摘 要

石油资源在人类活动中扮演的角色越来越重要，然而石油价格很容易受到中东形势的影响，进而影响国家经济的发展。美国为了摆脱对石油资源的依赖，开始寻找新的能源来代替石油。

页岩气-一种存在于致密细碎屑岩中的非常规天然气，它的主要成分为甲烷，是具有很大潜力的发动机。目前页岩气在北美页岩气的开发技术已经相当成熟，并得到很好的利用。2009年前后，美国页岩气的产量迅速提高，极大提高了页岩气在天然气产量的比例，改变了美国能源供应格局，成功提出了“页岩气绿色革命”。然而我国的页岩气存储资源最多，居世界第一，但在开采和利用页岩气方面我国的技术还很落后，还未能做到像美国那样把页岩气引入到常规能源中，改变能源格局。作为具有很大潜力发动机燃料的页岩气，研究它在发动机上可行性具有重要意义。

本文的主要内容有以下几个方面①我国页岩气的特征及现有的开采技术；②页岩气组分对发动机运行的影响;③页岩气和其他传统能源燃性能的影响;④利用ANSYS对活塞进行稳态温度场的仿真计算. ⑤页岩气发动机燃烧性能设计试验方案

研究结果表明，虽然页岩气发动机的热效率不及柴油机发动机，但在我国尾气排放NOx造成的光化学污染和PM造成的雾霾很严重的背景条件下,发展和推广绿色节能的页岩气发动机是极具吸引力的解决方案。

关键词: 页岩气绿色革命 ；ANSYS ；稳态温度场；页岩气发动机

Abstract

The role of oil resources in human activities is becoming increasingly important, but oil prices are easily affected by the situation in the Middle East, thus affecting the national economic development. The United States in order to get rid of dependence on oil resources, began to find new energy to replace oil.

Shale gas - an unconventional natural gas present in dense fine clastic rocks, whose main component is methane, which is an engine with great potential. At present shale gas in North America shale gas development technology has been quite mature, and get very good use. Before and after 2009, the United States shale gas production increased rapidly, greatly increased the proportion of shale gas in natural gas production, changed the US energy supply pattern, successfully put forward the "shale gas green revolution." However, China's shale gas storage resources up to the world, but in the exploitation and use of shale gas in China's technology is still very backward, has not been able to do as the United States as shale gas into conventional energy, change Energy pattern. As a shale gas with great potential for engine fuel, it is important to study its feasibility on the engine.

The main contents of this paper are as follows: (1) the characteristics of shale gas in China and the existing mining technology; (2) the influence of shale gas component on engine operation; (3) the influence of shale gas and other traditional energy combustion performance; ANSYS simulation of the steady-state temperature field of the piston ⑤ shale gas engine combustion performance design test program

The results show that although the thermal efficiency of the shale gas engine is less than that of the diesel engine, the development and popularization of the green energy-saving shale gas engine is the background of the photochemical pollution caused by NOx emissions from China and the haze caused by PM. Attractive solution.

Key words: shale gas green revolution； ANSYS； steady state temperature field ；shale gas engine

目 录

摘 要 I

Abstract I

目 录 I

第1章 绪论 - 1 -

1.1课题研究背景 - 1 -

1.2课题研究目的及意义 - 1 -

1.3国内外研究现状 - 2 -

第2章 页岩气组分分析研究 - 4 -

2.1页岩气组分介绍 - 4 -

2.2页岩气中CO₂和N₂对页岩气发动机燃烧性能的影响 - 5 -

2.3本章小结 - 11 -

第3章 页岩气和其他传统能源燃烧性能比较 - 12 -

3.1页岩气和其他传统能源各参数比较 - 12 -

3.2页岩气和其他传统能源热效率方面比较 - 12 -

3.3页岩气和其他传统能源动力学方面比较 - 13 -

3.4页岩气和其他传统能源排放特性方面比较 - 13 -

3.5本章小结 - 14 -

第4章 页岩气发动机活塞温度场的仿真计算 - 15 -

4.1活塞的热分析理论 - 15 -

4.2活塞稳态温度场的仿真计算 - 15 -

4.3活塞瞬态温度场的仿真计算 - 21 -

4.4本章小结 - 24 -

第5章 页岩气发动机性能设计试验方案 - 25 -

5.1页岩气发动机试验设计 - 25 -

5.2页岩气发动机试验方案设计 - 26 -

第6章 全文工作总结 - 27 -

参考文献 - 28 -

致 谢 - 29 -

第1章 绪论

1.1课题研究背景

在工业日益发达的今天，大国与小国之间的博弈愈演愈烈，其中作为不可再生能源的石油和天然气在其中发挥着举足轻重的作用，可以说目前各国的发展离不开石油或者天然气，但石油和天然气的储藏量又非常的有限。短时间内，地球上的石油量和天然气量只会越来越少。此外近几年来，小汽车逐渐走进每个家庭，航运业中，船的功率越来越大，以汽油和柴油为动力的发动机每天都在增加，它们给大气带来的污染量是巨大的。随着石油和煤的使用量日益增多，带给环境的污染问题逐渐凸显出来，雾霾的产生首当其冲。我国北方的雾霾问题日益严重，政府虽斥资解决雾霾问题，但是若非找到可替代石油和煤的新能源，我认为雾霾问题最终只能得到很好的控制并非能够得到完全解决。在能源短缺和环境污染问题日益严重的情况下开发新型能源对于当今社会的发展具有重要意义。

页岩气，作为非常规替代能源，存在于致密屑岩，主要成分为甲烷。美国开发历史悠久，美国利用页岩气已有100多年的历史，但在页岩气开发技术及页岩气使用研究中的重大突破却在最近几十年来，2012年美国的页岩气年产量约为2.310¹¹m³,占当年美国天然气年产量的34%，迅速发展的页岩气在美国立竿见影，它迅速改变了美国的能源供应格局，在全球掀起“页岩气绿色革命”。我国的页岩气初步探明可采资源量是非常可观的，然而在美国提出“页岩气绿色革命”之前，我国虽对页岩气有着一定的开发，但由于技术水平有限，在开采的同时对地下水污染严重，因而页岩气的开发一度没有得到政府的支持，中国的页岩气开采及相关研究也一度时间内处于“真空期”。但随着国内能源逐渐减少，世界掀起页“岩气绿色革命”的潮流下，现在我国对于页岩气的开发技术水平有着重大突破，页岩气的开发也重新得到政府的支持，因而根据我国国情研究并开采页岩气是非常有必要的，此外作为一名发动机方面的学生，我认为要吸取在页岩气开采领域的教训，前事不忘后事之师，抓紧在页岩气发动机方面的技术储备，实现我国在此领域的弯道超车，占领未来能源领域的高边疆。

1.2课题研究目的及意义

早期发动机是以蒸汽为工作介质，现在的发动机普遍以燃气为工作介质，随着人们对发动机效率和功率要求的提高，发动机的燃料普遍是汽油或者柴油，以蒸汽为动力的发动机逐渐退出历史舞台，能量的转化形式依然是由化学能—热能—机械能。在逐渐提高发动机功率和效率的同时，人们对于发动机燃油燃烧产生的有害气体却没有得到有效控制。现在内燃机主要面临两个问题，一方面以柴油和汽油为燃油的发动机面临着能源短缺的问题，另一方面发动机面临着燃油燃烧产生废气对环境污染的问题。伴随着人们生活水平的提高，大量使用内燃机给人们的生活带来了无法回避的问题：目前内燃以燃烧石油为主，而石油作为不可再生资源，大量消耗石油使全球的能源危机问题日益突出。在石油的燃烧产物中含有许多有害成分，比如微粒物，氮氧化合物、没有燃尽的碳氢化合物等，在城市中的主要污染源之一就是汽车的尾气排气。因而汽车行业的一种发展趋势是在汽车上的发动机上使用清洁燃料，使汽车利用的能源多样化，这样才能更好地保护环境。依据我国的实际国情，摆在我们面前的一项迫切任务就是使发动机能源走向多样化，这样的措施对减少我国的环境污染、能源结构的优化、我国汽车工业持续健康的发展，具有举足轻重的作用。