二甲醚發動機缸內燃燒過程的三維數值模擬

章 煒，左承基，劉 鎮，任榮社

（1.海軍蚌埠士官學校 機電系，安徽 蚌埠233012；2.合肥工業大學 機械與汽車工程學院，合肥230009；3.海軍工程大學 船舶與動力學院，武漢430033）

國內外已針對二甲醚（DME）發動機開展了一系列的應用研究［1-4］，但對于其缸內過程尤其是燃燒情況的細節參數還缺乏有效的獲取手段。因此，用數值模擬的方法對DME發動機的缸內過程進行仿真就成為降低實驗成本、提高研究效益的先進手段之一。

美國Los Alamos國家實驗室針對內燃機燃燒室內的流動、燃燒計算開發的KIVA系列程序適用于各類液態和氣態燃料，甚至能適應燃氣輪機等燃燒裝置內的流動和燃燒模擬［5］，得到了廣泛的應用。本文以標準版KIVA-3V程序作為DME發動機缸內過程的數值模擬工具，對其進行了微機化移植。

1 二甲醚主要特性

二甲醚和柴油的主要物理和化學特性見表1。

表1 二甲醚、柴油的主要物理和化學特性對比

2 KIVA-3V程序的移植與擴充

KIVA-3V源程序以FORTRAN語言編制，使用Cray Fortran編譯器在CrayTime Sharing System系統下運行。若用于PC機上，必須進行相應的轉換和移植。本文選用Windows下的Fortran Powerstation 4.0作為編譯系統，將原有實型變量和外部、內部函數均置為雙精度型數，以此保持計算精度；替換、取消、補充了部分庫函數資源；調整了圖形輸出接口，采用專業的流場可視化程序FIELDVIEW、TECPLOT進行計算數據的后處理，獲得相應的曲線、圖像和動畫。

標準版KIVA-3V自帶的燃料庫只有氣態二甲醚，參考相關文獻和手冊［6-8］，在程序的fuelib.f數據段添加了液態DME的所有物性參數（包括液體密度、在空氣中的擴散系數、生成熱、臨界溫度以及各溫度下的焓值、氣化潛熱、蒸氣壓、粘性系數、表面張力、導熱系數等），修改并重新定義了DATA數據塊，在Fortran Powerstation 4.0中編譯生成EXE可執行文件。

3 計算方法

3.1 計算網格

仿真發動機由1105單缸柴油機進行直噴化改造而成，使用平底氣缸蓋和偏心燃燒室，主要結構參數見表2。仿真采取三維偽極坐標（pseudopolar）網格和360°模型生成計算網格。

表2 仿真二甲醚發動機主要結構參數

3.2 邊界及初始條件

仿真計算在上止點前15℃A開始，結束于上止點后148℃A。設定初始渦流比為1.5，方向順時針。計算采用RNGk-ε湍流模型，利用概率分布函數定義液滴和噴霧方程，邊界條件為湍流壁面定律速度條件和固定溫度壁面條件。

為了更好地分析模擬結果，計算時對比相應功率水平的柴油機選擇計算參數：根據等熱值原則減小了對比機型的循環噴油量（通常按體積流量計約為柴油的1.8～1.9倍，本文選取較大值），為柴油（DF2）的1.49倍，相應減小了噴油器的噴孔直徑；考慮到DME其霧化性能遠好于柴油，蒸發快，與空氣混合迅速，增大柴油機的渦流比至3.0；另外，噴油器伸出缸蓋底平面的距離由原來的5mm減小到3mm。

4 計算結果與分析

1）二甲醚發動機燃燒時缸內的平均壓力、溫度變化曲線見圖1、2。

圖1 缸內平均壓力曲線

圖2 缸內平均溫度曲線

圖1 和圖2顯示的計算結果表明，二甲醚發動機燃燒時其缸內的最高平均壓力較之柴油機要低0.6～0.7MPa，且壓力升高率也比柴油機小。等壓燃燒階段（穩燃期）缸內平均壓力變化較平緩，持續時間（曲軸轉角）相對于柴油機要長一些。這樣可以有效降低發動機的燃燒噪音，實現柴油機的“柔和”運轉。另外，二甲醚發動機的缸內平均溫度比柴油機低150K左右，進一步降低了發動機的機械負荷，同時有助于降低NOx排放。

計算結果還表明，二甲醚從燃燒開始到燃燒結束整個燃燒過程的持續時間比柴油要短，這是因為其擴散燃燒速度比柴油來得快。實際使用過程中一般適當推遲DME的噴射時間，既能抑制預混燃燒速率，又加快了擴散燃燒速率，可大大降低發動機機械負荷和NOx排放。對提高發動機綜合性能非常有利。

2）二甲醚發動機燃燒過程缸內的主要排放物生成量見圖3、4。

圖3 不同燃料燃燒時缸內NO生成量

在相同的噴油提前角下，二甲醚發動機的NO排放量僅為柴油機的60.7%（圖3），考慮到實際的二甲醚發動機一般會將噴油提前角適當推遲，因此NO的實際排放量可以降至柴油機的50%左右甚至更低。這都得益于整個二甲醚燃燒過程缸內的溫度、壓力均較低。

對于CO的生成量，雖然燃燒中期二甲醚發動機的CO生成量遠遠低于柴油發動機，但隨著燃燒的進行，由于柴油機的后期缸內溫度較高，CO逐漸氧化成CO2，至排氣門開啟時刻，兩種不同燃料發動機的CO排放量基本相同（圖4）。

3）二甲醚發動機燃燒過程的缸內溫度場。

仿真計算得到了二甲醚和柴油發動機各自燃燒時不同曲軸轉角的溫度場等值線分布。限于篇幅，此處僅列出兩者在上止點（TDC）橫剖面和5°CAATDC時刻軸截面的溫度場分布圖（圖5）。

圖5 不同燃料燃燒時的缸內溫度場分布

可以看出，同一曲軸轉角下二甲醚發動機的缸內最高溫度均小于柴油機，且高溫區域更小，這將有利于降低NO的生成量。

4）二甲醚發動機燃燒過程缸內NO瞬時密度的對比。

圖6為兩種燃料發動機燃燒過程中軸截面的缸內NO密度分布?？梢悦黠@的看到，二甲醚發動機燃燒室內NO的生成量相對于柴油機缸內要低得多，且分布范圍更小，原因歸功于缸內溫度和壓力均較低導致NO排放減少。

5）二甲醚發動機在不同工況下的動力及排放性能。

對二甲醚發動機作不同負荷、噴油時間等有關參數的對比計算，仿真結果類似于柴油機：隨著負荷（噴油量）的增大，缸內平均溫度、壓力均有所上升，而NO排放量會隨之增加；隨噴油提前角的減小，則會使缸內最高溫度及最高爆發壓力降低，NO排放量也隨之減少。

圖6 不同燃料燃燒時的缸內NO密度分布（單位：g／cm3）

5 結論

通過對二甲醚發動機燃燒過程的三維數值模擬，得到了大量的缸內性能參數及流場分布，限于篇幅本文僅列出其中的極小部分。仿真結果表明：

1）在相同噴射提前角和相同當量循環噴油量下，二甲醚發動機相對于柴油機具有較低的爆發壓力、壓力升高率和缸內平均溫度，擴散燃燒速度快，工作柔和；

2）在相同噴射提前角和相同當量循環噴油量下，二甲醚發動機的NO排放量比柴油機低約40%；

3）在相同噴射提前角和相同當量循環噴油量下，二甲醚發動機的CO最終排放量與柴油機基本相同；

4）不同工況對二甲醚發動機燃燒過程的影響與柴油機相類似。

［1］Sorenson S C，Svend-Erik Mikkelsen.Performance and Emissions of a 0.273Liter Direct Injection Diesel Fuel Fuelled with Neat Dimethyl Ether［R］.SAE 950064，1995.

［2］Spencer C Sorenson，Michael Glensvig，Duane L Abata.Dimethyl Ether in Diesel Fuel Injection System［R］.SAE 981159，1998.

［3］王賀武，陳鴻雁，周龍保，黃佐華，蔣德明.直噴柴油機燃用二甲醚的試驗研究［J］.內燃機學報，1999，17（3）：241～246.

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［6］陸藝紅，張煜盛，劉 鎮.DME發動機著火與燃燒過程的數值模擬研究［J］.華中科技大學學報：自然科學版，2002，30（7）：23～26.

［7］童景山，梁燕波.新液體燃料——二甲醚的熱力學性質與傳遞性質研究［J］.天然氣化工，2003（4）：59～62.

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