定容彈中甲縮醛-柴油混合燃料的燃燒和排放物生成特性的模擬研究

魏 超，王秀紅，陳甲武，盧志美

（1.廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林 537005；2.廣西玉柴動力股份有限公司，廣西 玉林 537005）

0 引言

嚴重的能源危機和環境污染已是21 世紀的全球性問題。這些問題促使研究人員探索提高熱效率，降低污染物排放的燃燒策略。含氧燃料作為可再生資源之一，使用資源能有效緩解石油消耗，同時降低NOx和soot 排放，因此受到人們的廣泛關注。在美國，已經提供了稅收優惠以促進生物燃料在汽油中的使用[1]。在歐洲，要求所有歐盟成員國在2020 年之前必須符合在運輸中使用生物燃料或其他可再生燃料的10%的最低目標[2]。

甲縮醛（DMM）作為一種替代燃料，在許多實驗中已經成功地實現了比柴油燃料更低的煙塵排放，并且在制動比燃料消耗（BSFC）和氮氧化物（NOx）方面沒有損失[3-5]。此外，它還具有高氧濃度和無C-C 鍵的結構，這些特點確保了CI 發動機的良好減排燃燒[6]。Daly 等[7]首次研究了DMM 在溫度為1 200 ～800 K，當量比為1.778、0.889 和0.444,壓力為0.5 MPa 時的噴射攪拌式反應器中的氧化過程。根據他們建立的詳細化學動力學模型，發現DMM 的分解只需要非常低的活化能。Sinha 等[8]用三種含氧碳氫化合物，如碳酸二甲酯（DMC）、DMM 和異丙醇，研究了整個對流擴散火焰（OFDFs）的物種濃度和溫度。值得注意的是，對于DMM 和DMC 的燃料，由于缺乏C-C 鍵，迅速減少了乙炔、丙烯和乙烯的形成。Chen 等人[9]利用PI-MBMS（光離子化和分子束質譜）技術研究了DMM、DMC 和甲醇對層流預混正庚烷火焰的影響，觀察到隨著含氧燃料的加入，大部分C1-C5 中間物的含量都有所下降，研究中苯的濃度大大降低，這意味著煙塵前體物基本減少。Dias 等[10]開發了一個新的機制，其中包含480 個反應和90 個化學物種，以模擬DMM 火焰。他們得到了兩個主要的降解途徑來研究DMM 的消耗。上述所有的文獻都指出了燃燒過程中煙塵減少的性質。

綜上所述，在柴油中摻混DMM 是一種可能的降低排放的手段。因此，采用定容彈分析了不同DMM-柴油混合燃料燃燒過程中的燃燒和排放物生成特性，這些結果將有助于了解DMM-柴油混合燃料燃燒過程中NOx、Soot、HC 和CO 的生成規律，確定DMM 減排潛力。

1 仿真模型的構建

1.1 定容彈三維模型的建立

數值仿真基于CONVERGE 軟件，在UG 三維建模軟件中建立了定容彈的幾何模型，并將幾何模型保存為STL 格式文件導入到CONVERGE 中以獲得定容彈模型的表面文件，其結果見圖1，定容彈基本參數見表1。

圖1 定容彈三維模型

表1 定容彈的基本參數

選用RNGk-ε湍流模型，該模型對缸內湍流具有很好地描述。選用KH-RT 噴霧破碎模型來描述液滴的生成、脫落和破裂為更小的液滴[13]。主要的影響參數為KH 模型破碎特征時間系數，控制一次破碎過程的快慢，設置為7.0；RT 模型破碎特征時間系數，控制二次破碎的快慢設置為1.0；RT 模型破碎長度系數，該值越小，二次破碎進行越早，設置為1.0。碰撞模型為NTC 模型，蒸發模型為Frossling 模型。采用正庚烷來代替柴油燃料，選用詳細化學反應動力學燃燒模型（SAGE），選用152 個反應的骨架機理[11]。在求解流體動力學的同時進行化學反應的求解，針對預混合燃燒具有較高的模擬準確性。

網格選用基礎網格2 mm，在此基礎上增加自適應網格加密技術，通過設置速度梯度（1.0 m/s）和溫度梯度（2.5 K）限制需求的時間內進行自動化網格加密與粗化，最小網格大小為0.25 mm，此項技術可以在獲得高精度仿真結果的同時，大幅度的解決計算資源與計算時間。

1.2 燃料性質

本研究選擇了四種燃料，分別為純柴油（D100），10%DMM 與90%柴油混合燃料（DMM10），20%DMM與80%柴油混合燃料（DMM20）和30%DMM 與70%柴油混合燃料（DMM30）。D100 與DMM 的理化性質對比見表2。

表2 柴油和甲縮醛的理化性質

2 模擬結果與分析

定容彈內柴油的著火和燃燒過程，時間為5 ms，噴油時刻為0 ～2.5 ms，光圖譜如圖2 所示。從圖2可看到，在1.5 ms 左右有火焰出現，并且出現在噴霧底部，這是由于底部溫度和氧濃度較高，發生自燃反應；并且火焰不斷增大。從1.5 ～3 ms，火焰不斷增大，不斷燃燒內部剩余的燃料，在3 ms 時，霧化燃料燃盡。3 ms 后火焰逐漸減少，直至熄滅。除此之外可以發現，定容彈內最大的燃燒溫度高于2 500 K，火焰逐步由中部向外擴展。由于混合燃料與柴油的燃燒過程相近，燃燒差異較小，因此需要定量分析DMM 混合燃料與柴油的柴油，所以，文中給出了放熱率、最大溫度、顆粒物、氮氫化物、氮氫化合物和一氧化碳的定量分析，如圖3。

圖2 柴油燃料燃燒過程

圖3 不同燃燒放熱率曲線

四種燃料的燃燒放熱率，如圖3 所示。由于放熱率取自實時的模擬值，高保真度的模擬通常顯示出更多的波動。由圖可以發現，在剛著火時，放熱率最高，可達8 × 105J/CA。但是隨著時間的增大，放熱率逐漸減少，在3 ms 左右，放熱率減小速度增大，這是由于定容彈內燃料燃盡，將要熄火的原因。在3.5 ms 左右燃料燃盡。另一方面，隨著DMM 比例的增大，著火延遲明顯增長；DMM30 的著火延遲最大，約為1.7 ms。這是由于DMM 燃料的蒸發前熱值較高引起的。

不同燃料的最大燃燒溫度，如圖4 所示。由圖4可發現，相比于D100，摻混DMM 會抑制燃料的燃燒，這表現在柴油機中為點火延遲。隨著DMM 濃度增加，燃燒滯后效果越顯著。

圖4 不同燃料的最大燃燒溫度

Soot 排放物的生成量曲線，如圖5 所示。由圖5可知，在1.5 ms 之前，Soot 生成量保持一致，這主要是因為燃料附近氧濃度較高。但在1.5 ms 后，由于DMM 中的氧含量較高，促進燃料的燃燒，導致Soot生成量降低。

圖5 Soot 生成曲線

不同燃料燃燒過程中NOx 的生成曲線如圖6 所示。由圖6 可知，在1.5 ms 后，NOx 開始大量生成。這是因為，此時缸內溫度較高，如圖2 所示。相比于D100，DMM 有效抑制NOx 的排放，結合圖3 可知，DMM-柴油混合燃料是一種打破NOx-Soot 平衡的有效手段。

圖6 NOX 生成曲線

不同燃料燃燒過程中HC 的生成曲線，如圖7 所示。由圖7 可知，1.5 ms 前，HC 的濃度隨時間升高，主要是因為燃料未充分燃燒。而在1.5 ms 后，HC 快速降低。相比于D100，DMM 表現出更高的HC 排放量。但在3.5 ms 時，混合燃料的HC 排放量相差不大。

圖7 HC 生成曲線

圖8 展示了不同燃料燃燒過程中CO 的生成曲線。相比于HC 生成曲線，CO 生成曲線在2.8 ms 時開始顯著下降，此時，燃料已大部分燃盡，高溫下，CO 與O2發生反應生成CO2。相比于D100，摻混DMM 有助于CO 的降低，且隨著DMM 濃度的增加，CO 生成量減少。

圖8 CO 生成曲線

3 結論

（1）相比于D100，摻混DMM 會抑制燃燒，且隨著DMM 濃度增加，燃燒滯后。

（2）摻混DMM 有助于降低NOx 和Soot 和CO的生成，但會提高燃燒過程中HC 的生成，但對HC排放的影響較小。