基于仿真的不同添加成分對HCCI 天然氣發(fā)動機(jī)性能影響

孫楠楠，王曉艷，王 丹，賈德民

（1.濰柴動力股份有限公司 內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濰坊 261061，中國； 2.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130022，中國）

內(nèi)燃機(jī)發(fā)展至今，主要有火花點(diǎn)燃和壓縮著火2種燃燒模式。1979 年，S. Onishi 等[1]在1 臺二沖程發(fā)動機(jī)中燃用均勻的汽油和空氣混合氣，通過在壓縮行程形成的高溫高壓達(dá)到自燃點(diǎn)而燃燒，這種燃燒方式可以大幅度減少排放和提高燃油經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)時這種燃燒方式被稱為活性熱氛圍燃燒（active thermo-atmospheric combustion, ATAC）。1989 年，H. R. Thring 等[2]將活性熱氛圍燃燒過程命名為混合均質(zhì)壓燃（homogeneous charge compression ignition, HCCI）。HCCI 燃燒是一種結(jié)合了點(diǎn)燃式和壓燃式發(fā)動機(jī)優(yōu)點(diǎn)的燃燒模式，具有熱效率高、NOx和PM 排放低、使用燃料靈活等優(yōu)點(diǎn)，但也有燃燒相位難以控制、運(yùn)行范圍有限、冷起動困難等缺點(diǎn)。天然氣作為應(yīng)用最廣泛的清潔替代燃料，應(yīng)用在四沖程HCCI 發(fā)動機(jī)上的研究最早始于20 世紀(jì)80 年代[3]，此后諸多學(xué)者對天然氣HCCI 發(fā)動機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)研究。通過控制燃燒室內(nèi)的溫度和壓力，控制燃料和活化基濃度，實(shí)現(xiàn)燃燒邊界條件與燃料化學(xué)的協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)可控燃燒是HCCI 發(fā)動機(jī)目前的發(fā)展目標(biāo)。向缸內(nèi)加入添加物協(xié)同邊界條件變化是實(shí)現(xiàn)可控燃燒的有效手段[4-6]。添加物通過改變缸內(nèi)混合物組分及特性能夠有效控制HCCI 發(fā)動機(jī)的燃燒過程。許多學(xué)者通過加入廢氣再循環(huán)（exhaust gas re-circulation，EGR）、氫氣（H2）和重整氣來控制燃燒過程和擴(kuò)展負(fù)荷范圍。

N. Jamaran 和O. Lim[7]使 用CHEMKIN-PRO 計算研究了EGR 和增壓對天然氣自燃特性的影響，其中，進(jìn)氣壓力由自然吸氣變化到0.3 MPa，EGR 率從0%增加到50%。結(jié)果表明EGR 和增壓技術(shù)的適當(dāng)結(jié)合能夠擴(kuò)展燃燒工況避免爆震。ZHANG Zunhua 等[8]基于CHEMKIN 軟件提出了一種在線制氫的計算模型，分析了加氫、當(dāng)量比和EGR 率對天然氣HCCI 燃燒和排放的影響, 表明EGR 會影響重整過程的初始條件，導(dǎo)致制氫量的明顯變化，加氫可以提前燃燒時間，提高燃燒效率。S. Hyunwoo[9]采用一維循環(huán)數(shù)值模擬方法，研究了甲烷和氫氣混合燃料HCCI 發(fā)動機(jī)的性能和抗爆性, 發(fā)現(xiàn)加氫可以實(shí)現(xiàn)更寬的運(yùn)行范圍，降低爆震，增強(qiáng)著火能力。M. Pourfallah 和M. Armin[10]通過實(shí)驗(yàn)和模擬研究了重整氣（CO 和H2）對天然氣HCCI 燃燒和排放的影響。通過提高重整氣體的比例，可以顯著提高最大壓力和最大壓力上升率，可擴(kuò)大運(yùn)行范圍的稀燃極限。F. M. Ahari 和E. Neshat[11]采用熱力學(xué)多區(qū)模型耦合化學(xué)動力學(xué)機(jī)制探討了加水對天然氣HCCI 燃燒的影響，同時采用人工惰性法研究了水的化學(xué)效應(yīng)、稀釋效應(yīng)和熱效應(yīng), 發(fā)現(xiàn)水的熱效應(yīng)對燃燒始點(diǎn)的影響大于其稀釋效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，加水有助于控制HCCI發(fā)動機(jī)的燃燒過程。M. M. Salahi 和A. Gharehghani[12]采用多維計算流體力學(xué)（computational fluid dynamics,CFD）結(jié)合化學(xué)動力學(xué)機(jī)制，研究了臭氧(O3)對天然氣HCCI 發(fā)動機(jī)進(jìn)氣和燃油混合氣的影響。少量的O3（體積濃度10-6）即可對發(fā)動機(jī)性能產(chǎn)生相當(dāng)大的影響；添加適當(dāng)控制量的O3有助于控制HCCI 燃燒，擴(kuò)大其工作范圍，以降低進(jìn)氣溫度。

天然氣作為發(fā)動機(jī)燃料在低負(fù)荷下難以著火的主要原因是天然氣辛烷值高，向缸內(nèi)加入高十六烷值燃料，改變缸內(nèi)組分自燃特性，增強(qiáng)缸內(nèi)組分著火能力，有可能實(shí)現(xiàn)天然氣HCCI 發(fā)動機(jī)向低負(fù)荷運(yùn)行邊界擴(kuò)展。雖然諸多學(xué)者針對不同添加成分對天然氣HCCI發(fā)動機(jī)的影響進(jìn)行了大量研究，但針對不同添加成分對比的研究很少。本文從宏觀燃燒特性和內(nèi)部化學(xué)動力學(xué)兩方面探討和對比H2、O3和二甲醚（dimethyl ether,DME）3 種添加成分?jǐn)U展天然氣HCCI 發(fā)動機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行特性的能力，以選出有效擴(kuò)展低負(fù)荷運(yùn)行范圍的優(yōu)良添加成分。

1 研究平臺與研究方案

1.1 試驗(yàn)平臺

試驗(yàn)所用臺架是在一臺單缸四沖程柴油機(jī)上改裝而成，發(fā)動機(jī)的詳細(xì)技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 模擬平臺

以上述單缸機(jī)為原型，搭建三維幾何模型，其中進(jìn)氣道的幾何模型是通過逆向工程獲得，而由于本文三維計算重點(diǎn)在于缸內(nèi)燃燒及組分分析，因此其排氣道幾何模型是自行設(shè)計而來。故本文計算結(jié)果會有誤差存在，但在指導(dǎo)天然氣HCCI 燃燒控制方面具有實(shí)際意義。將獲得的進(jìn)氣道、排氣道和由計算機(jī)輔助設(shè)計(computer aided design, CAD)得到的燃燒室?guī)缀文Ｐ蛯?dǎo)入CONVERGE 軟件中，通過CONVERGE 的前處理模塊自行劃分網(wǎng)格，對進(jìn)氣門和燃燒室進(jìn)行自適應(yīng)加密，以精確計算結(jié)果。構(gòu)建的三維模型如圖1 所示，試驗(yàn)及模擬中所用天然氣組分如表2 所示。

表2 天然氣組分

圖1 單缸機(jī)三維仿真模型

本研究中天然氣的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理采用GRI Mesh 3.0 反應(yīng)機(jī)理，包含53 種組分，325 個基元反應(yīng)[13]。燃燒模型為詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)模型（SAGE），湍流模型為RANS 中的RNGk-ε模型，傳熱模型為O’Rourke 和Amsden 模型。

1.3 模擬結(jié)果驗(yàn)證

選取轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，過量空氣系數(shù)為1.8，進(jìn)氣溫度為180 ℃的試驗(yàn)工況點(diǎn)與模擬結(jié)果進(jìn)行對比，以驗(yàn)證上述所建模型的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)主要邊界條件為轉(zhuǎn)速為1 000 r / min，過量空氣系數(shù)為1.8，進(jìn)氣溫度為180 ℃，平均指示壓力(indicated mean effective pressure, IMEP)為0.41 MPa。同一工況下試驗(yàn)和仿真的缸壓(pin)和放熱率(η)如圖2 所示。試驗(yàn)和仿真下的缸壓曲線基本吻合，而放熱率曲線由于受到不同軟件計算方法的不同而略有偏差，但在可接受范圍之內(nèi)。證明上述所構(gòu)建的三維模型可用于天然氣HCCI 燃燒仿真研究。

圖2 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對比

1.4 研究方案

常用的添加成分有氫氣、O3、DME、柴油、過氧化氫、有機(jī)過氧化物、甲醛和硝酸鹽等。本文選用氣態(tài)添加成分H2、O3和DME。添加成分、天然氣均噴入進(jìn)氣道中與空氣混合后進(jìn)入氣缸。選取轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，進(jìn)氣溫度為180 ℃，過量空氣系數(shù)為2.4， 平均指示壓力(IMEP) 為0.38 MPa 作為基準(zhǔn)研究工況。仿真計算中的相關(guān)邊界條件如進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力、排氣溫度、排氣壓力、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣量和天然氣量等均對標(biāo)實(shí)驗(yàn)值。天然氣、H2、O3和DME的理化特性如表4 所示。在采用的GRI Mesh 3.0 反應(yīng)機(jī)理中包含H2組分，因此，H2作為添加成分時仍采用上述機(jī)理。O3的反應(yīng)機(jī)理包含17 個基元反應(yīng)[14]，將其與GRI Mesh 3.0 甲烷反應(yīng)機(jī)理耦合形成CH4與O3的耦合機(jī)理，包含54 種組分，342 個基元反應(yīng)，該耦合機(jī)理在已公開發(fā)表文獻(xiàn)中被證明是合理有效的[12,14]。DME 的反應(yīng)采用Lawrence Livermore 國家實(shí)驗(yàn)室提供的詳細(xì)機(jī)理，包含79 種組分，351 個基元反應(yīng)[15]。將該機(jī)理與GRI Mesh 3.0 CH4反應(yīng)機(jī)理耦合形成CH4與DME 的耦合機(jī)理，包含101 種組分和523 個基元反應(yīng)。

表4 天然氣、H2、O3 和DME 的理化特性

H2、O3和DME 這3 種添加成分的十六烷值高于天然氣且自燃溫度低，引入缸內(nèi)后混合氣著火能力加強(qiáng)，易于自燃。在引入添加成分過程中，以基準(zhǔn)工況下的天然氣質(zhì)量為基礎(chǔ)，不斷加入添加成分，確保天然氣和添加成分總質(zhì)量保持不變，總質(zhì)量與初始天然氣質(zhì)量一致。文中關(guān)于添加成分加入量用質(zhì)量比來表示，添加成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w）定義為：

其中，madd和mgas分別表示缸內(nèi)添加成分和天然氣的質(zhì)量流量。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 氫氣

2.1.1 氫氣對燃燒特性的影響

氫氣(H2)是一種反應(yīng)活性高、燃燒速度快的反應(yīng)氣體燃料，其火焰?zhèn)鞑ニ俣仁翘烊粴獾? 倍。圖3 所示為添加不同H2質(zhì)量分?jǐn)?shù)（wH2）時天然氣HCCI 發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)壓力和放熱率變化曲線圖。

從圖3 中可知： 隨著H2的wH2增加，缸內(nèi)壓力（pin）增加的幅度先增加后降低，壓力峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角(CA)明顯前移；放熱率(η)增加，其峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也明顯前移。這與J. Moradi[16]等得出的結(jié)論一致。僅加入0.1%的H2，就會產(chǎn)生上述燃燒現(xiàn)象，這表明H2比甲烷更能有效的釋放能量。一方面，H2熱值遠(yuǎn)高于天然氣，加入到缸內(nèi)會增加缸內(nèi)組分熱值，燃燒后放出大量熱量，可以有效提高發(fā)動機(jī)的燃燒動力性。因此，加入適量的H2會增加缸內(nèi)壓力和放熱率。另一方面，H2自燃溫度低于天然氣，在缸內(nèi)溫度和壓力條件達(dá)到H2自燃點(diǎn)后開始燃燒，加快了整體缸內(nèi)組分燃燒速度，因此，缸內(nèi)壓力和放熱率峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角會隨著H2質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而前移。但加入大量H2，由于燃燒過分前移，燃燒負(fù)功增加，缸內(nèi)壓力會降低。

圖3 不同H2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)下缸內(nèi)壓力和放熱率曲線

燃燒相位(CA)是影響HCCI 發(fā)動機(jī)熱功轉(zhuǎn)化的重要參數(shù)。不同H2質(zhì)量分?jǐn)?shù)下燃燒相位和燃燒持續(xù)期的變化曲線如圖4 所示。

圖4 燃燒相位和燃燒持續(xù)期隨H2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線

DOC 為燃燒持續(xù)期 (duration of combustion)。本文中燃燒持續(xù)期定義為燃燒始點(diǎn)到燃燒終了之間的曲軸轉(zhuǎn)角，CA90-CA10 表示累計放熱量達(dá)到90%和10%時所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。隨著氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，發(fā)動機(jī)的整體燃燒相位前移，燃燒持續(xù)期縮短，發(fā)動機(jī)循環(huán)更接近于理想Otto 循環(huán)，降低傳熱損失，提升熱效率。加入氫氣會降低天然氣HCCI 發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒的進(jìn)氣溫度，即在較低的進(jìn)氣溫度下就可實(shí)現(xiàn)燃燒。

HCCI 發(fā)動機(jī)低負(fù)荷易失火和高負(fù)荷易爆震的特點(diǎn)[17]限制了HCCI 燃燒的工作范圍。在低負(fù)荷區(qū)域，燃燒始點(diǎn)（start of combustion，SOC）延遲，無法維持發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)的燃燒，并且存在失火現(xiàn)象；而在高負(fù)荷區(qū)域，燃燒過早（SOC 提前）導(dǎo)致燃料提前燃燒，產(chǎn)生大量放熱，導(dǎo)致爆震。2 種異常燃燒現(xiàn)象造成HCCI工作范圍窄。因此，在低負(fù)荷下向前移動SOC，在高負(fù)荷下向后移動SOC[17]，可擴(kuò)展HCCI 發(fā)動機(jī)負(fù)荷范圍。因此，對于HCCI 發(fā)動機(jī)來說，擴(kuò)展負(fù)荷范圍和控制燃燒歸根結(jié)底是燃燒始點(diǎn)的控制。向天然氣HCCI 發(fā)動機(jī)中加入H2后，燃燒始點(diǎn)前移，可擴(kuò)展發(fā)動機(jī)低負(fù)荷工況。當(dāng)H2質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0%增加到5%時，天然氣質(zhì)量降低，過量空氣系數(shù)由2.4 增加到2.6。因此，研究結(jié)果表明，在本文的基準(zhǔn)工況下，向天然氣中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的少量氫氣可以改善低負(fù)荷下天然氣HCCI 發(fā)動機(jī)的失火不正常燃燒現(xiàn)象，延長其穩(wěn)定運(yùn)行的低負(fù)荷邊界[18]。選取1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)H2的原因在于一方面相比于未加入H2，加入1% H2時缸內(nèi)壓力升高；另一方面，相比于1.5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)H2，此時還未產(chǎn)生壓縮負(fù)功。

2.1.2 氫氣助燃機(jī)理分析

甲烷的主要反應(yīng)路徑文獻(xiàn)[14]中給出，如圖5a所示。

圖5 CH4 主要反應(yīng)路徑

本文所用的GRI Mesh 3.0 中消耗CH4主要的基元反應(yīng)如下所示：

甲烷首先與氧氣進(jìn)行脫氫反應(yīng)，即R118；在系統(tǒng)中產(chǎn)生的O、H、OH、HO2等活性自由基與CH4發(fā)生反應(yīng)，消耗主要燃料CH4，即R11，R53，R98，R118和R157。加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的H2，就其消耗CH4主要基元反應(yīng)的正向反應(yīng)速率與未加入時進(jìn)行對比，如圖6所示。2 種情況下，CH4初始脫氫R118 的反應(yīng)速率（r）均接近0，反應(yīng)非常緩慢。H2的加入顯著加快了其余CH4消耗反應(yīng)速率，其中起主要消耗CH4反應(yīng)作用的是R98，為活性自由基OH 參與的CH4消耗反應(yīng)，表明自由基OH 是強(qiáng)化天然氣HCCI 燃燒的重要組分，這與諸多學(xué)者得到的結(jié)論一致[19-20]。

圖6 未加入H2 和加入1% H2 時消耗CH4 主要反應(yīng)速率

圖7對比了未加H2和加入1%的H2下重要組分變化，包括CH4、H2、O2和自由基OH。從圖中可以看出，H2在燃燒始點(diǎn)處開始消耗，在燃燒持續(xù)期內(nèi)，CH4基本消耗完畢。未加入H2時，H2最大濃度出現(xiàn)在燃燒持續(xù)期內(nèi)，主要是由部分基元反應(yīng)生成；而在混合氣中加入H2，H2在燃燒持續(xù)期內(nèi)消耗，且增加了自由基OH 濃度，加快了CH4消耗過程。值得注意的是，未加和加入1%的H2這2 種情況下，最大自由基OH 濃度均位于燃燒結(jié)束處，即CA90 處。加入H2后，CH4主要反應(yīng)路徑如圖6b, H2主要通過R4 影響自由基H和OH，從而對CH4反應(yīng)路徑產(chǎn)生影響。H2作為添加成分加入天然氣HCCI 發(fā)動機(jī)中提前燃燒始點(diǎn)，加快燃燒過程的機(jī)理主要在于H2的加入增加了重要自由基OH 濃度，加快了消耗CH4主要基元反應(yīng)反應(yīng)速率。

圖7 未加入H2 和加入1% H2 時重要組分變化

2.2 臭氧

2.2.1 臭氧對燃燒特性的影響

臭氧（O3）是氧氣的同素異形體，在常溫常壓條件下，O3是一種淡藍(lán)色氣體，有明顯刺鼻氣味，具有很強(qiáng)的氧化性，是最強(qiáng)的氧化劑之一。O3極不穩(wěn)定，當(dāng)溫度高于473 K 時，O3就會分解為氧氣和氧原子，同時釋放出大量熱量[21]。有研究表明，O3能夠加速著火過程，增強(qiáng)火焰?zhèn)鞑22-23]。本節(jié)在進(jìn)氣道中引入O3氣體，與天然氣空氣混合氣混合均勻后進(jìn)入氣缸，探討其對擴(kuò)展天然氣HCCI 發(fā)動機(jī)低負(fù)荷范圍的能力。

圖8所示為基準(zhǔn)研究工況下加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)O3的缸內(nèi)壓力和放熱率曲線。隨著O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，缸內(nèi)壓力和放熱率明顯增加，它們峰值對應(yīng)的相位大幅度提前。僅僅加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的O3，就表現(xiàn)出明顯的上述燃燒特征。當(dāng)加入超過0.5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的O3，缸壓和放熱率峰值幾乎沒有變化，只表現(xiàn)在提前燃燒相位上，由于燃燒相位過于提前造成壓縮負(fù)功增加，降低熱功轉(zhuǎn)化效率。不同O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)下燃燒相位和燃燒持續(xù)期的變化曲線如圖9 所示，O3由0 增加到0.5%，燃燒始點(diǎn)由曲柄轉(zhuǎn)角(CA)上止點(diǎn)后(after top dead center, ATDC）4.52°變化到 2.27°。當(dāng)O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.5%時，燃燒相位提前，但是燃燒持續(xù)期幾乎沒有變化，直到加入5%的O3。文中O3加入天然氣HCCI 發(fā)動機(jī)中表現(xiàn)的燃燒特性與M. M. Salahi 等[12]和F. Halter 等[14]得到的結(jié)論一致。結(jié)果表明，O3的加入會加快天然氣HCCI 燃燒反應(yīng)速度，使得燃燒提前，燃燒持續(xù)期縮短，發(fā)動機(jī)循環(huán)接近理想定容循環(huán)，放熱集中，缸壓和放熱率升高；但當(dāng)O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.5%時，由于壓縮負(fù)功增加造成輸出功降低。燃燒相位的提前表明天然氣發(fā)動機(jī)在原來未加O3無法燃燒的稀工況可能在加入O3后實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，即擴(kuò)展天然氣HCCI 發(fā)動機(jī)的低負(fù)荷運(yùn)行范圍。當(dāng)O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0%增加到5%時，缸內(nèi)天然氣質(zhì)量降低，過量空氣系數(shù)由2.4增加到2.52。O3加入缸內(nèi)對天然氣HCCI 發(fā)動機(jī)燃燒的影響本質(zhì)在于增加活性自由基濃度，一方面，增強(qiáng)了破壞燃料分子碳?xì)滏I的能力；另一方面，降低了混合物活化能，加快了整體化學(xué)反應(yīng)速率。

圖8 不同O3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)下缸內(nèi)壓力和放熱率曲線

圖9 燃燒相位和燃燒持續(xù)期隨O3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

2.2.2 臭氧助燃機(jī)理分析

臭氧(O3)加入缸內(nèi)增加了17 個O3相關(guān)基元反應(yīng)，消耗燃料的主要反應(yīng)增加了R342，即O3與CH4的基元反應(yīng)。與H2形成對比，以加入1%質(zhì)量H2的燃燒相位為基準(zhǔn)，選取加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的O3與未加入O3進(jìn)行對比，繪制的主要消耗CH4反應(yīng)正向反應(yīng)速率如圖10 所示。O3的加入加快了消耗CH4反應(yīng)速率，但其增加幅度低于H2的助燃效果。反應(yīng)速率加快主要在于活性自由基參與的反應(yīng)如R11、R53、R98 和R157，其中OH 參與的R11 仍然是主要加快整體反應(yīng)速率的主要反應(yīng)。O3和O2與CH4的基元反應(yīng)如R118和R342 反應(yīng)速率幾乎為零，反應(yīng)非常緩慢。

圖10 未加入O3 和加入0.5% O3 時消耗CH4 主要反應(yīng)速率

圖11對比了未加O3和加入0.5% O3下重要組分變化，包括CH4、O2和自由基OH、O。CH4和O2在燃燒始點(diǎn)開始消耗，在燃燒持續(xù)期內(nèi)基本消耗完畢。O3的加入，增加了自由基OH 和O 濃度，O 原子是O3分解后產(chǎn)生的，而自由基OH 是由O 原子和O2參與的基元反應(yīng)生成。與加入H2一樣，未加O3和加入0.5%的O3這2 種情況下，最大自由基OH 濃度均位于燃燒結(jié)束處，即CA90 處。

圖11 未加入O3 和加入0.5% O3 重要組分變化

圖12展示了加入O3后CH4的主要反應(yīng)路徑。O3作為添加成分加入天然氣HCCI 發(fā)動機(jī)中提前燃燒始點(diǎn)，加快燃燒過程的機(jī)理主要在于O3通過R326 和R328 分解反應(yīng)增加了系統(tǒng)內(nèi)O 原子濃度，進(jìn)而加快R11正向反應(yīng)速率增加了重要自由基OH 濃度，從而加快了主要CH4消耗反應(yīng)速率。

圖12 CH4 + O3 主要反應(yīng)路徑

2.3 二甲醚

2.3.1 二甲醚對燃燒特性的影響

二甲醚（dimethyl ether, DME）常溫常壓下是一種無色有輕微醚香味的氣體。DME 的化學(xué)式為CH3OCH3，其分子結(jié)構(gòu)中沒有C-C 鍵，只有C-H 鍵和C-O 鍵，在任何工況下均可實(shí)現(xiàn)無煙燃燒[24]。其十六烷值高于柴油，自燃溫度低于柴油。因此，DME 通常作為內(nèi)燃機(jī)的替代燃料，是一種較為理想的柴油壓燃代用燃料。DME 的易燃特性有利于實(shí)現(xiàn)天然氣HCCI 發(fā)動機(jī)在低負(fù)荷工況下穩(wěn)定燃燒。圖13 所示為基準(zhǔn)研究工況下加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)DME 的缸內(nèi)壓力和放熱率曲線。加入DME 后，缸內(nèi)壓力和放熱率表現(xiàn)出極為明顯的峰值增加和相位提前的燃燒特性。隨著DME 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，缸內(nèi)壓力降低，這是因?yàn)槿紵辔惶崆霸斐蓧嚎s負(fù)功增加造成；壓力峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前，但變化極小，沒有表現(xiàn)出H2和O3作為添加成分時的明顯變化。DME 的熱值較低，隨著DME 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，缸內(nèi)組分整體熱值降低。因此，DME 含量增加會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)放熱率降低。這與S. C. Kong[25]和CHEN Zhili等[26]得出的燃燒特性一致。DME 的理化特性與柴油類似，且自燃點(diǎn)低。隨著活塞上行，缸內(nèi)溫度升高達(dá)到DME 自燃點(diǎn)，DME 開始燃燒，燃燒后放出的熱量以及周圍火核可引燃缸內(nèi)天然氣空氣混合氣。

圖13 不同DME 質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的缸內(nèi)壓力和放熱率曲線

不同DME 質(zhì)量分?jǐn)?shù)下燃燒相位和燃燒持續(xù)期的變化曲線如圖14 所示。隨著DME 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，整體燃燒相位前移，燃燒持續(xù)期縮短。當(dāng)DME 質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0%增加到5%時，過量空氣系數(shù)由2.4 增加到2.52。在天然氣HCCI 發(fā)動機(jī)中加入DME 具有擴(kuò)展其低負(fù)荷運(yùn)行范圍的潛力。

圖14 燃燒相位和燃燒持續(xù)期隨DME 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線

2.3.2 DME 助燃機(jī)理分析

以加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的DME 為研究工況，探討DME 對天然氣HCCI 發(fā)動機(jī)的助燃機(jī)理。在天然氣和DME 的耦合機(jī)理中，消耗燃料的主要反應(yīng)仍然是上文提到的R11、R53、R98 和R157。圖15 是未加入DME 和加入0.5%DME 時消耗CH4的主要反應(yīng)速率。從圖中可以看出，加入DME 與未加入相比，消耗CH4主要反應(yīng)的燃燒速率降低。這表明DME 對天然氣HCCI 發(fā)動機(jī)的助燃機(jī)理與氫氣和O3不同，不是由于加快消耗甲烷主要反應(yīng)速率而是類似于柴油，DME起到了引燃天然氣的作用。

圖15 未加入DME 和加入0.5%DME 時消耗CH4 主要反應(yīng)速率

DME 的均質(zhì)壓燃放熱有明顯低溫反應(yīng)放熱和高溫反應(yīng)放熱2 個階段。圖16 為DME 2 階段主要反應(yīng)路徑。DME 的氧化反應(yīng)起始于與O2的脫氫反應(yīng)生成CH3OCH2，即R465。溫度較高時（T＞ 1 000 K），燃料的高溫裂解反應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位；溫度較低時（T＜ 800 K），生成酮?dú)溥^氧化組分的鏈分支反應(yīng)起主要作用，隨著溫度的升高，烴基氫過氧化組分的鏈傳遞反應(yīng)比重也隨之上升，從而導(dǎo)致高溫條件下裂解反應(yīng)的產(chǎn)生。在低溫放熱階段，由R465 生成的CH3OCH2通過反應(yīng)R472 氧化成CH3OCH2O2，是DME 低溫放熱階段的重要反應(yīng)。通過分子內(nèi)部異構(gòu)化生成CH2OCH2O2H； 而后CH2OCH2O2H 通過氧化反應(yīng)R480 生成O2CH2OCH2O2H，在經(jīng)過分解反應(yīng)R481生 成HO2CH2OCHO 和OH，而 后HO2CH2OCHO 裂解 生 成OCH2OCHO 和OH。R481 和R482 是DME低溫放熱初期階段產(chǎn)生OH 的2 個主要反應(yīng)。隨后OCH2OCHO 經(jīng) 過 反 應(yīng)R483 分 解成HCO2和CH2O，這2 種產(chǎn)物是DME 低溫放熱階段的主要產(chǎn)物。隨著低溫放熱階段進(jìn)行，缸內(nèi)溫度逐步升高，DME 的氧化過程開始進(jìn)入高溫放熱階段。DME 的氧化脫氫產(chǎn)物CH3OCH2經(jīng)過R467 高溫裂解成CH2O 和CH3。CH2O經(jīng)過一系列反應(yīng)最終生成CO2。高溫階段放熱實(shí)質(zhì)上是CO 的氧化放熱過程。

圖16 DME 兩階段主要反應(yīng)路徑

2.4 3 種添加成分對比

選取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的H2、0.5%的O3和0.5%的DME 進(jìn)行對比，如圖17 為3 種添加成分對比下的缸內(nèi)壓力曲線。圖中缸內(nèi)壓力曲線相似，即燃燒相位提前至相同位置，壓力峰值達(dá)到相同高度。3 種添加成分的不同摻混量，均可實(shí)現(xiàn)天然氣HCCI 發(fā)動機(jī)向低負(fù)荷運(yùn)行范圍擴(kuò)展。

圖17 3 種添加成分對比的缸壓曲線

從助燃機(jī)理上看，H2作為添加成分加快燃燒過程的機(jī)理主要在于增加了重要自由基OH 濃度，加快了消耗甲烷主要基元反應(yīng)反應(yīng)速率；O3加快燃燒過程的機(jī)理主要在于O3的分解反應(yīng)增加了系統(tǒng)內(nèi)O 原子濃度，進(jìn)而增加了重要自由基OH 濃度，從而加快了主要甲烷消耗反應(yīng)速率; DME 對天然氣HCCI 發(fā)動機(jī)的助燃機(jī)理與H2和O3不同，不是由于加快了消耗甲烷主要反應(yīng)的速率，而是類似于柴油，起到了引燃天然氣的作用。

從成本、產(chǎn)量和助燃性多方面結(jié)合來看，DME 的助燃性要好于H2和O3，且DME 的助燃機(jī)相比于氫氣和O3更加穩(wěn)定，但DME 價格較高且其生產(chǎn)過程不利于商業(yè)化；H2和O3助燃機(jī)理一致，但相比而言，H2的生產(chǎn)過程較O3更容易且環(huán)保。與電解水制氫不同，利用各種有機(jī)廢物制氫，是一種更經(jīng)濟(jì)更環(huán)保、可持續(xù)的制氫方法，該方法具有操作條件簡單、產(chǎn)氫穩(wěn)定和能耗低等優(yōu)點(diǎn)。因此，可選用H2作為添加成分來擴(kuò)展天然氣HCCI 發(fā)動機(jī)燃燒穩(wěn)定運(yùn)行范圍的低負(fù)荷邊界。

3 結(jié) 論

本文基于一臺天然氣HCCI 單缸機(jī)，搭建三維仿真模型，模擬計算了向缸內(nèi)添加氫氣、臭氧和二甲醚時發(fā)動機(jī)的性能特性，從缸內(nèi)燃燒情況及助燃機(jī)理兩方面進(jìn)行分析，得到的結(jié)論如下：

天然氣混合均質(zhì)壓燃（HCCI）發(fā)動機(jī)存在低負(fù)荷難以啟動的問題，向缸內(nèi)添加氫氣、臭氧和二甲醚等添加劑可以解決上述問題，擴(kuò)展天然氣HCCI 發(fā)動機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行范圍。

氫氣和臭氧作為添加劑在低負(fù)荷改善冷啟動的機(jī)理在于氫氣和臭氧的加入能夠增加重要自由基OH 濃度，加快消耗甲烷主要基元反應(yīng)速率。

DME 的加入類似于柴油，起到了引燃天然氣的作用。隨著DME 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，整體燃燒相位前移，燃燒持續(xù)期縮短。在天然氣HCCI 發(fā)動機(jī)中加入DME具有擴(kuò)展低負(fù)荷運(yùn)行范圍的潛力。

從成本、產(chǎn)量和助燃性多方面綜合來看，氫氣是一種擴(kuò)展天然氣HCCI 發(fā)動機(jī)低負(fù)荷邊界的優(yōu)良添加成分。