术来获得适当的功率补偿。

内燃机的安装成本和年度费用取决于当地的排放控制法规。表1-2列出内燃机发电机组排放控制技术对安装成本与运行费用的影响。从表中可以看出，在严格控制（LAER）地区比部分控制（Non-LAER）地区高得多。这一差距随着单元尺寸增加而减少。

表1-2 内燃机发电机组排放控制技术对安装成本与运行费用的影响

注：LB—Lean-Burn稀燃；SCR—Selective catalytic reduction可选催化反应器。

附加的排放控制设备可以与柴油机、双燃料单元和天然气单元合成一体，但是在严酷的、极端的、臭氧稀薄的区域仍然具有很高的难度。另外，柴油机可以安装PM收集袋来控制微粒物排放。更新的稀燃发动机是NO_x控制的有效手段，也包括一些可以进一步降低排放的技术改进。

4.内燃机发电机组的应用

内燃机被广泛用于各种分布式发电系统中，见表1-3。(www.daowen.com)

表1-3 内燃机在分布式发电系统中的应用

5.制造商

内燃机由世界各地的大型集团公司生产。现行发展趋势集中在提高效率、降低排放和降低成本。另外，一些公司签署了加入风险、市场、分配的相互协定。根据这一协定，他们可以共享研究、开发和开辟全球新市场的成本。美国代表性的制造商见表1-4（连同一些有用的模型和现行项目）。

表1-4 美国内燃发电机组的部分制造商

6.发展问题

（1）技术

1）双燃料发动机具有低排放（使用天然气）、良好经济性，同时具备柴油机的高效率和可靠性。开发的微型引燃装置可以减少柴油使用，同时排放较少。

2）获得更高的比功率可能是减少每千瓦成本的关键，但这就要求发动机部件具有更高的耐久性（更高的强度和热负荷）。耐久性更高的部件也可以减少发电机组的维修费用。

3）改善增压器、气门座圈，以及火花塞周围区域的部件冷却，也可以获得更长的部件寿命。

（2）效率

1）燃烧室设计对燃料的完全燃烧、提高效率和降低NO_x排放都是十分重要的。

2）在一个循环中，燃料怎样喷入、何时喷入气缸对燃料燃烧是十分重要的，会影响功率、效率和排放。高效率发动机将运行在高压力水平，需要使用长寿命的高能点火系统。通过改善点火时间设置、增加可靠性、减少维修要求，以及采用激光点火能够改善燃油效率、降低排放。

有效的增压是提高平均有效压力（BMEP）的关键。提高平均有效压力能提高效率。增压发动机可以获得更高的比功率，设备体积更小。