Miller循环煤层气发动机的仿真优化研究

摘要

如今，能源与环境已成为制约我国经济安全和可持续发展的重要因素，煤层气作为一种潜力巨大的非常规天然气资源，目前已得到了广泛的应用，煤层气的开发利用将会产生“一石三鸟”的效益——增加可再生能源供应、改善生产安全、保护全球环境。
　　本文利用GT-POWER仿真软件，建立了某4103增压柴油机模型，并将其改装为煤层气发动机模型，利用改装后的煤层气机模型进行仿真计算。
　　外特性工况下，由于煤层气的热值较低，压缩比较小等原因，导致发动机动力性能下降。因此本文提出了提高发动机性能的改进措施——采用Miller循环以扩大爆震限制，同时提高热效率和降低NOx排放，然后结合高增压、提高压缩比、优化空燃比等措施在爆震的限制下提高动力性能。首先分别研究了不同进气方案的Miller循环对发动机性能的影响，然后基于爆震指数的限制，采用多参数优化的方式，研究了增压压比、压缩比、空燃比与Miller循环的耦合影响，最终确定Miller循环结合各参数设置的最优改装设计方案，为煤层气发动机的实际改装提供了参考。
　　部分负荷工况下，由于煤层气机采用了节气门控制负荷，产生较大的节流损失，造成经济性能下降，而采用米勒循环以减少进气量，可以部分甚至全部抵消节气门的负荷控制功能，减少节流损失，提高经济性能。本文分别研究了25％、50％、75％负荷时的各种米勒循环负荷控制法对发动机性能的影响，并确定了各负荷下的最优负荷控制方案。
　　分析结果表明:(1)柴油机改装为煤层气机后，其功率、进气流量、缸内压力等相比柴油机有所下降;热效率在低速时提升，中高转速时下降;NOx排放量下降，但CO、HC排放量上升。(2) Miller循环、压缩比、增压压比、空燃比有多种配合方案都可以提高发动机的动力性能，如进气门提前关闭20。CA，增压压比为2.72，空燃比6.91，压缩比10.69时，最高可以将功率提高19.55％，但其热效率下降2.52％，NOx排放为原机的4.02倍。由于煤层气燃料的成本较低，因此经济性能的小幅度下降可以接受。而NOx的排放量上升，则可以根据情况采取后处理措施。(3)在功率提高的前提下，大部分的方案使热效率下降，最大下降比率为3.53％;且大部分方案也无法兼顾NOx排放，其中NOx排放量最大可达到原机的9.72倍之多。因此，在煤层气发动机的实际设计中，要兼顾动力性、经济性和排放性能，不能一味要求提高功率，可以根据实际需求来选取设计方案。(4)进气门早关、晚关的米勒循环方案均可不同程度地取代节气门，以控制发动机负荷，使节气门节流损失减少，泵气损失减小，热效率提高，缸内压力、温度、排气温度下降，NOx排放量也下降。(5)当进气门早关或晚关角度过大时，由于进气门早关使气门升程变小，造成气门处节流损失过大和由于进气门晚关造成的进气推出损失过大，都会导致泵气损失增大，热效率下降。(6)采用米勒循环控制方案的部分负荷工况优化结果为:75％负荷时采用进气门晚关80° CA，热效率提高1.95％，泵气损失下降35.74％，NOx排放下降18.37％;50％负荷时进气门早关40° CA，热效率提高4.02％，泵气损失下降44.64％，NOx排放下降41.98％;25％负荷时进气门早关60° CA，热效率提高7.32％，泵气损失下降38.10％，NOx排放下降63.08％。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 煤层气发动机的开发价值

1．1．1 煤层气燃料的使用现状

1．1．2 煤层气燃料的特性

1．2 Miller循环

1．2．1 Miller循环介绍

1．2．2 Miller循环气体燃料发动机研究现状

1．3 本文的主要研究内容及意义

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 研究意义

第2章 柴油机模型的建立及验证

2．1 柴油机模型的建立

2．1．1 环境边界条件的设置

2．1．2 进排气系统模型的建立

2．1．3 气缸模型的建立

2．1．4 曲轴箱模型的建立

2．1．5 喷油器模型的建立

2．1．6 增压中冷模型建立

2．2 柴油机模型的验证

2．2．1 外特性数据对比验证

2．2．2 缸压数据对比验证

2．3 本章小结

第3章 煤层气发动机的改装及模型建立

3．1 煤层气发动机的改装方案

3．1．1 燃烧系统

3．1．2 燃料供给系统

3．1．3 点火系统

3．1．4 防爆装置

3．1．5 压缩比及过量空气系数

3．1．6 其他改装

3．2 煤层气发动机模型的建立

3．2．1 煤层气燃料库的建立

3．2．2 模型初步改装

3．3 煤层气发动机的仿真

3．3．1 煤层气发动机与原柴油机经济性、动力性对比

3．3．2 煤层气发动机与原柴油机燃烧性能对比

3．3．3 煤层气发动机与原柴油机排放性能对比

3．4 低热值煤层气发动机的优化设计方向

3．5 本章小结

第4章 Miller循环对煤层气发动机外特性的影响

4．1 Miller循环原理

4．2 进气门晚关的Miller循环

4．2．1 研究方案设计

4．2．2 进气门晚关对换气过程的影响

4．2．3 进气门晚关对缸内燃烧的影响

4．2．4 进气门晚关对爆震的影响

4．2．5 进气门晚关对动力性、经济性的影响

4．2．6 进气门晚关对排气温度、涡前压力的影响

4．2．7 进气门晚关对排放的影响

4．3 进气门早关的Miller循环

4．3．1 研究方案设计

4．3．2 进气相位提前对发动机性能的影响

4．3．3 进气门早关对发动机性能的影响

4．4 Miller循环优化方案的选取

4．5 本章小结

第5章 Miller循环煤层气机的动力性能优化

5．1 基于GT-POWER的DOE多参数优化方法

5．1．1 变量范围的设置

5．1．2 抽样方法及试验次数

5．2 DOE优化分析

5．2．1 各变量对功率、热效率的影响力分析

5．2．2 各变量优化的响应面

5．2．3 DOE优化结果

5．3 本章小结

第6章 Miller循环煤层气机的部分负荷性能优化

6．1 研究方案

6．2 各负荷控制方案的可行性

6．3 不同Miller循环方案对发动机性能的影响

6．4 部分负荷优化结果

6．5 本章小结

结论与展望

1、结论

2、不足与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果