机械专业硕士毕业答辩

1、20142014专业硕士论文答辩专业硕士论文答辩答辩人：梦水云答辩人：梦水云专专 业：业：农业机械化方方 向：向：农业工程技术与装备 答辩题目：答辩题目：高原地区小型沼气高原地区小型沼气| |柴油柴油 双燃料发动机的改进设计双燃料发动机的改进设计汇汇 报报 内内 容容2主要汇报主要汇报内容内容3一一. .选题背景、目的及意义选题背景、目的及意义1.1.双燃料发动双燃料发动机研究背景机研究背景近年来，由于世界能源紧缺近年来，由于世界能源紧缺和和各种燃油燃烧放出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

2、气体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。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，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。在进入了快速发展的良好势头，形成加快发展的基础。在20062006年底，农村户年底，农村户用沼气总数已达到用沼气总数已达到22002200万户家庭，超过万户家庭，超过8 8省份户用沼气保留数量超过省份户用沼气保留数量超

3、过100100万。万。预计到预计到20202020年，我国开发沼气的量将达到年，我国开发沼气的量将达到270270亿立方米，与亿立方米，与20002000年相比，年相比，年增长率为年增长率为9.1%9.1%，比化石燃料，比化石燃料 ( (煤、石油和天然气煤、石油和天然气) ) 增长速度快，相当于增长速度快，相当于21222122万吨标准煤的数量，约合万吨标准煤的数量，约合30003000万吨原煤的数量。总之，中国沼气的开万吨原煤的数量。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。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 1、18601860年，年，l

4、eniorlenior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；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 2、2020世纪世纪3030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（石油气（LPGLPG）和压缩天然气（）和压缩天然气（CNGCNG）燃料的汽车发动机；）燃料的汽车发动机；3 3、到了、到了2020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

5、大。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，继在我国，继“19961996北京国际电动汽车及代用燃料汽车技术研讨北京国际电动汽车及代用燃料汽车技术研讨会暨展览会会暨展览会”之后，国内对双燃料发动机的关注力度加大，由之后，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。面的研究，双燃料发动机的研制工作正不断向着纵深

6、方向发展。 北京交通大学在北京交通大学在19961996年，已经开发出一种气体年，已经开发出一种气体/ /柴油双燃柴油双燃料发动机；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和排放性的全电控的天然气/ /柴油双燃料发动机；吉林大学柴油双燃料发动机；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。除了这些气体燃料混烧的主要特征和规律。除了这些气体| |燃油双燃料发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动机的

7、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。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。前发展的市场。52.2.双燃料发动机双燃料发动机研究目的及意义研究目的及意义 甲烷含量为甲烷含量为75%75%的沼

8、气平均发热量约的沼气平均发热量约24KJ/m24KJ/m3 3，与，与0.7kg0.7kg的纯柴油或者的纯柴油或者1kg1kg的煤炭接近，相当于节省的煤炭接近，相当于节省1.921.92万吨煤。在甘肃省如果将沼气万吨煤。在甘肃省如果将沼气/ /柴油双燃料发动柴油双燃料发动机应用到机应用到20%20%的农机具上，按每的农机具上，按每200g200gkwkwh h的耗油量的耗油量计算，若农业动力机械每天工作计算，若农业动力机械每天工作8 8小时，双燃料柴油小时，双燃料柴油机工作时柴油供给量按总能量机工作时柴油供给量按总能量20%20%计算，则相当于每计算，则相当于每年节省年节省135.49135.

9、49万吨柴油，如何使丰富的沼气作为发万吨柴油，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。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，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

10、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好，能够节省柴油消耗。当经过净化处理的沼气中CHCH4 4含量达到含量达到9595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，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。可比拟的优势。6 ZS1115ZS1115小型单缸

11、柴油机作为西北农村主要的农用动力机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。将他改装成沼气改装成沼气/ /柴油双燃料发动机，柴油双燃料发动机，一方面一方面可以提高该地区发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；性；另一方面另一方面充分利用当地剩余沼气资源，节省柴油消耗，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

12、意义。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，功能，改装简单，操作简捷，所以所以改进设计沼气改进设计沼气/ /柴油双燃柴油双燃料发动机是本文研究的课题。料发动机是本文研究的课题。71.1.主要研究主要研究内容内容（1 1）沼气净化）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

13、设计中的沼气分别经过脱在使用沼气之前，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含量大于90%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，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。气互换使用。（2 2）机构设计方面）机构设计方面 在在ZS1115ZS1115原机基础上进行双燃料发动机的改装，主要针对供气、供油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，设计出沼气和调速系统进行研究，设计出

14、沼气| |空气混合器、引燃油量控制装置、双燃空气混合器、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。料调速系统，对供油、供气系统进行了改进。二二. .课题研究内容及技术路线课题研究内容及技术路线8（3 3）高原柴油机功率恢复方面）高原柴油机功率恢复方面 为使改装后的为使改装后的ZS1115ZS1115小型单缸柴油机的功率不下降，需要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，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经过理论分析，计算得出初步将压缩比由原来的17:117:1提高为提

15、高为19:119:1，供油调前角由原来，供油调前角由原来2222增大为增大为2424，并根据双燃料发，并根据双燃料发动机的经济性选择了油耗低、功率大的直喷式动机的经济性选择了油耗低、功率大的直喷式形燃烧室。形燃烧室。（4 4）双燃料发动机可行性方面）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，验证改装后的证改装后的ZS1115ZS1115进行两种燃料混烧是否可行。进行两种燃料混烧是否可行。9（1 1）了解）了解ZS

16、1115ZS1115小型单缸柴油机经过改进设计的第一代样机的整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。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 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）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。数，绘制混合器和调速机构的二维或三维图形。（3 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）根据原

17、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。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 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，）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。优化组合得到最佳调整参数，完成样机改进设计。2.2.课题研究课题研究技术路线技术路线10三三. . 沼气净化处理沼气净化处理沼气中主要杂质的去除沼气中主要杂质的去除4.4.其他杂质的其他杂质的去除去除1.1.沼气中沼气中H H2 2S S的的去除去除3 3 沼气中沼气中H

18、H2 2O O的的去除去除2 2 沼气中沼气中COCO2 2的的去除去除 主要包括沼气中氧主要包括沼气中氧和和 氮、灰尘及卤氮、灰尘及卤化烃等的去除化烃等的去除因为因为H H2 2S S具有很强的具有很强的腐蚀性，对发动机的影响腐蚀性，对发动机的影响很大，所以在用沼气之前很大，所以在用沼气之前必须去除，避免发动机、必须去除，避免发动机、压缩机和气体储罐遭到腐压缩机和气体储罐遭到腐蚀。蚀。沼气中沼气中COCO2 2的存在，降低了的存在，降低了沼气的能量密度，如果所用的沼气的能量密度，如果所用的沼气要接近天然气中甲烷含量沼气要接近天然气中甲烷含量的标准或者被用作车用燃料，的标准或者被用作车用燃料，

19、就必须去除就必须去除COCO2 2。脱水是因为当导气管脱水是因为当导气管中积累了水时会溶解硫酸根生中积累了水时会溶解硫酸根生成硫酸而腐蚀管道，另一个原成硫酸而腐蚀管道，另一个原因是当沼气被加压储存时，温因是当沼气被加压储存时，温 度相对低，如果水被凝结就度相对低，如果水被凝结就会冻坏储气罐。会冻坏储气罐。沼气供气原理如图所示：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

20、量势必会有所增加，这类湿法脱碳时，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。保证最终得到的沼气的纯度符合相应的标准。12四四. .双燃料发动机改进方案的确定双燃料发动机改进方案的确定 4.1高原地区的功率要求高原地区的功率要求提高原机提高原机压缩比压缩比通常情况下，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通常情况下，柴油机的性

21、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，在海拔高度高达气压力所决定的，在海拔高度高达12001200米以后，功率与海拔高度的负相关特性十米以后，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

22、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，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。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高压缩比与双燃料发动机功率、燃油消耗率及机功率、燃油消耗率及排气温度的关系排气温度的关系综合分析研究看双燃综合分析研究看双燃发动机是否满足原机发动机是否满足原机的标定功率的标定功率134.2 沼气沼气/柴油双燃料发动机混烧的柴油双燃料发动机混烧的 可行性要求可行性要求主要是对改装后的双燃主要是对改装后的双燃料发动机进行动力

23、性核料发动机进行动力性核算（算（沼气替代率、引燃沼气替代率、引燃柴油比例、双燃料发动柴油比例、双燃料发动机的动力性变化率机的动力性变化率）经过设计和改装后的沼气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的不断增大，空燃比

24、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。料发动机混烧的可行性是非常重要的。144.3沼气沼气/柴油双燃料发动机两种模式柴油双燃料发动机两种模式运行的要求运行的要求经过经过ZS1115ZS1115改装设计的沼气改装设计的沼气/ /柴油双燃料发动机，尤其在西北柴油双燃料发动机，尤其在西北高原加气站不足的地区

25、，必须能够实现两种模式运转，一种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。用，节省能源消耗，拓展了双燃料发动机的应用领域。 1

26、.1.主要是油、气的主要是油、气的切换切换2.2.沼气或柴油使用量沼气或柴油使用量的控制的控制154.4 双燃料发动机总体方案的提出：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，提出了以状的分析，提出了以ZS1115ZS1115小型单缸柴油小型单缸柴油机为载体的沼气机为载体的沼气/ /柴油双燃料发动机，改装柴油双燃料发动机，改装后的发动机需要满足两种工况要求。后的发动机需要满足两种工况要求。16四四. .双燃料发动机改进方案的确定双燃料发动机改进方案的确定4.

27、5双燃料发动机总体方案的确定双燃料发动机总体方案的确定 ： 1.沼气进气管；沼气进气管；2.节气门体；节气门体；3.节气门法兰；节气门法兰；4.节气门；节气门；5.混合器体；混合器体；6.混合器沼气进气管混合器沼气进气管 7.文丘里喉管；文丘里喉管；8.混合器法兰；混合器法兰；9.空气进气管；空气进气管；10.空气滤清器；空气滤清器；11-1.节气门联动连杆节气门联动连杆1, 11-2.节气门联动连杆节气门联动连杆2；12.联动转动副；联动转动副；13.节气门限制板；节气门限制板；14.油门槽；油门槽； 15.油门控制螺栓；油门控制螺栓； 16.手摇启动齿杆；手摇启动齿杆；17.引燃油量控制装

28、置引燃油量控制装置；图图4-1双燃料发动机机构简图双燃料发动机机构简图 17沼气沼气/柴油双燃料发动机的工作原理：柴油双燃料发动机的工作原理：（1 1）工作时，按照原）工作时，按照原ZS1115ZS1115型柴油机的启动方式启动，待转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7 79kpa9kpa。（2 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）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断增加，在调速器的作用下，柴油的喷油量逐渐减

29、少直至转速稳定，然后向外旋转引燃油量控制装置拨叉，当向上拨动稳定，然后向外旋转引燃油量控制装置拨叉，当向上拨动1mm1mm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下个档位，直到将最小引燃油量控制在了20%20%位置处。位置处。（3 3）此时通过调节油门大小来调节沼气的供应量，以适应不）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

30、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。作模式。 184.6 主要技术参数主要技术参数 沼气沼气/ /柴油双柴油双燃料发动机的燃料发动机的主要技术

31、参数主要技术参数如右表所示，如右表所示，标 定 功 率 为标 定 功 率 为14.5kw14.5kw，标定，标定转速转速2200r/min2200r/min，发动机的曲柄发动机的曲柄连杆、润滑机连杆、润滑机构、冷却系统构、冷却系统等结构全部都等结构全部都保留。保留。19五、关键部件的设计五、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，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所以一些高端改装技术如电控

32、喷射技术来控制进气量和单片机控制沼气控制沼气| |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，本文以落后的现状，本文以ZS1115ZS1115为原型，设计改装的双燃料发动机为原型，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。是一种机械式控制、结构简单的机型。 ZS1115 ZS1115小型单缸柴油发动机的改装设计工作，主要是对下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：面三部分部件进行设计

33、改装研究： 1 1）沼气控制阀及沼气、空气混合器；）沼气控制阀及沼气、空气混合器； 2 2）调速机构；）调速机构； 3 3）引燃油量控制等装置。）引燃油量控制等装置。205.1沼气沼气|空气混合器设计空气混合器设计 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。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。

34、一般而言，沼气一般而言，沼气| |柴油双燃料发动机的燃气供给系统如图柴油双燃料发动机的燃气供给系统如图5-15-1所示。所示。1.1.沼气沼气 2.2.沼气调节阀沼气调节阀 3.3.空气调节阀空气调节阀 4.4.空气空气 5.5.混合室混合室 6.6.混合气调节阀混合气调节阀 7.7.混合气混合气图图5-1 5-1 沼气沼气- -柴油双燃料发动机供气系统示意图柴油双燃料发动机供气系统示意图21原理介绍原理介绍 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变沼气的量来适应负荷的变化。

35、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，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。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。算。225.2 文

36、丘里式混合器文丘里式混合器 通过调节喉管的横截面积、环腔腮孔的通过调节喉管的横截面积、环腔腮孔的尺寸及通过沼气进气压力调节沼气和空气的尺寸及通过沼气进气压力调节沼气和空气的流速和流量，进而调节出发动机标定工况下流速和流量，进而调节出发动机标定工况下最适合的空燃比。经过计算和试验，控制进最适合的空燃比。经过计算和试验，控制进气压力为气压力为7.5KPa7.5KPa，混合器空气进气管孔径，混合器空气进气管孔径57mm57mm，文丘里喉管外径，文丘里喉管外径55mm55mm，内径，内径30mm30mm，角，角度为度为6 6，环腔腮孔孔径，环腔腮孔孔径2mm2mm，数量，数量1010个，能个，能够满足

37、常用工况下理想的空燃比够满足常用工况下理想的空燃比。 5.25.2文丘里混合器三维图文丘里混合器三维图5.3 5.3 喉管三维图喉管三维图23五、关键部件的设计五、关键部件的设计5.3调速系统设计调速系统设计 研究用的研究用的ZS1115小型柴油机，安装小型柴油机，安装的是飞球式离心调速器，是一种机械的是飞球式离心调速器，是一种机械全程式调节器，可以自动调节随着负全程式调节器，可以自动调节随着负载的变化的供油量的多少来维持转速载的变化的供油量的多少来维持转速的稳定，从而防止怠速时转速下降导的稳定，从而防止怠速时转速下降导致的停车和高速时转速上升引起的飞致的停车和高速时转速上升引起的飞车。车。

38、双燃料柴油机的调速系统是以原柴油机的调速器控制柴油机车速，双燃料柴油机的调速系统是以原柴油机的调速器控制柴油机车速，通过增加一套起传递动作和放大行程的杠杆机构，来保证混合气控制通过增加一套起传递动作和放大行程的杠杆机构，来保证混合气控制阀、调速器和喷油器这三者之间的动作能准确地相互配合和协调，如阀、调速器和喷油器这三者之间的动作能准确地相互配合和协调，如图图5-45-4所示。主要原理是在供油拉杆上设计出一段间隙，并用两根弹所示。主要原理是在供油拉杆上设计出一段间隙，并用两根弹簧将调速球头平衡在中间位置上，这个中间位置就是供油量为簧将调速球头平衡在中间位置上，这个中间位置就是供油量为20%20%

39、的的位置，可以通过调节弹簧的预紧力来调节引燃油量的位置。位置，可以通过调节弹簧的预紧力来调节引燃油量的位置。图图5-45-4引燃油量控制装置引燃油量控制装置24改进设计后的调速系统工作原理：改进设计后的调速系统工作原理： 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 图图5-55-5双燃料供给调速机构双燃料供给调速机构25改进设计后的调速系统工作原理：改进设计后的调速系统工作原理：柴油机的调速系统改进设计，具体如下：柴油机的调速系统改进设计，具体如下： 将发动机上

40、与调速器连接的上下平衡轴套分开，上下轴套通过单个齿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下轴套分开，并将引燃油量档位固定在20%20%的引燃油量位置，此时调节与上的引燃油量位置，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轴套连接的沼气节气门的开度，转速过

41、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；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，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高混合气的浓度，当发动机中速

42、、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5-55-5所所示。示。26双燃料发动机调速系统双燃料发动机调速系统 调速系统的主要技术调速系统的主要技术 目前研制的沼气发目前研制的沼气发动机仍处在试验阶段，动机仍处在试验阶段，大多为单

43、缸小功率发动大多为单缸小功率发动机，一般都由柴油机改机，一般都由柴油机改装而成。而改装方式各装而成。而改装方式各不相同，主要区别于调不相同，主要区别于调速系统、引燃方式和混速系统、引燃方式和混合器等方面，这些研究合器等方面，这些研究领域仍需要各个国家进领域仍需要各个国家进一步的研究和改进。一步的研究和改进。沼气沼气| |柴油双燃料发动机柴油双燃料发动机调速系统应该创新：调速系统应该创新：27（补充）以调节沼气进气量为主的调速系统（补充）以调节沼气进气量为主的调速系统柴油机的调速系统改进设计，如图所示：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改装后发动机的调速系统1.1.供油

44、拉杆供油拉杆 2.2.传动板传动板 3.3.推杆推杆 4.4.机壳机壳 5.5.杠杆杠杆 6.6.沼气调速阀沼气调速阀7.7.调速手柄调速手柄 8.8.调速弹簧调速弹簧 9.9.滑动盘滑动盘 10.10.钢球钢球 11.11.驱动盘驱动盘五、关键部件的设计五、关键部件的设计28（补充）以调节沼气进气量为主的（补充）以调节沼气进气量为主的调速系统调速系统此双燃料发动机调速系统工作原理：此双燃料发动机调速系统工作原理： 从图中可以看出，由于传动板从图中可以看出，由于传动板2 2与供油拉杆与供油拉杆1 1之间存在间隙，在双之间存在间隙，在双燃料运行时，因负荷变化使发动机转速改变燃料运行时，因负荷变化

45、使发动机转速改变, ,沿滑动盘沿滑动盘9 9产生相应位移产生相应位移, ,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，调节沼气调速阀动杠杆机构，调节沼气调速阀6 6的开度，使沼气流量随负荷的变化而的开度，使沼气流量随负荷的变化而调节，实现调速。调节，实现调速。 在纯烧柴油工况时，调速手柄在纯烧柴油工况时，调速手柄7 7向增油方向拨动，使传动板与供向增油方向拨动，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

46、控制力，使其向增油方向移动。当负荷下降时，传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，供油拉杆由引燃油量控制装置的控制力推动，也向减油方向移动也向减油方向移动, ,从而达到调速的目的。从而达到调速的目的。 沼气调速阀采用锥形阀。沼气调速阀采用锥形阀。 295.4 供油、供气系统的改进供油、供气系统的改进1.1.油、气量油、气量校正器校正器 本设计所用的气量控制装置即气量校正器，它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，满足变化工况的的功用是在双燃料正常工作时，满足变化

47、工况的条件，能在发动机怠速或者大负荷须加浓的情况条件，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，优化下不用切换发动机工作模式而能正常工作，优化燃烧品质。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.预紧弹簧图图5-6 5-6 油、气量校正器油、气量校正器30控制装置的控制装置的设计设计 引燃油量控制装置如图引燃油量控制装置如图5-75-7所示，所示，该装置中的两套筒焊接，控油把手该装置中的两套筒焊接，控油把手3 3可可在套筒在套筒1 1中任意转动，依靠弹簧的压紧中任意转动，依靠弹簧的压紧和滑块的限位作用将套筒和

48、滑块的限位作用将套筒1 1和控油连杆和控油连杆2 2固定，通过拨叉的转动与油门拉杆移固定，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个档位，分别代表引燃油量为20%20%、40%40%、60%60%；在发动机工作过程中，通；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，动机引燃油量可调的功用；小负荷时，引燃油量控制在引燃油

49、量控制在60%60%位置处；中负荷时，位置处；中负荷时，引燃油量控制在引燃油量控制在40%40%的位置；大负荷时，的位置；大负荷时，引燃油量控制在引燃油量控制在20%20%位置处。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 图图5-105-10引燃油量控制装置引燃油量控制装置315.5 ZS1115沼气沼气|柴油双燃料发动机柴油双燃料发动机第一代样机第一代样机： 由由ZS1115ZS1115小小型单缸柴油型单缸柴油机改装后的机改装后的沼气沼气/ /柴油双柴油双燃料发动机燃料发动机的第一代样的第一代样机如图机如图5-85-8所所示，此样

50、机示，此样机是由山东胜是由山东胜动集团生产。动集团生产。图图5-8 5-8 双燃料发动机第一代样机双燃料发动机第一代样机32七七. .研究创新点与不足研究创新点与不足创新点创新点 以高原地区新型沼气产业为基础，将无烟、少灰、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甲烷的含量控制在90%90%以上，净化后

51、沼气与天然气成分以上，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接近，扩大了燃料的使用范围，拓展了该机的使用市场。场。 对改装的第一代样机，改进设计出文丘里式混合器、引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，燃油量控制装置和一套调速机构和沼气节气门联动装置，实现实现ZS1115ZS1115小型柴油机在高原地区环境下以双燃料和纯柴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。以后同学研究高原地区双燃料发动机提供了参考。33创新点创新点 一般而言，沼气的平均发热量约一般而言，沼气的平均发热量约24KJ/m24KJ/m3 3，放热量，放热量与与1Kg1Kg煤炭接近，