摘 要

世界的工业化发展伴随的是严重的环境污染和化石能源的短缺，面对日益严重的污染和能源问题，可持续的清洁能源成了我们的寻求。当DMF新型制备方法被研究出来，其广泛的商业化成为了可能，对DMF的研究就进入了高潮。而我们此次实验就是研究DMF。其在一台四缸柴油机上进行，研究了从低到高5个不同负荷下的四种不同混合比例的DMF/柴油的燃烧和排放性能。此外我们还进行了模拟计算来研究不同EGR率对10%混合比例的DMF/柴油其燃烧和排放的影响。通过此次实验我们得到了如下结论：

（1）相比于纯柴油DMF/柴油混合燃料的滞燃期更长、燃烧持续期更短；在中低负荷，当DMF/柴油中DMF的浓度升高时，其缸内压力的峰值也开始升高且缸内压力的峰值远离上止点，放热率的最大值也开始增加。在中高负荷时，当DMF/柴油中DMF的浓度升高时，其缸内压力的峰值开始上升，但并没有远离上止点。

（2）相比于纯柴油DMF/柴油混合燃料的燃油消耗率会下降，而且因为添加了DMF燃油的有效热效率会得到显著的提高。当在中高负荷时，虽然柴油的有效热效率会显著的降低，但因为混合燃料中加入了DMF其有效热效率反而会继续增加。

（3）实验表明对于常规排放物，由于柴油机过量空气系数较大，碳氢和一氧化碳排放较少。而且当负荷上升时，碳氢和一氧化碳的排放还会降低。

（4）通过模拟计算得出，对于10%浓度的DMF/柴油随着EGR率的升高，其缸内压力的峰值和最大放热率都会下降而NOx会减少。

关键词 DMF/柴油；负荷；燃烧；常规排放；模拟

Abstract

The development of industrialization in the world is accompanied by serious environmental pollution and shortage of fossil energy. In the face of increasingly serious pollution and energy problems, sustainable clean energy has become our pursuit. When a new preparation method of DMF was developed, its wide commercialization became possible, and the research on DMF reached a climax. And our experiment is to study DMF. The combustion and emission performances of four DMF/diesel blends of different proportions at five different loads from low to high were studied on a four-cylinder diesel engine. In addition, we also simulated the effects of different EGR rates on the combustion and emissions of DMF/diesel fuel with 10% mixing ratio. Through this experiment, we get the following conclusions:

(1) Compared with pure diesel DMF/diesel blends, the ignition delay period is longer and the combustion duration is shorter. At medium and low loads, when the concentration of DMF in DMF/diesel increases, the peak value of in-cylinder pressure starts to rise, and the peak value of in-cylinder pressure is far from the top dead center, and the maximum value of heat release rate starts to increase. When the DMF concentration in DMF/diesel increases at medium and high loads, the peak pressure in cylinder begins to rise, but it is not far from the top dead center.

(2) Compared with pure diesel DMF/diesel blends, the fuel consumption rate will decrease, and the effective thermal efficiency of DMF blends will be significantly improved. At medium and high loads, although the effective thermal efficiency of diesel fuel will be significantly reduced, the effective thermal efficiency of diesel fuel will continue to increase because DMF is added to the blend fuel.

(3) Experiments show that for conventional emissions, hydrocarbon and carbon monoxide emissions are less due to the larger excess air coefficient of diesel engines. And when the load rises, the emissions of hydrocarbons and carbon monoxide will also decrease.

(4) The simulation results show that with the increase of EGR rate, the peak pressure and maximum heat release rate of DMF/diesel with 10% concentration will decrease, while the NOx will decrease.

Keywords DMF/diesel; load; combustion; conventional emissions; simulation

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.1.1 研究的背景 1

1.1.2 研究的意义 1

1.1.3 国内外研究现状 2

1.2 研究内容 3

第二章 DMF/柴油实验装置与方案 4

2.1 实验燃料 4

2.2 实验装置 4

2.2.1 实验发动机 4

2.2.2 燃油供给系统 5

2.2.3 进排气系统 6

2.2.4 尾气分析系统 6

2.2.5 数据采集与控制系统 7

2.3 实验方案 7

第三章 DMF-柴油混合燃料燃烧和排放特性分析 9

3.1 缸内压力的分析 9

3.2 放热率分析 11

3.3 DMF-柴油混合燃料的排放特性分析 12

3.3.1 CO排放分析 12

3.3.2 HC排放分析 13

3.3.3 NOx排放分析 14

第四章 DMF-柴油混合燃料燃烧的模拟计算 15

4.1 模型的建立 15

4.2 模拟条件 15

4.3 边界条件 15

4.4 模拟EGR率对缸内压力和放热率的影响 16

4.5 EGR对NOx和碳烟排放的影响 17

第五章 结论 19

参考文献 20

致谢 21

第一章 绪论

1.1 引言

1.1.1研究的背景

世界的工业化发展伴随的是严重的环境污染和化石能源的短缺，面对日益严重的污染和能源问题，可持续的清洁能源成了我们的追求。而对我国来说伴随着国家经济的发展，与之而来的是能源需求的高速增长。在过去十年，我国的能源消费增长了54.6%。2017年能源消费31.32亿t油当量,占全球能源消费总量的23.2%，是全世界最大的能源消费国。然而我国的石油、天然气等优质能源短缺,对外依存度高，能源结构严重失衡。2017年,煤炭在全部能源消费中占比为60%,石油占19%,天然气占7%,非化石能源占14%。除此之外能源的巨大消耗带来的是环境严重污染，而为了保护我们的生存环境，减少对化石能源的使用找到可以替代的清洁能源，各种可能的物质成了研究的对象。因此DMF(2,5-dimethylfuran，简称DMF，分子式C6H6O)这种理化性质与汽油相似的物质开始被研究。但是DMF是从粮食等原料中被制备出来的，而以我国的情况来说，人口众多粮食储备根本不够不可能拿来生产DMF作为能源。所以关于DMF的研究在早期并不广泛。而当DMF的新型制备方法被研究出来后，其广泛的商业化成为了可能，对DMF的研究也就进入了高潮。

表1.1 DMF和汽油属性对比

1.1.2研究的意义

这些年来我国的经济在高速的发展，社会的工业化程度越来越高，对能源的消耗也在变大。并且经济的发展使得有钱人增多，让车辆变得普及，但是车辆的行驶需要燃料，所以对燃料的需求也在上升。而这些带来的是环境的不断污染和能源的短缺，因此我们需要寻找一种可以再生的并且来源广泛的能源来代替化石能源，改善能源结构。在对众多物质的研究中，人们发现DMF的理化性质与汽油相似，具有良好的燃烧性能可以作为替代燃料在发动机中燃烧。并且DMF的来源广泛可再生还是一种清洁能源，具有商业化的基础能够被大量生产。因此本次实验的主要目的及意义就是通过对DMF/柴油混合燃料的燃烧及排放特性研究，了解DMF/柴油混合燃料的各种燃烧及排放特性，研究DMF作为替代燃料的最佳方式，来减少国家化石燃料的使用，维护国家的能源安全，能源的可持续发展，减少化石燃料带来的排放污染。

DMF的来源广泛，不像乙醇是从粮食中制备，不能进行商业化生产。2007年，美国威斯康星大学的YuriyRomán-Leshkov等人在《自然》杂志上报告了利用相应的化学催化手段得到DMF的过程[^[1]]，他们提出了一种双向体系法生产二甲基呋喃。2010年，Mandan等人在《绿色化学》的报告中指出一种将葡糖糖经两步转化得到2,5-二甲基呋喃的方法[^[2]]。通过他们对DMF制备的研究，得到了可以广泛生产DMF的方法，我们能够从果糖和葡萄糖中制取DMF，这让DMF成为了潜力深厚替代燃料。

图1.1 生物质制取DMF图

1.1.3国内外研究现状

在DMF新的生产方法研究成功之前，国内外都主要研究DMF的热解和低压层流的预混燃烧。在国内，西安交通大学吴学松团队利用可调真空紫外同步辐射光化电离和分子束质谱技术在低压（4KPa）条件下研究了当量比为2.0的DMF/氩氧预混合气燃烧的中间产物。

在与国外合作上，2012年天津大学尧命发和李海峰团队与英国伯明翰大学合作[^[3]]，研究DMF没有燃烧的碳氢、酮和醛的排放。通过气相色谱-质谱联合技术法来对碳氢、酮和醛进行检测。经过对实验数据的研究我们发现排放物主要是没有燃烧的DMF，而2-甲基呋喃、芳烃、环戊二烯和甲基乙烯基酮等排放物含量较少，并且直链烷烃在排放物中只有甲烷这一种。天津大学和英国伯明翰大学的合作团队还做了其他的实验，主要研究的是在柴油发动机上以DMF-柴油为燃料对发动机燃烧和排放性能的影响。首先他们研究了在柴油机上以DMF-柴油与汽油-柴油、正丁醇-柴油为燃料的燃烧和排放性能。此外他们还研究了在低温情况下DMF-柴油混合燃料的燃烧性能。经过实验他们发现因为DMF的十六烷值相对更低，30%浓度的DMF-柴油的滞燃期比纯柴油更长，使得其压力升高率和燃烧速率都得到了提升。而且当DMF的浓度到达40%的界限后，碳烟的排放会急剧降低变得微量。清华大学的徐宏明和英国伯明翰大学的Daniel也有合作。他们以高速纹影显示技术对DMF、乙醇、汽油三种燃料在保持燃烧室体积不变的条件下的燃烧性能进行研究。通过这次的实验，他们发现DMF、乙醇、汽油三种燃料的燃烧速度由高到低分别是乙醇、汽油、DMF。然后他们在一台单杠直喷点燃汽油机上进行试验探索DMF的燃烧和排放性能[3，^[4]]以及点火时刻和负荷对其的影响[3，^[5]]。通过此次研究，他们发现DMF具有良好的燃烧和排放性能，就是与汽油相比也丝毫不差。虽然DMF的NOx会上升，但是它的碳氢和一氧化碳的排放都会降低，综合来说DMF的排放性能比汽油还好。

1.2研究内容

此次研究主要采用模拟计算与实验相结合的方法，研究分析柴油机上采用DMF/柴油进行压缩燃烧时，其燃烧及排放性能。具体包括研究不同混合比例、不同喷油提前角等参数对混合燃料着火延迟期、燃烧持续期、放热率及缸内压力等参数的影响规律；同时研究其对碳氢、一氧化碳及氮氧化合物等常规排放物以及乙醛、苯等非常规排放物的生成规律的影响。

第二章 DMF/柴油实验装置与方案

2.1 实验燃料

以纯柴油作为基准燃料与DMF掺混,配制DMF质量分数为0，10%，20%，30%的DMF/柴油混合燃料,分别记为D0、D10、D20和D30。随着DMF质量分数的增大，混合燃料的燃料低热值、理论空燃比和十六烷值都逐渐变小，但是含氧质量百分比却增大。这是因为相比于纯柴油DMF的含氧量高但热值与十六烷值较低。随着掺混比的增加，混合燃料的汽化潜热也逐渐变高，燃料雾化所需的热量增多。

2.2 实验装置

实验台架如图2.1所示，其中主要包括气缸内压力力采集系统、发动机各参数测量、燃油供给系统、进排气系统、改造的柴油机、尾气分析仪以及油/水恒温系统和控制系统等。测量控制系统主要有发动机ECU、测功机控制台和燃烧分析仪。实验选取一个气缸作为研究对象，把霍尔传感器安装在飞轮盘上，对上止点信号进行检测；把缸内压力传感器安装在需要采集的气缸缸内，对缸内压力进行检测。并且通过电荷放大器对信号进行放大和转换，然后传送到燃烧分析仪上对数据进行分析。把尾气分析仪安装在选定的气缸排气歧管上，对尾气中颗粒尺寸分布和常规排放物进行测量。

图2.1 发动机实验台架示意图

2.2.1实验发动机

实验台架为直列四缸发动机台架，其型号为YC4FA115-40，其资料如表2.1所示。实验发动机除了其本身的裸装机外还需要其他装置，比如各种气管、歧管、油管、水管和检测装置等，来完善发动机的各种功能。除此之外实验台架还需要很多的控制设备。并且为了实验的安全，在进行实验之前我们必须对实验所用发动机进行各种方面的检测，包括发动机是否漏油、各处温度是否合适以及和测功机之间的耦合是否合适。而在实验进行之后，每过一定时间，都需要对发动机进行一次检测，以确保实验安全。

表2.1 发动机主要技术参数

2.2.2燃油供给系统

在实验中，为了检测燃油的消耗情况需要用到油耗仪，而在本次实验中我们使用的是称重式。通过安装在油罐下面的压力传感器，每隔15s测量一次油罐的重量，以此来计算发动机的平均油耗。在油罐中的油量下降到一定程度后，油罐需要对燃油进行补充，这时其测量的数据并不准确，所以这时测量的数据需要舍弃。当油罐中的燃油加满之后，为了使油罐中的压力不同于大气压和减少其中的气泡含量，油罐不能直接于大气相连而是要通过溢油口的联接。

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