摘 要

乙醇是一种具有良好发展前景的含氧可再生清洁能源，把它作为柴油机的混合燃料不仅可以缓解我国石油资源匮乏和需求之间的矛盾，还可以改善柴油机的燃烧及排放性能。为了研究乙醇的掺混比例对柴油机的燃烧及排放性能的影响，在一台四缸四冲程的高压共轨、涡轮增压柴油机进行了试验研究，乙醇所占的比例分别为0、5%、15%、25%，将其分别命名为E0、E5、E15、E25。并使用AVL公司的fire软件来建立相应的燃烧模型，模拟了不同EGR率（0%、10%、20%、30%）对柴油机燃烧及排放性能的影响。通过试验和模拟分析得到以下结论：

1.在低负荷工况下运行柴油机时，应当适量的减小乙醇的掺混比；

2.在中高负荷工况下运行柴油机时，应当适量的增大乙醇的掺混比；

3.在大负荷工况下运行柴油机时，最佳的乙醇掺混比例为E15;

4.在低负荷工况下，缸内燃烧的热力学状态较差，较小的掺混比并不能很好地降低柴油的粘度，雾化性能依然较差，但适量增大氧浓度能促进燃烧；

5.乙醇掺混比例的增加能有效降低低负荷和中低负荷NOx排放量；

6.乙醇掺混比例的增加能有效降低高负荷和中高负荷HC排放量;

7.高负荷工况下应增大乙醇掺混比例，可以降低CO排放量;

8.掺混乙醇能够在中高负荷降低颗粒物的排放,在中负荷的工况下E15的燃烧性能最好，核膜态颗粒物排放的效果最好;

9.随着EGR率的增大，缸内平均压力的峰值在逐渐减小;缸内温度的峰值在逐渐减小;瞬时燃烧放热率的峰值在逐渐减小;

10. NOx的质量分数随着EGR率的增大而明显的降低，意味着柴油机中EGR技术的引入能够起到明显降低NOx生成的作用;

11. 在小负荷工况下，伴随着EGR率的增大，碳烟最终排放量整体展现先增大后减小的趋势, 小负荷时，适当增大EGR率，可以减少碳烟排放量。

关键词：乙醇柴油；燃烧；常规排放；fire模拟；EGR

Abstract

Ethanol is a renewable and clean energy with good development prospects. As a diesel engine fuel mixture, it can not only alleviate the contradiction between the lack of petroleum resources and demand in China, but also improve the combustion and emission performance of diesel engines. In order to study the effect of ethanol blending ratio on combustion and emission performance of diesel engine, An experimental study on a four-cylinder four-stroke high-pressure common rail and turbocharged diesel engine was carried out. The proportion of ethanol is 0、 5%、 15%、 25% respectively, which are named E0、 E5、 E15 and E25. The fire software developed by AVL company is used to establish the corresponding mathematical model, and the effects of different EGR rates (0%, 10%, 20%, 30%) on the combustion and emission performance of diesel engine are simulated. The following conclusions are obtained through experiments and simulation analysis:

1. When running diesel engine under low load conditions, the blending ratio of ethanol should be reduced appropriately.

2. When running diesel engine under medium and high load conditions, the blending ratio of ethanol should be increased appropriately.

3. The optimum ethanol blending ratio is E15 when diesel engine is running under heavy load.

4. Under low load conditions, the thermodynamic state of in-cylinder combustion is poor, and smaller blending ratio can not reduce the viscosity of diesel oil well, and the atomization performance is still poor. However, increasing oxygen concentration can promote combustion.

5. Increasing the ethanol blending ratio can effectively reduce the emissions of low load, medium load and low load.

6. Increasing ethanol blending ratio can effectively reduce HC emissions at high and medium loads.

7. Increasing ethanol blending ratio can reduce CO emissions under high load conditions.

8. Mixed ethanol can reduce particulate matter emissions at medium and high loads. Under medium loads, the combustion performance of E15 is the best, and the effect of nuclear membrane particulate matter emissions is the best.

9. With the increase of EGR rate, the peak value of in-cylinder average pressure decreases gradually, the peak value of in-cylinder temperature decreases gradually, and the peak value of instantaneous combustion heat release rate decreases gradually.

10. The mass fraction of NOx decreases obviously with the increase of EGR rate, which means that the introduction of EGR technology in diesel engine can significantly reduce the generation of NOx.

11. Under low load conditions, with the increase of EGR rate, the final emissions of soot show a trend of first increasing and then decreasing. At low load, appropriate increase of EGR rate can reduce soot emissions.

Keywords：Ethanol Diesel; Combustion; Conventional Emissions;fire simulation;EGR

目录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

目录 III

第1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 国内研究现状 2

1.1.4 国外研究现状 3

1.2 本课题的研究内容 3

第2章 乙醇-柴油混合燃料燃烧试验 5

2.1 试验燃料 5

2.2 试验设备 5

2.3 试验发动机 5

2.4 研究计划与研究方案 6

第三章 掺混比对乙醇-柴油混合燃料性能影响的实验结果分析 7

3.1 缸内平均压力 7

3.2 瞬时燃烧放热率 9

第4章 不同掺混比乙醇-柴油混合燃料燃烧对常规排放物的影响 12

4.1 NOx排放特性 12

4.2 HC排放特性 12

4.3 CO排放特性 13

4.4 颗粒物排放特性 14

第5章 乙醇-柴油混合燃料燃烧仿真模拟 15

5.1 模型的建立 15

5.2 初始条件 15

5.3 边界条件 15

5.4 用试验研究进行模型验证 16

5.5 模拟计算结果与分析 16

5.5.1 EGR率对缸内平均压力的影响 17

5.5.2 EGR率对缸内温度的影响 17

5.5.3 EGR率对瞬时放热率的影响 18

5.5.4 EGR率对NOx排放的影响 18

5.5.5 EGR率对碳烟排放的影响 19

第6章 结论 21

参考文献 22

致谢 24

第1章 绪论

1.1 引言

1.1.1 研究的背景

最近,公安部交通管理局发布数据称,截至2018年9月,中国机动车保有量达3.22亿辆,其中汽车保有量为2.35亿辆,私家车保有量为1.84亿辆[^[1]]。并且，我国的石油储量相对较低，石油资源量约为1072.7亿吨[^[2]]，人均拥有石油可开采资源总量和人均产量相当于世界平均水平的1/5，随着汽车保有量的持续增长,石油资源短缺和环境污染加剧已经成为阻碍我国城市发展的突出问题。

1.1.2 研究的意义

与汽油机相比，柴油机具有其本身的其他优势，例如它的动力性与经济性好，输出转矩更高，HC和CO排放的排放更低，以此柴油机的应用范围将更加广泛，但是柴油机的尾气污染物中颗粒物含量较高，其质量浓度大概为汽油机的30~50倍，为了缓解我国石油资源匮乏和需求之间的矛盾，实现我国长期可持续的经济发展要求和环境保护战略，需要发展内燃机替代清洁燃料以部分取代石油基燃料[^[3]]。乙醇则是一种具有良好发展前景的可再生清洁能源，可以通过熟化蔬菜和农产品（例如玉米、糖棒和甜菜）中的糖来产生。起先，我国主要用陈化的玉米、小麦来生产燃料乙醇，其中以玉米为主，这为当时农产品提供了巨大的市场出路。但是，随着陈化粮的消耗殆尽，以及粮食价格的节节攀升，利用粮食生产燃料乙醇已经不再现实，我国已在提倡发展以非粮食作物为原料来进行燃料乙醇的生产。燃料的着火燃烧特性取决于燃料的含氧量、自燃温度、挥发性、沸点、汽化热、十六烷值、辛烷值、粘度等一系列特性[^[4]]。把乙醇与柴油混合作为燃料具有以下优点：乙醇的十六烷值很低，大概为8，可以降低混合燃料的十六烷值，从而降低了以乙醇柴油为燃料的发动机的爆震等级，乙醇燃料的汽化热比较大，意味着进入气缸的混合气温度低，导致滞燃期比较长，柴油机的充量系数和动力性能都会被提升[^[5]]。

表1 几种燃料物化性质的比较

1.1.3 国内研究现状

江苏大学的李铭迪等人在发动机台架进行试验，通过示功图以及测量尾气排放物，分析了混合燃料的燃烧过程与尾气排放物的变化规律。试验结果表明：随着混合燃料中乙醇的掺混比例增加，乙醇-柴油混合燃料的滞燃期延长，燃烧终点提前，燃烧持续期缩短。在小负荷时，与纯柴油相比，E10和E20的最大爆发压力分别下降了0.2、0.4MPa，扩散燃烧放热率峰值升高；在全负荷时，与纯柴油相比，乙醇-柴油混合燃料的最大爆发压力变化不大，预混燃烧放热率峰值升高。与燃用柴油相比，掺混乙醇能明显降低烟度，NOx排放变化不大；HC和CO排放随着乙醇掺混比例的增加而升高，小负荷时较为明显，乙醇-柴油混合燃料的燃料消耗率与燃用柴油的燃油消耗率基本相同[^[6]]。

长安大学的李琪等人进行了多次喷射与变EGR率对生物柴油-乙醇混合燃料燃烧及排放性能影响的模拟研究。试验结果表明：随着生物柴油-乙醇混合燃料中乙醇掺混比例的增加，混合燃料的滞燃期被逐渐延长；生物柴油可以有效的降低碳烟排放，且碳烟排放降低幅度随着乙醇掺混比的增大逐渐增大，HC和NOx的排放随着乙醇掺混比例的增加而增加。80%生物柴油20%乙醇是合适的掺混比例。仿真试验的结果显示：采用预喷-主喷策略，预喷-主喷间隔较小时，碳烟和NOx排放得到改善；预喷-主喷间隔较大和预喷油量增加时，NOx增加，碳烟降低。采用主喷-后喷策略时，NOx和碳烟排放同时降低，在小负荷时，主后喷间隔应较小，主后喷间隔也应随着负荷的增大而适当增大，后喷油量增加，NOx和碳烟排放均降低。预喷-主喷-后喷喷油策略下的柴油机燃烧及排放规律，与预喷-主喷和主喷-后喷策略一致。单次喷射时，随着EGR率的增加，NOx排放大幅度降低但碳烟增加，并且柴油机动力性和经济性降低，因此EGR率不宜过高，EGR率在0.2左右时，NOx和碳烟综合排放较好[^[7]]。EGR与后喷耦合时，发动机燃烧及排放规律与单次喷射相似，后喷对NOx的影响较小，但碳烟排放大幅度降低。

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