Miller循環(huán)煤層氣發(fā)動機的仿真優(yōu)化研究.pdf

1、如今，能源與環(huán)境已成為制約我國經(jīng)濟安全和可持續(xù)發(fā)展的重要因素，煤層氣作為一種潛力巨大的非常規(guī)天然氣資源，目前已得到了廣泛的應(yīng)用，煤層氣的開發(fā)利用將會產(chǎn)生“一石三鳥”的效益——增加可再生能源供應(yīng)、改善生產(chǎn)安全、保護全球環(huán)境。
　　本文利用GT-POWER仿真軟件，建立了某4103增壓柴油機模型，并將其改裝為煤層氣發(fā)動機模型，利用改裝后的煤層氣機模型進行仿真計算。
　　外特性工況下，由于煤層氣的熱值較低，壓縮比較小等原因，導致發(fā)

2、動機動力性能下降。因此本文提出了提高發(fā)動機性能的改進措施——采用Miller循環(huán)以擴大爆震限制，同時提高熱效率和降低NOx排放，然后結(jié)合高增壓、提高壓縮比、優(yōu)化空燃比等措施在爆震的限制下提高動力性能。首先分別研究了不同進氣方案的Miller循環(huán)對發(fā)動機性能的影響，然后基于爆震指數(shù)的限制，采用多參數(shù)優(yōu)化的方式，研究了增壓壓比、壓縮比、空燃比與Miller循環(huán)的耦合影響，最終確定Miller循環(huán)結(jié)合各參數(shù)設(shè)置的最優(yōu)改裝設(shè)計方案，為煤層氣發(fā)動

3、機的實際改裝提供了參考。
　　部分負荷工況下，由于煤層氣機采用了節(jié)氣門控制負荷，產(chǎn)生較大的節(jié)流損失，造成經(jīng)濟性能下降，而采用米勒循環(huán)以減少進氣量，可以部分甚至全部抵消節(jié)氣門的負荷控制功能，減少節(jié)流損失，提高經(jīng)濟性能。本文分別研究了25％、50％、75％負荷時的各種米勒循環(huán)負荷控制法對發(fā)動機性能的影響，并確定了各負荷下的最優(yōu)負荷控制方案。
　　分析結(jié)果表明:(1)柴油機改裝為煤層氣機后，其功率、進氣流量、缸內(nèi)壓力等相比柴油機有

4、所下降;熱效率在低速時提升，中高轉(zhuǎn)速時下降;NOx排放量下降，但CO、HC排放量上升。(2) Miller循環(huán)、壓縮比、增壓壓比、空燃比有多種配合方案都可以提高發(fā)動機的動力性能，如進氣門提前關(guān)閉20。CA，增壓壓比為2.72，空燃比6.91，壓縮比10.69時，最高可以將功率提高19.55％，但其熱效率下降2.52％，NOx排放為原機的4.02倍。由于煤層氣燃料的成本較低，因此經(jīng)濟性能的小幅度下降可以接受。而NOx的排放量上升，則可以根

5、據(jù)情況采取后處理措施。(3)在功率提高的前提下，大部分的方案使熱效率下降，最大下降比率為3.53％;且大部分方案也無法兼顧NOx排放，其中NOx排放量最大可達到原機的9.72倍之多。因此，在煤層氣發(fā)動機的實際設(shè)計中，要兼顧動力性、經(jīng)濟性和排放性能，不能一味要求提高功率，可以根據(jù)實際需求來選取設(shè)計方案。(4)進氣門早關(guān)、晚關(guān)的米勒循環(huán)方案均可不同程度地取代節(jié)氣門，以控制發(fā)動機負荷，使節(jié)氣門節(jié)流損失減少，泵氣損失減小，熱效率提高，缸內(nèi)壓力、

6、溫度、排氣溫度下降，NOx排放量也下降。(5)當進氣門早關(guān)或晚關(guān)角度過大時，由于進氣門早關(guān)使氣門升程變小，造成氣門處節(jié)流損失過大和由于進氣門晚關(guān)造成的進氣推出損失過大，都會導致泵氣損失增大，熱效率下降。(6)采用米勒循環(huán)控制方案的部分負荷工況優(yōu)化結(jié)果為:75％負荷時采用進氣門晚關(guān)80° CA，熱效率提高1.95％，泵氣損失下降35.74％，NOx排放下降18.37％;50％負荷時進氣門早關(guān)40° CA，熱效率提高4.02％，泵氣損失下降