发电用增压沼气发动机的性能研究

【摘要】：近年来,随着世界经济的不断发展,能源危机和环境污染已经成为21世纪人类面临的主要问题。目前世界各国都在致力于寻求发动机代用燃料,气体燃料在内燃机上的应用进入了一个新的历史时期。沼气是一种可再生的生物质能,具有来源丰富、成本低廉、环境友好等特点,沼气发动机在发电领域的应用越来越广泛。 本文以发电用沼气发动机为研究对象,对发动机与涡轮增压器的匹配特性和发动机性能进行了深入的仿真分析和研究,同时完成了空燃比闭环控制系统的软件开发,制定了控制策略,编写了模块化的控制程序并搭建电子节气门试验台对控制系统进行了模拟试验验证。 采用GT-power一维模拟软件建立了增压气体发动机仿真模型,通过仿真结果与试验数据对比,验证了模型的准确性。以该模型为基础,对燃用不同甲烷含量的沼气发动机进行了仿真分析,研究了过量空气系数和沼气组分对发动机与涡轮增压器匹配特性的影响；研究了过量空气系数、压缩比、增压器布置方式、沼气组分对发动机动力性、经济性、燃烧特性和排放特性的影响。最后应用GT-power软件的优化模块,建立了发动机性能优化的仿真模型,对主要结构参数进行了优化研究。 设计了由两个节气门进行控制的燃料供给系统,制定了开环控制和以功率传感器信号为反馈的闭环控制相结合的控制策略,选用PID控制算法,编写了C语言控制程序,完成了控制系统软件的开发。 搭建了电子节气门控制试验台,对电子节气门PID控制和空燃比闭环控制效果进行了模拟试验。试验结果表明,本文所开发的空燃比控制系统基本能够达到预期的控制效果。 本论文得到国家自然基金项目“低热值气体燃料发动机燃烧稳定性的基础研究(50976012)”资助。 【关键词】：沼气发动机 GT-power 涡轮增压器 性能 空燃比 控制
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TK43
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 1 绪论11-17
• 1.1 选题的背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-16
• 1.2.1 国内外气体燃料发动机研究发展现状12-13
• 1.2.2 气体发动机空燃比控制研究现状13-16
• 1.3 论文主要研究内容16-17
• 2 增压气体发动机计算模型的建立及验证17-39
• 2.1 增压气体发动机数学模型17-30
• 2.1.1 气缸内工作过程数学模型17-24
• 2.1.2 进排气系统数学模型24-27
• 2.1.3 涡轮增压器数学模型27-29
• 2.1.4 中冷器数学模型29-30
• 2.2 增压气体发动机仿真模型的建立30-36
• 2.2.1 GT-power模拟计算软件30-31
• 2.2.2 发动机基本参数31
• 2.2.3 发动机气缸工作模型31-32
• 2.2.4 发动机进排气系统模型32-33
• 2.2.5 发动机燃气供给系统模型33-34
• 2.2.6 曲轴箱模型34-35
• 2.2.7 涡轮增压器模型35-36
• 2.2.8 中冷器模型36
• 2.3 增压气体发动机仿真模型的验证36-38
• 2.4 本章小结38-39
• 3 沼气发动机增压器匹配与发动机性能分析39-79
• 3.1 不同甲烷含量的沼气物性参数计算39-41
• 3.2 沼气发动机增压器匹配分析41-50
• 3.2.1 涡轮增压器与发动机的匹配要点41-42
• 3.2.2 外特性和负荷特性下增压器匹配特性分析42-46
• 3.2.3 过量空气系数对增压器匹配特性的影响分析46-48
• 3.2.4 沼气组分对增压器匹配特性的影响分析48-50
• 3.3 发电用沼气发动机性能分析50-64
• 3.3.1 沼气发动机负荷特性预测分析50-51
• 3.3.2 过量空气系数对发动机性能的影响51-59
• 3.3.3 压缩比对发动机性能的影响59-61
• 3.3.4 增压器不同布置方式对发动机性能的影响61-64
• 3.4 沼气组分对发动机性能的影响分析64-71
• 3.4.1 沼气组分对发动机动力性的影响64-66
• 3.4.2 沼气组分对发动机经济性的影响66
• 3.4.3 沼气组分对发动机涡前排温的影响66-67
• 3.4.4 沼气组分对发动机缸内燃烧特性的影响67-70
• 3.4.5 沼气组分对发动机NOX排放量的影响70-71
• 3.5 发动机参数优化的仿真研究71-77
• 3.5.1 最优化问题的数学模型71-73
• 3.5.2 最优化问题的算法73-74
• 3.5.3 压缩比、配气相位的联合优化74-77
• 3.6 本章小结77-79
• 4 沼气发动机空燃比控制系统的开发79-107
• 4.1 沼气发动机燃料供给系统总体方案设计79-81
• 4.1.1 气体发动机燃料供给方案的对比与分析79-80
• 4.1.2 本论文发动机燃料供给系统的功能分析80-81
• 4.2 空燃比控制策略及算法81-92
• 4.2.1 空燃比控制策略研究81-83
• 4.2.2 空燃比控制算法研究83-85
• 4.2.3 ECU芯片选型及传感器、执行器选型设计85-92
• 4.3 空燃比控制系统控制软件的开发92-98
• 4.3.1 软件开发工具92-94
• 4.3.2 空燃比控制程序94-98
• 4.4 空燃比控制系统模拟试验及结果分析98-105
• 4.4.1 电子节气门标定试验98-101
• 4.4.2 电子节气门PID控制试验101-104
• 4.4.3 空燃比闭环控制试验104-105
• 4.5 本章小结105-107
• 5 总结与展望107-111
• 5.1 全文总结107-108
• 5.2 工作展望108-111
• 参考文献111-113
• 作者简历113-117
• 学位论文数据集117

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