模擬發(fā)動機工況下二甲醚噴霧燃燒實驗及仿真研究

王理堃，張光德，三次勇太，金野滿

(1.武漢科技大學汽車與交通工程學院，湖北 武漢，430081；2.茨城大學理工學研究科，日本茨城 日立，3168511)

鑒于全球石油資源消耗日益加劇，尋找新的代用燃料具有十分重要的意義。二甲醚(dimethyl ether，DME)分子式為CH3OCH3，無毒性，可無煙燃燒且燃燒噪聲較低，能實現(xiàn)最大比例的廢氣再循環(huán)，從而大幅降低氮氧化合物的排放[1-2]。二甲醚十六烷值約為55～60，具有良好的壓燃性，非常適合作為壓燃式發(fā)動機的替代燃料[3]。然而由于二甲醚的密度、彈性模量、熱值等相對于柴油較低，故要想達到相同的能量輸出，二甲醚的噴射量必須是柴油的1.8倍，而且蒸汽壓力與表面張力特性也對二甲醚噴射過程中的燃料破碎和蒸發(fā)有潛在影響。

處于超臨界狀態(tài)的流體將呈現(xiàn)不同于亞臨界狀態(tài)的流體特性，包括氣體與液體的界面不復存在，液體表面張力和蒸發(fā)潛熱都趨近于零，此時流體密度趨于液體密度，而輸送特性則趨于氣體的輸送特性，不存在破碎的顆粒，整個噴霧的擴散也將非常明顯[4]。研究表明，汽油在超臨界狀態(tài)下可提升噴射速度，并且具有更好的霧化特性[5]。二甲醚對應的臨界點壓力和溫度分別是5.37 MPa和400.05 K[6]，而增壓發(fā)動機的工作壓力及溫度都超過了這個臨界條件[7]，所以二甲醚在超臨界條件下的噴射是可以實現(xiàn)的，探討該狀態(tài)下二甲醚的噴霧燃燒特性對于二甲醚發(fā)動機的研發(fā)具有重要意義，然而目前此領域的研究成果相對不足。

周昃等[8]使用高速攝像機拍攝記錄了定容彈內超臨界噴射條件下二甲醚的噴霧特性。本研究在其基礎上進行超臨界噴射條件下的二甲醚噴霧燃燒實驗，并與亞臨界噴射情形進行對比，同時考慮到實驗成本較高，又根據(jù)實驗條件建立了適用于二甲醚發(fā)動機的噴霧燃燒數(shù)值仿真模型，以期為后續(xù)研究工作提供技術支持。

1 實驗研究

1.1 實驗裝置

本研究在模擬柴油發(fā)動機實機工況的定容彈中進行，分別進行噴霧非燃燒和噴霧燃燒實驗，實驗裝置如圖1所示。定容彈兩側安裝有直徑100 mm、厚50 mm的觀察窗口，有效觀察范圍為直徑80 mm的圓形區(qū)域。在定容彈四周裝有電加熱裝置，能使其室溫達到400 K左右。為達到實驗要求的發(fā)動機缸內高溫、高壓條件，可向定容彈內充入一定比例的H2、O2、CO、N2，并由定容彈底部的火花塞點燃。噴射部分主要包括由二甲醚專用的高壓共軌系統(tǒng)、安裝在定容彈上方中間位置的噴油器以及噴射控制裝置，噴油孔直徑為0.31 mm，噴油器內裝有電熱絲以控制實驗所需的噴射溫度，噴油器內溫度由直徑為0.1 mm的K型熱電偶監(jiān)測。光學觀察部分主要包括納米強光源和高速攝像機。

圖1 實驗裝置示意圖

1.2 實驗條件及方法

實驗模擬柴油發(fā)動機的運轉工況，設定缸內溫度、壓力分別為920 K、6.0 MPa，噴射壓力為100 MPa。為了實現(xiàn)超臨界噴射，將噴油器內的二甲醚加熱到427 K，并與亞臨界條件下359 K的二甲醚噴射進行對比實驗。通過控制定容彈內氧氣濃度實現(xiàn)二甲醚的自燃。進行二甲醚的噴霧燃燒實驗時，初始混合氣中氧氣濃度為16%；而進行二甲醚的噴霧非燃燒實驗時，初始混合氣中氧氣濃度僅為8.1%，這樣混合氣體燃燒后的氧氣濃度接近于零，二甲醚不會自燃。

實驗開始前，先往定容彈中充入一定比例的可燃氣體，點燃后缸內溫度和壓力最高可分別達到1850 K和18.5 MPa。通過感應裝置監(jiān)控，在達到目標環(huán)境條件時進行噴射實驗。

采用兩種光學觀察方法記錄噴霧形態(tài)，分別是可以同時拍攝噴霧的氣相和液相的陰影法以及僅能拍攝噴霧液相的背景散射法[9]。陰影法用來捕捉噴霧的宏觀形態(tài)包括噴霧錐角和貫穿距離，背景散射法則是通過觀察噴霧液相的貫穿距離來判斷二甲醚的霧化程度。在拍攝噴霧燃燒時快門速度為40 000 fps，拍攝像素為512×512；非燃燒狀況下快門速度為20 000 fps，拍攝像素為384×400。

1.3 實驗結果與分析

二甲醚非燃燒噴霧實驗觀察結果如圖2和圖3所示。陰影法拍攝結果顯示，超臨界和亞臨界條件下的二甲醚噴霧形態(tài)并沒有明顯差異；背景散射法拍攝結果顯示，超臨界條件下二甲醚噴霧的液相貫穿距離更短。

圖2 陰影法記錄的二甲醚噴霧圖像

圖3 背景散射法記錄的二甲醚噴霧圖像

Fig.3ImagesofDMEspraybybackgroundscatteringmethod

根據(jù)二甲醚噴霧圖像得出超臨界和亞臨界條件下噴霧貫穿距離和液相貫穿距離的數(shù)據(jù)對比，如圖4所示。可以進一步看出，兩種條件下的二甲醚噴霧貫穿距離十分接近，而超臨界和亞臨界條件下二甲醚噴霧的液相貫穿距離分別為15 mm和19 mm左右，這表明超臨界條件下更多的二甲醚燃料霧化了。

圖4 超臨界和亞臨界二甲醚噴霧實驗結果對比

Fig.4ComparisonofexperimentalresultsbetweensupercriticalandsubcriticalDMEsprays

二甲醚噴霧燃燒實驗觀察結果如圖5所示，從圖中可以看出不同條件下二甲醚噴霧燃燒形態(tài)并無太大差別，但超臨界條件下的噴霧著火時刻略微提前?？傊R界狀態(tài)對二甲醚噴霧燃燒方面的影響較小。

圖5 陰影法記錄的二甲醚噴霧燃燒圖像

2 仿真研究

二甲醚易蒸發(fā)、常溫下不容易保存、難以加壓等特性導致實驗成本較高，所以建立合適的二甲醚噴霧仿真模型對于今后的研究工作具有十分重要的意義。本文仿真分析使用的FORTE計算流體動力學(CFD)模擬軟件可以將噴霧模型與二甲醚燃燒的氧化還原反應機理進行耦合，并且其對網(wǎng)格質量依賴程度低，可實現(xiàn)多線程求解，計算速度快。

2.1 二甲醚噴霧模型的構建

為了模擬實驗結果，仿真完全采用日本株式會社電裝(DENSO)提供的DME專用發(fā)動機噴射系統(tǒng)及燃燒室的參數(shù)作為建模依據(jù)，噴射孔徑為0.31 mm，噴射壓力為100 MPa。定容彈中的環(huán)境為仿渦輪增壓發(fā)動機缸內環(huán)境，壓力和溫度分別為6.0 MPa和920 K?？倗娚淞繀⒖紝嶒灲Y果為24 mg。計算范圍為49 mm×49 mm×100 mm。模擬實驗環(huán)境，頂部設置噴射控制點，噴霧形態(tài)也會在此顯現(xiàn)?？紤]到計算負荷，設置網(wǎng)格尺寸為1 mm3，共5000個網(wǎng)格單元。

2.2 二甲醚噴霧燃燒模型的構建

在FORTE軟件中可調整燃料成分，劃分網(wǎng)格區(qū)域的環(huán)境成分，通過相關的氧化還原反應組模擬燃料的燃燒過程。鑒于二甲醚實際燃燒的復雜性，選用合適的氧化還原反應機理尤為重要。本次研究參照文獻[10]，選用由Burke等[11]提出的詳細DME化學反應動力學模型，并圍繞二甲醚噴霧燃燒實驗進行仿真建模，同樣通過控制初始網(wǎng)格環(huán)境內的氧氣濃度實現(xiàn)二甲醚的自燃。

二甲醚自燃時有三個重要的反應過程：①階段一為低溫氧化反應階段，主要由于O2的異構性及附著性，其與二甲醚低溫反應產(chǎn)生大量的OH自由基；②階段二中二甲醚仍未發(fā)生燃燒，由于產(chǎn)生的HO2而導致CH2O和H2O2大量積蓄[12]；③階段三為二甲醚自燃的高溫反應階段，前兩個階段積累的大量活性游離基及化合物互相反應，主要由于H2O2的分解促進了高溫反應階段的產(chǎn)生，放出大量能量。各階段相關反應式如圖6所示。

圖6 二甲醚燃燒反應過程

2.3 仿真結果與分析

2.3.1 非燃燒條件下二甲醚噴霧仿真

超臨界和亞臨界條件下未燃燒時二甲醚噴霧形態(tài)的仿真結果如圖7所示。對比圖2和圖7可以發(fā)現(xiàn)，仿真結果在一定程度上再現(xiàn)了二甲醚噴霧的部分特征，如噴霧的大致形狀和貫穿距離。

根據(jù)仿真得到的超臨界和亞臨界條件下二甲醚未燃燒時的噴霧貫穿距離與液相貫穿距離如圖8所示?？梢钥闯?，兩種噴射條件下的噴霧貫穿距離基本相同，而超臨界條件下的液相貫穿距離小于亞臨界狀態(tài)下的對應值。仿真結果在噴霧貫穿距離方面基本還原了實驗結果。然而，仿真結果中超臨界條件下液相貫穿距離為0，而亞臨界條件下的液相貫穿距離大于實驗結果。這可能是因為，理論上二甲醚在超臨界條件下處于一個密度大但輸運特性更像氣體的新狀態(tài)，在FORTE軟件中對該狀態(tài)進行呈現(xiàn)時便不能把此時的二甲醚當做液相記錄，故得出液相貫穿距離為0，但該仿真結果仍能對比說明超臨界條件下的二甲醚噴霧特性。

(a)超臨界條件

(b)亞臨界條件

圖8非燃燒時二甲醚噴霧貫穿距離和液相貫穿距離仿真結果

Fig.8SimulationresultsofunfiredDMEspraytipandliquidphasepenetrationlengths

根據(jù)仿真得出超臨界和亞臨界條件下的二甲醚總噴射量如圖9所示?？梢钥闯?，噴射條件并不影響噴射過程中二甲醚的總噴射量，結合圖8可推測，超臨界狀態(tài)下二甲醚從噴射開始時便已經(jīng)霧化。

圖9二甲醚總噴射量

Fig.9TotalinjectionquantityofDME

2.3.2 燃燒條件下二甲醚噴霧仿真

超臨界和亞臨界條件下的二甲醚噴霧燃燒仿真結果如圖10所示。前面的實驗結果顯示，超臨界條件與亞臨界條件下的噴霧著火時刻分別為0.25 ms和0.275 ms。仿真基本擬合了實驗中超臨界條件下噴霧著火時刻略早的結果。在噴霧的燃燒特性如火焰舉升距方面，可以看出亞臨界條件下的火焰舉升距更遠，而從兩種條件下的火焰燃燒亮度方面并不能看出明顯的區(qū)別。

(a)超臨界條件

(b)亞臨界條件

仿真過程中二甲醚燃燒時的溫度如圖11所示。由圖11可見，超臨界條件下二甲醚噴霧燃燒釋放的熱量更多，并且比亞臨界條件下的噴霧更快達到最高溫度點，這也進一步說明了超臨界條件下二甲醚霧化效果更好。

圖11二甲醚噴霧燃燒溫度

Fig.11TemperatureofDMEspraycombustion

3 結語

本研究模擬發(fā)動機實機工況，在定容彈中觀察超臨界和亞臨界噴射條件下二甲醚噴霧及燃燒形態(tài)，同時基于FORTE軟件開發(fā)二甲醚噴霧燃燒仿真模型，仿真結果與實驗結果基本吻合。二甲醚在兩種噴射條件下的噴霧貫穿距離無明顯差異，而超臨界條件下的液相貫穿距離較短。與亞臨界條件相比，超臨界條件下二甲醚噴霧著火時刻略早，火焰舉升距較小。仿真結果還顯示超臨界條件下二甲醚燃燒釋放出更多的熱量。然而仿真模型仍需調校，其在二甲醚噴霧的液相貫穿距離和著火時刻上仍不能精確還原實驗結果，并且仿真計算時間較長，下一步研究可考慮精簡二甲醚氧化還原反應組，縮短計算時間。

[1] 黃震，喬信起，張武高，等.二甲醚發(fā)動機與汽車研究[J].內燃機學報,2008,26(S1):115-125.

[2] 盛新堂，高廣新，吳國偉，等．二甲醚發(fā)動機燃料噴射過程及其影響因素研究[J]．西安交通大學學報,2012,46(1):9-12.

[3] 堯命發(fā)，許斯都，金萍．二甲基醚(DME )噴霧混合特性的研究[J]．內燃機學報,2001,19(5)：410-416.

[4] 解茂昭.內燃機跨臨界/超臨界燃料噴霧混合過程的機理與模型[J]．燃燒科學與技術，2014,20(1):1-9.

[5] De Boer C, Bonar G, Sasaki S, et al. Application of supercritical gasoline injection to a direct injection spark ignition engine for particulate reduction[R]. SAE Technical Paper 2013-01-0257, https://doi.org/10.4271/2013-01-0257.

[6] Wu J T, Zhou Y, Lemmon E W. An equation of state for the thermodynamic properties of dimethyl ether [J]. Journal of Physical and Chemical Reference Data, 2011,40(2):023104.

[7] 加藤正明,竹內久晴,本江勇介. DMEの噴射ノズル內の流動特性[J]. デンソーテクニカルレビュ, 2008,13(1):81-88.

[8] 周昃，張光德，宋巍，等.超臨界二甲醚噴霧特性的試驗研究[J].武漢科技大學學報，2017，40(2)：144-148.

[9] 宋文鵬，張光德，孫敬，等.二甲醚燃料噴射壓力對噴霧發(fā)展過程的影響[J].車用發(fā)動機,2015(3)：51-54.

[10] Mitsugi Y, Wakabayashi D, Tanaka K, et al. High-speed observation and modeling of dimethyl ether spray combustion at engine-like conditions[J]. SAE International Journal of Engines, 2016, 9(1):210-221.

[11] Burke U, Somers K P, O’Toole P, et al. An ignition delay and kinetic modeling study of methane, dimethyl ether, and their mixtures at high pressures[J]. Combustion and Flame, 2015,162:315-330.

[12] Ando H, Sakai Y, Kuwahara K. Universal rule of hydrocarbon oxidation[R].SAE Technical Paper 2009-04-0948, https://doi.org/papers://B3F20CA2-9ACD-4BA1-A510-19A2EC38FE78/Paper/p663.