定容彈中甲縮醛-柴油混合燃料的燃燒和排放物生成特性的模擬研究

魏 超，王秀紅，陳甲武，盧志美

（1.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西 玉林 537005；2.廣西玉柴動(dòng)力股份有限公司，廣西 玉林 537005）

0 引言

嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境污染已是21 世紀(jì)的全球性問題。這些問題促使研究人員探索提高熱效率，降低污染物排放的燃燒策略。含氧燃料作為可再生資源之一，使用資源能有效緩解石油消耗，同時(shí)降低NOx和soot 排放，因此受到人們的廣泛關(guān)注。在美國(guó)，已經(jīng)提供了稅收優(yōu)惠以促進(jìn)生物燃料在汽油中的使用[1]。在歐洲，要求所有歐盟成員國(guó)在2020 年之前必須符合在運(yùn)輸中使用生物燃料或其他可再生燃料的10%的最低目標(biāo)[2]。

甲縮醛（DMM）作為一種替代燃料，在許多實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了比柴油燃料更低的煙塵排放，并且在制動(dòng)比燃料消耗（BSFC）和氮氧化物（NOx）方面沒有損失[3-5]。此外，它還具有高氧濃度和無(wú)C-C 鍵的結(jié)構(gòu)，這些特點(diǎn)確保了CI 發(fā)動(dòng)機(jī)的良好減排燃燒[6]。Daly 等[7]首次研究了DMM 在溫度為1 200 ～800 K，當(dāng)量比為1.778、0.889 和0.444,壓力為0.5 MPa 時(shí)的噴射攪拌式反應(yīng)器中的氧化過(guò)程。根據(jù)他們建立的詳細(xì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)DMM 的分解只需要非常低的活化能。Sinha 等[8]用三種含氧碳?xì)浠衔铮缣妓岫柞ィ―MC）、DMM 和異丙醇，研究了整個(gè)對(duì)流擴(kuò)散火焰（OFDFs）的物種濃度和溫度。值得注意的是，對(duì)于DMM 和DMC 的燃料，由于缺乏C-C 鍵，迅速減少了乙炔、丙烯和乙烯的形成。Chen 等人[9]利用PI-MBMS（光離子化和分子束質(zhì)譜）技術(shù)研究了DMM、DMC 和甲醇對(duì)層流預(yù)混正庚烷火焰的影響，觀察到隨著含氧燃料的加入，大部分C1-C5 中間物的含量都有所下降，研究中苯的濃度大大降低，這意味著煙塵前體物基本減少。Dias 等[10]開發(fā)了一個(gè)新的機(jī)制，其中包含480 個(gè)反應(yīng)和90 個(gè)化學(xué)物種，以模擬DMM 火焰。他們得到了兩個(gè)主要的降解途徑來(lái)研究DMM 的消耗。上述所有的文獻(xiàn)都指出了燃燒過(guò)程中煙塵減少的性質(zhì)。

綜上所述，在柴油中摻混DMM 是一種可能的降低排放的手段。因此，采用定容彈分析了不同DMM-柴油混合燃料燃燒過(guò)程中的燃燒和排放物生成特性，這些結(jié)果將有助于了解DMM-柴油混合燃料燃燒過(guò)程中NOx、Soot、HC 和CO 的生成規(guī)律，確定DMM 減排潛力。

1 仿真模型的構(gòu)建

1.1 定容彈三維模型的建立

數(shù)值仿真基于CONVERGE 軟件，在UG 三維建模軟件中建立了定容彈的幾何模型，并將幾何模型保存為STL 格式文件導(dǎo)入到CONVERGE 中以獲得定容彈模型的表面文件，其結(jié)果見圖1，定容彈基本參數(shù)見表1。

圖1 定容彈三維模型

表1 定容彈的基本參數(shù)

選用RNGk-ε湍流模型，該模型對(duì)缸內(nèi)湍流具有很好地描述。選用KH-RT 噴霧破碎模型來(lái)描述液滴的生成、脫落和破裂為更小的液滴[13]。主要的影響參數(shù)為KH 模型破碎特征時(shí)間系數(shù)，控制一次破碎過(guò)程的快慢，設(shè)置為7.0；RT 模型破碎特征時(shí)間系數(shù)，控制二次破碎的快慢設(shè)置為1.0；RT 模型破碎長(zhǎng)度系數(shù)，該值越小，二次破碎進(jìn)行越早，設(shè)置為1.0。碰撞模型為NTC 模型，蒸發(fā)模型為Frossling 模型。采用正庚烷來(lái)代替柴油燃料，選用詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)燃燒模型（SAGE），選用152 個(gè)反應(yīng)的骨架機(jī)理[11]。在求解流體動(dòng)力學(xué)的同時(shí)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的求解，針對(duì)預(yù)混合燃燒具有較高的模擬準(zhǔn)確性。

網(wǎng)格選用基礎(chǔ)網(wǎng)格2 mm，在此基礎(chǔ)上增加自適應(yīng)網(wǎng)格加密技術(shù)，通過(guò)設(shè)置速度梯度（1.0 m/s）和溫度梯度（2.5 K）限制需求的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)化網(wǎng)格加密與粗化，最小網(wǎng)格大小為0.25 mm，此項(xiàng)技術(shù)可以在獲得高精度仿真結(jié)果的同時(shí)，大幅度的解決計(jì)算資源與計(jì)算時(shí)間。

1.2 燃料性質(zhì)

本研究選擇了四種燃料，分別為純柴油（D100），10%DMM 與90%柴油混合燃料（DMM10），20%DMM與80%柴油混合燃料（DMM20）和30%DMM 與70%柴油混合燃料（DMM30）。D100 與DMM 的理化性質(zhì)對(duì)比見表2。

表2 柴油和甲縮醛的理化性質(zhì)

2 模擬結(jié)果與分析

定容彈內(nèi)柴油的著火和燃燒過(guò)程，時(shí)間為5 ms，噴油時(shí)刻為0 ～2.5 ms，光圖譜如圖2 所示。從圖2可看到，在1.5 ms 左右有火焰出現(xiàn)，并且出現(xiàn)在噴霧底部，這是由于底部溫度和氧濃度較高，發(fā)生自燃反應(yīng)；并且火焰不斷增大。從1.5 ～3 ms，火焰不斷增大，不斷燃燒內(nèi)部剩余的燃料，在3 ms 時(shí)，霧化燃料燃盡。3 ms 后火焰逐漸減少，直至熄滅。除此之外可以發(fā)現(xiàn)，定容彈內(nèi)最大的燃燒溫度高于2 500 K，火焰逐步由中部向外擴(kuò)展。由于混合燃料與柴油的燃燒過(guò)程相近，燃燒差異較小，因此需要定量分析DMM 混合燃料與柴油的柴油，所以，文中給出了放熱率、最大溫度、顆粒物、氮?dú)浠铩⒌獨(dú)浠衔锖鸵谎趸嫉亩糠治?，如圖3。

圖2 柴油燃料燃燒過(guò)程

圖3 不同燃燒放熱率曲線

四種燃料的燃燒放熱率，如圖3 所示。由于放熱率取自實(shí)時(shí)的模擬值，高保真度的模擬通常顯示出更多的波動(dòng)。由圖可以發(fā)現(xiàn)，在剛著火時(shí)，放熱率最高，可達(dá)8 × 105J/CA。但是隨著時(shí)間的增大，放熱率逐漸減少，在3 ms 左右，放熱率減小速度增大，這是由于定容彈內(nèi)燃料燃盡，將要熄火的原因。在3.5 ms 左右燃料燃盡。另一方面，隨著DMM 比例的增大，著火延遲明顯增長(zhǎng)；DMM30 的著火延遲最大，約為1.7 ms。這是由于DMM 燃料的蒸發(fā)前熱值較高引起的。

不同燃料的最大燃燒溫度，如圖4 所示。由圖4可發(fā)現(xiàn)，相比于D100，摻混DMM 會(huì)抑制燃料的燃燒，這表現(xiàn)在柴油機(jī)中為點(diǎn)火延遲。隨著DMM 濃度增加，燃燒滯后效果越顯著。

圖4 不同燃料的最大燃燒溫度

Soot 排放物的生成量曲線，如圖5 所示。由圖5可知，在1.5 ms 之前，Soot 生成量保持一致，這主要是因?yàn)槿剂细浇鯘舛容^高。但在1.5 ms 后，由于DMM 中的氧含量較高，促進(jìn)燃料的燃燒，導(dǎo)致Soot生成量降低。

圖5 Soot 生成曲線

不同燃料燃燒過(guò)程中NOx 的生成曲線如圖6 所示。由圖6 可知，在1.5 ms 后，NOx 開始大量生成。這是因?yàn)?，此時(shí)缸內(nèi)溫度較高，如圖2 所示。相比于D100，DMM 有效抑制NOx 的排放，結(jié)合圖3 可知，DMM-柴油混合燃料是一種打破NOx-Soot 平衡的有效手段。

圖6 NOX 生成曲線

不同燃料燃燒過(guò)程中HC 的生成曲線，如圖7 所示。由圖7 可知，1.5 ms 前，HC 的濃度隨時(shí)間升高，主要是因?yàn)槿剂衔闯浞秩紵６?.5 ms 后，HC 快速降低。相比于D100，DMM 表現(xiàn)出更高的HC 排放量。但在3.5 ms 時(shí)，混合燃料的HC 排放量相差不大。

圖7 HC 生成曲線

圖8 展示了不同燃料燃燒過(guò)程中CO 的生成曲線。相比于HC 生成曲線，CO 生成曲線在2.8 ms 時(shí)開始顯著下降，此時(shí)，燃料已大部分燃盡，高溫下，CO 與O2發(fā)生反應(yīng)生成CO2。相比于D100，摻混DMM 有助于CO 的降低，且隨著DMM 濃度的增加，CO 生成量減少。

圖8 CO 生成曲線

3 結(jié)論

（1）相比于D100，摻混DMM 會(huì)抑制燃燒，且隨著DMM 濃度增加，燃燒滯后。

（2）摻混DMM 有助于降低NOx 和Soot 和CO的生成，但會(huì)提高燃燒過(guò)程中HC 的生成，但對(duì)HC排放的影響較小。