二甲醚均質(zhì)混合壓燃燃燒數(shù)值模擬研究

鄧航，鄧惜仁，吳先煥

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

二甲醚均質(zhì)混合壓燃燃燒數(shù)值模擬研究

鄧航，鄧惜仁，吳先煥

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

文章利用大型化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)軟件CHEMKIN結(jié)合二甲醚詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力模型，對(duì)二甲醚的HCCI燃燒進(jìn)行了模擬研究，從理論上研究探討二甲醚的HCCI燃燒機(jī)理，構(gòu)建了二甲醚HCCI反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的簡化模型，并研究了邊界條件對(duì)二甲醚HCCI燃燒的影響。結(jié)果表明：隨著進(jìn)氣溫度的升高、過量空氣系數(shù)的減小、初始?jí)毫Φ脑黾樱變?nèi)的最高壓力升高，最大燃燒溫度上升。

燃燒特性；排放；均質(zhì)混合壓燃；二甲醚；數(shù)值模擬

CLC NO.:U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-48-03

引言

面對(duì)日益短缺的能源和汽車尾氣排放污染越來越嚴(yán)重，世界很多的國家在研究提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能時(shí)，不得不積極地研究和開發(fā)使用優(yōu)良的代用燃料，比如二甲醚、甲醇等。

二甲醚作為燃料具有高的蒸汽壓、低沸點(diǎn)、壓燃性好及混合氣形成容易等特性，非常適合HCCI的燃燒方式，因此，深入研究二甲醚HCCI燃燒過程，分析其燃燒特征，開發(fā)二甲醚HCCI燃燒技術(shù)，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。[1]

1、內(nèi)燃機(jī)計(jì)算模型

本文采用單區(qū)零維詳細(xì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型，利用CHEM KIN完成二甲醚的HCCI燃燒的模擬計(jì)算。

1.1 模型的選擇

本文選擇CHENKIN中的內(nèi)燃機(jī)模型（即IC Engine），IC Engine模塊解決了發(fā)動(dòng)機(jī)中的著火燃燒問題。應(yīng)用IC Engine模塊在發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行HCCI燃燒模擬計(jì)算，需基于以下3點(diǎn)假設(shè)：

（1）燃燒室內(nèi)質(zhì)量恒定，且整個(gè)燃燒室為絕熱系統(tǒng)混合氣體組分均為理想氣體，其比熱能c、內(nèi)能u、焓h等參數(shù)均僅與氣體溫度和氣體成分有關(guān)。

（2）缸內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)均勻，即同一瞬時(shí)氣缸內(nèi)各點(diǎn)的壓力、溫度、各組分濃度處處相等。并假定在進(jìn)氣期間，通過系統(tǒng)邊界進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣與氣缸內(nèi)的殘余廢氣實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)的完全混合。

（3）不計(jì)氣體的動(dòng)能和勢能。

模擬計(jì)算中進(jìn)氣門在上止點(diǎn)前(BTDC)132°CA關(guān)閉，故以壓縮上止點(diǎn)為曲軸轉(zhuǎn)角的零點(diǎn)，計(jì)算從進(jìn)氣門關(guān)閉開始，結(jié)束于膨脹行程的終點(diǎn)，并且假設(shè)在模擬計(jì)算過程中，缸內(nèi)壓力、溫度、各組分濃度處處相等，不考慮燃燒室壁面的傳熱。[2]

1.2 模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

本文選用的發(fā)動(dòng)機(jī)是云南內(nèi)燃機(jī)廠生產(chǎn)的4100QB-1A發(fā)動(dòng)機(jī)。

為了驗(yàn)證計(jì)算模型的可靠性，將計(jì)算得到的缸內(nèi)壓力與試驗(yàn)測得的缸內(nèi)壓力進(jìn)行比較。計(jì)算初始條件根據(jù)試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)確定，圖1為轉(zhuǎn)速n=1000r/min、進(jìn)氣溫度Tin=300K、平均指示壓力Pi=0.12MPa工況下模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。從圖中可以看出，計(jì)算的低溫和高溫的著火時(shí)刻與實(shí)驗(yàn)測得結(jié)果吻合，但由于在計(jì)算過程中假設(shè)燃料混合氣分布均勻，而在實(shí)驗(yàn)中不可能達(dá)到絕對(duì)的均勻分布，便會(huì)使得在計(jì)算中燃料高溫著火后的燃燒速率過快，并且在模擬計(jì)算中沒有考慮燃料混合氣的泄漏、燃燒室壁面的傳熱、邊界層及縫隙存在導(dǎo)致的不完全燃燒，使得計(jì)算的最大壓力比實(shí)驗(yàn)結(jié)果高。[3]

圖1 模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

1.2.1 邊界條件對(duì)HCCI燃燒的影響

1.3 過量空氣系數(shù)對(duì)HCCI燃燒的影響

圖2 過量空氣系數(shù)對(duì)缸內(nèi)溫度的影響

由圖2、圖3可以看出，隨著過量空氣系數(shù)的增加，最高溫度壓力均降低，這是由于混合氣濃度降低導(dǎo)致。計(jì)算中工質(zhì)總量不變，過量空氣系數(shù)增加還會(huì)導(dǎo)致燃料量減少，也會(huì)使最高溫度壓力下降。

圖3 過量空氣系數(shù)對(duì)缸內(nèi)壓力的影響

1.4 進(jìn)氣溫度對(duì)HCCI燃燒的影響

關(guān)于進(jìn)氣溫度參數(shù)的研究計(jì)算條件：轉(zhuǎn)速1000rpm，P0=0.095MPa，CR=17，α=4.8。由圖4可看出，隨著進(jìn)氣溫度的升高，最大溫度升高，著火時(shí)刻提前。初始溫度越高，缸內(nèi)工質(zhì)的摩爾數(shù)越小，進(jìn)氣量變少，采用增壓技術(shù)可以增加進(jìn)氣量。

圖4 進(jìn)氣溫度對(duì)缸內(nèi)溫度的影響

圖5 進(jìn)氣溫度對(duì)缸內(nèi)壓力的影響

由圖5可看出，進(jìn)氣溫度越高，反應(yīng)越容易開始進(jìn)行，所以反應(yīng)開始時(shí)的壓力越高，但是最高壓力卻不是最大的，320K時(shí)的壓力最高，這是由于此時(shí)混合氣濃度最適合反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)最集中，壓力升高率最高所致。

1.5 初始?jí)毫?duì)HCCI燃燒的影響

對(duì)于初始?jí)毫@一參數(shù)的研究計(jì)算是在轉(zhuǎn)速1000rpm，CR=17，T0=300K，α=4.8下進(jìn)行的。由圖6、圖7可以看出，溫度壓力都隨初始?jí)毫Φ纳叨黾?，最高溫度和最大壓力也越來越大，出現(xiàn)的時(shí)刻也有所提前。另外，初始?jí)毫Φ脑黾訒?huì)導(dǎo)致最大壓力過高，從而會(huì)導(dǎo)致NOx排放的急劇增加。[4]

圖6 初始?jí)毫?duì)缸內(nèi)溫度的影響

圖7 初始?jí)毫?duì)缸內(nèi)壓力的影響

2、結(jié)論

本文利用化學(xué)動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件CHEMKIN對(duì)二甲醚燃料HCCI燃燒的過程進(jìn)行了模擬計(jì)算并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，結(jié)果表明：計(jì)算結(jié)果在整體壓力曲線形狀的預(yù)測與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，可以用來預(yù)測燃燒邊界條件對(duì)HCCI燃燒過程的影響。利用所建立的二甲醚HCCI燃燒的單區(qū)模型，研究了過量空氣系數(shù)、進(jìn)氣溫度、初始?jí)毫Φ热紵吔鐥l件對(duì)二甲醚HCCI燃燒的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隨著進(jìn)氣溫度的升高、過量空氣系數(shù)的減小、初始?jí)毫Φ脑黾?，缸?nèi)的最高壓力升高，最大燃燒溫度上升。

[1] 呂興才,黃震.李孝祿.代用燃料二甲醚的研究現(xiàn)狀與前景[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2003,04:39-42+54．

[2] 羅馬吉,黃震,陳志,呂興才,李德剛．二甲醚均質(zhì)壓燃燃燒的詳細(xì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)模擬研究[J].汽車工程，2004，06:642-647．

[3] 陳志方,常耀紅.基于CHEMKIN的甲烷HCCI燃燒模擬研究[J],北京汽車,2011,05:10-13．

[4] 王大興,張欣,劉建華.均質(zhì)壓燃式(HCCI)燃燒的研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2002,04:77-81．

Combustion Numerical Simulation of DME HCCI

Deng Hang, Deng Xiren, Wu Xianhuan
( Automobile Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064 )

In this paper, the simulation study on dimethyl ether HCCI combustion is carried out by using the large-scale chemical reaction kinetics software CHEMKIN, combined with the detailed chemical kinetics model of DME. The combustion chemical kinetics mechanism of DME is investigated in theory. And the influences of boundary conditions on DME HCCI combustion are analyzed. The results show that the maximum pressure and the maximum temperature in the cylinder are increased with the increase of the intake air temperature, excess air coefficient and the increase of initial pressure.

Combustion Characteristic; Emission; HCCI; DME; Simulation

U463.8

A

1671-7988(2016)07-48-03

鄧航，就讀于長安大學(xué)汽車學(xué)院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.015