柴油/二甲醚雙燃料發動機的排放性能研究

袁志明 秦朝舉

（華北水利水電大學 機械學院，河南 鄭州450045）

隨著汽車保有量的增加以及石油資源的減少，汽車所帶來的環境污染和能源危機問題越來越嚴重， 而柴油/二甲醚雙燃料發動機以其良好的經濟性和排放性而受到人們的關注，國內相關院校也相繼開展了二甲醚燃料發動機的研究工作[1-4]。但不同的二甲醚摻混比對發動機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，運用FIRE 軟件對這五種不同二甲醚摻混比的雙燃料發動機的燃燒過程進行了模擬計算，分析了不同二甲醚摻混比對發動機燃燒及排放的影響規律。

1 計算模型的建立

1.1 發動機的基本參數及燃燒室網格劃分

計算所用的發動機的主要尺寸為： 缸徑為132mm， 行程為145mm，以2500r/min 的速度運轉，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，所以為了節省計算成本，建立了1/8 燃燒室模型，同時認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，缸套的內表面為燃燒室側壁。 采用FIRE 軟件的FAME 模塊對進行燃燒室網格劃分， 如圖1所示。采用笛卡爾坐標隨曲軸轉角變化的動網格子程序進行網格的增刪，燃燒室的網格數在下止點為(180°CA)79600 個，上止點(360°CA)為23600 個。

圖1 燃燒室網格

1.2 計算模型

在FIRE 軟件中，發動機缸內的氣體流動模擬是以經典流體力學可壓縮性粘性流體的N-S 方程為基礎的，根據基本的三大守恒定律，即質量守恒、動量守恒和能量守恒，以一組偏微分的方程組來描述缸內流動過程； 同時計算中也采用了針對內燃機工作特點的其它模型，包括著火和燃燒模型、排放模型、噴霧模型、碰壁模型等。 本文針對直噴發動機工作過程的特點， 依據不同模型的內部機理和適用范圍，進行了相應的選取。

在描述噴油的霧化過程時，采用了WAVE 離散模型，蒸發模型采用Dukowicz 模型，假設液滴是在不可壓縮的氣體中蒸發的。 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，既能描述大多數燃料的著火特征，又能適應較寬的工況。發動機的燃燒模擬是建立在Eddy Breakup Model 渦破碎模型基礎上的, 該燃燒模型的假設條件是， 在足夠精細的流動湍流結構尺度下，一旦組分的混合是以分子量級發生的，化學反應在瞬間即可完成。因為和湍流輸運過程相比，化學反應的時間尺度相對很小，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]。 在模擬計算NO 生成時，采用了Zeldovich 反應機理。 碳煙的生成和氧化模型選用Kennedy-Hiroyasu-Magnussen 模型。

1.3 發動機的初始條件

定義壓縮沖程的上止點為360°CA，為了減少計算時間，本次直噴式柴油機噴霧燃燒數值模擬過程沒有對進氣行程和排氣行程進行模擬，而是從進氣門關閉的時刻(220°CA）開始計算，到排氣門開啟前480°CA 結束。 并設缸內初始狀態的壓力、溫度處處均勻，邊界條件根據經驗，設活塞表面溫度為593K，缸蓋壁面溫度為583K，缸套壁面溫度為490K。

2 模擬結果與分析

2.1 模擬結果與實測結果的比較

為了驗證計算模型的正確性，將計算得到的缸內壓力與實際測到的缸內壓力進行比較。圖2 為燃用純柴油時，某一工況下，計算結果與實測結果的比較，從圖2 中可以看出，計算得到的缸內壓力曲線與實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動機的燃燒和排放等過程。

圖2 計算與實測缸內壓力曲線對比圖

2.2 不同燃料摻混比對燃燒及排放產物的影響

圖3 為不同燃料摻混比時，不同曲軸轉角下缸內的溫度曲線(其中D0 代表純柴油，D30 代表二甲醚質量分數為30%， 依次類推，下同)，從圖3 可以看出，在上止點前由于參與燃燒的燃料較少，五種不同種燃料摻混比時，缸內的溫度曲線基本重合，在上止點后由于燃燒性質的不同，缸內溫度曲線各有不同，隨著二甲醚混合比例的提高，缸內溫度逐漸下降，在420°CA 時，溫度差最大值達到160K。分析其主要原因為：二甲醚燃料有較低的沸點和高的蒸發潛熱；二甲醚具有的十六烷值高、自燃溫度低、滯燃期短、預混燃燒量少，氣缸內的最高燃燒溫度較低等優點，同時二甲醚的低熱值(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，其累計放熱量逐漸減少（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，缸內的燃燒溫度逐漸降低，但缸內溫度的降低對發動機的動力性能將帶來不利的影響。

圖3 溫度曲線

圖4 累計放熱量曲線

圖5 NO 生成的質量分數對比圖

不同摻合比例的燃料的NO 排放隨著曲軸轉角的變化曲線如圖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，達到峰值，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 的質量分數從2.69E-5 下降到8.5E-6， 下降幅度高達68.4%，說明柴油中加入二甲醚進行摻燒可顯著降低NO 排放。 摻混二甲醚能夠降低發動機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，缸內的溫度、特別是最高燃燒溫度降低，從而不利于NO 的生成。

圖6 碳煙生成的質量分數對比圖

圖6 為不同摻混比例的燃料的碳煙排放隨著曲軸轉角的變化曲線。由圖6 可知，隨著二甲醚摻混比例的增加，生成的碳煙質量分數較燃用純柴油時大幅下降，同時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影響： 首先二甲醚的沸點和臨界溫度低、霧化性能好、與缸內空氣能快速混合均勻，同時含氧量達到34.8%，能有效緩解缸內局部缺氧的現象；其次，二甲醚摻混比例增加時，缸內的燃燒溫度能夠顯著降低；再次，二甲醚分子結構中不存在較強結合力的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結構，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動機內碳煙的生成，減少其排放量。

3 結論

本文針對發動機燃用不同比例的柴油/二甲醚混合燃料的燃燒過程進行了數值模擬并進行了分析。 得到如下結論：

1) 隨著二甲醚摻混比的增加，缸內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) 缸內氣體溫度的下降將導致發動機動力性能的下降， 所以應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， 在排放法規日益嚴格的今天，具有良好的發展前景。

［1］周宇，秦朝葵，邢慧娟，等.天然氣摻混二甲醚擴散是燃燒性能與排放[J].同濟大學學報，2014,42(4):589-595.

［2］梁晨.摻混二甲醚點燃式內燃機燃燒與排放性能的試驗研究[D].北京:北京工業大學,2013.

［3］廖水榮.二甲醚發動機動力及排放性能研究[J].小型內燃機與摩托車，2011,40(6):79-82.

［4］梁晨.二甲醚-生物柴油混合燃料噴射及發動機燃燒研究[D].上海:上海交通大學,2011.

［5］秦朝舉，原彥鵬，宋立業.燃燒室形狀對柴油機燃燒及排放影響的研究[J].中國農機化學報，2013,34(1):98-101,111.

［6］何鵬,李云清,王金成.燃燒室幾何形狀對柴油機燃燒過程影響的研究[J].拖拉機與農用運輸車，2008,35(3):35-37,41.