醇醚雙燃料HCCI燃燒機(jī)理研究

陳 鵬，孟忠偉，張煜盛，閆 妍，吳 怡

（1.西華大學(xué)交通與汽車(chē)工程學(xué)院，四川 成 都 610039；2.華中科技大學(xué)能源動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武 漢 430074）

均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)火（HCCI）燃燒綜合了傳統(tǒng)柴油機(jī)和汽油機(jī)的燃燒方式，集兩者的優(yōu)點(diǎn)于一體，具有燃燒效率高、排放低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是滿(mǎn)足未來(lái)嚴(yán)格排放法規(guī)的重要技術(shù)手段，是內(nèi)燃機(jī)燃燒技術(shù)的重大進(jìn)步［1］。二甲醚特殊的理化性質(zhì)決定了其具有出色的均質(zhì)壓燃特性，但由于其過(guò)快的燃燒速度，二甲醚的HCCI燃燒工況范圍十分狹窄，負(fù)荷只能達(dá)到原機(jī)10%左右［2－3］，采用雙燃料燃燒模式是控制HCCI燃燒過(guò)程以及拓寬其工況范圍的有效技術(shù)手段［4－7］。甲醇燃料具有較大的汽化潛熱和較高的辛烷值，能夠抑制二甲醚的快速燃燒，所以將這2種燃料結(jié)合起來(lái)可以進(jìn)行更加深入和詳細(xì)的HCCI研究。由于HCCI燃燒受化學(xué)動(dòng)力學(xué)影響顯著，對(duì)其燃燒機(jī)理的研究一直是HCCI領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［8］。本研究主要從數(shù)學(xué)模擬方面對(duì)二甲醚、甲醇的化學(xué)機(jī)理進(jìn)行分析，通過(guò)合理的簡(jiǎn)化計(jì)算得到雙燃料HCCI燃燒簡(jiǎn)化模型，從而提高其燃燒模擬的計(jì)算效率。

1 二甲醚、甲醇簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型

研究所使用的雙燃料詳細(xì)機(jī)理分別是華中科技大學(xué)提出的二甲醚燃燒機(jī)理［9］以及普林斯頓大學(xué)提出的甲醇詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)［10］，在剔除了某些重復(fù)機(jī)理整合后得到了二甲醚－甲醇雙燃料詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，共包括97個(gè)物種和508個(gè)基元反應(yīng)。但根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，化學(xué)反應(yīng)機(jī)理越多，計(jì)算機(jī)求取反應(yīng)化學(xué)項(xiàng)的時(shí)間和占據(jù)的計(jì)算比例就越大，會(huì)直接影響數(shù)值模擬的計(jì)算效率。

目前通常是將詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理應(yīng)用在零維或一維燃燒模型的耦合計(jì)算方面，而需要與多維燃燒模型進(jìn)行耦合時(shí)，都會(huì)將復(fù)雜的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理模型進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化，剔除其中對(duì)化學(xué)反應(yīng)影響較小的次要反應(yīng)，獲得重要的骨干機(jī)理并建立新型簡(jiǎn)化機(jī)理模型。

本研究通過(guò)Chemkin 4.0計(jì)算軟件的敏感度分析方法，在二甲醚、甲醇原有詳細(xì)機(jī)理模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建出一個(gè)包含38個(gè)物種99個(gè)基元反應(yīng)的新模型，并針對(duì)實(shí)驗(yàn)需求，在機(jī)理中添加了甲醛、甲酸和甲酸甲酯的生成子模型。同時(shí)在簡(jiǎn)化與詳細(xì)機(jī)理對(duì)比計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，驗(yàn)證了簡(jiǎn)化機(jī)理的有效性，并藉此對(duì)二甲醚－甲醇HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

2 計(jì)算結(jié)果與討論

2.1 數(shù)值建模及其邊界條件

Chemkin 4.0計(jì)算軟件包提供了單獨(dú)的均質(zhì)壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算模塊，其中內(nèi)嵌零維單區(qū)燃燒模型。研究對(duì)象以試驗(yàn)采用的ZS195直噴式柴油機(jī)為模型，燃料供給改由進(jìn)氣道噴入甲醇以實(shí)現(xiàn)HCCI模式?？紤]到甲醇的十六烷值低，無(wú)法直接進(jìn)行壓燃，需采用進(jìn)氣加熱措施，因此，將計(jì)算初始溫度定為380K，保證甲醇正常壓燃。模擬計(jì)算的始點(diǎn)定為進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻，即上止點(diǎn)前137°曲軸轉(zhuǎn)角，計(jì)算過(guò)程從進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻開(kāi)始至排氣門(mén)打開(kāi)結(jié)束。結(jié)合原型機(jī)缸壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與準(zhǔn)維燃燒模型的計(jì)算結(jié)果，初始?jí)毫Υ_定為0.1MPa。計(jì)算中過(guò)量空氣系數(shù)（a）取值范圍為2～6。傳熱模型采用Chemkin自帶的Woschni傳熱公式。

由于二甲醚和甲醇以不同的混合比進(jìn)入氣缸，所以定義甲醇過(guò)量空氣系數(shù)以及二甲醚過(guò)量空氣系數(shù)分別為

式中：Gair為每循環(huán)的進(jìn)氣量；GM每循環(huán)甲醇噴射量；GD為每循環(huán)二甲醚噴射量；αM為甲醇的理論空燃比；αD為二甲醚的理論空燃比。

2.2 簡(jiǎn)化模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述簡(jiǎn)化反應(yīng)模型的有效性，以詳細(xì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)簡(jiǎn)化反應(yīng)模型進(jìn)行驗(yàn)證。圖1示出數(shù)值模擬計(jì)算值與試驗(yàn)所得缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)的對(duì)比（aD＝4.3，aM＝10.1），可以發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)化機(jī)理和詳細(xì)機(jī)理的曲線(xiàn)幾乎完全重合，有很好的一致性。但由于零維軟件假設(shè)缸內(nèi)溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)完全均勻，忽略了燃燒室壁面溫度降低對(duì)燃燒造成的影響，所以模擬計(jì)算的燃燒速率要高于實(shí)際工況，缸內(nèi)最高燃燒壓力也出現(xiàn)虛高的情況，不過(guò)總體趨勢(shì)還是能夠反映試驗(yàn)結(jié)果。

2.3 雙燃料燃燒過(guò)程分析

在二甲醚過(guò)量空氣系數(shù)相同的條件下，對(duì)雙燃料HCCI的燃燒過(guò)程進(jìn)行了模擬計(jì)算。如圖3所示（1 600r／min，aD＝4，aM＝8），雙燃料的燃燒沒(méi)有明顯的負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域，其中二甲醚的氧化反應(yīng)略微早于甲醇，兩種燃料都在熱焰反應(yīng)中快速消耗完畢，雙燃料的消耗速度比純二甲醚明顯變慢，在上止點(diǎn)后5°左右才基本消耗完畢。而二甲醚的霧化性和十六烷值都很高，在短時(shí)間內(nèi)多點(diǎn)著火，快速燃燒，在上止點(diǎn)前6°左右已經(jīng)全部燃燒完畢。

分析雙燃料燃燒反應(yīng)過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)（模型中的M為第三體，即反應(yīng)中的過(guò)渡分子態(tài)），氧化反應(yīng)開(kāi)始于二甲醚和氧氣之間的反應(yīng)，隨著OH根的出現(xiàn)，其與二甲醚的脫氫反應(yīng)開(kāi)始占據(jù)主要地位：

一次脫氫產(chǎn)物CH3OCH2進(jìn)行加氧反應(yīng)后進(jìn)行分子內(nèi)部異構(gòu)化，異構(gòu)化后直接分解。

脫氫產(chǎn)物一次加氧：

一次加氧后異構(gòu)化：

異構(gòu)產(chǎn)物直接分解：

原本單一燃料二甲醚在低溫階段有重要的支鏈反應(yīng)，對(duì)一次加氧后異構(gòu)產(chǎn)物進(jìn)行二次加氧反應(yīng)，但由于甲醇燃料的添加破壞了支鏈的繼續(xù)傳播，原本異構(gòu)化產(chǎn)物的二次加氧過(guò)程被破壞，大部分的CH2OCH2O2H直接進(jìn)行分解。

二甲醚一次脫氫產(chǎn)物另外一條反應(yīng)路徑是直接進(jìn)行熱裂解，由于甲醇的加入抑制了低溫反應(yīng)，使得熱裂解反應(yīng)強(qiáng)度增大，脫氫產(chǎn)物直接熱裂解成為甲醛：

甲醇與氧氣的脫氫反應(yīng)要晚于二甲醚，主要生成CH2OH和CH3O兩種過(guò)渡態(tài)產(chǎn)物：

這兩種產(chǎn)物首先被氧化成為甲醛，進(jìn)入高溫反應(yīng)后，甲醛會(huì)生成HCO：

甲醛基再分解成為HO2和CO，HO2發(fā)生分子聚合反應(yīng)生成H2O2，當(dāng)H2O2累積到一定濃度后快速分解成為OH，進(jìn)而引發(fā)高溫反應(yīng)，最終所有中低溫產(chǎn)物消耗完畢，氧化成為CO2。

圖4和圖5示出了雙燃料燃燒過(guò)程中的重要活性基（OH和H2O2）和非常規(guī)排放物（甲醛、甲酸和甲酸甲酯）的生成與消耗曲線(xiàn)，可以看出，詳細(xì)機(jī)理和簡(jiǎn)化機(jī)理吻合度較高，能夠正確反映燃燒過(guò)程。在上止點(diǎn)前17°左右，缸內(nèi)開(kāi)始生成H2O2，隨著其濃度不斷累積，在上止點(diǎn)左右H2O2達(dá)到峰值。同時(shí)，非常規(guī)排放物甲醛、甲酸和甲酸甲酯也在上止點(diǎn)附近濃度達(dá)到最高值，其中甲醛的濃度最高。此時(shí)大量H2O2開(kāi)始分解生成OH根，反應(yīng)進(jìn)入快速燃燒的高溫氧化反應(yīng)階段。這些低溫燃燒產(chǎn)物與OH根發(fā)生快速氧化反應(yīng)生成CO，并最終轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2。

2.4 邊界條件對(duì)燃燒過(guò)程的影響

為了進(jìn)一步驗(yàn)證簡(jiǎn)化機(jī)理的適用性，改變模型初始參數(shù)將其與詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行更加細(xì)致的對(duì)比。由于HCCI燃燒受缸內(nèi)溫度和燃料濃度影響很大，而雙燃料的燃燒主要以二甲醚為主，所以改變二甲醚濃度及初始溫度這兩種初始條件對(duì)燃燒加以對(duì)比。選取的參數(shù)分別為初始溫度（330K，340K，350K，360K，370K）和二甲醚過(guò)量空氣系數(shù)（4.5，5.0，5.5，6.0，6.5），主要對(duì)比參數(shù)為缸內(nèi)壓力峰值、著火時(shí)刻（定義為高溫放熱反應(yīng)開(kāi)始時(shí)刻，缸內(nèi)溫度到達(dá)1 100K時(shí)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角）和缸內(nèi)溫度峰值。

3 結(jié)論

a）通過(guò)敏感度分析方法，在二甲醚、甲醇原有詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，構(gòu)建出的包含38個(gè)物種、99個(gè)基元反應(yīng)的簡(jiǎn)化機(jī)理能夠正確反映雙燃料HCCI燃燒過(guò)程，同時(shí)能對(duì)非常規(guī)排放物進(jìn)行預(yù)測(cè)分析；

b）通過(guò)分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，二甲醚單一燃料的燃燒過(guò)程包括低溫冷焰階段和高溫?zé)嵫骐A段，在低溫和高溫燃燒階段中間存在負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域，在這個(gè)時(shí)間區(qū)域的燃燒中間產(chǎn)物濃度幾乎不變，生成速率很低；而雙燃料的燃燒沒(méi)有明顯的負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域，由于添加甲醇，抑制了二甲醚低溫反應(yīng)，降低了缸內(nèi)溫度，使雙燃料的消耗速度明顯降低；

c）通過(guò)改變二甲醚濃度和初始溫度發(fā)現(xiàn)，隨著二甲醚濃度的降低，缸內(nèi)最高溫度、最高缸壓都會(huì)隨之降低，高溫放熱時(shí)刻也在不斷推后；而隨著初始溫度的升高，缸內(nèi)溫度和最高缸壓隨之升高，而高溫放熱時(shí)刻也在不斷提前；與試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合可以發(fā)現(xiàn)，初始溫度定為350K較適宜。

［1］ Mingfa Yao，Zhaolei Zheng，Haifeng Liu.Progress and Recent Trends in Homogeneous Charge Compression Ignition（HCCI）Engines［J］.Progress in Energy and Combustion Science，2009，35（5）：398－437.

［2］ 孫海英.二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)非常規(guī)排放物的測(cè)試與數(shù)值模擬研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2007.

［3］ 莫春蘭.基于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的DME發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放特性研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2007.

［4］ Sage L Kokjohn，Reed M Hanson，Derek A Splitter，et al.Experiments and Modeling of Dual－uel HCCI and PCCI Combustion Using In－cylinder Fuel Blending［C］.SAE Paper 2009－01－2647.

［5］ Hiroyuki Y，Masataka Y，Atsumu T.Chemical Mechanistic Analysis of Additive Effects in Homogeneous Charge Compression Ignition of Dimethyl Ether［J］.Proceedings of the Combustion Institute，Thirtieth International Symposium on Combustion，2005，30（2）：2773－2780.

［6］ Yamada，Hiroyuki，Tono，et al.Validation of Retarding Mechanism in Ignition Timing of HCCI Engine by Adding Methanol to DME［J］.Transactions of the Ja－pan Society of Mechanical Engineers Part B，2004，16（9）：2455－2461.

［7］ 諶祖迪.基于醇醚燃料復(fù)合燃燒模式的壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)性能與排放特性研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2011.

［8］ Xingcai Lu，Dong Han，Zhen Huang.Fuel Design and Management for the Control of Advanced Compression－ignition Combustion Modes［J］.Progress in Energy and Combustion Science.2011，37（6）：741－783.

［9］ 莫春蘭，張煜盛，石 宇.二甲基醚發(fā)動(dòng)機(jī)H CCI燃燒與排放的計(jì)算［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，34（11）：103－106.

［10］ Li Juan，Zhao Zhen Wei，Kazakov A.A Comprehensive Kinetic Mechanism for CO，CH2O and CH3OH Combustion［J］.International Journal of Chemical Kinetics，2007，39（3）：109－136.