摘 要

在柴油中添加二甲醚，形成的混合燃料（DME/柴油）的十六烷值和氧含量比纯柴油高。且二甲醚低沸点、饱和蒸气压高的特点使混合燃料雾化良好，因而能改善混合气燃烧。本文利用AVL-FIRE软件建立了柴油机模拟计算模型，研究D0、D20和D40（二甲醚质量分数为0、20%和40%）3种混合燃料在低（30%）负荷下，发动机转速为1800rpm时的燃烧特性和排放特性，以及喷油提前角为5°CA、7.5°CA和12.5°CA时D20混合燃料的燃烧和排放特性分析。结果表明，随DME掺混比增大，放热率峰值对应的曲轴转角提前，缸内最高燃烧温度降低，平均压力最大值升高，NO排放增加，缸内生成soot和CO量减少。在低负荷下对D20混合燃料的研究表明，随喷油提前角减小，缸内最高燃烧温度和最大压力降低，soot排放量随喷油推迟增加，该负荷下NO量随喷油推迟大幅降低。

关键词：二甲醚（DME）； 柴油；混合燃烧；排放

ABSTRACT

Blending dimethyl ether(DME) with diesel produces a mixed fuel(DME/DIESEL) which has a higher cetane number and oxygen content than neat diesel. The low boiling point of dimethyl ether and the high saturated vapor pressure promotes the mixed fuel atomize well, thus improving the combustion of the mixed gas. In this paper, the simulation model of diesel engine is established by using AVL-FIRE software. Firstly, the combustion performances and emission conditions of D0、D20、D40 (mass fraction of DME are 0,20%,40% respectively) are evaluated at low engine load(30%). Then the combustion performances and emission conditions of D20 are evaluated when the injection advance angles are 5°,7.5°，12.5° respectively at low engine load. The results showed that the crank angle of the maximum heat release advanced , the maximum combustion temperature decreased, and the maximum mean pressure increased with the increase of blending rate of DME. Meanwhile, NO emission were higher when the DME blending rate increased, while CO and soot emissions decreased. The research of D20 with injection crank angle changes showed that the maximum combustion temperature and the maximum mean pressure decreased when injection delayed. The soot emissions were higher and NO emissions were reduced with the injection delay at low engine load.

Key Words: Dimethyl ether(DME); Diesel; Blended fuel; Emissions

目录

第1章 绪论 1

1.1前言 1

1.2 内燃机代用燃料 2

1.2.1醇类燃料 2

1.2.2生物柴油 3

1.2.3天然气 3

1.2.4二甲醚简介 3

1.2.5二甲醚燃料研究现状 4

1.3 本文的主要研究内容 5

第2章 柴油机缸内燃烧及排放模型的建立 6

2.1 AVL-FIRE软件介绍 6

2.2 发动机模型的建立 6

2.3 初始条件的设置 8

2.4计算模型的选取 8

第3章 DME掺混比变化对缸内燃烧和排放特性的影响分析 10

3.1放热率分析 10

3.2缸内平均圧力和平均温度 11

3.3 NO排放分析 13

3.4 CO排放分析 14

3.5碳烟排放 15

3.6本章小结 16

第4章 喷油提前角对D20混合燃料的燃烧与排放影响分析 17

4.1喷油提前角对缸内压力、温度和放热率的影响 17

4.2喷油提前角对排放的影响 19

4.2.1 NO结果分析 19

4.2.2 碳烟测试结果分析 20

4.3本章小结 21

第5章 全文总结 22

参考文献 23

致谢 24

第1章 绪论

1.1前言

自1860年莱诺伊尔创造出第一台大气压力式内燃机至今，内燃机在不断的发展进步，由于其热效率高、结构简单、比质量（单位输出功率的质量）小、移动方便且运行维护简便，因而被广泛应用于交通运输（包括陆地、海上和航空）、农业机械、工程机械和发电动力。车用传统内燃机主要包括汽油机（点燃式发动机）和柴油机（压燃式发动机）。近年来我国机动车保有量逐年递增，有关数据表明，2018年我国机动车保有量已达3.2亿辆左右，其中汽车保有量约为2.4亿辆左右，小型载客汽车保有量首次突破2亿辆，新能源汽车数量占汽车总量的1%左右。在给人们的生活带来便捷的同时，数量剧增的传统内燃机车辆也带来了其他的问题。

首先，数量庞大的传统内燃机车辆产生了大量的化石能源消耗，不可再生的化石能源消耗问题是全球各国广泛关注的问题，而且我国是石油进口大国，对国外石油进口具有很大的依赖性。从缓解不可再生能源的消耗问题和降低我国对石油进口的依赖性出发，很有必要减少内燃机车辆对传统化石燃料的消耗。其次，近年来雾霾天气在我国部分城市频繁出现，已经严重影响了城市居民的生活质量，影响人们的身心健康。由于传统内燃机车辆数量庞大，产生的排放物对空气质量的影响不容忽视。已被各国排放法规限制的内燃机的常规排放物有一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物和颗粒物PM。这些污染物不仅使大气环境变差，而且都对人体健康有影响。另外，由于全球温度上升，汽车排放的也不容忽视。我国积极采取措施改善大气环境质量，践行全球气候变化协定。我国规定从2020起全面实施国六排放标准，与国五排放标准相比，国六标准对排放物浓度限制更加严格，测试条件更加严格，对汽车制造产业提出了新的挑战。

在内燃机的发展过程中，为了降低内燃机的燃油消耗和污染物排放，已经研究并应用了一些技术措施。降低车辆行驶中的燃油消耗，需要改善燃烧和换气过程，使燃烧效率和循环热效率增大，循环指示功增大，同时降低内燃机的机械损失。采用增压技术（如机械增压和涡轮增压）可以提高进气密度，从而增大发动机功率。应用于柴油机，在改善经济性的同时还能减少有害物排放。采用可变配气系统技术（包括可变气门升程和可变气门正时）也能改善发动机在部分负荷工况下的经济性和排放性。对燃油喷射进行控制，研究出了高压共轨、电控燃油喷射等技术。废气再循环技术（EGR）使工作混合气的总热容增大，缸内最高燃烧温度下降，对于柴油机和汽油机，在满足车辆动力性需求的前提下，使用适度的EGR，能显著降低排放。内燃机的排气后处理技术在降低污染物排放方面起到了很大的作用。应用最成功的的包括汽油机用的三效催化转化器（TWC），能在化学计量比条件下（过量空气系数为1）降低内燃机的CO、HC和排放，和用于柴油机的颗粒物滤清器（DPF），原理是当排气中的PM流经滤芯时，被沉积在流入孔道的壁面上，以此将颗粒物过滤掉。

1.2 内燃机代用燃料

发展内燃机替代清洁燃料，结合多种技术手段，不仅能有效提高燃烧热效率以及降低排放，更重要的是能从根本上减少石油资源消耗，缓解化石能源匮乏问题。内燃机替代燃料的研究已经引起了世界各国的广泛关注。一种物质是否能作为内燃机的替代燃料，需要考虑以下条件：

⑴原料来源丰富，可大量制取，生产成本适中；

⑵清洁燃料，环境友好型（燃烧排放低），且必须对人体健康无毒害作用；

⑶便于大量储备和运输；

⑷燃料的热值要满足发动机的需求，满足车辆行驶中良好的动力性和经济性；

⑸与现有的内燃机技术体系和基础设施的兼容性好，不需对原有的内燃机做较大的改动就能获得与传统燃料相当的动力性。

目前研究的代用燃料，主要有以下几类：①醇、醚、酯类等含氧燃料（主要包括甲醇、乙醇、二甲醚以及由植物制取的生物柴油）；②合成油（指由煤、天然气或生物质生产的液体燃油）；③气体燃料（指天然气、液化石油气、氢气、煤层气、沼气等）。

1.2.1 醇类燃料

⑴甲醇（），甲醇可以从天然气、煤、生物质中提取，多用于火花点火的汽油机，具有以下优点：1）甲醇燃料辛烷值高，具有良好的抗爆震性，用于汽油机可以增大发动机压缩比，进而提高动力性；2）甲醇含氧量高，燃料燃烧更充分，可以降低CO和HC排放；3）甲醇燃烧速度比汽油快，燃烧持续期缩短，热效率高；4）甲醇汽化潜热大，可以降低燃烧室温度；5）甲醇的着火界限比汽油宽，燃烧范围更大。但是甲醇作为替代燃料存在一些问题，甲醇本身对人体有毒害作用，低热值小；与汽油混合时要增加循环供油量才能达到与使用汽油相当的动力性；甲醇与汽油的互溶度与温度有关等等，限制了甲醇的应用。

⑵乙醇（）, 通常以玉米、小麦、甘蔗等农作物为原料，经过发酵、蒸馏制作而成。乙醇燃料具有和甲醇燃料相似的优点，辛烷值高，汽化热大，着火界限宽，发动机能在较稀的混合气状态下工作。目前，国外使用乙醇汽油的国家主要有美国和巴西，而我国生产乙醇燃料以粮食作物为原料，存在与粮争地的问题。

1.2.2生物柴油

生物柴油是指以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮垃圾油等为原料油通过酯交换工艺制成的可替代石化柴油的再生性柴油燃料。生物柴油具有和传统石化燃料相似的理化性质，因此在柴油机上燃用生物柴油，无需对结构做太大的改动，且发动机动力性和经济性与燃用传统燃料相差不大。与传统柴油相比，生物柴油还具有其他的优点：生物柴油是一种可再生燃料；十六烷值更高，其含氧量大约为11%左右（质量分数），可以改善发动机的燃烧性能，另外，生物柴油的芳香烃及硫含量低，可以有效降低发动机排放；生物柴油具有较高的闪点，使用时的安全性有保障；生物柴油还具有良好的润滑性，可以延长柴油机的使用寿命。但是，在柴油机上使用生物柴油，存在以下问题：生物柴油粘度高、流动性差、雾化特性差；燃料含有的灰分、水分和杂质，容易使发动机形成积碳；生物柴油氧化安全性差，生成的老化产物会造成滤清器堵塞、排烟增大和启动困难。

1.2.3天然气

天然气的主要成分是甲烷，还含有少量的。天然气应用于内燃机，按存储方式区分，包括压缩天然气（CNG）和液化天然气（LNG）两种。天然气的辛烷值比汽油高得多，应用于点燃式发动机具有良好的抗爆震性，可以提高压缩比。天然气中含量最多的是甲烷，是一种清洁燃料，故天然气的碳氢比相比于其他碳氢燃料更低，甲烷不含C-C键和芳香烃，这些性质使天然气相比于汽油和柴油，污染物排放更低。汽油/CNG两用燃料发动机，燃用CNG时，由于燃料本身的体积在进气中占有较大的比例，使进入的空气量减少，发动机的功率显著降低。另外，天然气中含有微量硫化合物，容易引起气缸壁、气门以及气门座的腐蚀与磨损。

1.2.4 二甲醚简介

二甲醚（DME）作为一种替代燃料，适合于压燃式发动机，具有以下优点：

（1）DME在常温常压下是一种无色无毒气体，在光化学反应中不会产生甲醛，因而不会破坏臭氧层，是一种环保燃料。

（2）二甲醚分子结构中没有C-C键，只有C-O键和C-H键，且含有34.8%的氧，因此，燃烧后生成的CO、CH 和微粒少，发动机能承受较高的废气再循环率以降低的生成与排放。

（3）DME的十六烷值较高（5560），自燃温度（235）比柴油()低，不需要使用助燃措施，且滞燃期比柴油短，排放和燃烧噪声比柴油低。

（4）蒸发压力低（530kPa）,容易液化，适于贮存、运输。

（5）二甲醚的沸点低，在喷入汽缸后即可汽化，其油束的雾化特性将明显优于柴油。

（6）二甲醚的汽化潜热几乎是柴油的两倍，可能导致缸内最高燃烧温度下降，有利于抑制的生成。

（7）二甲醚可以从来源丰富的煤、天然气和生物质中提炼，如大规模生产时其成本低于柴油^[1]。

二甲醚的优良性质吸引了国内外学者的广泛关注。研究表明，在柴油机上燃用纯二甲醚，对原发动机的结构做改动，改变喷油压力和供油提前角，不仅可以达到原柴油机的动力性，且能够同时降低和颗粒物排放^[2]。然而，二甲醚的理化性质使得它在柴油机上单独燃烧时存在一些问题，包括以下几点：①二甲醚的低热值为柴油的64.7%，密度为柴油的78.5%，因此发动机燃用纯二甲醚，要保证与燃用柴油有相同的功率输出，必须增大发动机的循环供油量；②二甲醚液态下的粘度约为柴油的二十分之一，润滑性较差，容易使供油系统的针阀、柱塞偶件等发生磨损；③二甲醚与天然橡胶不能兼容，燃油供给系统的橡胶部件、橡胶油封和垫片等会因溶胀等原因损坏；④二甲醚的蒸气压随温度升高而升高，在常温下，蒸气压大概为0.4-0.5MPa，为了防止供油系统和高压油管出现气阻现象和漏气现象,需要增加供油压力，提高系统的密封性^[3，4,5]。

将二甲醚和柴油混合燃烧，不需对发动机做较大改动，能避免上述单独使用二甲醚时存在的气阻等问题，也可以降低柴油的粘度。另外，二甲醚燃料沸点低，饱和蒸气压高，存在闪急沸腾效应，有助于一次雾化燃料液滴的进一步破碎，使得混合燃料的粒子尺寸变小，加速了燃料与空气的快速混合^[6，7]。

1.2.5 二甲醚燃料研究现状

Ikeda等^[8]发现压缩点火发动机中柴油与DME混合减少了排放，而没有增加HC排放。Ying等人^[9]研究了DME-柴油混合燃料对自然吸气柴油发动机排放特性的影响。他们发现，由于DME的氧含量较高，因此与纯柴油相比，DME-柴油混合物的烟雾排放更少。通过在柴油中添加DME，观察到排放降低，而HC和CO排放呈现增加趋势。

李维、王孔波等^[10]研究了柴油和柴油/DME混合燃料D20在1700rpm和2300rpm时，不同负荷的燃烧特性对比分析，发现在不同工况下，供油提前角优化后（相同或延后），与纯柴油相比，D20混合燃料的最大爆发压力、最大压力升高率和最高燃烧温度都有所下降。丁河清等^[11] 在YC108QC车用柴油机上对不同掺混比的DME/柴油混合燃料进行了动力性、经济性和排放的研究,结果表明，燃用DME/柴油混合燃料，经济性和动力性与燃用纯柴油无较大差异，在不同试验工况下，相比于纯柴油，碳烟排放同时降低，部分负荷CO和HC排放降低。太原理工大学王大书^[12]在经过改造设计的4100增压中冷柴油机上对DME/柴油混合燃料D40进行喷油参数优化，对比了不同EGR率条件下，优化后混合燃料发动机的燃烧特性和排放特性。徐立军、陈子辰等人^[13]提出了一种二甲醚与柴油在线混合的新方法，该方法利用柴油机在两次喷油之间高压油管油压相对低的空隙，将二甲醚喷入喷油器端的高压油管中，实现二甲醚与柴油在管内掺混。对该在线混合喷射系统的试验研究表明，该方法能提高柴油机的额定功率及转矩，且能降低柴油机最大烟度。吉林大学杨涛^[14]在捷达SDI柴油机上进行了不同工况下，二甲醚掺混比变化对二甲醚和纯柴油混合燃料的燃烧特性和排放特性的影响研究，结果显示随DME掺混比增大，与燃用纯柴油相比，发动机、排放量有所下降，而CO、HC排放浓度略有上升。

1.3 本文的主要研究内容

二甲醚燃料具有低沸点、十六烷值高、汽化潜热大等理化特性，适用于压燃式发动机的替代燃料。将二甲醚与柴油混合后，可以改善单独燃烧时柴油粘度高、二甲醚低热值小的问题，且二甲醚优良的理化特性能使柴油与二甲醚混合燃料雾化良好，燃料与空气混合更充分，改善了燃烧过程，理论上可以降低柴油机的污染物排放。本文主要研究二甲醚掺混比变化对混合燃料燃烧特性和排放特性的影响以及喷油提前角变化对燃料燃烧和排放的影响。具体包括：

（1）用AVL-FIRE软件建立模拟计算模型，在30%发动机负荷下，改变DME和柴油的混合比例依次为0%、20%和40%（DME质量分数），对比分析缸内平均压力、平均温度和瞬时放热率，以及缸内NO质量分数、soot质量分数、CO质量分数的变化。

（2）选取D20混合燃料，进行低负荷下喷油提前角对燃烧特性和排放特性的影响分析，分别设置喷油提前角为5°、7.5°和12.5°，分析缸内平均压力、温度、瞬时放热率，以及NO和碳烟排放分析。

第2章 柴油机缸内燃烧及排放模型的建立

2.1 AVL-FIRE软件介绍

计算流体力学（CFD）是在流体力学的基础上，应用计算机技术，在流动方程的控制下，对流体流动现象进行数值模拟的方法。CFD软件通过物理模型和流动方程建立数学描述（建立微分方程组），来表征缸内的气体流动、燃油喷射、喷雾变化以及燃烧等化学反应过程。用户通过自主设置边界条件、初始条件和缸内的气体流动模型、燃烧模型和计算模型等以后，能够得到计算结果，提供了一种内燃机缸内燃烧模拟的有效方法。本文采用计算流体力学分析软件AVL-FIRE进行模拟计算。FIRE软件由奥地利AVL公司开发，该软件对针对动力总成的各种流动现象，包括燃烧、喷雾，尾气净化，曲轴通风等等都提供了准确的仿真模型，由前处理、求解器和后处理三部分组成。

2.2 发动机模型的建立

利用FIRE ESE DIESEL建立柴油机燃烧及排放模型，如图2.1所示为模拟软件的主要模块。首先要对模拟计算涉及的发动机基本参数进行设置，包括缸径、行程、压缩比、连杆长度等。本文用于仿真计算的发动机模型为直列四缸缸内直喷柴油机，基本参数如下：

表2.1 发动机参数

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