摘 要

2，5-二甲基呋喃（DMF）和生物柴油作为替代燃料，可以缓解化石燃料短缺和空气污染的问题。本文首先运用GT-Power建立了生物柴油燃料库和DMF燃料库，在此基础上建立了燃用DMF/生物柴油混合燃料的发动机模型。然后利用该模型进行了柴油发动机性能的模拟，分析了混合燃料的配比和负荷对发动机动力性能，经济性能和排放性能的影响。结果表明：在生物柴油中加入DMF可以降低发动机的CO排放量，但会导致NO_X和HC排放量的升高；混合燃料中的DMF比例升高，会导致发动机低速工况的动力性能和经济性能下降，高速工况下的动力性能和经济性能提高。DMF和生物柴油有潜力成为具有竞争力的柴油替代燃料。

关键字：2，5-二甲基呋喃；生物柴油；GT-Power；性能

Abstract

2, 5-dimethylfuran (DMF) and biodiesel as alternative fuels can alleviate fossil fuel shortages and air pollution problems. In this paper, the fuel depot of DMF and biodiesel are established by using GT-Power. On this basis, the engine of DMF / biodiesel fuel is modeled. Then the simulation of diesel engine performance was carried out by using the model. The influence of the ratio of the mixed fuel and the load on the dynamic performance, economic performance and emission performance of the engine was analyzed. The results show that the addition of DMF to the biodiesel can reduce the CO emission of the engine, but it will lead to the increase of NO_X and HC emission. The proportion of DMF in the mixed fuel will lead to the reduction of dynamic performance and economic performance of the engine at low speed, but optimize the dynamic performance and economic performance at high-speed. DMF and biodiesel have the potential to become a competitive alternative to diesel fuels.

Key Words：2,5-dimethylfuran；biodiesel；GT-Power；performance

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.1.1 能源危机和环境污染 1

1.1.2 替代燃料 2

1.2 DMF和生物柴油燃料的国内外研究现状 4

1.3 GT-Power软件介绍 5

1.4 研究内容、预期目标、拟采用的技术方案及措施 6

1.4.1 研究内容 6

1.4.2 研究的预期目标 6

1.4.3 拟采用的技术方案及措施 6

第2章 燃料库和发动机模型的建立 7

2.1 生物柴油燃料库的建立 7

2.1.1 生物柴油液体焓拟合系数的拟合 7

2.1.2 生物柴油气体焓拟合系数的拟合 8

2.1.3 生物柴油气体的导热系数和气体粘度的拟合 9

2.1.4 生物柴油液体导热系数和液体黏度的拟合 9

2.1.5 二甲基呋喃燃料库的建立 10

2.1.6 二甲基呋喃/生物柴油燃料库的混合 10

2.2 发动机模型的建立 10

2.3 模型的验证 12

2.4 本章小结 14

第3章 二甲基呋喃/生物柴油发动机的性能模拟分析 15

3.1 燃料配比对发动机性能的影响 15

3.1.1 燃料配比对发动机动力性能的影响 15

3.1.2 燃料配比对发动机排放性能的影响 21

3.1.3 燃料配比对发动机经济性能的影响 31

3.2 负荷对发动机性能的影响 34

3.3 本章小结 36

第4章 全文总结与展望 38

4.1 全文总结 38

4.2 展望 38

参考文献 39

致 谢 41

第1章 绪论

1.1 引言

1876年，德国发明家奥托成功制造出第一台以煤气为燃料的单缸往复式四冲程发动机。发动机自问世以来经过一百多年的不断发展和完善后，已经成为一种热效率高、结构紧凑合理、动力性能强大和维护简便的动力装置，在多个领域得到广泛的推广和应用，在人们的各项社会活动和工业发展中占有极为重要的地位。但是，发动机在给人类社会创造巨大财富的同时，也带来了诸多的问题，其中最主要的就是化石能源短缺和环境污染。为了实现我国经济的可持续发展，发展更清洁的可再生能源来部分或全部代替石油基燃料势在必行^[1]。

1.1.1 能源危机和环境污染

能源是人类社会发展最重要的基石，特别是化石能源在人们的生活中占有极其重要的地位，因此每年化石能源的消耗量都十分庞大。但化石能源在短期内无法再生，对于人类而言其属于不可再生能源。虽然每年都会有新探测出的化石能源储藏，但是大多都位于沙漠或高寒地区、距离地表极深之处，或海洋深处，开采难度大且代价高昂。中国是一个人口大国，人们的生活和消费水平也在逐年提高，汽车的保有量也在不断的提高，对化石燃料的消耗和依赖也越来越大。2014年，中国石油消费量是5.20亿吨。2015年，中国的石油消费量已到5.43亿吨，并且当年对外依存度第一次突破60%。就在2016年，这个数字来到了5.56亿吨。中国虽然是一个能源消费大国，但能源利用率低这个问题也一直困扰着人们。

另外，化石燃料燃烧过程中产生的排放物会污染环境，且污染物排放量远远超过自然环境的自净能力。发动机排放是现在大气环境污染的主要原因之一，其排放的污染物种类有碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NO_X）和颗粒物（PM）等。碳氢化合物主要来自于汽车尾气排放、燃料蒸发及曲轴箱泄露，组分十分复杂，HC排放成分中有多种烷烃、环烷烃、烯烃、炔烃、芳香族化合物和含氧化合物醛、醇、醚类及酮类等。因此，要研究和分析它对人体和环境的影响很困难。一氧化碳无色无味，是一种有毒易燃的气体。CO能和人体中的血红素结合生成羟基血红素。血红素与一氧化碳的结合能力比与氧的结合能力大200~300倍，故大量吸入CO会造成人体缺氧，危害健康。排气中的氮氧化物有NO和NO₂两种。NO是一种无色无味、微溶于水的气体。NO会导致人体产生变性血红蛋白，危害中枢神经系统健康。NO不稳定，在空气中会缓慢转变为NO₂。NO₂在常温常压下是棕色刺激性气体，有毒易液化，是一种危害极大的气体。NO₂具有腐蚀性，会参与光化学烟雾的形成，对动植物具有生理刺激作用。颗粒物的组分极其复杂，含有多种对环境污染极大的污染物，对人体健康的威胁很大。颗粒物的危害主要有：遮挡阳光，影响气候，导致云雾和雨水增多；吸收和散射阳光，减弱光照和降低空气的可见度；危害人体健康，颗粒物中的PM_2.5对人体呼吸系统的危害极大。此外，发动机在工作过程中会排放的大量CO₂是造成温室效应的最主要原因，目前如何降低发动机的CO₂排放量是全世界都很关注的一个问题。

随着人们越来越重视环保，控制发动机的尾气排放势在必行，近年来我国汽车排放法规的制定也越来越严格。到2023年以后，我国将全面实行非常严格的“国六”排放标准。和 “国五”排放标准不同，在“国六”标准中汽车无论采用哪种燃料，其排放限值一样。表1.1为我国轻型汽车的国Ⅵ排放标准。