随着社会的发展，能源的短缺、环境的污染和生态的失衡已经成为当今人类社会迫切需要解决的三大问题。工业革命之后，人类过度开采、使用化石能源（煤、石油、天然气），导致出现能源危机。同时，能源问题关系到国家的安全，值得引起重视。世界能源危机和环境问题的日益突出，汽车工业面临着严峻的挑战。为此，世界各国在制定严格的车辆尾气排放法规的同时，也在努力寻求缓解能源危机的有效途径。因此，寻找内燃机的新能源及代用燃料正成为内燃机领域的研究热点，也得到了相应的发展，如醇类、天然气（CNG， LNG）、液化石油气（LPG）等。而二甲醚作为一种新兴的清洁代用燃料，近年来引起了研究者的广泛关注。相对于煤制油及生物柴油等液体代用燃料，二甲醚作为内燃机代用燃料优势明显：其制造化学工艺较为简单成熟，十六烷值比柴油高，尤其适合作为压燃式内燃机的燃料，而且二甲醚特殊的化学结构有利于同时降低NO_x 和HC的排放。在化工行业，二甲醚可以通过合成气法制得，该方法所需要的合成气可由常见的化石原料煤炭、天然气等转化而制得，这些原料在我国经济易得，且工业合成气法技术成熟可靠，既充分的利用了我国丰富的煤炭资源和天然气资源，又把合理转化能源。因此，对二甲醚进行研究开发和推广应用，在缓解我国的能源化工与环境保护矛盾方面有十分重要的意义。

针对二甲醚的研究使用，在国内是十分普遍的。李维等测录了柴油机在燃用D20混合燃料时，转速不同情况下不同负荷的示功图，并对不同工况下的压力升高率、放热率以及缸内燃烧温度进行了计算 ^[1]。余敬周科研组则对DME/柴油混合燃料的稳态喷雾特性进行了研究，应用KIVA-3V2计算软件对混合燃料稳态喷雾的雾化特性进行了多维数值模拟研究 ^[2]。张翠平等在 ZS195柴油机上燃用D80二元燃料，发现二甲醚中添加低比例柴油可提高混合燃料的粘度，有益于减轻高压供油系统的泄漏和磨损 ^[3]。李军等在单缸柴油机上,采用不同的喷孔直径、孔数、喷射率及涡流比时,对DME发动机排放性能进行了对比试验^[4]。曹杰科研组通过在柴油机上进行燃用柴油以及柴油和二甲醚混合燃料D40的对比试验，发现二甲醚柴油混合燃料中二甲醚对混合燃料的燃烧起促进作用 ^[5]。王娜通过AVL FIRE软件中的ESE模块，计算模型选缸内气体流动模型k-ζ-f、燃烧模型ECFM-3Z、NO_x模型Zeldov-ich、soot模型Kenedy/Hiroyasu/Magnussen建立几何模型，对比分析了0#柴油、二甲醚-非标柴油混合燃料D30两种燃料的缸内喷雾流场、温度和排放物浓度场 ^[6]。程清波等利用AVL FIRE软件，选取合适模型，建立燃烧室三维模型，对柴油机缸内燃烧进行仿真模拟并对仿真结果进行描述，分析了速度场、温度场和压力场 ^[7]。熊江勇等则采用 PROE软件建立柴油机的三维模型，并通过HyperMesh软件来完成网格划分，之后基于AVL FIRE建立柴油发动机仿真模型进行研究^[8]。吴健等重点关注了燃油从油嘴喷出到碰壁之间的破碎过程，采用WAVE油滴破碎模型进行燃油喷雾的模拟计算 ^[9]。孙敬科研组在定容容器内模拟增压发动机实际压力和温度条件，研究了缸内环境、喷射压力、喷孔直径等因素对二甲醚喷雾特性的影响 ^[10]。宋文鹏等探讨了喷射压力对喷雾贯穿距离、喷雾蒸发等喷雾发展过程的影响规律，证明了DME是一种蒸发迅速的燃料 ^[11]。江峰则研究在背压和喷射压力变化的情况下,共轨系统中喷油器喷孔直径不同时二甲醚的喷雾特性 ^[12]。李跟宝等对不同掺混比、喷射压力以及喷孔直径等条件下的DME/柴油混合燃料喷雾粒子尺寸分布特性进行了对比试验研究 ^[13]。周龙保等则在定容燃烧弹和单次喷油装置上进行，针对冷态、非蒸发、无空气涡流情况下喷雾瞬态特性进行研究。同时，开展了直喷式柴油机燃用二甲醚/柴油混合燃料动力性能、经济性能及排放性能研究 ^[14]。王贺武等发动机燃用含10%二甲醚的柴油，发现发动机低速扭矩增加，比油耗降低，经济性提高 ^[15]。廖水容针对二甲醚燃料建立了油束模型和燃烧模型，并把这些数学模型耦合入KIVA后形成子程序并建立了二甲醚燃烧数值仿真计算平台，利用建立的平台计算了燃烧二甲醚柴油时的各组分含量并进行数值分析 ^[16]。袁志明等采用AVL FIRE软件的 FAME模块对进行燃烧室网格划分。在描述喷油的雾化过程时，采用了WAVE离散模型，蒸发模型采用了Dukowicz模型进行模拟 ^[17]。王理堃等在定容弹内模拟发动机实机工况的高温、高压环境，借助专用共轨系统产生高压力进行二甲醚喷射实验。之后基于实验结果，采用FORTE软件开发了二甲醚喷雾燃烧仿真模型 ^[18]。张艳辉科研组用AVL FIRE软件建立了柴油机喷雾燃烧过程研究的计算模型，喷雾过程包含初始破碎、二次破碎、蒸发、碰壁、湍流扩散等诸多复杂的子过程。根据模型分析了燃烧室关键特征对经济性和排放的影响，并设计了燃烧室优化方案 ^[19]。陈坚等用马尔文激光粒度分析仪等雾化测量系统，对离心喷嘴流量、喷雾锥角、周向不均匀度、液滴索太尔平均直径、液滴尺寸分布指数等雾化特性进行了测量，研究了雾化特性对喷雾燃烧点火过程的影响 ^[20]。丰雷科研组在一台高温、高压定容燃烧弹上研究了不同撞壁距离、喷射压力和环境温度与压力条件下，柴油油束撞壁后近壁面区域的喷雾特性 ^[21]。周苗等则应用三维CFD模拟软件FIRE，采用WAVE、Eddy-break-up模型，对不同喷孔数、喷孔锥角条件下的柴油机缸内流动与燃烧过程进行了数值模拟，探讨了喷油器结构参数对柴油机燃烧特性的影响规律，从而为喷油器的合理设计与优化提供了参考依据 ^[22]。

在国外，DME/柴油混合燃料的研究也备受关注。G.Thomasa 等对柴油发动机中二甲醚燃烧产生的排放及对其满足未来排放标准的影响进行了全面的讨论，并对DME研究的未来方向和燃烧后处理的方法提出了一定建议 ^[23]。 J. A. Piehl等为了研究各种燃烧和湍流模型对喷雾燃烧的影响，采用了开发的动力学机制和公认的喷雾模型，在燃烧室不同初始气体温度和压力条件下进行三维湍流喷雾模拟计算 ^[24]。 Achinta Sarkar等分析了双燃料发动机关键参数的物理特性，探究了气体燃料流速、进气装置预热、压缩比、喷射时间和含氧燃料类型在整体性能特征中的影响大小 ^[25]。 Marcus Grochowina等应用了高速阴影图技术来检查点火前的过程，研究了压缩温度和注射压力对喷雾形成和点火的影响 ^[26]。 Seamoon Yang等在DME发动机的共轨条件下，改变发动机的注射压力和注射速率，以优化二甲醚（DME）发动机系统。科研组探讨了高压注入压力对颗粒物和氮氧化物排放的影响，使之能够满足排放气体的排放要求 ^[27]。

目前二甲醚 在全球产量不高，生产成本也较高。鉴于这种状况，要在短期内普及完全以二甲醚为燃料的发动机是不经济、不现实的。为此，研究燃用DME/柴油混合燃料型柴油机是比较符合现状的， 这不仅可以解决二甲醚供应不足的问题，而且能充分利用二甲醚良好的雾化特性和柴油良好的润滑特性，解决了燃用纯二甲醚燃油系统磨损问题和泄漏问题。对DME/柴油混合燃料的探究，可以解决纯二甲醚润滑性差的问题，同时也可利用二甲醚良好的自燃性质和雾化能力，来改善缸内燃烧。在排放方面，掺烧模式相对与纯柴油机也能大幅降低碳烟颗粒排放，减少NO_X生成，降低噪声的产生。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究（设计）的基本内容

此次研究围绕DME/柴油混合燃料，依据流体动力学、燃烧学、内燃机学.等理论，拟采用WAVE破碎模型、Walljet1碰壁模型、Coherent FlameletModel燃烧模型等，利用AVLFIRE软件对DME/柴油混合燃料在定容弹内的喷雾燃烧过程进行模拟，形成可求解的数值模型，利用控制变量的方法进行数值模拟计算。本研究以AVL FIRE软件为基础，在充分假设的基础上对现有复杂现象进行简化，建立描述DME/柴油喷射过程的物理数学模型，探讨喷油提前角、喷油持续期和喷孔几何特性三个因素对喷雾特性和燃料燃烧特性的影响，最终得出结论。

2.2 研究（设计）的目标