摘 要

本文通过运用GT-Power仿真软件进行四缸汽油发动机的模型建立，并将发动机模型用于二甲醚-乙醇-汽油混合燃料的研究，研究发动机性能随混合燃料比例和喷油时刻的改变的变化趋势，为实际应用提供一定的理论指导。本次仿真分析研究了混合燃料的燃料比例和喷油时刻的改变对发动机的动力性，经济性和排放性的性能影响。主要包括功率，扭矩，有效燃油消耗率，有效热效率，一氧化氮的排放和一氧化碳的排放等参数的研究。仿真结果表明，随着混合燃料中汽油燃料比例的减少，二甲醚燃料和乙醇燃料比例的增加，汽油机仿真模型的动力性指标如功率和扭矩都呈下降趋势,经济性指标如有效燃油消耗率随汽油比例的降低而增加，有效热效率随着乙醇燃料和二甲醚燃料比例的增加也逐渐增加，排放性指标如一氧化氮排放物的浓度随汽油燃料比例的减少而增加，一氧化碳排放物随二甲醚燃料和乙醇燃料比例的增加而减少。当汽油比例为70%，乙醇和二甲醚各为15%时，发动机的动力性，排放性和经济性能够达到一个较佳的状态。

随着汽油机喷射时刻的改变，混合燃料发动机的性能也会发生改变。随着汽油机喷油时刻的提前，发动机的动力性指标功率和扭矩都逐渐增加，而经济性指标如有效燃油消耗率是在喷油时刻为10°时获得最低值，随着喷射时刻的提前，有效热效率也表现为增加趋势，对于排放性指标如一氧化碳排放物随喷油时刻的改变不大，而一氧化氮排放物随喷油时刻的提前则呈现减少趋势。

关键词：汽油机；混合燃料；仿真分析；发动机性能

Abstract

In this paper, the model of four cylinder gasoline engine is established by using GT-Power simulation software, and the engine model is used in the study of DME -ethanol-gasoline blended fuel, and the change trend of engine performance with the ratio of mixed fuel and time of fuel injection is studied, and some theoretical guidance is provided for practical use. The influence of fuel ratio and injection timing on the performance of engine's power, economy and emission is studied by simulation. It mainly includes parameters such as power, torque, SFC, effective thermal efficiency, NO emissions and CO emissions.The simulation results show that with the decrease of gasoline fuel ratio in the mixed fuel and the increase of the ratio of DME and ethanol fuel, the dynamic data of the simulation model of the gasoline engine, such as power and torque, is decreasing, and the economic data, such as the SFC increases with the decrease of the gasoline ratio, and the effective thermal efficiency along with the ethanol and DME. The concentration of emission indicators, such as NO emissions, increases with the decrease in the proportion of gasoline fuel, and CO emissions decrease with the increase in the proportion of DME and ethanol fuel.When the proportion of gasoline is 70%, and ethanol and DME are each 15%, the engine's power, emissions and economy can reach a better state.

With the change of gasoline engine injection time, the performance of the hybrid fuel engine will also change. With the advance of fuel injection time in gasoline engine, the power and torque of engine dynamic data increase gradually, and the economic data, such as the SFC is the minimum value at the time of injection of 10 degrees. With the advance of injection time, the effective thermal efficiency also shows an increasing trend, for emission data such as CO discharge. The emissions did not change significantly with the injection time, while the emission of NO decreased with the advance of the injection time.

Key words: gasoline engine; mixed fuel; simulation analysis; engine performance

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2乙醇燃料概述 2

1.3二甲醚燃料概述 2

1.4国内外混合燃料研究现状 3

1.5本文的主要研究内容、目的与方案 4

1.5.1研究内容 4

1.5.2研究目标 4

1.5.3研究方案 4

第2章 仿真软件及模型 5

2.1 GT-Power软件介绍 5

2.2汽油机仿真模型选取 5

2.3二甲醚燃料库的建立 8

2.4本章小结 10

第3章 不同混合燃料比例的仿真分析 11

3.1燃料比例的确立 11

3.2不同混合燃料比例对汽油机动力性的仿真分析 12

3.3不同混合燃料比例对汽油机经济性的仿真分析 13

3.4不同混合燃料比例对汽油机排放性的仿真分析 15

3.5本章小结 17

第4章 不同喷油时刻的混合燃料的仿真分析 19

4.1喷油时刻的确立 19

4.2不同喷油时刻对汽油机动力性的仿真分析 19

4.3不同喷油时刻对汽油机经济性的仿真分析 20

4.4不同喷油时刻对汽油机排放性的仿真分析 21

4.5本章小结 22

第5章 结论 24

5.1研究总结 24

5.2研究展望 24

参考文献 26

致谢 28

第1章 绪论

1.1引言

当今世界面临两大问题：石油能源危机和环境污染，能源和环境问题已经成为影响中国乃至世界经济社会发展的重要因素，随着能源的不断减少以及可持续发展的理念不断深入人心，清洁能源的发展已成为各国的首要任务，改变石油短缺和严重污染的唯一途径就是减少对石油的依赖，开发绿色，高效，清洁的替代能源。随着现在中国经济的快速发展，汽车使用量的快速增长，以及国际原油价格的不断上涨，对中国石油需求和环境保护造成了很大压力，节能减排的任务十分严峻。因此发展多元混合燃料发动机对于环保和能源问题具有非常重大的意义。有许多物质可以用作内燃机的替代燃料，但选择时应考虑以下几点^[1]：

1. 资源是否丰富，稳定和可再生；
2. 生产工艺应该简单，原始投资不能过大，燃料成本低；
3. 与现有内燃机技术系统和基础设施的兼容性要好；
4. 生产过程要更加环保；
5. 可以改善内燃机的排放问题；
6. 对内燃机的动力性和经济性影响不大，最好能够有所改进。

根据当前全球发动机替代燃料的使用情况，它们可以分为三类：醇类，醚类，酯类和其他含氧燃料（主要包括甲醇，乙醇，二甲醚和植物油制成的生物柴油）;合成油（指采用煤，天然气或生物质生产的液体燃料）；气体燃料（指天然气，液化石油气，氢气，煤层气，沼气等）。在选择替代燃料时，有必要仔细分析替代燃料的主要物理性能和化学性能参数，并将其与汽油或柴油进行比较，并对原始发动机进行必要的技术改进。替代燃料的主要参数如下：

1. 替代燃料氧含量、自燃温度、辛烷值（火花点火发动机）、十六烷值（压燃式发动机）、与汽油或柴油的互溶性和稳定性（作混合燃料使用时）；
2. 低热值，化学计量空燃比；
3. 燃料的粘度和润滑性；
4. 与弹性密封材料的兼容性；
5. 燃料本身及燃烧排放物的毒性；
6. 燃料本身的生物降解性。

1.2乙醇燃料概述

乙醇燃料，也称为乙醇汽油，它指的是在不含MTBE含氧添加剂的专用汽油组分油（由炼油厂或石油化工厂生产的用于调合车用乙醇汽油的调合油）中，按体积比加入一定比例（我国目前暂定为10%）的变性燃料乙醇，由车用乙醇汽油定点调配中心按国标GB18351-2004的质量要求，通过特定工艺混配而成的新一代清洁环保型车用燃料。能源结构的调整和降低环境污染的要求是推动了乙醇燃料的发展的条件。

现今世界上使用的乙醇燃料都是由生物资源和可再生能源等资源制造而成的，其中巴西和美国是世界上最大的乙醇燃料生产和消费国。

乙醇燃料的特点如下：

1. 乙醇燃料的低热值为汽油的62％左右。因此，当在汽油发动机上燃用乙醇时，应该调整循环供油量以使混合气的热值与汽油空气混合气相等或稍高，从而使发动机在使用乙醇燃料时的动力性不会降低甚至会提高，同时也具有合适的空燃比；
2. 乙醇燃料的汽化热比汽油要大，为汽油的2.9倍；
3. 乙醇燃料的辛烷值较高，因此可以适当提高发动机的压缩比；
4. 乙醇燃料比汽油具有更高的粘度。

乙醇燃料既可以用作火花点火式发动机的替代燃料，也可以作为压燃式发动机的替代燃料，既可100％地替代（E100），也可以和汽油（或柴油）混合使用。

1.3二甲醚燃料概述

二甲醚燃料（Dimethyl Ether,缩写DME）可以各种原料如煤和天然气生产，在常温常压下是一种无色的有轻微醚香味的气体，而在高压下就为液体，它的饱和蒸气压与LPG相似，为易燃气体。与空气混合能形成爆炸性混合物。作为一种新兴的基础化工原料，二甲醚由于具有容易压缩，冷凝和汽化的良好特性，在化学工业中具有许多独特用途，如药物，燃料和杀虫剂。由于其良好的水溶性和油溶性，其应用范围远远优于丙烷，丁烷和其他石化产品。由于民用燃气的储运，燃烧安全性，预混燃气热值和理论燃烧温度等性能指标均优于液化石油气，可作为全市管道式气体调峰气，液化石油气调和用。二甲醚燃料燃烧性能优良，方便，清洁，十六烷值较高，动力性能较好，污染较少，与汽油燃料相比，一氧化碳，碳氢化合物的排放较少，可替代汽油，柴油，液化石油气和天然气，具有高的热效率，低噪音和无烟燃烧的特点，对于燃烧和排放性能都优于汽油，柴油和天然气的发动机，是一种很好的燃料。它是一种有前途的清洁燃料。二甲醚燃料燃烧性能优良，方便，清洁，十六烷值较高，动力性能较好，污染较少，与汽油燃料相比，一氧化碳，碳氢化合物的排放较少，可替代汽油，柴油，液化石油气和天然气，具有高的热效率，低噪音和无烟燃烧的特点，对于燃烧和排放性能都优于汽油，柴油和天然气的发动机，它是一种有前途的清洁燃料。

1.4国内外混合燃料研究现状

近几年，随着大众对环保问题，能源问题和发动机性能优化方面的关注以及汽车保有量的不断增加所造成的尾气排放和能源消耗问题，针对发动机的多元混合燃料的发展也非常迅速，国内外都相继取得了一些成果。

2013年I Schifter等人对中高级水合乙醇汽油混合燃料在单缸发动机燃烧特性进行了研究，结果表明，在乙醇混合的条件下，高压力和低进气温度是可以实现的。此外，排气效率、燃烧效率和燃烧热效率都没有受到水的影响。燃烧含水的实际后果是减少氮氧化物排放，而氮氧化物排放似乎随着燃料中含水量的增加而减少^[2]。2016年S. Phuangwongtrakul等人进行了乙醇-汽油混合燃料最佳混合比在火花点火发动机上的性能试验研究，实验结果表明，适当的乙醇-汽油混合比可以提高发动机的扭矩输出，特别是在发动机转速较低时^[3]；2016年V Pandey研究了汽油机乙醇汽油混合燃料性能，结果表明，乙醇与汽油的混合提高了制动热效率、燃油消耗率，降低了排气温度。降低了一氧化碳和尾气中的碳氢排放，但氮氧化物的排放量较高^[4]；2017年Battal Dog˘an 等人研究了乙醇-汽油混合燃料对火花点火发动机性能和排放的影响，实验和理论计算表明，乙醇添加的燃料减少一氧化碳（CO），二氧化碳（CO2）和氮氧化物（NOx）的排放量，没有明显的功率损失，但据测量，气缸内温度的降低会增加碳氢化合物（HC）的排放^[5]。2018年Paolo Iodice等人研究了汽油乙醇混合燃料中乙醇对汽油机冷工况下油耗和发动机排放的影响，得出了冷排放系数的显著降低与汽油乙醇混合燃料中乙醇含量的规定百分比有关的相关结论^[6]。2018年Javad Zareei等人通过对氢/天然气发动机的模拟及发动机运行参数的建模，研究表明，在天然气中加入氢气，可提高天然气的输出功率、扭矩、燃油消耗效率。有效燃油消耗率下降。当点火和喷射提前时，CO也会减少，发动机转速达到最大^[7]。

朱小慧，白代彤等人研究了乙醇汽油混合燃料颗粒物排放的特性，结果表明乙醇汽油生成的颗粒物氧化起燃温度低于纯汽油生成的颗粒物,同时乙醇汽油生成颗粒物的氧化活化能也低于纯汽油的颗粒物^[8-9]；武汉理工大学的侯献军等人通过对乙醇汽油对单缸发动机性能影响的仿真研究，得出了使用乙醇汽油会使发动机的动力性和经济性下降，掺醇比例越大，下降越明显，但会明显改善发动机排放，同时发动机最佳点火提前角有所减小的结论^[10]。闫海等人研究了燃用甲醇汽油混合燃料对发动机性能的影响，结果表明燃用甲醇汽油混合燃料时，可适当增加压缩比，以提高动力性、降低油耗、减少 HC 和 CO 等有害物质的排放^[11]。