二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)PCCI-DI燃燒的數(shù)值模擬（Ⅱ）

李 維，王 穩(wěn)，黃勇成，汪 映

（1.西京學(xué)院 汽車學(xué)院，陜西 西安 710123;2.西安交通大學(xué) 能動(dòng)學(xué)院，陜西 西安 710049）

二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)PCCI-DI燃燒的數(shù)值模擬（Ⅱ）

李 維1，王 穩(wěn)1，黃勇成2，汪 映2

（1.西京學(xué)院 汽車學(xué)院，陜西 西安 710123;2.西安交通大學(xué) 能動(dòng)學(xué)院，陜西 西安 710049）

以WAVE破碎模型替代TAB液滴破碎模型，利用部分?jǐn)嚢璺磻?yīng)器燃燒模型結(jié)合詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理對(duì)KIVAⅢ程序進(jìn)行擴(kuò)充修正后，對(duì)1臺(tái)單缸二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)PCCI-DI燃燒過(guò)程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映DME的PCCI-DI燃燒過(guò)程的特點(diǎn)及缸內(nèi)各組分濃度的變化情況。

二甲醚;數(shù)值模擬;KIVA-Ⅲ

采用在同一循環(huán)中使用預(yù)混進(jìn)氣和缸內(nèi)直噴的復(fù)合燃燒（PCCI-DI）方式可縮短滯燃期，減少擴(kuò)散燃燒部分的油量，降低最高燃燒溫度與壓力［1］。采用PCCI-DI燃燒方式在較寬廣的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下運(yùn)行可保持二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率并降低 NOx排放［2］。

由于二甲醚與柴油的理化性質(zhì)差異較大，因此直接使用KIVA-Ⅲ來(lái)研究二甲醚的燃燒過(guò)程還存在一些問(wèn)題。

筆者以WAVE破碎模型替代KIVA程序中的TAB液滴破碎模型，利用部分?jǐn)嚢璺磻?yīng)器（Partially Stirred Reactor，PaSR）燃燒模型結(jié)合詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理并考慮湍流混合作用對(duì)燃燒速率的影響，在PC機(jī)上對(duì)二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)PCCI-DI燃燒過(guò)程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)轉(zhuǎn)條件及網(wǎng)格劃分

計(jì)算所用發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)轉(zhuǎn)條件見(jiàn)表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)轉(zhuǎn)條件Table 1 Configurable parameters and operative conditions of the engine

PCCI燃燒過(guò)程由于DME噴霧，缸內(nèi)可燃混合氣分布并不均勻。為了準(zhǔn)確模擬缸內(nèi)的燃燒過(guò)程，計(jì)算時(shí)采用了三維計(jì)算模型，所用的空間網(wǎng)格的劃分如圖1。

2 計(jì)算的初始條件

計(jì)算從進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)［131.0（CA BTDC）］開(kāi)始。氣缸內(nèi)空氣質(zhì)量由空氣流量計(jì)測(cè)得。氣缸內(nèi)初始周向速度沿徑向按貝塞爾函數(shù)型線分布，距離氣缸中心線r處的周向速度w（r）具體計(jì)算公式如下:

圖1 PCCI-DI計(jì)算網(wǎng)格Fig.1 Calculation girding of PCCI-DI

3 DME PCCI-DI發(fā)動(dòng)機(jī)模擬結(jié)果

3.1 氣缸壓力和放熱率的計(jì)算

圖2和圖3給出了轉(zhuǎn)速n=1 800 r/min、過(guò)量空氣系數(shù)2.4，進(jìn)氣引導(dǎo)量30.4 mg/cyc 時(shí)，PCCI-DI燃燒方式的氣缸壓力、放熱率模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較［3］。從圖中可以看出，采用的三維數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值非常接近。

圖2 氣缸壓力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比Fig.2 The comparison of predicted value and actual value for cylinder pressure

3.2 PCCI-DI燃燒過(guò)程缸內(nèi)溫度的計(jì)算

圖4給出了數(shù)值模擬所得的PCCI-DI燃燒過(guò)程缸內(nèi)溫度的變化曲線。從圖中可以看出，PCCI-DI燃燒過(guò)程缸內(nèi)溫度的變化情況和HCCI燃燒過(guò)程極為相似，同樣具有兩階段放熱的特點(diǎn)［3］。第1階段放熱從22℃BTDC開(kāi)始到15℃A BTDC時(shí)結(jié)束，這一段是HCCI燃燒的低溫放熱階段。隨后進(jìn)入NTC區(qū)，缸內(nèi)溫度幾乎不變。第2階段放熱從12℃A BTDC開(kāi)始，直到6℃A BTDC，這一段仍是HCCI燃燒方式，缸內(nèi)溫度上升較快。在6℃A BTDC時(shí)，DME噴入氣缸，由于DME汽化吸收一部分熱量，缸內(nèi)溫度的上升出現(xiàn)瞬間停頓。由于DME直接噴入高溫的燃?xì)庵?，滯燃期極短，因而燃燒迅速，缸內(nèi)溫度仍有較快的上升，在上止點(diǎn)附近缸內(nèi)溫度達(dá)到最高［4］。隨后，活塞開(kāi)始下行，燃燒容積增大，缸內(nèi)溫度開(kāi)始下降。

圖3 放熱規(guī)律計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比Fig.3 The comparison of predicted value and actual value for heat release rate

圖4 PCCI-DI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度Fig.4 Cylinder temperature of PCCI-DI engine

3.3 油束所在截面溫度的變化歷程

油束所在截面（45°）溫度的變化歷程見(jiàn)圖5，可以形象地展現(xiàn)了PCCI-DI燃燒過(guò)程中油束所在截面（45°）溫度的變化情況。

3.4 缸內(nèi)各組分濃度的計(jì)算

圖6給出的是三維數(shù)值模擬所得的DME PCCIDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒（包括DME噴霧）過(guò)程缸內(nèi)主要組分摩爾分?jǐn)?shù)變化情況。

DME PCCI-DI的燃燒過(guò)程仍然分兩個(gè)階段進(jìn)行。第1階段仍然低溫放應(yīng)，這一過(guò)程和HCCI燃燒的低溫反應(yīng)過(guò)程基本相同，主要是DME進(jìn)行的脫氫反應(yīng)、兩次加氧反應(yīng)、分子內(nèi)部的異構(gòu)化反應(yīng)以及中間產(chǎn)物的裂解反應(yīng)［5］。

圖5 PCCI-DI發(fā)動(dòng)機(jī)45°油束截面溫度的變化歷程Fig.5 Temperature changing course of 45 degree spray section for PCCI-DI engine

低溫反應(yīng)進(jìn)行到一定程度后，缸內(nèi)溫度大于1 000 K，此時(shí)開(kāi)始生成大量的自由基，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，各種自由基的摩爾百分?jǐn)?shù)達(dá)到第1次峰值，這一階段各種自由基的摩爾百分?jǐn)?shù)峰值出現(xiàn)的時(shí)刻與HCCI燃燒過(guò)程的基本相同。主要原因是在PCCI-DI燃燒過(guò)程中，預(yù)混混合氣濃度較小，因此低溫反應(yīng)階段生成的各種自由基的摩爾百分?jǐn)?shù)相應(yīng)稍小，至于各種自由基的摩爾百分?jǐn)?shù)峰值出現(xiàn)的時(shí)刻變化不大則是由于預(yù)混混合氣濃度對(duì)脫氫反應(yīng)、兩次加氧反應(yīng)、分子內(nèi)部的異構(gòu)化反應(yīng)等反應(yīng)速度的影響較小的緣故［6-7］。

圖6 PCCI-DI發(fā)動(dòng)機(jī)45°油束截面溫度的變化歷程Fig.6 Temperature changing course of 45 degree spray section for PCCI-DI engine

但PCCI-DI燃燒過(guò)程中CO2摩爾百分?jǐn)?shù)的變化情況和HCCI燃燒過(guò)程略有不同，即在高溫反應(yīng)進(jìn)行過(guò)程中，出現(xiàn)一段摩爾百分?jǐn)?shù)變化較緩的短暫過(guò)程，這主要是由于DME噴霧造成的。在高溫反應(yīng)進(jìn)行到一定程度時(shí)，較大量的DME由噴嘴噴入氣缸，噴入的DME遇到較高溫度的燃?xì)夂?，迅速汽化，吸收較多熱量，延緩了缸內(nèi)溫度的上升，同時(shí)也使得高溫反應(yīng)在很短時(shí)間內(nèi)減慢，這一點(diǎn)正是PCCI-DI燃燒的主要特征，正因?yàn)槿绱耍趴梢云鸬娇刂聘邷胤磻?yīng)速度從而控制HCCI燃燒速度的作用。其結(jié)果是:一方面使得最大放熱峰值出現(xiàn)的時(shí)刻更為合理;另一方面又可以抑制缸內(nèi)溫度從而達(dá)到控制NOx排放的目的［8］。

此外，從圖6（b）、圖6（d）也可以看到，由于噴霧，缸內(nèi)DME濃度再次增大，使得OH、H2O2的摩爾百分比濃度變化出現(xiàn)第2次峰值，第2次峰值要比第1次峰值高出許多，由于大量的OH根的加入，噴入缸內(nèi)的DME的氧化速率迅速加快，形成一邊噴霧，一邊快速進(jìn)行反應(yīng)的燃燒過(guò)程。因此，雖然推遲了DME的噴入時(shí)刻，但由于高溫反應(yīng)的速度極快，高溫放熱峰值在上止點(diǎn)后附近出現(xiàn)，在一定程度抑制了爆燃發(fā)生，燃燒過(guò)程比HCCI過(guò)程更為合理，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍得以拓寬。

4 結(jié)論

1）以WAVE破碎模型替代KIVA程序中的TAB液滴破碎模型，利用部分?jǐn)嚢璺磻?yīng)器（Partially Stirred Reactor，PaSR）燃燒模型結(jié)合詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理并考慮湍流混合作用對(duì)燃燒速率的影響，可對(duì)二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)PCCI-DI燃燒過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與實(shí)際較為相符;

2）DME的PCCI-DI燃燒過(guò)程與HCCI燃燒過(guò)程相比同樣經(jīng)歷低溫和高溫反應(yīng)2個(gè)階段。第1階段的低溫放應(yīng)過(guò)程和HCCI燃燒的低溫反應(yīng)過(guò)程基本相同。高溫反應(yīng)階段由于DME的噴入有所延緩，從而達(dá)到了控制燃燒速度和最大放熱時(shí)刻的目的，擴(kuò)寬了HCCI燃燒的工作范圍。

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Numerical Simulation of PCCI-DI Combustion Engine Fueled with DME（Ⅱ）

LI Wei1，WANG Wen1，HUANG Yong-cheng2，WANG Ying2
（1.Department of Automobile，Xijing College，Xi’an 710123，Shaanxi，China;
2.School of Energy ＆ Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，Shaanxi，China）

TAB breakage model is substituted by the WAVE broken model.PSR（Partially-Stirred-Reactor）combustion model with detailed chemical reaction mechanism is adopted in KIVA program，three dimensional numerical simulation of DME PCCI-DI combustion is carried out.The computation result can accurately reflect the characteristics of DME PCCI-DI combustion and various components density changing situations in the cylinder.

DME;numerical simulation;KIVA-Ⅲ

TK42

A

1674-0696（2011）06-1415-05

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.06.37

2011-05-24;

2011-06-17

陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目（2010JK888）;國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50706038）

李 維（1965-），男，陜西西安人，副教授，博士，主要從事汽車發(fā)動(dòng)機(jī)代用清潔燃料方面的研究。E-mail:liwei6512@126.com。