二甲醚/甲醇混合燃料HCCI燃燒特性數(shù)值模擬

王鑫 談嶺 陳朝陽

摘要：為了研究混合氣濃度及燃料摻混對二甲醚/甲醇混合燃料HCCI（homogeneous charge compression ignition）燃燒特性的影響，對不同過量空氣系數(shù)和二甲醚摻混比下的醇醚混合燃料HCCI燃燒過程進行了模擬計算，分析了缸內(nèi)溫度、壓力、壓力升高率、放熱率和燃料消耗路徑隨過量空氣系數(shù)和二甲醚摻混比的變化關系。結果表明，隨過量空氣系數(shù)增大，缸內(nèi)壓力、溫度、放熱率和壓力升高率峰值減小，相位推遲，過量空氣系數(shù)太大時，CO的進一步氧化反應會受到阻礙，使缸內(nèi)產(chǎn)生大量的CO殘留；隨二甲醚摻混比的增大，缸內(nèi)壓力、溫度峰值增大，相位提前，壓力升高率和放熱率峰值減??；二甲醚HCCI燃燒放熱率曲線存在3個峰值，第1個峰值出現(xiàn)上止點前曲軸轉(zhuǎn)角30°，為二甲醚低溫氧化放熱，對應缸內(nèi)溫度為804 K，第2個峰值出現(xiàn)在上止點前曲軸轉(zhuǎn)角15°，對應缸內(nèi)溫度為1 193 K，為甲醛等中間產(chǎn)物氧化生成CO時放熱，第3個峰值為CO氧化，生成CO2時放熱，第2和第3個放熱率峰值為二甲醚的高溫氧化放熱階段，與甲醇摻混燃燒時，二甲醚的低溫氧化反應對混合氣的燃燒起到了促進作用。

關鍵詞：內(nèi)燃機；數(shù)值模擬；二甲醚；甲醇；均質(zhì)混合壓燃

中圖分類號：TK421.2????????? 文獻標志碼：A????????? 文章編號：1000-582X（2024）01-001-08

Simulation study on HCCI combustion of DME/methanol fueled engine

WANG Xin， TAN Ling， CHEN Zhaoyang

（School of Automobile， Changan University， Xian 710064， P. R. China）

Abstract： To determine the effects of mixture concentration and fuel blending on the combustion performance of a dimethyl ether/methanol fueled HCCI engine， the combustion process under different excess air coefficients and dimethyl ether addition ratios was simulated. Parameters such as temperature， pressure， pressure rise rate and the heat release rate were examined， as well as the fuel consumption path. The results show that the peak values of the pressure， temperature， heat release rate and pressure rise rate decrease with the increase of the excess air coefficient， while the phases are delayed. Excessive excess air coefficient hinders the further oxidation reaction of CO， resulting in high CO residue. On the other hand， increasing the dimethyl ether （DME） addition ratio leads to higher peak values of pressure and temperature in the cylinder， advancing their phases， while the peak values of pressure rise rate and heat release rate decrease. The combustion heat release rate curve of dimethyl ether homogeneous charge compression ignition （HCCI） combustion exhibits three peaks. The first peak， occurring at a crane angle of 30° before topdead center （BTDC） with a temperature of 804 K， corresponds to the low-temperature-oxidation heat release of dimethyl ether. The second peak， appearing at a crane angle of 15° BTDC with a temperature of 1 193 K， corresponds to the heat release from reactions forming CO through formaldehyde and other intermediates. The third peak represents the heat release from CO oxidation when CO2 is generated. The second and third exothermic rate peaks indicate the high-temperature oxidation exothermic stage of dimethyl ether. Additionally， when mixed with methanol， the low-temperature oxidation reaction of dimethyl ether promotes the combustion of the mixture.

Keywords： internal combustion engine; simulation; dimethyl ether （DME）; methanol; homogeneous charge compression ignition （HCCI）

隨著化石能源短缺和環(huán)境污染問題的日益突出，尋找新型可替代燃料，探索清潔高效燃燒方式成為內(nèi)燃機工作者所面臨的最緊迫任務之一。低溫燃燒發(fā)動機因其高的熱效率和優(yōu)良的排放性能成了研究熱點。均質(zhì)充量壓縮著火（homogeneous charge compression ignition，HCCI）是一種低溫燃燒[1-3]，其主要特點是工質(zhì)在缸內(nèi)均勻分布，并幾乎同時壓縮著火燃燒，壓縮比不受爆震限制，熱效率可得到大幅度提高，同時采用稀薄混合氣均質(zhì)壓燃，燃燒溫度較低，又有效抑制了碳煙和NOx的生成[4-6]。均質(zhì)混合氣壓燃燒的缺點是存在著火時刻和燃燒放熱過程難以控制的問題[7-8]。

已有研究表明，著火性能差異較大的2種燃料摻混燃燒是實現(xiàn)均質(zhì)混合壓燃著火和燃燒控制的有效方法[9-10]。二甲醚（dimethyl ether， DME）和甲醇是近年來備受關注的潔凈替代燃料，其著火性能迥異，兩者以一定比例摻混有望解決HCCI發(fā)動機著火和燃燒控制問題。鄭尊清等[11]對二甲醚/甲醇混合燃料HCCI發(fā)動機的燃燒和排放特性進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)在二甲醚中添加適量甲醇可以拓寬HCCI發(fā)動機運行范圍。Lee等[12]對二甲醚-甲醇的HCCI燃燒特性進行了計算研究，發(fā)現(xiàn)在二甲醚中添加甲醇，放熱率峰值和壓力升高率都會增加，這一定程度增加了發(fā)動機的爆震傾向。Taghavifar等[13]對HCCI發(fā)動機中多組分柴油-二甲醚/甲醇共混物的燃燒進行了分析，結果表明混合氣中二甲醚濃度增大會增加滯燃期并提高放熱率。Zhou等[14]對不同過量空氣系數(shù)下的HCCI柴油機燃燒特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)混合氣濃度對正丁醇HCCI缸內(nèi)峰值壓力、著火時刻和燃燒持續(xù)期等有顯著影響。

均質(zhì)混合壓燃的著火過程完全受化學反應動力學控制，要實現(xiàn)HCCI發(fā)動機的著火和燃燒控制，對燃料的化學反應動力學機理進行深入了解顯得非常重要。研究中明確燃料摻混對二甲醚/甲醇混合燃料HCCI著火和燃燒過程的影響細節(jié)，對不同二甲醚摻混比及過量空氣系數(shù)條件下二甲醚/甲醇混合燃料HCCI燃燒過程進行了模擬計算，對比了不同初始條件下的缸內(nèi)壓力、溫度、放熱率等隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關系，并從化學反應動力學角度對其結果進行了分析。研究結果可為進一步了解影響二甲醚/甲醇HCCI燃燒控制的因素，實現(xiàn)HCCI發(fā)動機著火時刻的精準控制提供理論基礎和技術支持。

1 模擬方法及參數(shù)選取

燃燒模擬采用零維均質(zhì)模型，為了簡化問題，忽略傳熱損失，采取絕熱邊界處理方法，基于Kaiser等[15]發(fā)展的二甲醚化學反應機理和熱力學數(shù)據(jù)包，采用CHEMKIN Ⅱ化學反應動力學模擬軟件的IC-ENGINE模塊進行模型求解，輸入發(fā)動機參數(shù)包括發(fā)動機轉(zhuǎn)速、初始曲軸轉(zhuǎn)角、初始溫度、壓縮比、計算初始壓力和連桿曲軸半徑比等，配置不同過量空氣系數(shù)和摻混比下的混合氣進行計算，利用Origin軟件對計算結果進行處理，分析了混合氣濃度和燃料摻混比對HCCI燃燒特性的影響規(guī)律，同時基于生成速率（rate of production，ROP）分析法對燃料的反應路徑進行了分析。主要模擬參數(shù)如表1所示。

2 結果分析與討論

2.1 過量空氣系數(shù)的影響

圖1是φ_DME=60%時，不同過量空氣系數(shù)下的缸內(nèi)溫度、壓力和壓力升高率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。由圖可以看出，過量空氣系數(shù)較?。é?1，λ=3）時，混合燃料HCCI燃燒的缸內(nèi)溫度較高，壓力和壓力升高率也較大，對應著發(fā)動機較大的機械負荷和噪聲，以及較高的NOx排放；隨著過量空氣系數(shù)的增大，缸內(nèi)溫度、壓力和壓力升高率均逐漸下降，峰值相位也逐漸推遲，說明隨過量空氣系數(shù)增大，混合燃料HCCI燃燒過程變得柔和，爆震傾向減弱，但過量空氣系數(shù)太大時，燃燒溫度和壓力太低，又會影響燃料燃燒放熱過程的進行，從而使發(fā)動機經(jīng)濟性受到影響。

圖2是φ_DME=60%時，不同過量空氣系數(shù)下的混合燃料HCCI燃燒放熱率曲線和CO物質(zhì)的量分數(shù)變化曲線。由圖2（a）可以看出，隨過量空氣系數(shù)的增加，放熱率峰值逐漸減小，主放熱階段對應曲軸轉(zhuǎn)角后移，著火延遲期增大，放熱持續(xù)曲軸轉(zhuǎn)角增大，這是由于混合氣較稀，達到著火的條件要求較苛刻，燃燒速度降低，持續(xù)期增加，從而導致單位曲軸轉(zhuǎn)角放熱量減少，放熱推遲。

圖2（b）是不同過量空氣系數(shù)條件下混合燃料HCCI燃燒的CO物質(zhì)的量分數(shù)變化曲線。由圖可以看出，當過量空氣系數(shù)λ=1時，CO物質(zhì)的量分數(shù)存在2個峰值，先在短時間內(nèi)快速增大后急劇下降，之后緩慢上升后再緩慢下降。這是因為當量燃燒時，缸內(nèi)溫度較高，燃燒初期氧氣又相對充足，生成的CO很快被氧化消耗，之后隨著反應進行，混合氣中氧含量下降，反應條件變差，CO的生成速率高于繼續(xù)氧化消耗反應速度，物質(zhì)的量分數(shù)稍有增加后再緩慢降低，最終達到化學平衡，維持一個較小的數(shù)值不變（0.1%）；過量空氣系數(shù)λ=3和λ=6時，混合氣中氧氣充足，燃燒溫度也較高，使CO的氧化過程更為徹底，反應終了時，混合氣中CO物質(zhì)的量分數(shù)接近于0；λ=8時，CO的物質(zhì)的量分數(shù)與較小過量空氣系數(shù)時相比，峰值進一步降低，峰值相位進一步推遲，且在燃燒終了時維持一較小值不變（0.16%）；而λ=10時，CO物質(zhì)的量分數(shù)峰值進一步降低，相位進一步推遲，且在燃燒后期產(chǎn)生了較大量的CO殘余（物質(zhì)的量分數(shù)為0.74%）。

根據(jù)碳氫燃料的燃燒特點，反應前期以生成CO為主，燃燒達到一定條件后，混合氣中的CO通過反應CO+OH→CO2+H（R7）氧化消耗，最終生成CO2。R7反應是燃燒過程中的主要放熱反應，其進行程度對發(fā)動機的燃燒效率有非常重要的影響。R7反應的先導反應H2O2+M→OH+OH+M是一個活化能較高的吸熱反應，達到一定的臨界溫度（1 200 K）后才能快速進行，因此，CO向CO2的轉(zhuǎn)化反應對混合氣溫度有強烈的依賴關系。圖2（c）給出了不同過量空氣系數(shù)條件下R7反應相關的CO生成速率。λ=1時，燃燒前期，CO的生成速率有很大的負值，而在燃燒后期，CO生成速率在呈現(xiàn)一較小的正值后逐漸減小為0，這是因為在燃燒后期，隨著混合氣中氧化劑物質(zhì)的量分數(shù)的降低和CO2物質(zhì)的量分數(shù)的升高，R7反應速率減小，其逆反應速率增大，最終達到化學平衡時，CO物質(zhì)的量分數(shù)維持一較小的數(shù)值；隨著過量空氣系數(shù)增大，燃燒溫度降低，R7反應速率降低；當λ=8時和λ=10時，因為混合氣太稀使缸內(nèi)溫度過低，R7反應速率大幅度減小，當缸內(nèi)溫度降低至1 200 K以下時，CO的氧化過程因激冷效應受到阻礙，導致缸內(nèi)產(chǎn)生一定量的CO的殘留。λ=10時，缸內(nèi)最高溫度較低（Tmax=1 300 K），混合氣在高溫下停留的時間極短，R7反應速率很小，最終在缸內(nèi)產(chǎn)生了大量的CO殘余。

2.2 二甲醚摻混比的影響

圖3為過量空氣系數(shù)λ=6時，不同二甲醚摻混比下的缸內(nèi)溫度、壓力及壓力升高率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。由圖可以看出，隨二甲醚摻混比的增大，缸內(nèi)溫度和壓力逐漸增大，壓力和溫度開始偏離壓縮線的相位逐漸提前，說明隨著二甲醚摻混比的增大，混合燃料HCCI著火時刻有所提前；隨二甲醚摻混比的增大，壓力升高率峰值逐漸減小，峰值相位提前，說明二甲醚摻混有利于降低HCCI燃燒過程的震動和噪聲；二甲醚摻混比例較小時（φ_DME=20%，φ_DME=40%），混合燃料HCCI燃燒的缸內(nèi)溫度、壓力和壓力升高率曲線表現(xiàn)出與純甲醇燃料相似的變化規(guī)律，摻混比較大時（φ_DME=60%，φ_DME=80%），3組曲線表現(xiàn)出與純二甲醚燃料相似的變化規(guī)律，壓力和溫度曲線上出現(xiàn)2段凸起，壓力升高率曲線在最大峰值前出現(xiàn)明顯的小峰值，這主要由于二甲醚的低溫放熱引起。

圖4所示為過量空氣系數(shù)λ=6時，不同二甲醚摻混比下混合燃料HCCI燃燒的放熱率曲線。由圖可以看出，隨二甲醚摻混比的增大，放熱率峰值逐漸減小，相位提前，放熱持續(xù)期增大，說明隨二甲醚摻混比的增大，混合燃料的著火時刻顯著提前；純甲醇和較小二甲醚摻混比（φ_DME=20%，φ_DME=40%）混合燃料燃燒時，放熱率曲線均只有2個峰值，而純二甲醚和較高二甲醚摻混比（φ_DME=60%，φ_DME=80%）混合燃料燃燒時，放熱率曲線上出現(xiàn)3個峰值，其中第1個峰值對應二甲醚的低溫放熱過程，這也促使純二甲醚及較大摻混比混合燃料燃燒時壓力和溫度曲線上產(chǎn)生第一個凸起。

2.3 反應路徑及放熱率曲線分析

發(fā)動機的燃燒和排放特性與燃料的氧化分解過程密切相關，放熱率曲線形狀可直接反映混合氣在缸內(nèi)的燃燒放熱過程。圖5為混合燃料HCCI燃燒時的放熱率曲線，以及重要中間物種的物質(zhì)的量分數(shù)曲線。圖中可見，對于純二甲醚燃燒，在上止點前曲軸轉(zhuǎn)角30°，放熱率曲線出現(xiàn)第1個峰值，在上止點前曲軸轉(zhuǎn)角15°，出現(xiàn)第2個峰值，隨后出現(xiàn)第3個峰值。二甲醚燃燒過程存在3個階段的放熱，結合圖中甲醛和CO的物質(zhì)的量分數(shù)變化曲線發(fā)現(xiàn)，放熱率曲線上的第1個峰值與混合氣中甲醛的物質(zhì)的量分數(shù)增長峰值相對應，說明第1階段放熱以甲醛的生成為主；第2個峰值與甲醛的物質(zhì)的量分數(shù)減小峰值與CO的物質(zhì)的量分數(shù)增長峰值相對應，說明在第2個放熱階段中，甲醛等中間產(chǎn)物逐漸被氧化，生成CO；第3個峰值與CO的物質(zhì)的量分數(shù)減小峰值相對應，說明第3個放熱階段中CO被進一步氧化成CO2。摻混比為60%時，放熱率曲線上沒有明顯的低溫放熱峰值，物種物質(zhì)的量分數(shù)變化曲線上也沒有甲醛物質(zhì)的量分數(shù)的明顯增大，但較高溫度時的甲醛物質(zhì)的量分數(shù)減小和CO物質(zhì)的量分數(shù)增大，以及CO物質(zhì)的量分數(shù)減小峰值仍然分別對應高溫氧化階段的2個放熱率峰值。

為了進一步探究二甲醚多階段氧化過程的具體細節(jié)，利用生成速率分析的方法對二甲醚混合氣HCCI燃燒過程中二甲醚的消耗路徑進行了分析，圖6為二甲醚及其燃燒過程重要中間物種的主要生成速率曲線。由圖可以看出，二甲醚的消耗速率曲線上有2個峰值，分別出現(xiàn)在上止點前曲軸轉(zhuǎn)角30°和上止點前曲軸轉(zhuǎn)角15°，這2個峰值與放熱率曲線上的第1個和第2個峰值相位吻合，對應二甲醚的低溫和高溫氧化過程，此時缸內(nèi)溫度分別為804 K和1 193 K。

圖7分別給出了過量空氣系數(shù)λ=6時，二甲醚在低溫和高溫條件下的反應路徑，可以看出，在該工況下二甲醚的低溫和高溫氧化過程都起始于與OH的脫氫反應，且都經(jīng)歷了甲醛路線，后經(jīng)甲醛的連續(xù)脫氫反應，生成CO，CO再被氧化為CO2。反應溫度的不同促使二甲醚脫氫產(chǎn)物甲氧基甲基產(chǎn)生了不同的反應路徑。低溫條件下，甲氧基甲基通過加氧、異構和分解，生成甲醛，如圖7（a）所示；高溫條件下，甲氧基甲基直接通過β裂解，生成甲醛，如圖7（b）所示。

圖8為混合燃料中甲醇的反應路徑。甲醇的氧化過程也主要起始于與OH的脫氫反應，生成2種不同的脫氫產(chǎn)物，這兩者經(jīng)過裂解或與氧氣發(fā)生脫氫反應成甲醛，甲醛再經(jīng)連續(xù)脫氫生成CO，最終生成CO2。

與高比例二甲醚摻混燃燒相比，低比例二甲醚摻混燃燒時沒有產(chǎn)生低溫燃燒階段的放熱率峰值，這主要是由于反應初期，OH自由基的物質(zhì)的量分數(shù)較低，而甲醇脫氫與DME的脫氫反應競爭OH，導致二甲醚的低溫反應受到阻礙，因此，純甲醇和低比例二甲醚摻混燃燒時放熱率曲線上只有2個峰值，分別對應生成CO時放熱和生成CO2時的放熱，符合高溫單階段燃燒特性。由此可以看出，改變二甲醚摻混比可以改變二甲醚/甲醇混合燃料發(fā)動機HCCI的著火時刻，從而實現(xiàn)對HCCI發(fā)動機的著火和燃燒控制，閆妍等[16]對醇醚雙燃料發(fā)動機均質(zhì)壓縮燃燒試驗研究也得出了類似的結論。

3 結? 論

1）隨二甲醚摻混比增大，混合燃料HCCI燃燒的著火時刻提前，燃燒溫度和壓力峰值升高。通過改變二甲醚摻混比可以控制HCCI發(fā)動機的著火時刻。

2）二甲醚HCCI燃燒放熱率曲線存在3個峰值，第1個峰值出現(xiàn)上止點前曲軸轉(zhuǎn)角30°，為二甲醚低溫氧化放熱，對應缸內(nèi)溫度為804 K；第2個峰值出現(xiàn)在上止點前曲軸轉(zhuǎn)角15°，對應缸內(nèi)溫度為1 193 K，為甲醛等中間產(chǎn)物氧化生成CO時放熱；第3個峰值為CO氧化，生成CO2時放熱，第2和第3個放熱率峰值為二甲醚的高溫氧化放熱階段，與甲醇摻混燃燒時，二甲醚的低溫氧化反應對混合氣的燃燒起到了促進作用。

3）隨過量空氣系數(shù)的增加，缸內(nèi)壓力和溫度降低，放熱率減小，相位推遲，過量空氣系數(shù)較大時，由于缸內(nèi)溫度太低而使CO的進一步氧化受到阻礙，當λ=10時，缸內(nèi)產(chǎn)生了大量的CO殘留，這將對發(fā)動機的經(jīng)濟性和排放性產(chǎn)生較大影響。

參考文獻

［1］? Wang Z S， Du G Z， Li Z J， et al. Study on the combustion characteristics of a high compression ratio HCCI engine fueled with natural gas[J]. Fuel， 2019， 255：115701.

［2］? Ali K， Kim C， Lee Y， et al. A numerical study to investigate the effect of syngas composition and compression ratio on the combustion and emission characteristics of a syngas-fueled HCCI engine[J]. Journal of Energy Resources Technology， 2020， 142（9）： 092301.

［3］? Calam A， ??ingür Y. The effects of air fuel ratio and octane number on HCCI combustion and engine performance characteristics[J]. Politeknik Dergisi， 2019： 22（3）：607-618.

［4］? Yousefi A， Birouk M. Fuel suitability for homogeneous charge compression ignition combustion[J]. Energy Conversion and Management， 2016， 119：304-315.

［5］? Prasad A R， Bhandari R， Jagadish D. Experimental investigations of various modes of charging on HCCI engine[J]. Journal of KONES， 2019，26（1）：119-126.

［6］? Niklawy W， Shahin M， Amin M I， et al. Performance of homogeneous charge compression ignition （HCCI） engine with common rail fuel injection[J]. IOP Conference Series： Materials Science and Engineering， 2020， 973（1）：012038.

［7］? Hunicz J， Mikulski M， Kosza?ka G， et al. Detailed analysis of combustion stability in a spark-assisted compression ignition engine under nearly stoichiometric and heavy EGR conditions[J]. Applied Energy， 2020， 280： 115955.

［8］? Ezoji H， Shafaghat R， Jahanian O. Numerical simulation of dimethyl ether/natural gas blend fuel HCCI combustion to investigate the effects of operational parameters on combustion and emissions[J]. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry， 2019， 135（3）： 1775-1785.

［9］? Calam A， Aydo?an B， Halis S. The comparison of combustion， engine performance and emission characteristics of ethanol， methanol， fusel oil， butanol， isopropanol and naphtha with n-heptane blends on HCCI engine[J]. Fuel， 2020， 266： 117071.

［10］? Jang J， Yang K， Bae C. The effect of injection location of DME and LPG in a dual fuel HCCI engine[C]//SAE Technical Paper Series. United States： SAE International， 2009.

［11］? 鄭尊清， 堯命發(fā)， 陳征， 等. 二甲醚/甲醇均質(zhì)壓燃性能和排放特性的試驗研究[J]. 內(nèi)燃機學報， 2005， 23（1）： 32-36.

Zheng Z Q， Yao M F， Chen Z， et al. Experimental study on performance and emissions characteristics of HCCI operation for DME/methanol dual fuel[J]. Transactions of CSICE， 2005， 23（1）： 32-36.（in Chinese）

［12］? Lee H， Lim O. A computational study of DME-methanol fractions with controlling several factors on HCCI combustion[J]. Journal of Mechanical Science and Technology， 2016， 30（4）： 1931-1941.

［13］? Taghavifar H， Nemati A， Walther J H. Combustion and exergy analysis of multi-component diesel-DME-methanol blends in HCCI engine[J]. Energy， 2019， 187（15）：115951.1-115951.12.

［14］? Zhou J W， Zhang C H， Li G， et al. Effects of λ on the combustion characteristics of HCCI engine fueled with N-butanol[J]. Advanced Materials Research， 2015， 1092/1093： 508-511.

［15］? Kaiser E W， Wallington T J， Hurley M D， et al. Experimental and modeling study of premixed atmospheric-pressure dimethyl ether-air flames[J]. Journal of Physical Chemistry A， 2000， 104（35）： 8194-8206.

［16］? 閆妍， 張煜盛， 佘金平， 等. 醇醚雙燃料均質(zhì)壓縮燃燒試驗研究[J]. 小型內(nèi)燃機與摩托車， 2014，43（1）：64-68.

Yan Y， Zhang Y S， She J P， et al. The experimental study on HCCI mode of diesel engine fueled with methanol/dimethyl ether[J]. Small Internal Combustion Engine and Vehicle Technique， 2014，43（1）：64-68.（in Chinese）

（編輯? 詹燕平）