柴油/二甲醚雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能研究

袁志明　秦朝舉

【摘 要】為研究不同二甲醚摻混比對柴油/二甲醚雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放水平的影響，運(yùn)用AVL FIRE軟件對不同摻混比下的燃燒過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬計(jì)算。研究結(jié)果表明，由于柴油與二甲醚燃料性質(zhì)的差異，隨著二甲醚摻混比的增加，缸內(nèi)平均氣體溫度逐漸下降，從而抑制了NO和碳煙排放物的生成，但會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的下降，計(jì)算結(jié)果為合理的確定二甲醚的摻混比提供了依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】發(fā)動(dòng)機(jī)；二甲醚；摻混比；數(shù)值模擬；排放

隨著汽車保有量的增加以及石油資源的減少，汽車所帶來的環(huán)境污染和能源危機(jī)問題越來越嚴(yán)重，而柴油/二甲醚雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)以其良好的經(jīng)濟(jì)性和排放性而受到人們的關(guān)注，國內(nèi)相關(guān)院校也相繼開展了二甲醚燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究工作[1-4]。但不同的二甲醚摻混比對發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒及排放影響不同。針對這一情況，選擇了五種不同摻混比例的柴油、二甲醚雙燃料，運(yùn)用FIRE軟件對這五種不同二甲醚摻混比的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程進(jìn)行了模擬計(jì)算，分析了不同二甲醚摻混比對發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及排放的影響規(guī)律。

1 計(jì)算模型的建立

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)及燃燒室網(wǎng)格劃分

計(jì)算所用的發(fā)動(dòng)機(jī)的主要尺寸為：缸徑為132mm，行程為145mm，以2500r/min的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，連桿長度為262mm，壓縮比為17：1，噴孔直徑為0.3mm，噴孔夾角為150°。因用的是8孔噴油器，所以為了節(jié)省計(jì)算成本，建立了1/8燃燒室模型，同時(shí)認(rèn)為燃燒室頂面是無氣門的完整平面，活塞頂面為燃燒室的底面，缸套的內(nèi)表面為燃燒室側(cè)壁。采用FIRE軟件的FAME模塊對進(jìn)行燃燒室網(wǎng)格劃分，如圖1所示。采用笛卡爾坐標(biāo)隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的動(dòng)網(wǎng)格子程序進(jìn)行網(wǎng)格的增刪，燃燒室的網(wǎng)格數(shù)在下止點(diǎn)為（180°CA）79600個(gè)，上止點(diǎn)（360°CA）為23600個(gè)。

1.2 計(jì)算模型

在FIRE軟件中，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的氣體流動(dòng)模擬是以經(jīng)典流體力學(xué)可壓縮性粘性流體的N-S方程為基礎(chǔ)的，根據(jù)基本的三大守恒定律，即質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒，以一組偏微分的方程組來描述缸內(nèi)流動(dòng)過程；同時(shí)計(jì)算中也采用了針對內(nèi)燃機(jī)工作特點(diǎn)的其它模型，包括著火和燃燒模型、排放模型、噴霧模型、碰壁模型等。本文針對直噴發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的特點(diǎn)，依據(jù)不同模型的內(nèi)部機(jī)理和適用范圍，進(jìn)行了相應(yīng)的選取。

在描述噴油的霧化過程時(shí)，采用了WAVE離散模型，蒸發(fā)模型采用Dukowicz模型，假設(shè)液滴是在不可壓縮的氣體中蒸發(fā)的。考慮到碰壁反射與黏附雙重作用，用Walljet1模型模擬噴霧撞壁過程。著火模型選用Diesel-MIL模型，既能描述大多數(shù)燃料的著火特征，又能適應(yīng)較寬的工況。發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒模擬是建立在Eddy Breakup Model渦破碎模型基礎(chǔ)上的， 該燃燒模型的假設(shè)條件是，在足夠精細(xì)的流動(dòng)湍流結(jié)構(gòu)尺度下，一旦組分的混合是以分子量級發(fā)生的，化學(xué)反應(yīng)在瞬間即可完成。因?yàn)楹屯牧鬏斶\(yùn)過程相比，化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間尺度相對很小，所以燃燒的速率是由分子量級的湍流渦旋相互混合的速率所決定的，也就是說由這些渦的耗散率所決定的[5-6]。在模擬計(jì)算NO生成時(shí)，采用了Zeldovich反應(yīng)機(jī)理。碳煙的生成和氧化模型選用Kennedy-Hiroyasu-Magnussen模型。

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)的初始條件

定義壓縮沖程的上止點(diǎn)為360°CA，為了減少計(jì)算時(shí)間，本次直噴式柴油機(jī)噴霧燃燒數(shù)值模擬過程沒有對進(jìn)氣行程和排氣行程進(jìn)行模擬，而是從進(jìn)氣門關(guān)閉的時(shí)刻（220°CA）開始計(jì)算，到排氣門開啟前480°CA結(jié)束。并設(shè)缸內(nèi)初始狀態(tài)的壓力、溫度處處均勻，邊界條件根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)活塞表面溫度為593K，缸蓋壁面溫度為583K，缸套壁面溫度為490K。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的比較

為了驗(yàn)證計(jì)算模型的正確性，將計(jì)算得到的缸內(nèi)壓力與實(shí)際測到的缸內(nèi)壓力進(jìn)行比較。圖2為燃用純柴油時(shí)，某一工況下，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的比較，從圖2中可以看出，計(jì)算得到的缸內(nèi)壓力曲線與實(shí)際測到的曲線基本吻合，表明所建立模型的正確性，可以用來通過模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放等過程。

2.2 不同燃料摻混比對燃燒及排放產(chǎn)物的影響

圖3為不同燃料摻混比時(shí)，不同曲軸轉(zhuǎn)角下缸內(nèi)的溫度曲線（其中D0代表純柴油，D30代表二甲醚質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，依次類推，下同），從圖3可以看出，在上止點(diǎn)前由于參與燃燒的燃料較少，五種不同種燃料摻混比時(shí)，缸內(nèi)的溫度曲線基本重合，在上止點(diǎn)后由于燃燒性質(zhì)的不同，缸內(nèi)溫度曲線各有不同，隨著二甲醚混合比例的提高，缸內(nèi)溫度逐漸下降，在420°CA時(shí)，溫度差最大值達(dá)到160K。分析其主要原因?yàn)椋憾酌讶剂嫌休^低的沸點(diǎn)和高的蒸發(fā)潛熱；二甲醚具有的十六烷值高、自燃溫度低、滯燃期短、預(yù)混燃燒量少，氣缸內(nèi)的最高燃燒溫度較低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)二甲醚的低熱值（28.43MJ/kg）僅為柴油（ 42.5MJ/kg）的70%左右，造成二甲醚的比例逐漸增加時(shí)，其累計(jì)放熱量逐漸減少（如圖4所示），所以由于這兩方面的原因，使得隨著二甲醚摻混比例的提高，缸內(nèi)的燃燒溫度逐漸降低，但缸內(nèi)溫度的降低對發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能將帶來不利的影響。

不同摻合比例的燃料的NO排放隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線如圖5所示，從圖5可以看出，NO的生成隨著燃燒的開始而急劇上高，在390°CA時(shí)，達(dá)到峰值，隨后保持不變；但隨著二甲醚摻混比例的增加，NO生成量逐漸減少，并且下降幅度很大，燃燒D90與燃燒純柴油相比，NO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2.69E-5下降到8.5E-6，下降幅度高達(dá)68.4%，說明柴油中加入二甲醚進(jìn)行摻燒可顯著降低NO排放。摻混二甲醚能夠降低發(fā)動(dòng)機(jī)NO排放，這可由NO的生成條件分析得到：二甲醚摻混比例的增加時(shí)，缸內(nèi)的溫度、特別是最高燃燒溫度降低，從而不利于NO的生成。

圖6為不同摻混比例的燃料的碳煙排放隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。由圖6可知，隨著二甲醚摻混比例的增加，生成的碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)較燃用純柴油時(shí)大幅下降，同時(shí)生成的碳煙峰值也大幅降低。這主要是受二甲醚自身的理化性質(zhì)影響：首先二甲醚的沸點(diǎn)和臨界溫度低、霧化性能好、與缸內(nèi)空氣能快速混合均勻，同時(shí)含氧量達(dá)到34.8%，能有效緩解缸內(nèi)局部缺氧的現(xiàn)象；其次，二甲醚摻混比例增加時(shí)，缸內(nèi)的燃燒溫度能夠顯著降低；再次，二甲醚分子結(jié)構(gòu)中不存在較強(qiáng)結(jié)合力的C-C鍵和芳香烴中所含的由碳單鍵和雙鍵交替組成的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，從而減少了混合燃料在燃燒過程中的裂解成分，抑制了碳煙的生成量。所以，二甲醚的燃燒過程可以有效控制發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)碳煙的生成，減少其排放量。

3 結(jié)論

本文針對發(fā)動(dòng)機(jī)燃用不同比例的柴油/二甲醚混合燃料的燃燒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬并進(jìn)行了分析。得到如下結(jié)論：

1） 隨著二甲醚摻混比的增加，缸內(nèi)平均氣體溫度逐漸下降，從而抑制了NO和碳煙排放物的生成；

2） 缸內(nèi)氣體溫度的下降將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的下降，所以應(yīng)合理的確定二甲醚與柴油的摻混比例。

3） 二甲醚是一種低排放的代用燃料，在排放法規(guī)日益嚴(yán)格的今天，具有良好的發(fā)展前景。

【參考文獻(xiàn)】

[1]周宇，秦朝葵，邢慧娟，等.天然氣摻混二甲醚擴(kuò)散是燃燒性能與排放[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，42（4）：589-595.

[2]梁晨.摻混二甲醚點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放性能的試驗(yàn)研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2013.

[3]廖水榮.二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力及排放性能研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2011，40（6）：79-82.

[4]梁晨.二甲醚-生物柴油混合燃料噴射及發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2011.

[5]秦朝舉，原彥鵬，宋立業(yè).燃燒室形狀對柴油機(jī)燃燒及排放影響的研究[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2013，34（1）：98-101，111.

[6]何鵬，李云清，王金成.燃燒室?guī)缀涡螤顚Σ裼蜋C(jī)燃燒過程影響的研究[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2008，35（3）：35-37，41.

[責(zé)任編輯：薛俊歌]

【摘 要】為研究不同二甲醚摻混比對柴油/二甲醚雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放水平的影響，運(yùn)用AVL FIRE軟件對不同摻混比下的燃燒過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬計(jì)算。研究結(jié)果表明，由于柴油與二甲醚燃料性質(zhì)的差異，隨著二甲醚摻混比的增加，缸內(nèi)平均氣體溫度逐漸下降，從而抑制了NO和碳煙排放物的生成，但會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的下降，計(jì)算結(jié)果為合理的確定二甲醚的摻混比提供了依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】發(fā)動(dòng)機(jī)；二甲醚；摻混比；數(shù)值模擬；排放

隨著汽車保有量的增加以及石油資源的減少，汽車所帶來的環(huán)境污染和能源危機(jī)問題越來越嚴(yán)重，而柴油/二甲醚雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)以其良好的經(jīng)濟(jì)性和排放性而受到人們的關(guān)注，國內(nèi)相關(guān)院校也相繼開展了二甲醚燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究工作[1-4]。但不同的二甲醚摻混比對發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒及排放影響不同。針對這一情況，選擇了五種不同摻混比例的柴油、二甲醚雙燃料，運(yùn)用FIRE軟件對這五種不同二甲醚摻混比的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程進(jìn)行了模擬計(jì)算，分析了不同二甲醚摻混比對發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及排放的影響規(guī)律。

1 計(jì)算模型的建立

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)及燃燒室網(wǎng)格劃分

計(jì)算所用的發(fā)動(dòng)機(jī)的主要尺寸為：缸徑為132mm，行程為145mm，以2500r/min的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，連桿長度為262mm，壓縮比為17：1，噴孔直徑為0.3mm，噴孔夾角為150°。因用的是8孔噴油器，所以為了節(jié)省計(jì)算成本，建立了1/8燃燒室模型，同時(shí)認(rèn)為燃燒室頂面是無氣門的完整平面，活塞頂面為燃燒室的底面，缸套的內(nèi)表面為燃燒室側(cè)壁。采用FIRE軟件的FAME模塊對進(jìn)行燃燒室網(wǎng)格劃分，如圖1所示。采用笛卡爾坐標(biāo)隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的動(dòng)網(wǎng)格子程序進(jìn)行網(wǎng)格的增刪，燃燒室的網(wǎng)格數(shù)在下止點(diǎn)為（180°CA）79600個(gè)，上止點(diǎn)（360°CA）為23600個(gè)。

1.2 計(jì)算模型

在FIRE軟件中，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的氣體流動(dòng)模擬是以經(jīng)典流體力學(xué)可壓縮性粘性流體的N-S方程為基礎(chǔ)的，根據(jù)基本的三大守恒定律，即質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒，以一組偏微分的方程組來描述缸內(nèi)流動(dòng)過程；同時(shí)計(jì)算中也采用了針對內(nèi)燃機(jī)工作特點(diǎn)的其它模型，包括著火和燃燒模型、排放模型、噴霧模型、碰壁模型等。本文針對直噴發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的特點(diǎn)，依據(jù)不同模型的內(nèi)部機(jī)理和適用范圍，進(jìn)行了相應(yīng)的選取。

在描述噴油的霧化過程時(shí)，采用了WAVE離散模型，蒸發(fā)模型采用Dukowicz模型，假設(shè)液滴是在不可壓縮的氣體中蒸發(fā)的。考慮到碰壁反射與黏附雙重作用，用Walljet1模型模擬噴霧撞壁過程。著火模型選用Diesel-MIL模型，既能描述大多數(shù)燃料的著火特征，又能適應(yīng)較寬的工況。發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒模擬是建立在Eddy Breakup Model渦破碎模型基礎(chǔ)上的， 該燃燒模型的假設(shè)條件是，在足夠精細(xì)的流動(dòng)湍流結(jié)構(gòu)尺度下，一旦組分的混合是以分子量級發(fā)生的，化學(xué)反應(yīng)在瞬間即可完成。因?yàn)楹屯牧鬏斶\(yùn)過程相比，化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間尺度相對很小，所以燃燒的速率是由分子量級的湍流渦旋相互混合的速率所決定的，也就是說由這些渦的耗散率所決定的[5-6]。在模擬計(jì)算NO生成時(shí)，采用了Zeldovich反應(yīng)機(jī)理。碳煙的生成和氧化模型選用Kennedy-Hiroyasu-Magnussen模型。

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)的初始條件

定義壓縮沖程的上止點(diǎn)為360°CA，為了減少計(jì)算時(shí)間，本次直噴式柴油機(jī)噴霧燃燒數(shù)值模擬過程沒有對進(jìn)氣行程和排氣行程進(jìn)行模擬，而是從進(jìn)氣門關(guān)閉的時(shí)刻（220°CA）開始計(jì)算，到排氣門開啟前480°CA結(jié)束。并設(shè)缸內(nèi)初始狀態(tài)的壓力、溫度處處均勻，邊界條件根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)活塞表面溫度為593K，缸蓋壁面溫度為583K，缸套壁面溫度為490K。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的比較

為了驗(yàn)證計(jì)算模型的正確性，將計(jì)算得到的缸內(nèi)壓力與實(shí)際測到的缸內(nèi)壓力進(jìn)行比較。圖2為燃用純柴油時(shí)，某一工況下，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的比較，從圖2中可以看出，計(jì)算得到的缸內(nèi)壓力曲線與實(shí)際測到的曲線基本吻合，表明所建立模型的正確性，可以用來通過模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放等過程。

2.2 不同燃料摻混比對燃燒及排放產(chǎn)物的影響

圖3為不同燃料摻混比時(shí)，不同曲軸轉(zhuǎn)角下缸內(nèi)的溫度曲線（其中D0代表純柴油，D30代表二甲醚質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，依次類推，下同），從圖3可以看出，在上止點(diǎn)前由于參與燃燒的燃料較少，五種不同種燃料摻混比時(shí)，缸內(nèi)的溫度曲線基本重合，在上止點(diǎn)后由于燃燒性質(zhì)的不同，缸內(nèi)溫度曲線各有不同，隨著二甲醚混合比例的提高，缸內(nèi)溫度逐漸下降，在420°CA時(shí)，溫度差最大值達(dá)到160K。分析其主要原因?yàn)椋憾酌讶剂嫌休^低的沸點(diǎn)和高的蒸發(fā)潛熱；二甲醚具有的十六烷值高、自燃溫度低、滯燃期短、預(yù)混燃燒量少，氣缸內(nèi)的最高燃燒溫度較低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)二甲醚的低熱值（28.43MJ/kg）僅為柴油（ 42.5MJ/kg）的70%左右，造成二甲醚的比例逐漸增加時(shí)，其累計(jì)放熱量逐漸減少（如圖4所示），所以由于這兩方面的原因，使得隨著二甲醚摻混比例的提高，缸內(nèi)的燃燒溫度逐漸降低，但缸內(nèi)溫度的降低對發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能將帶來不利的影響。

不同摻合比例的燃料的NO排放隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線如圖5所示，從圖5可以看出，NO的生成隨著燃燒的開始而急劇上高，在390°CA時(shí)，達(dá)到峰值，隨后保持不變；但隨著二甲醚摻混比例的增加，NO生成量逐漸減少，并且下降幅度很大，燃燒D90與燃燒純柴油相比，NO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2.69E-5下降到8.5E-6，下降幅度高達(dá)68.4%，說明柴油中加入二甲醚進(jìn)行摻燒可顯著降低NO排放。摻混二甲醚能夠降低發(fā)動(dòng)機(jī)NO排放，這可由NO的生成條件分析得到：二甲醚摻混比例的增加時(shí)，缸內(nèi)的溫度、特別是最高燃燒溫度降低，從而不利于NO的生成。

圖6為不同摻混比例的燃料的碳煙排放隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。由圖6可知，隨著二甲醚摻混比例的增加，生成的碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)較燃用純柴油時(shí)大幅下降，同時(shí)生成的碳煙峰值也大幅降低。這主要是受二甲醚自身的理化性質(zhì)影響：首先二甲醚的沸點(diǎn)和臨界溫度低、霧化性能好、與缸內(nèi)空氣能快速混合均勻，同時(shí)含氧量達(dá)到34.8%，能有效緩解缸內(nèi)局部缺氧的現(xiàn)象；其次，二甲醚摻混比例增加時(shí)，缸內(nèi)的燃燒溫度能夠顯著降低；再次，二甲醚分子結(jié)構(gòu)中不存在較強(qiáng)結(jié)合力的C-C鍵和芳香烴中所含的由碳單鍵和雙鍵交替組成的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，從而減少了混合燃料在燃燒過程中的裂解成分，抑制了碳煙的生成量。所以，二甲醚的燃燒過程可以有效控制發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)碳煙的生成，減少其排放量。

3 結(jié)論

本文針對發(fā)動(dòng)機(jī)燃用不同比例的柴油/二甲醚混合燃料的燃燒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬并進(jìn)行了分析。得到如下結(jié)論：

1） 隨著二甲醚摻混比的增加，缸內(nèi)平均氣體溫度逐漸下降，從而抑制了NO和碳煙排放物的生成；

2） 缸內(nèi)氣體溫度的下降將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的下降，所以應(yīng)合理的確定二甲醚與柴油的摻混比例。

3） 二甲醚是一種低排放的代用燃料，在排放法規(guī)日益嚴(yán)格的今天，具有良好的發(fā)展前景。

【參考文獻(xiàn)】

[1]周宇，秦朝葵，邢慧娟，等.天然氣摻混二甲醚擴(kuò)散是燃燒性能與排放[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，42（4）：589-595.

[2]梁晨.摻混二甲醚點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放性能的試驗(yàn)研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2013.

[3]廖水榮.二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力及排放性能研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2011，40（6）：79-82.

[4]梁晨.二甲醚-生物柴油混合燃料噴射及發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2011.

[5]秦朝舉，原彥鵬，宋立業(yè).燃燒室形狀對柴油機(jī)燃燒及排放影響的研究[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2013，34（1）：98-101，111.

[6]何鵬，李云清，王金成.燃燒室?guī)缀涡螤顚Σ裼蜋C(jī)燃燒過程影響的研究[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2008，35（3）：35-37，41.

[責(zé)任編輯：薛俊歌]

【摘 要】為研究不同二甲醚摻混比對柴油/二甲醚雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放水平的影響，運(yùn)用AVL FIRE軟件對不同摻混比下的燃燒過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬計(jì)算。研究結(jié)果表明，由于柴油與二甲醚燃料性質(zhì)的差異，隨著二甲醚摻混比的增加，缸內(nèi)平均氣體溫度逐漸下降，從而抑制了NO和碳煙排放物的生成，但會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的下降，計(jì)算結(jié)果為合理的確定二甲醚的摻混比提供了依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】發(fā)動(dòng)機(jī)；二甲醚；摻混比；數(shù)值模擬；排放

隨著汽車保有量的增加以及石油資源的減少，汽車所帶來的環(huán)境污染和能源危機(jī)問題越來越嚴(yán)重，而柴油/二甲醚雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)以其良好的經(jīng)濟(jì)性和排放性而受到人們的關(guān)注，國內(nèi)相關(guān)院校也相繼開展了二甲醚燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究工作[1-4]。但不同的二甲醚摻混比對發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒及排放影響不同。針對這一情況，選擇了五種不同摻混比例的柴油、二甲醚雙燃料，運(yùn)用FIRE軟件對這五種不同二甲醚摻混比的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程進(jìn)行了模擬計(jì)算，分析了不同二甲醚摻混比對發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及排放的影響規(guī)律。

1 計(jì)算模型的建立

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)及燃燒室網(wǎng)格劃分

計(jì)算所用的發(fā)動(dòng)機(jī)的主要尺寸為：缸徑為132mm，行程為145mm，以2500r/min的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，連桿長度為262mm，壓縮比為17：1，噴孔直徑為0.3mm，噴孔夾角為150°。因用的是8孔噴油器，所以為了節(jié)省計(jì)算成本，建立了1/8燃燒室模型，同時(shí)認(rèn)為燃燒室頂面是無氣門的完整平面，活塞頂面為燃燒室的底面，缸套的內(nèi)表面為燃燒室側(cè)壁。采用FIRE軟件的FAME模塊對進(jìn)行燃燒室網(wǎng)格劃分，如圖1所示。采用笛卡爾坐標(biāo)隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的動(dòng)網(wǎng)格子程序進(jìn)行網(wǎng)格的增刪，燃燒室的網(wǎng)格數(shù)在下止點(diǎn)為（180°CA）79600個(gè)，上止點(diǎn)（360°CA）為23600個(gè)。

1.2 計(jì)算模型

在FIRE軟件中，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的氣體流動(dòng)模擬是以經(jīng)典流體力學(xué)可壓縮性粘性流體的N-S方程為基礎(chǔ)的，根據(jù)基本的三大守恒定律，即質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒，以一組偏微分的方程組來描述缸內(nèi)流動(dòng)過程；同時(shí)計(jì)算中也采用了針對內(nèi)燃機(jī)工作特點(diǎn)的其它模型，包括著火和燃燒模型、排放模型、噴霧模型、碰壁模型等。本文針對直噴發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的特點(diǎn)，依據(jù)不同模型的內(nèi)部機(jī)理和適用范圍，進(jìn)行了相應(yīng)的選取。

在描述噴油的霧化過程時(shí)，采用了WAVE離散模型，蒸發(fā)模型采用Dukowicz模型，假設(shè)液滴是在不可壓縮的氣體中蒸發(fā)的。考慮到碰壁反射與黏附雙重作用，用Walljet1模型模擬噴霧撞壁過程。著火模型選用Diesel-MIL模型，既能描述大多數(shù)燃料的著火特征，又能適應(yīng)較寬的工況。發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒模擬是建立在Eddy Breakup Model渦破碎模型基礎(chǔ)上的， 該燃燒模型的假設(shè)條件是，在足夠精細(xì)的流動(dòng)湍流結(jié)構(gòu)尺度下，一旦組分的混合是以分子量級發(fā)生的，化學(xué)反應(yīng)在瞬間即可完成。因?yàn)楹屯牧鬏斶\(yùn)過程相比，化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間尺度相對很小，所以燃燒的速率是由分子量級的湍流渦旋相互混合的速率所決定的，也就是說由這些渦的耗散率所決定的[5-6]。在模擬計(jì)算NO生成時(shí)，采用了Zeldovich反應(yīng)機(jī)理。碳煙的生成和氧化模型選用Kennedy-Hiroyasu-Magnussen模型。

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)的初始條件

定義壓縮沖程的上止點(diǎn)為360°CA，為了減少計(jì)算時(shí)間，本次直噴式柴油機(jī)噴霧燃燒數(shù)值模擬過程沒有對進(jìn)氣行程和排氣行程進(jìn)行模擬，而是從進(jìn)氣門關(guān)閉的時(shí)刻（220°CA）開始計(jì)算，到排氣門開啟前480°CA結(jié)束。并設(shè)缸內(nèi)初始狀態(tài)的壓力、溫度處處均勻，邊界條件根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)活塞表面溫度為593K，缸蓋壁面溫度為583K，缸套壁面溫度為490K。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的比較

為了驗(yàn)證計(jì)算模型的正確性，將計(jì)算得到的缸內(nèi)壓力與實(shí)際測到的缸內(nèi)壓力進(jìn)行比較。圖2為燃用純柴油時(shí)，某一工況下，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的比較，從圖2中可以看出，計(jì)算得到的缸內(nèi)壓力曲線與實(shí)際測到的曲線基本吻合，表明所建立模型的正確性，可以用來通過模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放等過程。

2.2 不同燃料摻混比對燃燒及排放產(chǎn)物的影響

圖3為不同燃料摻混比時(shí)，不同曲軸轉(zhuǎn)角下缸內(nèi)的溫度曲線（其中D0代表純柴油，D30代表二甲醚質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，依次類推，下同），從圖3可以看出，在上止點(diǎn)前由于參與燃燒的燃料較少，五種不同種燃料摻混比時(shí)，缸內(nèi)的溫度曲線基本重合，在上止點(diǎn)后由于燃燒性質(zhì)的不同，缸內(nèi)溫度曲線各有不同，隨著二甲醚混合比例的提高，缸內(nèi)溫度逐漸下降，在420°CA時(shí)，溫度差最大值達(dá)到160K。分析其主要原因?yàn)椋憾酌讶剂嫌休^低的沸點(diǎn)和高的蒸發(fā)潛熱；二甲醚具有的十六烷值高、自燃溫度低、滯燃期短、預(yù)混燃燒量少，氣缸內(nèi)的最高燃燒溫度較低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)二甲醚的低熱值（28.43MJ/kg）僅為柴油（ 42.5MJ/kg）的70%左右，造成二甲醚的比例逐漸增加時(shí)，其累計(jì)放熱量逐漸減少（如圖4所示），所以由于這兩方面的原因，使得隨著二甲醚摻混比例的提高，缸內(nèi)的燃燒溫度逐漸降低，但缸內(nèi)溫度的降低對發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能將帶來不利的影響。

不同摻合比例的燃料的NO排放隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線如圖5所示，從圖5可以看出，NO的生成隨著燃燒的開始而急劇上高，在390°CA時(shí)，達(dá)到峰值，隨后保持不變；但隨著二甲醚摻混比例的增加，NO生成量逐漸減少，并且下降幅度很大，燃燒D90與燃燒純柴油相比，NO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2.69E-5下降到8.5E-6，下降幅度高達(dá)68.4%，說明柴油中加入二甲醚進(jìn)行摻燒可顯著降低NO排放。摻混二甲醚能夠降低發(fā)動(dòng)機(jī)NO排放，這可由NO的生成條件分析得到：二甲醚摻混比例的增加時(shí)，缸內(nèi)的溫度、特別是最高燃燒溫度降低，從而不利于NO的生成。

圖6為不同摻混比例的燃料的碳煙排放隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。由圖6可知，隨著二甲醚摻混比例的增加，生成的碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)較燃用純柴油時(shí)大幅下降，同時(shí)生成的碳煙峰值也大幅降低。這主要是受二甲醚自身的理化性質(zhì)影響：首先二甲醚的沸點(diǎn)和臨界溫度低、霧化性能好、與缸內(nèi)空氣能快速混合均勻，同時(shí)含氧量達(dá)到34.8%，能有效緩解缸內(nèi)局部缺氧的現(xiàn)象；其次，二甲醚摻混比例增加時(shí)，缸內(nèi)的燃燒溫度能夠顯著降低；再次，二甲醚分子結(jié)構(gòu)中不存在較強(qiáng)結(jié)合力的C-C鍵和芳香烴中所含的由碳單鍵和雙鍵交替組成的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，從而減少了混合燃料在燃燒過程中的裂解成分，抑制了碳煙的生成量。所以，二甲醚的燃燒過程可以有效控制發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)碳煙的生成，減少其排放量。

3 結(jié)論

本文針對發(fā)動(dòng)機(jī)燃用不同比例的柴油/二甲醚混合燃料的燃燒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬并進(jìn)行了分析。得到如下結(jié)論：

1） 隨著二甲醚摻混比的增加，缸內(nèi)平均氣體溫度逐漸下降，從而抑制了NO和碳煙排放物的生成；

2） 缸內(nèi)氣體溫度的下降將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的下降，所以應(yīng)合理的確定二甲醚與柴油的摻混比例。

3） 二甲醚是一種低排放的代用燃料，在排放法規(guī)日益嚴(yán)格的今天，具有良好的發(fā)展前景。

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