论文总字数：31311字

摘 要

随着资源问题和环境问题逐渐显现，为实现燃料高效清洁利用，新型燃烧技术逐渐受到关注。正辛醇作为清洁可再生的柴油替代燃料逐渐被开发使用。本研究对采用进气道内预混正丁醇 、缸内直喷正辛醇的双燃料燃烧模式进行研究，本文采取数值模拟的方法研究该种燃烧模式下燃料的燃烧特性和排放机理。

本课题通过 KIVA-4 和 CHEMKIN 耦合对不同正辛醇占比下的燃料的内燃机的燃烧过程进行模拟计算分析。依据数值模拟的结果对燃烧特性和排放特性进行探究。

结果表明：燃料中正辛醇占比变化后，会同步影响发动机空气进气量，预混的正丁醇将改善混合燃料的燃烧质量。当燃料正辛醇的占比增大时，燃料燃烧后的缸内温度和压力峰值减小，但平均指示压力将增大；热释放率在正辛醇掺混比例为80%时最高。另外：随正辛醇占比增大， CO和碳烟的排放增加，NO的排放减小。

关键词：正丁醇 正辛醇 双燃料内燃机 数值模拟

Combustion characteristics and emissions of n-octanol / n-butanol dual-fuel internal combustion engine

Abstract

As resource problems and environmental problems gradually emerge, the use of new combustion technologies is an important technical approach for alternative fuels to achieve efficient and clean utilization. N-octanol is gradually being developed and used as a clean and renewable diesel alternative fuel. In this study, the dual-fuel combustion mode using n-butanol pre-mixed in the intake port and n-octanol in-cylinder direct injection was studied. During the investigation, the combustion characteristics and emission mechanism of this dual-fuel combustion mode were mainly studied by numerical simulation. 

This study used coupled KIVA-4 and CHEMKIN to simulate and analyze the combustion process of the internal combustion engine with different n-octanol ratios. Based on the results of numerical simulation, the combustion characteristics and emission characteristics were explored.

The results show that after the proportion of n-octanol in the fuel changes, it will affect the air intake of the engine simultaneously. Pre-mixed n-butanol will improve the combustion quality of the mixed fuel. When the proportion of fuel n-octanol increases, the peak temperature and pressure in the cylinder after fuel combustion decreases, but the average indicated pressure will increase; the heat release rate is the highest when the blending ratio of n-octanol is 80%. In addition: as the proportion of n-octanol increases, CO and soot emissions increase, and NO emissions decrease.

Key Words: N-octanol; N-butanol; Dual fuel internal combustion engine; Numerical Simulation

目 录

第一章 绪论 1

1.1 背景 1

1.2 正丁醇和正辛醇 2

1.2.1 正丁醇介绍 2

1.2.2 正辛醇介绍 3

1.2.3 正丁醇/正辛醇双燃料内燃机的优势 3

1.3 国内外研究现状 4

1.3.1 正丁醇/正辛醇的制取 4

1.3.2 燃烧特性 4

1.3.3 在内燃机中的应用研究 6

1.4 课题研究内容 7

1.5 本章小结 8

第二章 模拟方法 9

2.1 数值模拟框架 9

2.1.1 KIVA4-CHEMKIN模型 9

2.1.2 化学反应机理介绍 10

2.1.2.1 燃料燃烧机理 10

2.1.2.2 排放物生成机理介绍 11

2.2 模型验证 12

2.2.1 实验台架 12

2.2.2 数值模拟介绍 13

2.2.3 模拟数据与实验数据对比 14

2.3 本章小结 15

第三章 结果与讨论 16

3.1 燃烧特性 16

3.1.1 燃料设置 16

3.1.2 缸内压力 16

3.1.3 缸内温度 17

3.1.4 热释放率 20

3.1.5 平均指示压力 21

3.2 排放特性 22

3.2.1 CO排放 22

3.2.2 NO排放 22

3.2.3 碳烟排放 24

3.3 经济性分析 27

3.3.1 燃料经济性 27

3.3.2 燃料价格对比 28

3.4 环境性分析 29

第四章 结论 31

参考文献 31

致谢 35

第一章 绪论

1.1 背景

汽车工业是国民经济发展中的重要产业，汽车行业的发展水平侧面体现了国家经济及科研实力。近年来中国汽车行业发展迅速。根据中国汽车工业协会所发布的统计数据显示：仅2019年11月一个月份，中国大陆地区汽车产量和销量分别为259.3万辆和245.7万辆，环比分别增长13%和7.6% [1]。

随着城市化的迅猛发展和交通系统的不断进展，机动车的使用量与日俱增，使得大气污染日渐加重。汽车尾气排放是大气污染排放的主要来源，其排放的CO、NOx和PM（particular matter）超过90%，HC超过80%。在汽车排放的废气中大约含有200种不同的化合物[2]。据核算数据显示，在2019年全国机动车的空气污染物排放中：一氧化碳（CO）3089.4万吨，氮氧化物（NOx）562.9万吨，以及颗粒物（PM）44.2万吨。

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