EGR对二甲醚HCCI发动机燃烧特性的影响

黄锦耀， 严诗伦， 陈朝阳,2

(1.长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064； 2.西安交通大学 能源与动力工程学院，陕西 西安 710049)

0 引言

汽车保有量的急剧增加，加剧了环境污染和能源消耗.必须寻找新型洁净可替代燃料,并进一步开发高效低污染的新型燃烧方式，才能顺应社会的发展.

二甲醚(DME)是一种可以从煤中制取的清洁燃料，分子式为CH3OCH3，由于分子中没有C—C键，且汽化潜热较大，在燃烧中可以降低PM和NOx的生成.DME常温下是无色无味无毒的气体，压力超过0.5 MPa即可液化，便于运输和储存.DME十六烷值比柴油高，被认为是柴油机的理想代用燃料[1-3].均质混合气压燃(HCCI)是一种新型的燃烧方式，其主要特点是采用稀薄燃烧，可以降低NOx和PM的排放，是清洁的燃烧方式，但HCCI的着火和燃烧过程受燃料的化学反应动力学控制[3-6]，面临着火时刻不易控制和工作范围狭窄的问题.研究表明，HCCI发动机对燃料的灵活性高，可以利用DME燃料的特点来解决HCCI燃烧中工作范围狭窄的问题[7].

国内外对二甲醚的化学反应动力学机理进行了广泛的研究，证明了二甲醚燃料也遵循碳氢类燃料的反应机理路径，先分成小分子，再氧化成甲醛、甲酸基，进而生成CO，最后CO和H氧化成CO2和H2O[8-10].罗马吉等[9]利用EGR研究DME的HCCI着火过程，证实了EGR对HCCI燃烧既有(内部EGR)高温促进作用，也有(外部EGR)抑制的作用，还从化学反应动力学的角度，应用单区燃烧模型和已建立的二甲醚化学反应机理，对采用内部EGR技术控制的DME的HCCI着火过程进行了数值模拟，分析了不同REGR对其着火过程的影响.

诸多研究表明，二甲醚燃料结合不同比例的REGR，可以有效拓展HCCI发动机的工况范围.然而，REGR对二甲醚HCCI燃烧过程的影响细节并不清楚，笔者利用化学反应动力学软件CHEMKIN对不同REGR和过量空气系数λ下的DME的HCCI燃烧进行了系统的数值模拟，重点分析REGR和λ对二甲醚HCCI燃烧过程的影响.

1 模拟方法介绍及参数选取

模拟采用气缸压缩比为16.5，容积103.3 cm3，使燃烧更接近实际情况，转速设置为1 600 r/min，进气压力1.079 MPa，进气温度 400 K.

(1)过量空气系数λ：是实际进气量与DME恰好反应完全所需进气量的比值.笔者所取的过量空气系数分别为1、3、6、9.

(2)废气再循环率REGR：是指利用废气再循环技术后，引入废气的物质的量占混合气与引入废气的总物质的量的百分比，由如下公式计算：

(1)

式中：n废气为进入气缸的废气的物质的量；n混合气为进入气缸的新鲜混合气的物质的量.

笔者采用外部EGR，REGR取值分别为0%、10%、20%、30%、40%.

(3)数据的计算：废气成分比较复杂，若对含量较多的废气成分研究，一般只考虑O2、N2、CO2、H2O 4种成分.那么不同λ对燃料在缸内的化学反应就可以简化为以下公式：

CH3OCH3+λ(3O2+11.286N2)=
xH2O+yCO2+zO2+wN2．

(2)

设引入缸内的废气占燃烧产生的总废气量的百分比数为α，利用废气再循环技术后，缸内的REGR表示为：

REGR=

(3)

在预设的不同REGR和λ下，即可利用公式求出废气的引入系数α，从而确定该条件下废气中4种气体、二甲醚及空气中的O2、N2的摩尔比值，就可以将数据录入CHENMKIN的前处理器，并基于包含55种组分，290种基元反应的DME化学反应机理[11]，利用软件中的发动机绝热反应模块进行模拟.

2 分析与讨论

2.1 废气再循环率对DME燃烧的影响

DME的HCCI燃烧从开始放热可以分成3个区域，第一是低温放热反应区，DME的低温氧化反应是链传播过程，链传递的载体是羟基自由基，产生重要的中间产物甲醛和甲酸，放出少量的热量；第二是负温度系数区，上一阶段生成的大量活性很低的甲醛在这一区域内积累，抑制了链传播，DME氧化反应速率降低，所以几乎无热量放出；第三是高温反应区，主要是低温氧化阶段产物的氧化，是CO的氧化放热阶段，放出的热量在整个燃料的燃烧阶段占有较大的比例[3].

图1和图2分别给出的是模拟计算得到的过量空气系数为3时，不同REGR下发动机缸内温度和压力随曲轴转角的变化曲线.由图1和图2可知，随着REGR增大，气缸内的最高压力、最高温度都有所下降.笔者采用外部EGR，因此不考虑废气的加热作用，EGR主要通过其稀释作用、吸热作用和化学作用影响DME的燃烧和放热.首先，废气占有一定的发动机容积，使进入缸内的新鲜混合气量减少，使得燃料燃烧放热量减少；另一方面，废气主要成分中的CO2和H2O为三原子气体，比热容大，引入EGR后增加了混合气的比热容，使混合气的吸热作用增加，最终燃烧压力和温度降低；再则，CO2和H2O在高温下会发生分解反应，进而影响混合气的化学反应进程.三者的综合作用使二甲醚的燃烧受到一定程度抑制，缸内燃烧剧烈程度和反应速度降低，但同时也能减轻发动机工作粗暴的问题.EGR是减轻HCCI发动机爆震燃烧的有效措施之一.

图1 不同REGR下的发动机缸内温度Fig.1 The engine temperature in cylinder with different EGR rate

图2 不同REGR下的发动机缸内压力Fig.2 The engine pressure in cylinder with different EGR rate

图3为不同REGR下的放热率曲线，如图3所示，随REGR增加，放热率峰值降低，亦是受到EGR的抑制作用，且高温阶段呈现双峰放热，第一个峰是中间产物生成CO的放热量，第二个是CO被氧化成CO2的放热量.

图3 不同REGR下发动机的放热率Fig.3 The engine with different EGR rate of heat release rate

在低温放热阶段，开始放热的位置是在-29.5°CA曲轴转角处，几乎不随REGR的增大而变化，这是由于压缩到-29.5°CA左右时，缸内温度达到750～800 K，低温放热阶段开始，二甲醚被氧化成甲醛和甲酸基等中间产物放出少量的热量.而负温度系数区和高温反应区持续期随REGR的增大而变长.这是因为增大REGR，提高了混合气的热容，压缩过程中缸内温度降低，且废气对燃料的稀释作用增大，使燃料的反应速度减慢，持续期增长.

如图4是模拟过量空气系数为3 时，不同REGR下CO的摩尔百分数变化曲线.在曲轴转角为-29.5°CA的低温反应区开始生成少量CO.因为此阶段产生的甲醛和甲酸基等中间产物也会同时生成少量的CO.在负温度系数区CO变化曲线斜率接近为0,这是由于EGR和中间产物甲醛的抑制作用，使CO的生成受到抑制，且REGR越大抑制越强持续期越长.高温反应阶段有大量的CO产生并完全消耗，此过程是经历了甲醛等生成CO的蓝焰反应和CO被氧化成CO2的热焰反应.随着REGR的增大，CO从生成到消耗的持续时间增长，这是由于着火持续期增长，CO的生成和消耗时间增长.

2.2 过量空气系数对DME燃烧的影响

图5和图6分别给出的是REGR为0.2时，不同λ下的缸内温度、压力曲线.由图可知，缸内压力和温度峰值随过量空气系数的增大而降低，且压力和温度曲线的变化率也逐渐减小.这是因为λ增加，参加反应的燃料量相对减小，燃烧剧烈程度减小，燃烧放出的热量减少.

图4 不同REGR下发动机燃烧过程中CO的摩尔百分数变化曲线Fig.4 The engine combustion process with different EGR rate curves of the mole fraction CO

图5 不同λ下的发动机缸内温度Fig.5 The engine temperature in cylinder with different λ

图6 不同λ下的发动机缸内压力Fig.6 The engine pressure in cylinder with different λ

图7所示的是REGR为0.2，不同λ下DME燃料发动机HCCI燃烧模式的放热率曲线.由图7可以看出，随着λ的增大，放热率峰值急剧下降，这与缸内压力和温度峰值的下降一致，都是由于λ的增大减少了缸内的燃料量所致.放热率的两个峰值位置随λ的变化呈现不同的规律.随着λ的增大，低温放热阶段提前，而高温放热阶段滞后.这是由于随着λ的增大，混合气的比热容减小，压缩阶段温度升高幅度增大，因此，大的λ的混合气先达到低温反应温度限值，使低温反应阶段提前；然而，大的λ使得混合气中燃料量减少，低温燃烧放热阶段放热量减小，前期温度积累减小，使得高温主反应阶段滞后，过多的空气量也使得高温反应阶段反应剧烈程度减小，放热率峰值下降.

图7 不同λ下发动机的放热率Fig.7 The engine with different λ of heat release rate

图8 不同λ下发动机燃烧过程中CO的摩尔分数变化曲线Fig.8 The engine combustion process with different λ curves of the mole fraction CO

图8所示的是REGR为0.2，不同λ下的CO摩尔百分数变化曲线.由图8可知，λ=1时，CO摩尔百分数表现出两个峰值，先在较短时间内急剧增大后降低，再缓慢上升最终消耗完全，这是因为当λ=1时，缸内温度较高，氧气以当量供给，燃烧初期，氧气相对充足，生成的CO很快氧化成CO2，而之后受到了O2浓度的限制，CO的蓝焰反应速率高于热焰反应，摩尔百分数稍有增加，最终CO基本完全被氧化.当λ大于3时，在低温反应阶段，有少量CO生成，负温度系数区CO摩尔百分数保持不变.在高温反应阶段有大量CO生成并消耗，变化趋势逐渐减小.因为随着λ增大，O2浓度增加，氧化改善，CO几乎完全氧化成CO2，λ增大，缸内温度降低，使CO的反应速率降低.λ=9时，CO又出现剩余，这是因为λ过大，缸内温度较低，CO的氧化受到抑制.

3 结论

(1)外部EGR能改变DME的HCCI燃烧，随着REGR的增大，缸内的压力、压力升高率、温度及放热率都有所降低；对应的二甲醚低温反应阶段的燃烧相位几乎不变，负温度系数区持续时间增长，高温反应阶段的燃烧相位推迟，燃烧持续期增长.

(2)随着过量空气系数的增加，缸内压力、温度以及放热率峰值降低，低温氧化放热提前，而高温放热阶段和燃烧持续期增长.

因此可以通过改变REGR和λ来对DME的HCCI燃烧进行控制.

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