二甲醚柴油機示功圖研究分析

摘 要：隨著不可再生資源的日益枯竭以及環(huán)保法規(guī)的日益嚴格，對內燃機的綜合性能提出了更高的要求，尋找新的柴油機替代燃料成為一個重要方向。二甲醚（DME）是一種新型、清潔的柴油機替代燃料。本文以某型柴油機為例，建立零維模型進行計算，利用軟件編程模擬氣缸內工作過程，分析了一些參數的變化對示功圖的影響。

關鍵詞：二甲醚；工作過程模擬；示功圖；數值計算

中圖分類號：U473 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 22-0000-01

在能源危機、環(huán)境污染以及排放法規(guī)日益嚴格的背景下，針對內燃機本身采用相應的新技術來提高經濟性、降低污染物排放是一個研究方向，同時，對清潔、可再生代用燃料的研究也是一個重要的方面，正受到廣泛關注[1]。從煤炭、天然氣等制取的二甲醚，以其廣泛來源和低排放的優(yōu)勢，引起了國內外研究人員的普遍重視，目前大量的研究正在開展，也取得了很大成果，代用燃料的應用前景非常廣闊。代用燃料的使用可以緩減能源危機，保證能源安全，同時可以在很大程度上改善環(huán)境污染情況，通過對二甲醚等代用燃料的研究，可以為其實際推廣提供理論基礎和參考依據，具有重大的現(xiàn)實意義[2]。

一、燃燒模型的建立及程序計算

本文研究的是二甲醚發(fā)動機的示功圖，建立的燃燒模型為單區(qū)模型，即零維模型。單區(qū)模型的建立基本假定為：系統(tǒng)內各點的熱力狀態(tài)相同、各點的化學成分相同；即系統(tǒng)內各個參數不隨空間坐標的變化而變化，只隨曲軸轉角φ而變化。顯然，單區(qū)模型中系統(tǒng)內參數的變化關系可以用常微分方程組來表達： 。求解常微分方程組，即可得到系統(tǒng)內溫度T變化規(guī)律。當系統(tǒng)內的溫度T隨φ的變化規(guī)律解出之后，代入理想氣體狀態(tài)方程中求解即可得到壓力p的變化規(guī)律。由于常微分方程的數值解比較簡單，故工作過程模擬計算采用單區(qū)模型較為方便。

氣缸內的工作過程非常復雜，為了描述氣缸內工質的狀態(tài)變化，所以視其為一個熱力系統(tǒng)，而系統(tǒng)邊界是由活塞頂、氣缸蓋和氣缸套諸壁面組成的。系統(tǒng)內的工質狀態(tài)則是由壓力p、溫度T和質量m這三個基本參數所確定的，并且遵循著能量守恒方程、質量守恒方程和理想氣體狀態(tài)方程這三個基本定律。利用這三個方程聯(lián)合求解，即可解得氣缸內壓力p、溫度T和質量m這三個基本參數[3]。具體的能量守恒方程、質量守恒方程和理想氣體狀態(tài)方程如下：

在氣缸內，微分方程組的求解和計算是分階段進行的。一般選擇實際的壓縮始點，即進氣門關閉的時刻為計算始點，然后一直逐步計算直到下一個循環(huán)的進氣門關閉時結束。本文中，將內燃機的一個工作循環(huán)分為了壓縮、燃燒、膨脹、排氣、進排氣門疊開和進氣這六個階段[4]。各個階段的起止時刻是由配氣正時控制的，配氣正時角度是作為已知數據輸入。在不同的階段中，能量守恒方程、質量守恒方程可以簡化。在編制程序時，還要考慮氣體常數、絕熱指數以及氣缸內工作過程的傳熱等等因素。最后利用Matlab軟件編程，通過龍格-庫塔法（Runge-Kutta）來進行求解。

二、參數對發(fā)動機特性的影響

燃燒品質指數的影響：隨著m的增大，燃燒最高溫度隨之減小并且燃燒最高溫度出現(xiàn)的角度逐漸增大。當m較小時，燃燒過程比較粗暴，燃燒最高溫度出現(xiàn)的時間比較早，反之m增大后，燃燒過程柔和，燃燒最高溫度出現(xiàn)的時間較晚。同時隨著m的增大，壓力升高率由大逐漸變小，最高爆發(fā)壓力也依次降低，并且最高爆發(fā)壓力出現(xiàn)的時間隨著m的增大，逐漸提前。當m值從0.5增加到2的過程中，燃燒過程的燃燒百分比曲線從左向右移動，這是由于m值的增大使燃燒過程由粗暴趨于柔和，燃燒速率也逐漸減小并且右移。

噴油提前角的影響：隨著噴油提前角從0度減小到-12度的過程中，燃燒最高溫度逐漸增大，并且燃燒最高溫度出現(xiàn)的時間也越來越早。噴油提前角越大，燃料進入氣缸時的空氣溫度和壓力較低，導致滯燃期較長，在滯燃期內噴入燃燒室中的燃料就多，這些預混合燃料在急燃期幾乎同時突然燃燒，使壓力升高率和最高爆發(fā)壓力很高，運動零件受到的沖擊負荷也就越強烈，發(fā)動機運轉粗暴，會影響發(fā)動機的使用壽命。而燃燒百分比和燃燒速率則沒有變化，只是隨著噴油提前角的增大，燃燒百分比和燃燒速率曲線圖會整體左移。

燃燒持續(xù)角的影響：隨著燃燒持續(xù)角的增大，燃燒最高溫度依次降低，這是由于燃燒持續(xù)角變大，會使整個燃燒過程的時間變長，燃燒會比較柔和，所以溫度升高率比較低且最高燃燒溫度會較低。同時壓力升高率和最高爆發(fā)壓力也會隨之降低。燃燒持續(xù)角的增大還會導致后燃期時間的增加，導致燃料拖到膨脹線上燃燒，因為活塞下行，燃料會在較低的膨脹比下放熱，致使放出的熱量不能有效利用，并且增加了活塞組的熱負荷使排氣溫度增高。此外，燃燒持續(xù)角的增大，整個燃燒過程也會較為緩慢，所以燃燒速率會降低，燃燒百分比同樣會減小。所以要減小后燃期，選擇合適的燃燒持續(xù)角。

三、結束語

本文是對二甲醚（DME）發(fā)動機的示功圖進行了相關的研究分析，通過6135柴油機工作過程的各個階段使用Matlab軟件來進行模擬分析，改變參數從而得出以下結論：（1）在選擇燃燒品質指數時，要根據發(fā)動機的機型、轉速等因素來選取，不可選擇太高或者太低，應當選擇一個合適的燃燒品質指數，這樣就能達到一個理想的燃燒過程；（2）在選擇噴油提前角來提高發(fā)動機的動力性和經濟性時，在一定范圍內可能有所收益，但效果并不十分明顯，但是可能帶來的危害性或許會更大；（3）在選擇發(fā)動機的燃燒持續(xù)角時，不能選擇的太大，否則會導致氣缸內燃燒最高溫度和最高爆發(fā)壓力過低，一部分燃料會在膨脹階段時繼續(xù)燃燒，導致熱量損失，增加了機組的熱負荷。同時也不能選擇的太小，太小的話會使燃燒較為粗暴，壓力升高率過大，在急燃期時壓力急劇上升，對運動零件產生很大的沖擊負荷，縮短發(fā)動機的壽命。

參考文獻：

[1]蘭春亮，翟建龍.內燃機測試技術的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].機械管理開發(fā)，2006（93）：31-35.

[2]顧翔.二甲醚發(fā)動機的燃燒過程與模擬[D].江蘇科技大學.

[3]鄧名華，范維澄，于善穎.柴油機準維模型中經驗參數確定的研究[J].內燃機學報，2000（18）.

[4]廖水容，邵毅明，束海波.二甲醚發(fā)動機燃燒過程的數值模擬[J].華僑大學學報（自然科學版），2010.