二甲醚／甲醇混合燃料燃烧数值模拟研究

董兆晨，王柏超，田敏

（1.长安大学汽车学院，陕西 西安 710064；2.陕西重型汽车进出口有限公司，陕西 西安 710200）

前言

目前热效率最高的热力动力机械依然是各类内燃机，但是一方面，内燃机消耗相当多珍贵的化石类能源[1]，另一方面，内燃机的使用是大气污染与全球能源消耗的原因之一[2]。

研究[3-4]发现与传统内燃机燃烧方式相比，均质充量压缩燃烧技术（HCCI）因其在降低排放和内燃机节能方面具有巨大潜力从而成为全球内燃机界广泛关注的焦点。

本文利用CHEMKIN化学反应动力学模拟软件对DME/甲醇混合燃料HCCI进行数值模拟，分析其影响因素。重点研究燃料掺混对DME/甲醇混合燃料HCCI燃烧特性的影响规律。

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围的化学当量比和废气再循环（EGR）率下确保发动机的正常运行。即使当EGR很大时，甲醇也不会燃烧，但是当它处于稳定的工作范围时，会有大量的部分燃烧。研究发现[6]燃烧 DME燃料可以作为清洁替代燃料使用，从而达到柴油机高效，低噪，低排放的效果。图1为DME燃烧过程氧化反应流程图。

图1 DME 燃烧过程氧化反应流程图

相关研究表明[7-8]，DME/甲醇掺混燃烧性能、排放性能与燃料的混合比例、过量空气系数等有关。

2 方法

本文所用的IC Engine模块功能主要是解决发动机中着火及燃烧的问题以及做模拟HCCI燃烧的计算。做如下假设：

（1）燃烧室内质量恒定，且整个燃烧室为绝热系统。

（2）混合气体的组分均为理想气体，在不计混合气体的动能和势能的前提下，各组分参数只与气体温度、气体成分有关。

（3）缸内的工质的状态始终均匀，从而确保缸内各点的温度、压力以及各组分的浓度处处相等。

本文选用化学平衡法计算混合气成分配比。计算时对HCCI发动机系统的进气做如此设定：空气的成分仅为氧气和氮气，不含有其他多余气体。根据甲醇和DME的化学平衡关系：

定义掺混比为DME掺入甲醇后甲醇的浓度百分比。设掺混比为x，则总反应式为：

式中，Gair为实际进气量，G为理论空气量。

3 结果

过量空气系数过低时，混合气浓度升高。当 DME/甲醇混合燃料过量空气系数为3时缸内温度与压力都急剧增加，发动机工作粗暴，噪声变大，热负荷增大，燃烧热损失增加，输出功率降低，NOX排放增多，燃烧不理想。而过量空气系数为5、7和9时，相对适合HCCI发动机的燃烧。当过量空气系数为9时，放热率峰值非常低，燃烧困难。所以发动机的过量空气系数应该选取适中，这样可以使发动机运行平稳，热负荷降低，输出功率稳定，降低燃油消耗，提高燃油经济。

随着掺混比减小，DME浓度增加，缸内最大压力增加，缸内燃烧温度上升，燃烧着火时刻提前，放热率峰值增大，压力升高率峰值增大，热损失增多，NOX排放增多。随着发动机内甲醇浓度越高，DME/甲醇混合燃料的燃烧反应速率越低，即混合燃料燃烧越来越不明显，这表明DME的低温反应受到甲醇的抑制。

随着发动机转速升高，缸内最大温度和缸内最大爆发压力没有明显变化。但是发动机着火时延迟，燃烧持续的曲轴转角变长。在实际的发动机中，转速升高时，发动机的进气量减少（惯性进气部分），充气效率下降，混合气浓度下降,燃烧速率变慢，使得燃烧的着火时刻过迟，并且缸内温度和缸内压力降低，燃烧的累积放热量少，放热率下降，燃烧效果不理想。

研究发现随着进气温度的升高，第一阶段放热出现的时间相应地提前，并且第一阶段放热率最大值随进气温度升高而降低。在主放热阶段随着进气温度升高放热率的最大值升高，可见发动机缸内燃烧温度的最大值与进气温度密切相关。

4 讨论

研究表明：甲醇掺混度较低时，着火时刻较早，缸内温度和最大爆发压力较高，放热率和压力升高率很大，HCCI发动机工作粗暴，热负荷和机械载荷增加，掺混比较高时，放热率曲线峰值非常低，燃烧反应很不明显；过量空气系数较小时，缸内燃烧剧烈，燃烧时刻较早，最大爆发压力和最高燃烧温度较高，发动机工作粗暴，同时承受很高的热负荷和机械负荷。随过量空气系数的增大，最大爆发压力和最高燃烧温度降低，发动机工作趋于平稳；转速升高，缸内温度和压力变化不明显，但是燃烧着火时刻延迟，燃烧持续的曲轴转角增加；初始温度升高，缸内温度升高和放热率升高，缸内热负荷和机械载荷增加，发动机工作粗暴，NOX排放增加。

5 结论

本文应用CHEMKIN软件从影响发动机的四个影响因素（掺混比，过量空气系数，转速以及进气温度）的角度分析了在不同条件下，发动机的缸内压力，缸内温度，放热率，压力升高率和累积放热量的变化。探讨控制着火时刻和燃烧反应速率的技术途径，研究发现甲醇掺混度以及过量空气系数对DME/甲醇燃料HCCI燃烧特性影响很大，初始温度对HCCI燃烧特性有一定影响，发动机转速对燃烧着火时刻影响很大。由于模拟研究与实验研究存在一定差别，因此分析结果存在一定局限性，此外所研究的HCCI其他排放物也可以作为排放分析的重要参考。