二甲醚均質混合壓燃燃燒數值模擬研究

鄧航，鄧惜仁，吳先煥

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

二甲醚均質混合壓燃燃燒數值模擬研究

鄧航，鄧惜仁，吳先煥

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

文章利用大型化學反應動力學軟件CHEMKIN結合二甲醚詳細化學反應動力模型，對二甲醚的HCCI燃燒進行了模擬研究，從理論上研究探討二甲醚的HCCI燃燒機理，構建了二甲醚HCCI反應動力學的簡化模型，并研究了邊界條件對二甲醚HCCI燃燒的影響。結果表明：隨著進氣溫度的升高、過量空氣系數的減小、初始壓力的增加，缸內的最高壓力升高，最大燃燒溫度上升。

燃燒特性；排放；均質混合壓燃；二甲醚；數值模擬

CLC NO.:U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-48-03

引言

面對日益短缺的能源和汽車尾氣排放污染越來越嚴重，世界很多的國家在研究提高發動機性能時，不得不積極地研究和開發使用優良的代用燃料，比如二甲醚、甲醇等。

二甲醚作為燃料具有高的蒸汽壓、低沸點、壓燃性好及混合氣形成容易等特性，非常適合HCCI的燃燒方式，因此，深入研究二甲醚HCCI燃燒過程，分析其燃燒特征，開發二甲醚HCCI燃燒技術，具有重要的理論和現實意義。[1]

1、內燃機計算模型

本文采用單區零維詳細化學動力學模型，利用CHEM KIN完成二甲醚的HCCI燃燒的模擬計算。

1.1 模型的選擇

本文選擇CHENKIN中的內燃機模型（即IC Engine），IC Engine模塊解決了發動機中的著火燃燒問題。應用IC Engine模塊在發動機中進行HCCI燃燒模擬計算，需基于以下3點假設：

（1）燃燒室內質量恒定，且整個燃燒室為絕熱系統混合氣體組分均為理想氣體，其比熱能c、內能u、焓h等參數均僅與氣體溫度和氣體成分有關。

（2）缸內工質的狀態均勻，即同一瞬時氣缸內各點的壓力、溫度、各組分濃度處處相等。并假定在進氣期間，通過系統邊界進入氣缸內的空氣與氣缸內的殘余廢氣實現瞬時的完全混合。

（3）不計氣體的動能和勢能。

模擬計算中進氣門在上止點前(BTDC)132°CA關閉，故以壓縮上止點為曲軸轉角的零點，計算從進氣門關閉開始，結束于膨脹行程的終點，并且假設在模擬計算過程中，缸內壓力、溫度、各組分濃度處處相等，不考慮燃燒室壁面的傳熱。[2]

1.2 模擬數據與試驗數據對比

本文選用的發動機是云南內燃機廠生產的4100QB-1A發動機。

為了驗證計算模型的可靠性，將計算得到的缸內壓力與試驗測得的缸內壓力進行比較。計算初始條件根據試驗測量數據確定，圖1為轉速n=1000r/min、進氣溫度Tin=300K、平均指示壓力Pi=0.12MPa工況下模擬計算結果與試驗結果的對比。從圖中可以看出，計算的低溫和高溫的著火時刻與實驗測得結果吻合，但由于在計算過程中假設燃料混合氣分布均勻，而在實驗中不可能達到絕對的均勻分布，便會使得在計算中燃料高溫著火后的燃燒速率過快，并且在模擬計算中沒有考慮燃料混合氣的泄漏、燃燒室壁面的傳熱、邊界層及縫隙存在導致的不完全燃燒，使得計算的最大壓力比實驗結果高。[3]

圖1 模擬結果與試驗數據對比

1.2.1 邊界條件對HCCI燃燒的影響

1.3 過量空氣系數對HCCI燃燒的影響

圖2 過量空氣系數對缸內溫度的影響

由圖2、圖3可以看出，隨著過量空氣系數的增加，最高溫度壓力均降低，這是由于混合氣濃度降低導致。計算中工質總量不變，過量空氣系數增加還會導致燃料量減少，也會使最高溫度壓力下降。

圖3 過量空氣系數對缸內壓力的影響

1.4 進氣溫度對HCCI燃燒的影響

關于進氣溫度參數的研究計算條件：轉速1000rpm，P0=0.095MPa，CR=17，α=4.8。由圖4可看出，隨著進氣溫度的升高，最大溫度升高，著火時刻提前。初始溫度越高，缸內工質的摩爾數越小，進氣量變少，采用增壓技術可以增加進氣量。

圖4 進氣溫度對缸內溫度的影響

圖5 進氣溫度對缸內壓力的影響

由圖5可看出，進氣溫度越高，反應越容易開始進行，所以反應開始時的壓力越高，但是最高壓力卻不是最大的，320K時的壓力最高，這是由于此時混合氣濃度最適合反應的進行，反應最集中，壓力升高率最高所致。

1.5 初始壓力對HCCI燃燒的影響

對于初始壓力這一參數的研究計算是在轉速1000rpm，CR=17，T0=300K，α=4.8下進行的。由圖6、圖7可以看出，溫度壓力都隨初始壓力的升高而增加，最高溫度和最大壓力也越來越大，出現的時刻也有所提前。另外，初始壓力的增加會導致最大壓力過高，從而會導致NOx排放的急劇增加。[4]

圖6 初始壓力對缸內溫度的影響

圖7 初始壓力對缸內壓力的影響

2、結論

本文利用化學動力學計算軟件CHEMKIN對二甲醚燃料HCCI燃燒的過程進行了模擬計算并與實驗結果相比，結果表明：計算結果在整體壓力曲線形狀的預測與實驗結果相吻合，可以用來預測燃燒邊界條件對HCCI燃燒過程的影響。利用所建立的二甲醚HCCI燃燒的單區模型，研究了過量空氣系數、進氣溫度、初始壓力等燃燒邊界條件對二甲醚HCCI燃燒的影響規律。結果表明：隨著進氣溫度的升高、過量空氣系數的減小、初始壓力的增加，缸內的最高壓力升高，最大燃燒溫度上升。

[1] 呂興才,黃震.李孝祿.代用燃料二甲醚的研究現狀與前景[J].車用發動機,2003,04:39-42+54．

[2] 羅馬吉,黃震,陳志,呂興才,李德剛．二甲醚均質壓燃燃燒的詳細化學動力學模擬研究[J].汽車工程，2004，06:642-647．

[3] 陳志方,常耀紅.基于CHEMKIN的甲烷HCCI燃燒模擬研究[J],北京汽車,2011,05:10-13．

[4] 王大興,張欣,劉建華.均質壓燃式(HCCI)燃燒的研究[J].內燃機工程,2002,04:77-81．

Combustion Numerical Simulation of DME HCCI

Deng Hang, Deng Xiren, Wu Xianhuan
( Automobile Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064 )

In this paper, the simulation study on dimethyl ether HCCI combustion is carried out by using the large-scale chemical reaction kinetics software CHEMKIN, combined with the detailed chemical kinetics model of DME. The combustion chemical kinetics mechanism of DME is investigated in theory. And the influences of boundary conditions on DME HCCI combustion are analyzed. The results show that the maximum pressure and the maximum temperature in the cylinder are increased with the increase of the intake air temperature, excess air coefficient and the increase of initial pressure.

Combustion Characteristic; Emission; HCCI; DME; Simulation

U463.8

A

1671-7988(2016)07-48-03

鄧航，就讀于長安大學汽車學院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.015