二甲醚／甲醇混合燃料燃燒數(shù)值模擬研究

董兆晨，王柏超，田敏

（1.長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064；2.陜西重型汽車進(jìn)出口有限公司，陜西 西安 710200）

前言

目前熱效率最高的熱力動(dòng)力機(jī)械依然是各類內(nèi)燃機(jī)，但是一方面，內(nèi)燃機(jī)消耗相當(dāng)多珍貴的化石類能源[1]，另一方面，內(nèi)燃機(jī)的使用是大氣污染與全球能源消耗的原因之一[2]。

研究[3-4]發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)燃燒方式相比，均質(zhì)充量壓縮燃燒技術(shù)（HCCI）因其在降低排放和內(nèi)燃機(jī)節(jié)能方面具有巨大潛力從而成為全球內(nèi)燃機(jī)界廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)。

本文利用CHEMKIN化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模擬軟件對(duì)DME/甲醇混合燃料HCCI進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其影響因素。重點(diǎn)研究燃料摻混對(duì)DME/甲醇混合燃料HCCI燃燒特性的影響規(guī)律。

1 燃料特性分析

研究[5]表明，甲醇/乙醇和汽油/PRF相比，甲醇/乙醇混合燃料可以在更大范圍的化學(xué)當(dāng)量比和廢氣再循環(huán)（EGR）率下確保發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。即使當(dāng)EGR很大時(shí)，甲醇也不會(huì)燃燒，但是當(dāng)它處于穩(wěn)定的工作范圍時(shí)，會(huì)有大量的部分燃燒。研究發(fā)現(xiàn)[6]燃燒 DME燃料可以作為清潔替代燃料使用，從而達(dá)到柴油機(jī)高效，低噪，低排放的效果。圖1為DME燃燒過程氧化反應(yīng)流程圖。

圖1 DME 燃燒過程氧化反應(yīng)流程圖

相關(guān)研究表明[7-8]，DME/甲醇摻混燃燒性能、排放性能與燃料的混合比例、過量空氣系數(shù)等有關(guān)。

2 方法

本文所用的IC Engine模塊功能主要是解決發(fā)動(dòng)機(jī)中著火及燃燒的問題以及做模擬HCCI燃燒的計(jì)算。做如下假設(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)。

（2）混合氣體的組分均為理想氣體，在不計(jì)混合氣體的動(dòng)能和勢(shì)能的前提下，各組分參數(shù)只與氣體溫度、氣體成分有關(guān)。

（3）缸內(nèi)的工質(zhì)的狀態(tài)始終均勻，從而確保缸內(nèi)各點(diǎn)的溫度、壓力以及各組分的濃度處處相等。

本文選用化學(xué)平衡法計(jì)算混合氣成分配比。計(jì)算時(shí)對(duì)HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的進(jìn)氣做如此設(shè)定：空氣的成分僅為氧氣和氮?dú)猓缓衅渌嘤鄽怏w。根據(jù)甲醇和DME的化學(xué)平衡關(guān)系：

定義摻混比為DME摻入甲醇后甲醇的濃度百分比。設(shè)摻混比為x，則總反應(yīng)式為：

式中，Gair為實(shí)際進(jìn)氣量，G為理論空氣量。

3 結(jié)果

過量空氣系數(shù)過低時(shí)，混合氣濃度升高。當(dāng) DME/甲醇混合燃料過量空氣系數(shù)為3時(shí)缸內(nèi)溫度與壓力都急劇增加，發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴，噪聲變大，熱負(fù)荷增大，燃燒熱損失增加，輸出功率降低，NOX排放增多，燃燒不理想。而過量空氣系數(shù)為5、7和9時(shí)，相對(duì)適合HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒。當(dāng)過量空氣系數(shù)為9時(shí)，放熱率峰值非常低，燃燒困難。所以發(fā)動(dòng)機(jī)的過量空氣系數(shù)應(yīng)該選取適中，這樣可以使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，熱負(fù)荷降低，輸出功率穩(wěn)定，降低燃油消耗，提高燃油經(jīng)濟(jì)。

隨著摻混比減小，DME濃度增加，缸內(nèi)最大壓力增加，缸內(nèi)燃燒溫度上升，燃燒著火時(shí)刻提前，放熱率峰值增大，壓力升高率峰值增大，熱損失增多，NOX排放增多。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)甲醇濃度越高，DME/甲醇混合燃料的燃燒反應(yīng)速率越低，即混合燃料燃燒越來越不明顯，這表明DME的低溫反應(yīng)受到甲醇的抑制。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，缸內(nèi)最大溫度和缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力沒有明顯變化。但是發(fā)動(dòng)機(jī)著火時(shí)延遲，燃燒持續(xù)的曲軸轉(zhuǎn)角變長(zhǎng)。在實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)中，轉(zhuǎn)速升高時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量減少（慣性進(jìn)氣部分），充氣效率下降，混合氣濃度下降,燃燒速率變慢，使得燃燒的著火時(shí)刻過遲，并且缸內(nèi)溫度和缸內(nèi)壓力降低，燃燒的累積放熱量少，放熱率下降，燃燒效果不理想。

研究發(fā)現(xiàn)隨著進(jìn)氣溫度的升高，第一階段放熱出現(xiàn)的時(shí)間相應(yīng)地提前，并且第一階段放熱率最大值隨進(jìn)氣溫度升高而降低。在主放熱階段隨著進(jìn)氣溫度升高放熱率的最大值升高，可見發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒溫度的最大值與進(jìn)氣溫度密切相關(guān)。

4 討論

研究表明：甲醇摻混度較低時(shí)，著火時(shí)刻較早，缸內(nèi)溫度和最大爆發(fā)壓力較高，放熱率和壓力升高率很大，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴，熱負(fù)荷和機(jī)械載荷增加，摻混比較高時(shí)，放熱率曲線峰值非常低，燃燒反應(yīng)很不明顯；過量空氣系數(shù)較小時(shí)，缸內(nèi)燃燒劇烈，燃燒時(shí)刻較早，最大爆發(fā)壓力和最高燃燒溫度較高，發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴，同時(shí)承受很高的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷。隨過量空氣系數(shù)的增大，最大爆發(fā)壓力和最高燃燒溫度降低，發(fā)動(dòng)機(jī)工作趨于平穩(wěn)；轉(zhuǎn)速升高，缸內(nèi)溫度和壓力變化不明顯，但是燃燒著火時(shí)刻延遲，燃燒持續(xù)的曲軸轉(zhuǎn)角增加；初始溫度升高，缸內(nèi)溫度升高和放熱率升高，缸內(nèi)熱負(fù)荷和機(jī)械載荷增加，發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴，NOX排放增加。

5 結(jié)論

本文應(yīng)用CHEMKIN軟件從影響發(fā)動(dòng)機(jī)的四個(gè)影響因素（摻混比，過量空氣系數(shù)，轉(zhuǎn)速以及進(jìn)氣溫度）的角度分析了在不同條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)壓力，缸內(nèi)溫度，放熱率，壓力升高率和累積放熱量的變化。探討控制著火時(shí)刻和燃燒反應(yīng)速率的技術(shù)途徑，研究發(fā)現(xiàn)甲醇摻混度以及過量空氣系數(shù)對(duì)DME/甲醇燃料HCCI燃燒特性影響很大，初始溫度對(duì)HCCI燃燒特性有一定影響，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)燃燒著火時(shí)刻影響很大。由于模擬研究與實(shí)驗(yàn)研究存在一定差別，因此分析結(jié)果存在一定局限性，此外所研究的HCCI其他排放物也可以作為排放分析的重要參考。