二甲醚／甲醇混合燃料燃燒數值模擬研究

董兆晨，王柏超，田敏

（1.長安大學汽車學院，陜西 西安 710064；2.陜西重型汽車進出口有限公司，陜西 西安 710200）

前言

目前熱效率最高的熱力動力機械依然是各類內燃機，但是一方面，內燃機消耗相當多珍貴的化石類能源[1]，另一方面，內燃機的使用是大氣污染與全球能源消耗的原因之一[2]。

研究[3-4]發現與傳統內燃機燃燒方式相比，均質充量壓縮燃燒技術（HCCI）因其在降低排放和內燃機節能方面具有巨大潛力從而成為全球內燃機界廣泛關注的焦點。

本文利用CHEMKIN化學反應動力學模擬軟件對DME/甲醇混合燃料HCCI進行數值模擬，分析其影響因素。重點研究燃料摻混對DME/甲醇混合燃料HCCI燃燒特性的影響規律。

1 燃料特性分析

研究[5]表明，甲醇/乙醇和汽油/PRF相比，甲醇/乙醇混合燃料可以在更大范圍的化學當量比和廢氣再循環（EGR）率下確保發動機的正常運行。即使當EGR很大時，甲醇也不會燃燒，但是當它處于穩定的工作范圍時，會有大量的部分燃燒。研究發現[6]燃燒 DME燃料可以作為清潔替代燃料使用，從而達到柴油機高效，低噪，低排放的效果。圖1為DME燃燒過程氧化反應流程圖。

圖1 DME 燃燒過程氧化反應流程圖

相關研究表明[7-8]，DME/甲醇摻混燃燒性能、排放性能與燃料的混合比例、過量空氣系數等有關。

2 方法

本文所用的IC Engine模塊功能主要是解決發動機中著火及燃燒的問題以及做模擬HCCI燃燒的計算。做如下假設：

（1）燃燒室內質量恒定，且整個燃燒室為絕熱系統。

（2）混合氣體的組分均為理想氣體，在不計混合氣體的動能和勢能的前提下，各組分參數只與氣體溫度、氣體成分有關。

（3）缸內的工質的狀態始終均勻，從而確保缸內各點的溫度、壓力以及各組分的濃度處處相等。

本文選用化學平衡法計算混合氣成分配比。計算時對HCCI發動機系統的進氣做如此設定：空氣的成分僅為氧氣和氮氣，不含有其他多余氣體。根據甲醇和DME的化學平衡關系：

定義摻混比為DME摻入甲醇后甲醇的濃度百分比。設摻混比為x，則總反應式為：

式中，Gair為實際進氣量，G為理論空氣量。

3 結果

過量空氣系數過低時，混合氣濃度升高。當 DME/甲醇混合燃料過量空氣系數為3時缸內溫度與壓力都急劇增加，發動機工作粗暴，噪聲變大，熱負荷增大，燃燒熱損失增加，輸出功率降低，NOX排放增多，燃燒不理想。而過量空氣系數為5、7和9時，相對適合HCCI發動機的燃燒。當過量空氣系數為9時，放熱率峰值非常低，燃燒困難。所以發動機的過量空氣系數應該選取適中，這樣可以使發動機運行平穩，熱負荷降低，輸出功率穩定，降低燃油消耗，提高燃油經濟。

隨著摻混比減小，DME濃度增加，缸內最大壓力增加，缸內燃燒溫度上升，燃燒著火時刻提前，放熱率峰值增大，壓力升高率峰值增大，熱損失增多，NOX排放增多。隨著發動機內甲醇濃度越高，DME/甲醇混合燃料的燃燒反應速率越低，即混合燃料燃燒越來越不明顯，這表明DME的低溫反應受到甲醇的抑制。

隨著發動機轉速升高，缸內最大溫度和缸內最大爆發壓力沒有明顯變化。但是發動機著火時延遲，燃燒持續的曲軸轉角變長。在實際的發動機中，轉速升高時，發動機的進氣量減少（慣性進氣部分），充氣效率下降，混合氣濃度下降,燃燒速率變慢，使得燃燒的著火時刻過遲，并且缸內溫度和缸內壓力降低，燃燒的累積放熱量少，放熱率下降，燃燒效果不理想。

研究發現隨著進氣溫度的升高，第一階段放熱出現的時間相應地提前，并且第一階段放熱率最大值隨進氣溫度升高而降低。在主放熱階段隨著進氣溫度升高放熱率的最大值升高，可見發動機缸內燃燒溫度的最大值與進氣溫度密切相關。

4 討論

研究表明：甲醇摻混度較低時，著火時刻較早，缸內溫度和最大爆發壓力較高，放熱率和壓力升高率很大，HCCI發動機工作粗暴，熱負荷和機械載荷增加，摻混比較高時，放熱率曲線峰值非常低，燃燒反應很不明顯；過量空氣系數較小時，缸內燃燒劇烈，燃燒時刻較早，最大爆發壓力和最高燃燒溫度較高，發動機工作粗暴，同時承受很高的熱負荷和機械負荷。隨過量空氣系數的增大，最大爆發壓力和最高燃燒溫度降低，發動機工作趨于平穩；轉速升高，缸內溫度和壓力變化不明顯，但是燃燒著火時刻延遲，燃燒持續的曲軸轉角增加；初始溫度升高，缸內溫度升高和放熱率升高，缸內熱負荷和機械載荷增加，發動機工作粗暴，NOX排放增加。

5 結論

本文應用CHEMKIN軟件從影響發動機的四個影響因素（摻混比，過量空氣系數，轉速以及進氣溫度）的角度分析了在不同條件下，發動機的缸內壓力，缸內溫度，放熱率，壓力升高率和累積放熱量的變化。探討控制著火時刻和燃燒反應速率的技術途徑，研究發現甲醇摻混度以及過量空氣系數對DME/甲醇燃料HCCI燃燒特性影響很大，初始溫度對HCCI燃燒特性有一定影響，發動機轉速對燃燒著火時刻影響很大。由于模擬研究與實驗研究存在一定差別，因此分析結果存在一定局限性，此外所研究的HCCI其他排放物也可以作為排放分析的重要參考。