王理堃，張光德，三次勇太，金野滿

(1.武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，湖北 武漢，430081；2.茨城大學(xué)理工學(xué)研究科，日本茨城 日立，3168511)

鑒于全球石油資源消耗日益加劇，尋找新的代用燃料具有十分重要的意義。二甲醚(dimethyl ether，DME)分子式為CH3OCH3，無毒性，可無煙燃燒且燃燒噪聲較低，能實(shí)現(xiàn)最大比例的廢氣再循環(huán)，從而大幅降低氮氧化合物的排放[1-2]。二甲醚十六烷值約為55～60，具有良好的壓燃性，非常適合作為壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的替代燃料[3]。然而由于二甲醚的密度、彈性模量、熱值等相對(duì)于柴油較低，故要想達(dá)到相同的能量輸出，二甲醚的噴射量必須是柴油的1.8倍，而且蒸汽壓力與表面張力特性也對(duì)二甲醚噴射過程中的燃料破碎和蒸發(fā)有潛在影響。

處于超臨界狀態(tài)的流體將呈現(xiàn)不同于亞臨界狀態(tài)的流體特性，包括氣體與液體的界面不復(fù)存在，液體表面張力和蒸發(fā)潛熱都趨近于零，此時(shí)流體密度趨于液體密度，而輸送特性則趨于氣體的輸送特性，不存在破碎的顆粒，整個(gè)噴霧的擴(kuò)散也將非常明顯[4]。研究表明，汽油在超臨界狀態(tài)下可提升噴射速度，并且具有更好的霧化特性[5]。二甲醚對(duì)應(yīng)的臨界點(diǎn)壓力和溫度分別是5.37 MPa和400.05 K[6]，而增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的工作壓力及溫度都超過了這個(gè)臨界條件[7]，所以二甲醚在超臨界條件下的噴射是可以實(shí)現(xiàn)的，探討該狀態(tài)下二甲醚的噴霧燃燒特性對(duì)于二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)具有重要意義，然而目前此領(lǐng)域的研究成果相對(duì)不足。

周昃等[8]使用高速攝像機(jī)拍攝記錄了定容彈內(nèi)超臨界噴射條件下二甲醚的噴霧特性。本研究在其基礎(chǔ)上進(jìn)行超臨界噴射條件下的二甲醚噴霧燃燒實(shí)驗(yàn)，并與亞臨界噴射情形進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)考慮到實(shí)驗(yàn)成本較高，又根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件建立了適用于二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的噴霧燃燒數(shù)值仿真模型，以期為后續(xù)研究工作提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本研究在模擬柴油發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)機(jī)工況的定容彈中進(jìn)行，分別進(jìn)行噴霧非燃燒和噴霧燃燒實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。定容彈兩側(cè)安裝有直徑100 mm、厚50 mm的觀察窗口，有效觀察范圍為直徑80 mm的圓形區(qū)域。在定容彈四周裝有電加熱裝置，能使其室溫達(dá)到400 K左右。為達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)高溫、高壓條件，可向定容彈內(nèi)充入一定比例的H2、O2、CO、N2，并由定容彈底部的火花塞點(diǎn)燃。噴射部分主要包括由二甲醚專用的高壓共軌系統(tǒng)、安裝在定容彈上方中間位置的噴油器以及噴射控制裝置，噴油孔直徑為0.31 mm，噴油器內(nèi)裝有電熱絲以控制實(shí)驗(yàn)所需的噴射溫度，噴油器內(nèi)溫度由直徑為0.1 mm的K型熱電偶監(jiān)測(cè)。光學(xué)觀察部分主要包括納米強(qiáng)光源和高速攝像機(jī)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)條件及方法

實(shí)驗(yàn)?zāi)M柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況，設(shè)定缸內(nèi)溫度、壓力分別為920 K、6.0 MPa，噴射壓力為100 MPa。為了實(shí)現(xiàn)超臨界噴射，將噴油器內(nèi)的二甲醚加熱到427 K，并與亞臨界條件下359 K的二甲醚噴射進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。通過控制定容彈內(nèi)氧氣濃度實(shí)現(xiàn)二甲醚的自燃。進(jìn)行二甲醚的噴霧燃燒實(shí)驗(yàn)時(shí)，初始混合氣中氧氣濃度為16%；而進(jìn)行二甲醚的噴霧非燃燒實(shí)驗(yàn)時(shí)，初始混合氣中氧氣濃度僅為8.1%，這樣混合氣體燃燒后的氧氣濃度接近于零，二甲醚不會(huì)自燃。

實(shí)驗(yàn)開始前，先往定容彈中充入一定比例的可燃?xì)怏w，點(diǎn)燃后缸內(nèi)溫度和壓力最高可分別達(dá)到1850 K和18.5 MPa。通過感應(yīng)裝置監(jiān)控，在達(dá)到目標(biāo)環(huán)境條件時(shí)進(jìn)行噴射實(shí)驗(yàn)。

采用兩種光學(xué)觀察方法記錄噴霧形態(tài)，分別是可以同時(shí)拍攝噴霧的氣相和液相的陰影法以及僅能拍攝噴霧液相的背景散射法[9]。陰影法用來捕捉噴霧的宏觀形態(tài)包括噴霧錐角和貫穿距離，背景散射法則是通過觀察噴霧液相的貫穿距離來判斷二甲醚的霧化程度。在拍攝噴霧燃燒時(shí)快門速度為40 000 fps，拍攝像素為512×512；非燃燒狀況下快門速度為20 000 fps，拍攝像素為384×400。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

二甲醚非燃燒噴霧實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果如圖2和圖3所示。陰影法拍攝結(jié)果顯示，超臨界和亞臨界條件下的二甲醚噴霧形態(tài)并沒有明顯差異；背景散射法拍攝結(jié)果顯示，超臨界條件下二甲醚噴霧的液相貫穿距離更短。

圖2 陰影法記錄的二甲醚噴霧圖像

圖3 背景散射法記錄的二甲醚噴霧圖像

Fig.3ImagesofDMEspraybybackgroundscatteringmethod

根據(jù)二甲醚噴霧圖像得出超臨界和亞臨界條件下噴霧貫穿距離和液相貫穿距離的數(shù)據(jù)對(duì)比，如圖4所示。可以進(jìn)一步看出，兩種條件下的二甲醚噴霧貫穿距離十分接近，而超臨界和亞臨界條件下二甲醚噴霧的液相貫穿距離分別為15 mm和19 mm左右，這表明超臨界條件下更多的二甲醚燃料霧化了。

圖4 超臨界和亞臨界二甲醚噴霧實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

Fig.4ComparisonofexperimentalresultsbetweensupercriticalandsubcriticalDMEsprays

二甲醚噴霧燃燒實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果如圖5所示，從圖中可以看出不同條件下二甲醚噴霧燃燒形態(tài)并無太大差別，但超臨界條件下的噴霧著火時(shí)刻略微提前?？傊?，超臨界狀態(tài)對(duì)二甲醚噴霧燃燒方面的影響較小。

圖5 陰影法記錄的二甲醚噴霧燃燒圖像

2 仿真研究

二甲醚易蒸發(fā)、常溫下不容易保存、難以加壓等特性導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)成本較高，所以建立合適的二甲醚噴霧仿真模型對(duì)于今后的研究工作具有十分重要的意義。本文仿真分析使用的FORTE計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬軟件可以將噴霧模型與二甲醚燃燒的氧化還原反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行耦合，并且其對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量依賴程度低，可實(shí)現(xiàn)多線程求解，計(jì)算速度快。

2.1 二甲醚噴霧模型的構(gòu)建

為了模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，仿真完全采用日本株式會(huì)社電裝(DENSO)提供的DME專用發(fā)動(dòng)機(jī)噴射系統(tǒng)及燃燒室的參數(shù)作為建模依據(jù)，噴射孔徑為0.31 mm，噴射壓力為100 MPa。定容彈中的環(huán)境為仿渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)環(huán)境，壓力和溫度分別為6.0 MPa和920 K?？倗娚淞繀⒖紝?shí)驗(yàn)結(jié)果為24 mg。計(jì)算范圍為49 mm×49 mm×100 mm。模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，頂部設(shè)置噴射控制點(diǎn)，噴霧形態(tài)也會(huì)在此顯現(xiàn)?？紤]到計(jì)算負(fù)荷，設(shè)置網(wǎng)格尺寸為1 mm3，共5000個(gè)網(wǎng)格單元。

2.2 二甲醚噴霧燃燒模型的構(gòu)建

在FORTE軟件中可調(diào)整燃料成分，劃分網(wǎng)格區(qū)域的環(huán)境成分，通過相關(guān)的氧化還原反應(yīng)組模擬燃料的燃燒過程。鑒于二甲醚實(shí)際燃燒的復(fù)雜性，選用合適的氧化還原反應(yīng)機(jī)理尤為重要。本次研究參照文獻(xiàn)[10]，選用由Burke等[11]提出的詳細(xì)DME化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，并圍繞二甲醚噴霧燃燒實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真建模，同樣通過控制初始網(wǎng)格環(huán)境內(nèi)的氧氣濃度實(shí)現(xiàn)二甲醚的自燃。

二甲醚自燃時(shí)有三個(gè)重要的反應(yīng)過程：①階段一為低溫氧化反應(yīng)階段，主要由于O2的異構(gòu)性及附著性，其與二甲醚低溫反應(yīng)產(chǎn)生大量的OH自由基；②階段二中二甲醚仍未發(fā)生燃燒，由于產(chǎn)生的HO2而導(dǎo)致CH2O和H2O2大量積蓄[12]；③階段三為二甲醚自燃的高溫反應(yīng)階段，前兩個(gè)階段積累的大量活性游離基及化合物互相反應(yīng)，主要由于H2O2的分解促進(jìn)了高溫反應(yīng)階段的產(chǎn)生，放出大量能量。各階段相關(guān)反應(yīng)式如圖6所示。

圖6 二甲醚燃燒反應(yīng)過程

2.3 仿真結(jié)果與分析

2.3.1 非燃燒條件下二甲醚噴霧仿真

超臨界和亞臨界條件下未燃燒時(shí)二甲醚噴霧形態(tài)的仿真結(jié)果如圖7所示。對(duì)比圖2和圖7可以發(fā)現(xiàn)，仿真結(jié)果在一定程度上再現(xiàn)了二甲醚噴霧的部分特征，如噴霧的大致形狀和貫穿距離。

根據(jù)仿真得到的超臨界和亞臨界條件下二甲醚未燃燒時(shí)的噴霧貫穿距離與液相貫穿距離如圖8所示?？梢钥闯?，兩種噴射條件下的噴霧貫穿距離基本相同，而超臨界條件下的液相貫穿距離小于亞臨界狀態(tài)下的對(duì)應(yīng)值。仿真結(jié)果在噴霧貫穿距離方面基本還原了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。然而，仿真結(jié)果中超臨界條件下液相貫穿距離為0，而亞臨界條件下的液相貫穿距離大于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這可能是因?yàn)椋碚撋隙酌言诔R界條件下處于一個(gè)密度大但輸運(yùn)特性更像氣體的新狀態(tài)，在FORTE軟件中對(duì)該狀態(tài)進(jìn)行呈現(xiàn)時(shí)便不能把此時(shí)的二甲醚當(dāng)做液相記錄，故得出液相貫穿距離為0，但該仿真結(jié)果仍能對(duì)比說明超臨界條件下的二甲醚噴霧特性。

(a)超臨界條件

(b)亞臨界條件

圖8非燃燒時(shí)二甲醚噴霧貫穿距離和液相貫穿距離仿真結(jié)果

Fig.8SimulationresultsofunfiredDMEspraytipandliquidphasepenetrationlengths

根據(jù)仿真得出超臨界和亞臨界條件下的二甲醚總噴射量如圖9所示?？梢钥闯?，噴射條件并不影響噴射過程中二甲醚的總噴射量，結(jié)合圖8可推測(cè)，超臨界狀態(tài)下二甲醚從噴射開始時(shí)便已經(jīng)霧化。

圖9二甲醚總噴射量

Fig.9TotalinjectionquantityofDME

2.3.2 燃燒條件下二甲醚噴霧仿真

超臨界和亞臨界條件下的二甲醚噴霧燃燒仿真結(jié)果如圖10所示。前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，超臨界條件與亞臨界條件下的噴霧著火時(shí)刻分別為0.25 ms和0.275 ms。仿真基本擬合了實(shí)驗(yàn)中超臨界條件下噴霧著火時(shí)刻略早的結(jié)果。在噴霧的燃燒特性如火焰舉升距方面，可以看出亞臨界條件下的火焰舉升距更遠(yuǎn)，而從兩種條件下的火焰燃燒亮度方面并不能看出明顯的區(qū)別。

(a)超臨界條件

(b)亞臨界條件

仿真過程中二甲醚燃燒時(shí)的溫度如圖11所示。由圖11可見，超臨界條件下二甲醚噴霧燃燒釋放的熱量更多，并且比亞臨界條件下的噴霧更快達(dá)到最高溫度點(diǎn)，這也進(jìn)一步說明了超臨界條件下二甲醚霧化效果更好。

圖11二甲醚噴霧燃燒溫度

Fig.11TemperatureofDMEspraycombustion

3 結(jié)語

本研究模擬發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)機(jī)工況，在定容彈中觀察超臨界和亞臨界噴射條件下二甲醚噴霧及燃燒形態(tài)，同時(shí)基于FORTE軟件開發(fā)二甲醚噴霧燃燒仿真模型，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。二甲醚在兩種噴射條件下的噴霧貫穿距離無明顯差異，而超臨界條件下的液相貫穿距離較短。與亞臨界條件相比，超臨界條件下二甲醚噴霧著火時(shí)刻略早，火焰舉升距較小。仿真結(jié)果還顯示超臨界條件下二甲醚燃燒釋放出更多的熱量。然而仿真模型仍需調(diào)校，其在二甲醚噴霧的液相貫穿距離和著火時(shí)刻上仍不能精確還原實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并且仿真計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，下一步研究可考慮精簡(jiǎn)二甲醚氧化還原反應(yīng)組，縮短計(jì)算時(shí)間。

[1] 黃震，喬信起，張武高，等.二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2008,26(S1):115-125.

[2] 盛新堂，高廣新，吳國偉，等．二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴射過程及其影響因素研究[J]．西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2012,46(1):9-12.

[3] 堯命發(fā)，許斯都，金萍．二甲基醚(DME )噴霧混合特性的研究[J]．內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2001,19(5)：410-416.

[4] 解茂昭.內(nèi)燃機(jī)跨臨界/超臨界燃料噴霧混合過程的機(jī)理與模型[J]．燃燒科學(xué)與技術(shù)，2014,20(1):1-9.

[5] De Boer C, Bonar G, Sasaki S, et al. Application of supercritical gasoline injection to a direct injection spark ignition engine for particulate reduction[R]. SAE Technical Paper 2013-01-0257, https://doi.org/10.4271/2013-01-0257.

[6] Wu J T, Zhou Y, Lemmon E W. An equation of state for the thermodynamic properties of dimethyl ether [J]. Journal of Physical and Chemical Reference Data, 2011,40(2):023104.

[7] 加藤正明,竹內(nèi)久晴,本江勇介. DMEの噴射ノズル內(nèi)の流動(dòng)特性[J]. デンソーテクニカルレビュ, 2008,13(1):81-88.

[8] 周昃，張光德，宋巍，等.超臨界二甲醚噴霧特性的試驗(yàn)研究[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，40(2)：144-148.

[9] 宋文鵬，張光德，孫敬，等.二甲醚燃料噴射壓力對(duì)噴霧發(fā)展過程的影響[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2015(3)：51-54.

[10] Mitsugi Y, Wakabayashi D, Tanaka K, et al. High-speed observation and modeling of dimethyl ether spray combustion at engine-like conditions[J]. SAE International Journal of Engines, 2016, 9(1):210-221.

[11] Burke U, Somers K P, O’Toole P, et al. An ignition delay and kinetic modeling study of methane, dimethyl ether, and their mixtures at high pressures[J]. Combustion and Flame, 2015,162:315-330.

[12] Ando H, Sakai Y, Kuwahara K. Universal rule of hydrocarbon oxidation[R].SAE Technical Paper 2009-04-0948, https://doi.org/papers://B3F20CA2-9ACD-4BA1-A510-19A2EC38FE78/Paper/p663.