机械专业硕士毕业答辩PPT演示课件

专业硕士论文答辩,答辩人：专 业：方 向：,答辩题目：高原地区小型沼气|柴油 双燃料发动机的改进设计,汇 报 内 容,2,1.选题背景、目的及意义,2. 课题研究的内容及技术路线,3. 沼气 的净化处理,4. 双燃料发动机总体方案的确定,5. 关键部件的设计,6. 创新点,主要汇报内容,3,一.选题背景、目的及意义,1.双燃料发动机研究背景,近年来，由于世界能源紧缺和各种燃油燃烧放出的污染物严重影响环境质量等问题，使人们非常关注发动机代用燃料的研究，而开展用可燃气体代替燃油燃烧的双燃料发动机的开发研制工作得到各国研究者的很大关注，并取得了许多成果。,沼气建设在中国起步于二十世纪五、六十年代，经过几十年的发展，进入了快速发展的良好势头，形成加快发展的基础。在2006年底，农村户用沼气总数已达到2200万户家庭，超过8省份户用沼气保留数量超过100万。预计到2020年，我国开发沼气的量将达到270亿立方米，与2000年相比，年增长率为9.1%，比化石燃料 (煤、石油和天然气) 增长速度快，相当于2122万吨标准煤的数量，约合3000万吨原煤的数量。总之，中国沼气的开发和利用具有非常好的市场前景和能源的竞争力，大有可为。,1、1860年，lenior生产出了世界上第一个使用天然气作为燃料的气体燃料发动机；2、20世纪30年代，占据大型天然气储量和产量的意大利和荷兰等国开始发展液化石油气（LPG）和压缩天然气（CNG）燃料的汽车发动机；3、到了20世纪末，天然气发动机的研究与开发非常活跃，对天然气双燃料发动机的燃烧特性、燃烧过程和应用技术的优化问题的研究力度加大。,4,在我国，继“1996北京国际电动汽车及代用燃料汽车技术研讨会暨展览会”之后，国内对双燃料发动机的关注力度加大，由简单的改装匹配工作，发展到燃烧特性的研究，以及发动机结构、性能参数、工作过程等的优化以及电控技术的应用等多方面的研究，双燃料发动机的研制工作正不断向着纵深方向发展。,北京交通大学在1996年，已经开发出一种气体/柴油双燃料发动机；天津大学苏万华等人提出了具有较好燃油经济性和排放性的全电控的天然气/柴油双燃料发动机；吉林大学研究了双燃料技术的混合燃烧特性及其燃烧规律，得出了双燃料混烧的主要特征和规律。除了这些气体|燃油双燃料发动机的科研成果，还有许多关于双燃料发动机的较成功的研究成果。 随着国内外对双燃料技术的不断探索和研究，取得了突飞猛进的进步，其在柴油机上的应用也日趋成熟，许多国家和省份都有根据本地机动力械发展的经济条件、地域环境等进行双燃料发动机的研究开发，努力的拓展当地的发动机向前发展的市场。,5,2.双燃料发动机研究目的及意义,甲烷含量为75%的沼气平均发热量约24KJ/m3，与0.7kg的纯柴油或者1kg的煤炭接近，相当于节省1.92万吨煤。在甘肃省如果将沼气/柴油双燃料发动机应用到20%的农机具上，按每200gkwh的耗油量计算，若农业动力机械每天工作8小时，双燃料柴油机工作时柴油供给量按总能量20%计算，则相当于每年节省135.49万吨柴油，如何使丰富的沼气作为发动机燃料用于农业机械、农用电力和农业水利等领域，将很大程度缓解该地区的农用动力不足、能源短缺等问题，并能很好的保护生态环境。,目前压燃式双燃料发动机的改装与设计成为甘肃省等西北高原地区双燃料技术发展的主要方向，这种发动机为以沼气为主要燃料，用适量的柴油引燃，可以完成以纯燃油燃烧和气体与柴油混合燃料燃烧两种工况的运行，并且沼气的来源丰富，热效率高和排放性能好，能够节省柴油消耗。当经过净化处理的沼气中CH4含量达到95左右时与天然气成分接近，这样就扩大了该机的使用范围。此外，整机改装结构简单、成本低、有利于西北高原地区的推广，具有不可比拟的优势。,6,ZS1115小型单缸柴油机作为西北农村主要的农用动力机械，一直存在进气压力不足，达不到标定功率等问题。将他改装成沼气/柴油双燃料发动机，一方面可以提高该地区发动机的动力性和从零负荷到全负荷工作中的变化工况的适应性；另一方面充分利用当地剩余沼气资源，节省柴油消耗，降低排放污染，对促进该地区节能降排的可持续发展有深远的意义。 该装置增加了一套混合气进气系统、供油、供气调速系统和引燃油量控制机构，几乎保留了原柴油机的全部机构和功能，改装简单，操作简捷，所以改进设计沼气/柴油双燃料发动机是本文研究的课题。,7,1.主要研究内容,（1）沼气净化 因为沼气含有影响柴油机工作性能和使用寿命的许多杂质成分，所以在使用沼气之前，必须要进行沼气进化处理，本设计中的沼气分别经过脱硫塔、脱二氧化碳器、脱尘器和干燥箱等净化去杂过程，使沼气中甲烷的含量大于90%，与天然气成分接近，在沼气紧缺的情况下，可以实现与天然气互换使用。（2）机构设计方面 在ZS1115原机基础上进行双燃料发动机的改装，主要针对供气、供油和调速系统进行研究，设计出沼气|空气混合器、引燃油量控制装置、双燃料调速系统，对供油、供气系统进行了改进。,二.课题研究内容及技术路线,8,（3）高原柴油机功率恢复方面 为使改装后的ZS1115小型单缸柴油机的功率不下降，需要改变压缩比和供油提前角，借助已经研制成功的第一代样机，经过理论分析，计算得出初步将压缩比由原来的17:1提高为19:1，供油调前角由原来22增大为24，并根据双燃料发动机的经济性选择了油耗低、功率大的直喷式形燃烧室。（4）双燃料发动机可行性方面 对改进设计的双燃料发动机进行可行性研究分析，以沼气替代率和引燃油量比例作为研究点，经过理论计算论证，验证改装后的ZS1115进行两种燃料混烧是否可行。,9,（1）了解ZS1115小型单缸柴油机经过改进设计的第一代样机的整机结构和工作原理。尤其对第一代样机的沼气|空气混合器、调速系统、供油、供气系统和联动结构进行大量的理论分析研究。（2）设计沼气燃料进气系统与控制系统，确定关键部件的结构参数，绘制混合器和调速机构的二维或三维图形。（3）根据原机性能和双燃料发动机性能的综合要求，经过理论分析研究选择符合发动机工作要求的燃烧室、压缩比和供油提前角。（4）预期能够进行样机试验，验证改进设计的主要机构的可行性，优化组合得到最佳调整参数，完成样机改进设计。,2.课题研究技术路线,10,三. 沼气净化处理,沼气中主要杂质的去除,4.其他杂质的去除,1.沼气中H2S的去除,3 沼气中H2O的去除,2 沼气中CO2的去除,主要包括沼气中氧和 氮、灰尘及卤化烃等的去除,脱水是因为当导气管中积累了水时会溶解硫酸根生成硫酸而腐蚀管道，另一个原因是当沼气被加压储存时，温 度相对低，如果水被凝结就会冻坏储气罐。,沼气供气原理如图所示：,11,沼气净化整体流程可以分为脱硫、脱水、脱碳、再脱水和脱尘。其中脱碳如采用热钾碱吸收法、石灰水溶液吸收法这一类湿法脱碳时，净化后的沼气中水分含量势必会有所增加，这就会给下游的脱水处理带来压力，因此，在脱硫与脱碳处理之间可增加一道脱水处理，从而降低沼气粗气中的水分含量，以保证最终得到的沼气的纯度符合相应的标准。,12,四.双燃料发动机改进方案的确定,4.1高原地区的功率要求,提高原机压缩比,通常情况下，柴油机的性能随着海拔高度的变化而变化，这是由不同海拔高度大气压力所决定的，在海拔高度高达1200米以后，功率与海拔高度的负相关特性十分明显，进气压力等因素的变化对以气体为主要燃料的发动机正常运转，尤其是使用效益产生了很大的影响；在双燃料发动机的改装设计中，关键部件的功能要求较高，需要弥补因为大气压力降低而造成的功率损失，技术难点高，阻碍了双燃料发动机的可行性设计，经过理论和试验分析，进行简单的改变原机压缩比，可以达到保证设计的双燃料发动机动力性不下降的目的。,高压缩比与双燃料发动机功率、燃油消耗率及排气温度的关系,综合分析研究看双燃发动机是否满足原机的标定功率,13,4.2 沼气/柴油双燃料发动机混烧的 可行性要求,主要是对改装后的双燃料发动机进行动力性核算（沼气替代率、引燃柴油比例、双燃料发动机的动力性变化率）,经过设计和改装后的沼气|柴油双燃料发动机是以沼气为主要燃料，少量柴油为引燃油量运行，沼气和空气在进气道的混合器中混合后进入了气缸，但是沼气作为气体燃料将会占用一定的气缸体积，随着沼气进气 量的不断增大，空燃比相应的会减小，与此同时沼气中含有的可燃气体甲烷含量慢慢降低，放热值随之降低，沼气替代率和引燃油量的不断变化影响了发动机的动力性和经济性，使它们产生不同程度的降低。所以验证双燃料发动机混烧的可行性是非常重要的。,14,4.3沼气/柴油双燃料发动机两种模式运行的要求,经过ZS1115改装设计的沼气/柴油双燃料发动机，尤其在西北高原加气站不足的地区，必须能够实现两种模式运转，一种是沼气充足时，以沼气为主要燃料，以一定比例的柴油为引燃油量混烧；另一种是在沼气不足或没有时，通过调节发动机的切换装置使双燃料发动机以纯柴油形式工作。这样在不改变柴油机原有功能的前提下，提高对该地区富余沼气的利用，节省能源消耗，拓展了双燃料发动机的应用领域。,1.主要是油、气的切换,2.沼气或柴油使用量的控制,15,4.4 双燃料发动机总体方案的提出：,根据双燃料发动机的功率要求、模式要求、可行性要求以及对高原地区的区域现状的分析，提出了以ZS1115小型单缸柴油机为载体的沼气/柴油双燃料发动机，改装后的发动机需要满足两种工况要求。,16,四.双燃料发动机改进方案的确定,4.5双燃料发动机总体方案的确定 ： 1.沼气进气管；2.节气门体；3.节气门法兰；4.节气门；5.混合器体；6.混合器沼气进气管 7.文丘里喉管；8.混合器法兰；9.空气进气管；10.空气滤清器；11-1.节气门联动连杆1, 11-2.节气门联动连杆2；12.联动转动副；13.节气门限制板；14.油门槽； 15.油门控制螺栓； 16.手摇启动齿杆；17.引燃油量控制装置；图4-1双燃料发动机机构简图,17,沼气/柴油双燃料发动机的工作原理：（1）工作时，按照原ZS1115型柴油机的启动方式启动，待转速稳定后，缓慢的打开沼气阀，将沼气阀前减压阀压力控制为79kpa。（2）随着将减压阀压力控制在合适范围内和沼气进气量的不断增加，在调速器的作用下，柴油的喷油量逐渐减少直至转速稳定，然后向外旋转引燃油量控制装置拨叉，当向上拨动1mm时与之相连的上轴套与下轴套分离，引燃油量根据调节的档位依次减小，并在每个档位停留几秒，待转速稳定后，再拨动到下个档位，直到将最小引燃油量控制在了20%位置处。（3）此时通过调节油门大小来调节沼气的供应量，以适应不同工况运行要求，当发动机在热启动、小负荷或大负荷情况下运转时，通过控制引燃油量的拨叉以增大引燃油量来满足这些工况下加浓混合气的条件；当沼气供应不足时，通过扣合上下轴套（单齿啮合以控制其相对位置），旋转拨叉推动滑块将其卡在滑槽中，操作油门控制装置，以恢复原来柴油发动机的工作模式。,18,4.6 主要技术参数,沼气/柴油双燃料发动机的主要技术参数如右表所示，标定功率为14.5kw，标定转速2200r/min，发动机的曲柄连杆、润滑机构、冷却系统等结构全部都保留。,19,五、关键部件的设计,因为西北高原地区的农业机械化水平总体较落后，改装后的双燃料发动机必须要结构简单，成本低，才能顺利进行推广，所以一些高端改装技术如电控喷射技术来控制进气量和单片机控制沼气|空气进入气缸比例等技术在我国高原地区恐怕难以推广应用。因此，针对西北高原地区区域环境和动力机械使用落后的现状，本文以ZS1115为原型，设计改装的双燃料发动机是一种机械式控制、结构简单的机型。 ZS1115小型单缸柴油发动机的改装设计工作，主要是对下面三部分部件进行设计改装研究： 1）沼气控制阀及沼气、空气混合器； 2）调速机构； 3）引燃油量控制等装置。,20,5.1沼气|空气混合器设计 课题设计采用的控制方式是缸外预混合、柴油引燃，混合器初步采用文丘里喉管和环腔腮孔组成的文丘里式混合器。它是利用喉管处形成的真空度吸入沼气，通过加装沼气节气门与油门之间的联动装置控制沼气进气量。一般而言，沼气|柴油双燃料发动机的燃气供给系统如图5-1所示。,1.沼气 2.沼气调节阀 3.空气调节阀 4.空气 5.混合室 6.混合气调节阀 7.混合气图5-1 沼气-柴油双燃料发动机供气系统示意图,21,原理介绍,作双燃料运行时，调速器将由联接杠杆操纵沼气控制阀，改变沼气的量来适应负荷的变化。这种供气系统是在原发动机空气滤清器和进气管之间安装一个三通管混合器，将沼气控制阀安装在混合器上，沼气先进入混合器与新鲜空气初步混合后，由进气管共同进入到气缸。控制阀是一个锥形阀，阀芯动作受调速器控制，通过改变沼气流通截面的方法，以达到控制沼气量的目的。注：进行混合器设计之前要进行一些参数的理论分析和计算。,22,5.2 文丘里式混合器,5.2文丘里混合器三维图,5.3 喉管三维图,23,五、关键部件的设计,5.3调速系统设计,图5-4引燃油量控制装置,24,1.节气门 2.联动连杆机构 3.接油门 4.上轴套 5.调油拉杆 6.下轴套 7.引燃油量控制装置8.供油拉杆 9.喷油泵 10.油量校正器11.气量校正器 12.旋转滑动副 图5-5双燃料供给调速机构,25,柴油机的调速系统改进设计，具体如下： 将发动机上与调速器连接的上下平衡轴套分开，上下轴套通过单个齿轮啮合，啮合时能够调整到原机位置；通过原柴油机的加浓系统和调速系统使双燃料发动机正常启动，待转速稳定后，操作引燃油量控制装置使上下轴套分开，并将引燃油量档位固定在20%的引燃油量位置，此时调节与上轴套连接的沼气节气门的开度，转速过高时，通过原调速器的作用带动拨叉使沼气节气门开度相对减小，达到稳定转速的作用； 在发动机转速降低到怠速时，气门校正器发挥作用，使沼气节气门开度增大，加浓混合气，当高转速、高负荷时，气门校正器进一步发挥作用，此时若节气门全开不能满足功率要求，则通过增大沼气进气阀的压力来提高混合气的浓度，当发动机中速、中负荷运转时，在气门校正器回位弹簧的作用下减压阀压力回位，通过调节供油装置调节柴油量；当沼气量不足时，发动机功率明显下降，通过拨动引燃油量控制装置使上下轴套方齿啮合，并关闭沼气进气阀，实现纯柴油机的正常工作，其工作原理如图5-5所示。,26,双燃料发动机调速系统 调速系统的主要技术,目前研制的沼气发动机仍处在试验阶段，大多为单缸小功率发动机，一般都由柴油机改装而成。而改装方式各不相同，主要区别于调速系统、引燃方式和混合器等方面，这些研究领域仍需要各个国家进一步的研究和改进。,27,柴油机的调速系统改进设计，如图所示：,改装后发动机的调速系统,1.供油拉杆 2.传动板 3.推杆 4.机壳 5.杠杆 6.沼气调速阀7.调速手柄 8.调速弹簧 9.滑动盘 10.钢球 11.驱动盘,五、关键部件的设计,28,此双燃料发动机调速系统工作原理： 从图中可以看出，由于传动板2与供油拉杆1之间存在间隙，在双燃料运行时，因负荷变化使发动机转速改变,沿滑动盘9产生相应位移,此时供油拉杆并不改变位置，从而保持引燃油量不变；而传动板则带动杠杆机构，调节沼气调速阀6的开度，使沼气流量随负荷的变化而调节，实现调速。 在纯烧柴油工况时，调速手柄7向增油方向拨动，使传动板与供油拉杆的增油侧接触。当负荷增加时，传动板推动供油拉杆，克服引燃油量控制装置的控制力，使其向增油方向移动。当负荷下降时，传动板向减油方向移动,供油拉杆由引燃油量控制装置的控制力推动，也向减油方向移动,从而达到调速的目的。 沼气调速阀采用锥形阀。,29,5.4 供油、供气系统的改进,1.油、气量校正器,本设计所用的气量控制装置即气量校正器，它的功用是在双燃料正常工作时，满足变化工况的条件，能在发动机怠速或者大负荷须加浓的情况下不用切换发动机工作模式而能正常工作，优化燃烧品质。,1.供油、供气推杆 2.校正弹簧 3.加浓弹簧 4.油、气加浓推杆5. 加浓限位装置6.预紧弹簧图5-6 油、气量校正器,30,2.引燃油量控制装置的设计,引燃油量控制装置如图5-7所示，该装置中的两套筒焊接，控油把手3可在套筒1中任意转动，依靠弹簧的压紧和滑块的限位作用将套筒1和控油连杆2固定，通过拨叉的转动与油门拉杆移动的对应量，在发动机外壳上标出几个档位，分别代表引燃油量为20%、40%、60%；在发动机工作过程中，通过转动拨叉，在对应的档位上将滑块与拨叉限位，通过改变不同的引燃油量维持发动机较经济的运转，达到发动机引燃油量可调的功用；小负荷时，引燃油量控制在60%位置处；中负荷时，引燃油量控制在40%的位置；大负荷时，引燃油量控制在20%位置处。,1.控油套筒2.控油连杆3.控油把手4.控油螺栓 5.锁紧螺母6.预紧弹簧 7.挡块 8.凹槽 图5-10引燃油量控制装置,31,5.5 ZS1115沼气|柴油双燃料发动机第一代样机：,由ZS1115小型单缸柴油机改装后的沼气/柴油双燃料发动机的第一代样机如图5-8所示，此样机是由山东胜动集团生产。,图5-8 双燃料发动机第一代样机,32,七.研究创新点与不足,创新点, 以高原地区新型沼气产业为基础，将无烟、少灰、不易产生污染等特点的沼气作为替代燃料应用到农用机械上，沼气运用之前经过脱硫、脱水、脱二氧化碳等净化，除去沼气中的杂质成分，将沼气中可燃气体甲烷的含量控制在90%以上，净化后沼气与天然气成分接近，扩大了燃料的使用范围，拓展了该机的使用市场。, 对改装的第一代样机，改进设计出文丘里式混合器、引燃油量控制装置和一套调速机构和沼气节气门联动装置，实现ZS1115小型柴油机在高原地区环境下以双燃料和纯柴油两种工况的运行，该机以纯机械控制、改装简单、成本较低，是针对高原地区环境研制初期的双燃料发动机，为以后同学研究高原地区双燃料发动机提供了参考。,33,创新点, 一般而言，沼气的平均发热量约24KJ/m3，放热量与1Kg煤炭接近，以高原地区甘肃省为例，如果20%的农机上应用沼气/柴油双燃料发动机，按200g