电控沼气单燃料发动机匹配与试验研究

【摘要】：随着经济的飞速发展，能源和环境问题显得越来越突出。内燃机既是能源的消耗大户，也是环境污染物的主要排放源之一，所以为内燃机寻求清洁的替代燃料有着重要意义。沼气是一种可再生的清洁能源，具有来源广泛、成本低廉，对环境友好等特点，且沼气发电能为畜牧场等建设沼气工程提供了一条可行的发展途径。沼气发动机在发电领域得到了政府的大力支持。 本文结合四川省教育厅重点科技项目“6105超低排放沼气专用内燃机关键技术的研究”，以东风6105天然气发动机为基础机型，对发动机进行了改进设计及匹配研究，使其满足发电用沼气发电机的要求。沼气发动机的总体方案采用稀薄燃烧、增压中冷、电控调压器+比例式混合器供气及电控单缸独立高能点火等技术；同时，对沼气发动机的散热器进行了优化设计、且为其匹配了合理的氧化性催化转化器。 首先，本文分析了沼气及沼气发动机的主要特点，同时根据养殖场实际的沼气成分，调制出了试验用沼气。根据沼气的特点，为沼气发动机匹配了控制精度高、柔性大且工作可靠的电控系统、电控调压供气系统、氧化型催化器及其他关键部件。 在本文中，对沼气发动机燃料供给系统中的比例式混合器进行了研究。利用Catia和Fluent软件，准确的建立沼气比例式混合器的计算模型，且计算结果与真实值误差很小。试验结果表明：重新设计的沼气比例式混合器提高了混合气浓度的控制精度、增强了电控系统的稳定性，同时，使发动机在标定转速下的最大功率提高了8.6%，比气耗下降了2.6%，同时排温下降了26℃。 其次，根据沼气发动机的实际情况，重新优化设计了其散热器：计算得出，该沼气发动机的散热面积为12.42m~2、比散热面积为0.12m~2/kw、芯部正面积为0.69m~2。通过试验验证，沼气发动机在工作时，水温始终维持在80.2～88.7℃，因此对散热器的优化设计达到了预期的目的。 最后，对沼气发动机混合气浓度、点火提前角等关键参数进行了电控标定，优化了发动机的性能。同时，对甲烷浓度为63%和73%的沼气在燃料供给系统满足甲烷浓度为68%的沼气发动机内做功的标定研究，得出：当沼气中甲烷浓度变化不大时（甲烷浓度变化5%），电控调压器的标定值增大0.5kpa，可以适应沼气的甲烷浓度降低5%左右；如果甲烷浓度变化过大(甲烷浓度变化5%)，则需要更换沼气比例式混合器。试验结果表明：开发的6105沼气发动机满足开发要求。 【关键词】：沼气发动机 燃料供给 冷却 排放 标定
【学位授予单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK464
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1.引言9-15
• 1.1 选题背景9-10
• 1.2 国内外沼气发动机的研究发展现状10-14
• 1.2.1 国外沼气发动机的研究发展现状10-11
• 1.2.2 国内沼气发动机的研究发展现状11-12
• 1.2.3 沼气发动机燃料供给系统的发展现状12-14
• 1.3 本文的主要研究内容14-15
• 2 沼气的特性分析及试验用沼气的配制15-25
• 2.1 沼气的来源15
• 2.2 沼气成分及其沼气发动机的主要特点15-17
• 2.3 沼气的净化处理及发动机的防腐措施17
• 2.4 试验用沼气的配制17-24
• 2.4.1 试验标准及设备17-18
• 2.4.2 试验结果及分析18-23
• 2.4.3 燃料热力学参数计算23-24
• 2.5 本章小结24-25
• 3. 电控沼气单燃料发动机总体技术方案研究25-38
• 3.1 系统匹配原则分析25-26
• 3.2 技术路线实现步骤26-28
• 3.3 沼气发动机关键零部件的匹配28-35
• 3.3.1 燃料控制部件的选型28-29
• 3.3.2 点火系统的集成匹配29-31
• 3.3.3 宽域氧传感器的选型31-32
• 3.3.4 电子节气门的选型32-33
• 3.3.5 增压压力控制部件的选型33-35
• 3.4 电控系统技术方案原理分析35-37
• 3.5 本章小结37-38
• 4.沼气发动机燃料供给系统研究38-53
• 4.1 沼气比例式混合器的研究38-48
• 4.1.1 沼气比例式混合器设计方案及数学模型的建立39-41
• 4.1.2 比例式混合器三维模型的建立及网格划分41-44
• 4.1.3 沼气比例式混合器的模拟计算44-48
• 4.2 试验结果分析48-51
• 4.3 本章小结51-53
• 5 沼气发动机冷却系统的优化设计53-63
• 5.1 沼气发动机散热量及冷却介质流量计算53-55
• 5.1.1 冷却系统的散热量的计算53-54
• 5.1.2 冷却水循环量的计算54-55
• 5.1.3 冷却空气需要量的计算55
• 5.2 基本结构的设计55-57
• 5.2.1 散热器结构设计55-57
• 5.3 水泵的设计57-59
• 5.4 冷却系统设计校核59-62
• 5.5 本章小结62-63
• 6 沼气发动机电控标定试验研究63-73
• 6.1 发动机标定的总体步骤63-64
• 6.2 沼气发动机台架性能标定研究64-69
• 6.2.1. 混合气浓度的标定64-65
• 6.2.2 电控调压器的标定65-66
• 6.2.3. 点火提前角标定66-68
• 6.2.4 发动机进气充量 MAP 的标定68
• 6.2.5 增压压力的标定68-69
• 6.3 不同甲烷浓度沼气的标定研究69-71
• 6.3.1 不同甲烷浓度沼气的标定研究的原理70
• 6.3.2 标定试验数据分析70-71
• 6.4 本章小结71-73
• 7 全文总结及工作展望73-75
• 7.1 全文总结73-74
• 7.2 工作展望74-75
• 参考文献75-77
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况77-78
• 致谢78-79

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