黃錦耀， 嚴詩倫， 陳朝陽,2

(1.長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064； 2.西安交通大學 能源與動力工程學院，陜西 西安 710049)

0 引言

汽車保有量的急劇增加，加劇了環(huán)境污染和能源消耗.必須尋找新型潔凈可替代燃料,并進一步開發(fā)高效低污染的新型燃燒方式，才能順應(yīng)社會的發(fā)展.

二甲醚(DME)是一種可以從煤中制取的清潔燃料，分子式為CH3OCH3，由于分子中沒有C—C鍵，且汽化潛熱較大，在燃燒中可以降低PM和NOx的生成.DME常溫下是無色無味無毒的氣體，壓力超過0.5 MPa即可液化，便于運輸和儲存.DME十六烷值比柴油高，被認為是柴油機的理想代用燃料[1-3].均質(zhì)混合氣壓燃(HCCI)是一種新型的燃燒方式，其主要特點是采用稀薄燃燒，可以降低NOx和PM的排放，是清潔的燃燒方式，但HCCI的著火和燃燒過程受燃料的化學反應(yīng)動力學控制[3-6]，面臨著火時刻不易控制和工作范圍狹窄的問題.研究表明，HCCI發(fā)動機對燃料的靈活性高，可以利用DME燃料的特點來解決HCCI燃燒中工作范圍狹窄的問題[7].

國內(nèi)外對二甲醚的化學反應(yīng)動力學機理進行了廣泛的研究，證明了二甲醚燃料也遵循碳氫類燃料的反應(yīng)機理路徑，先分成小分子，再氧化成甲醛、甲酸基，進而生成CO，最后CO和H氧化成CO2和H2O[8-10].羅馬吉等[9]利用EGR研究DME的HCCI著火過程，證實了EGR對HCCI燃燒既有(內(nèi)部EGR)高溫促進作用，也有(外部EGR)抑制的作用，還從化學反應(yīng)動力學的角度，應(yīng)用單區(qū)燃燒模型和已建立的二甲醚化學反應(yīng)機理，對采用內(nèi)部EGR技術(shù)控制的DME的HCCI著火過程進行了數(shù)值模擬，分析了不同REGR對其著火過程的影響.

諸多研究表明，二甲醚燃料結(jié)合不同比例的REGR，可以有效拓展HCCI發(fā)動機的工況范圍.然而，REGR對二甲醚HCCI燃燒過程的影響細節(jié)并不清楚，筆者利用化學反應(yīng)動力學軟件CHEMKIN對不同REGR和過量空氣系數(shù)λ下的DME的HCCI燃燒進行了系統(tǒng)的數(shù)值模擬，重點分析REGR和λ對二甲醚HCCI燃燒過程的影響.

1 模擬方法介紹及參數(shù)選取

模擬采用氣缸壓縮比為16.5，容積103.3 cm3，使燃燒更接近實際情況，轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 600 r/min，進氣壓力1.079 MPa，進氣溫度 400 K.

(1)過量空氣系數(shù)λ：是實際進氣量與DME恰好反應(yīng)完全所需進氣量的比值.筆者所取的過量空氣系數(shù)分別為1、3、6、9.

(2)廢氣再循環(huán)率REGR：是指利用廢氣再循環(huán)技術(shù)后，引入廢氣的物質(zhì)的量占混合氣與引入廢氣的總物質(zhì)的量的百分比，由如下公式計算：

(1)

式中：n廢氣為進入氣缸的廢氣的物質(zhì)的量；n混合氣為進入氣缸的新鮮混合氣的物質(zhì)的量.

筆者采用外部EGR，REGR取值分別為0%、10%、20%、30%、40%.

(3)數(shù)據(jù)的計算：廢氣成分比較復(fù)雜，若對含量較多的廢氣成分研究，一般只考慮O2、N2、CO2、H2O 4種成分.那么不同λ對燃料在缸內(nèi)的化學反應(yīng)就可以簡化為以下公式：

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

(2)

設(shè)引入缸內(nèi)的廢氣占燃燒產(chǎn)生的總廢氣量的百分比數(shù)為α，利用廢氣再循環(huán)技術(shù)后，缸內(nèi)的REGR表示為：

REGR=

(3)

在預(yù)設(shè)的不同REGR和λ下，即可利用公式求出廢氣的引入系數(shù)α，從而確定該條件下廢氣中4種氣體、二甲醚及空氣中的O2、N2的摩爾比值，就可以將數(shù)據(jù)錄入CHENMKIN的前處理器，并基于包含55種組分，290種基元反應(yīng)的DME化學反應(yīng)機理[11]，利用軟件中的發(fā)動機絕熱反應(yīng)模塊進行模擬.

2 分析與討論

2.1 廢氣再循環(huán)率對DME燃燒的影響

DME的HCCI燃燒從開始放熱可以分成3個區(qū)域，第一是低溫放熱反應(yīng)區(qū)，DME的低溫氧化反應(yīng)是鏈傳播過程，鏈傳遞的載體是羥基自由基，產(chǎn)生重要的中間產(chǎn)物甲醛和甲酸，放出少量的熱量；第二是負溫度系數(shù)區(qū)，上一階段生成的大量活性很低的甲醛在這一區(qū)域內(nèi)積累，抑制了鏈傳播，DME氧化反應(yīng)速率降低，所以幾乎無熱量放出；第三是高溫反應(yīng)區(qū)，主要是低溫氧化階段產(chǎn)物的氧化，是CO的氧化放熱階段，放出的熱量在整個燃料的燃燒階段占有較大的比例[3].

圖1和圖2分別給出的是模擬計算得到的過量空氣系數(shù)為3時，不同REGR下發(fā)動機缸內(nèi)溫度和壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線.由圖1和圖2可知，隨著REGR增大，氣缸內(nèi)的最高壓力、最高溫度都有所下降.筆者采用外部EGR，因此不考慮廢氣的加熱作用，EGR主要通過其稀釋作用、吸熱作用和化學作用影響DME的燃燒和放熱.首先，廢氣占有一定的發(fā)動機容積，使進入缸內(nèi)的新鮮混合氣量減少，使得燃料燃燒放熱量減少；另一方面，廢氣主要成分中的CO2和H2O為三原子氣體，比熱容大，引入EGR后增加了混合氣的比熱容，使混合氣的吸熱作用增加，最終燃燒壓力和溫度降低；再則，CO2和H2O在高溫下會發(fā)生分解反應(yīng)，進而影響混合氣的化學反應(yīng)進程.三者的綜合作用使二甲醚的燃燒受到一定程度抑制，缸內(nèi)燃燒劇烈程度和反應(yīng)速度降低，但同時也能減輕發(fā)動機工作粗暴的問題.EGR是減輕HCCI發(fā)動機爆震燃燒的有效措施之一.

圖1 不同REGR下的發(fā)動機缸內(nèi)溫度Fig.1 The engine temperature in cylinder with different EGR rate

圖2 不同REGR下的發(fā)動機缸內(nèi)壓力Fig.2 The engine pressure in cylinder with different EGR rate

圖3為不同REGR下的放熱率曲線，如圖3所示，隨REGR增加，放熱率峰值降低，亦是受到EGR的抑制作用，且高溫階段呈現(xiàn)雙峰放熱，第一個峰是中間產(chǎn)物生成CO的放熱量，第二個是CO被氧化成CO2的放熱量.

圖3 不同REGR下發(fā)動機的放熱率Fig.3 The engine with different EGR rate of heat release rate

在低溫放熱階段，開始放熱的位置是在-29.5°CA曲軸轉(zhuǎn)角處，幾乎不隨REGR的增大而變化，這是由于壓縮到-29.5°CA左右時，缸內(nèi)溫度達到750～800 K，低溫放熱階段開始，二甲醚被氧化成甲醛和甲酸基等中間產(chǎn)物放出少量的熱量.而負溫度系數(shù)區(qū)和高溫反應(yīng)區(qū)持續(xù)期隨REGR的增大而變長.這是因為增大REGR，提高了混合氣的熱容，壓縮過程中缸內(nèi)溫度降低，且廢氣對燃料的稀釋作用增大，使燃料的反應(yīng)速度減慢，持續(xù)期增長.

如圖4是模擬過量空氣系數(shù)為3 時，不同REGR下CO的摩爾百分數(shù)變化曲線.在曲軸轉(zhuǎn)角為-29.5°CA的低溫反應(yīng)區(qū)開始生成少量CO.因為此階段產(chǎn)生的甲醛和甲酸基等中間產(chǎn)物也會同時生成少量的CO.在負溫度系數(shù)區(qū)CO變化曲線斜率接近為0,這是由于EGR和中間產(chǎn)物甲醛的抑制作用，使CO的生成受到抑制，且REGR越大抑制越強持續(xù)期越長.高溫反應(yīng)階段有大量的CO產(chǎn)生并完全消耗，此過程是經(jīng)歷了甲醛等生成CO的藍焰反應(yīng)和CO被氧化成CO2的熱焰反應(yīng).隨著REGR的增大，CO從生成到消耗的持續(xù)時間增長，這是由于著火持續(xù)期增長，CO的生成和消耗時間增長.

2.2 過量空氣系數(shù)對DME燃燒的影響

圖5和圖6分別給出的是REGR為0.2時，不同λ下的缸內(nèi)溫度、壓力曲線.由圖可知，缸內(nèi)壓力和溫度峰值隨過量空氣系數(shù)的增大而降低，且壓力和溫度曲線的變化率也逐漸減小.這是因為λ增加，參加反應(yīng)的燃料量相對減小，燃燒劇烈程度減小，燃燒放出的熱量減少.

圖4 不同REGR下發(fā)動機燃燒過程中CO的摩爾百分數(shù)變化曲線Fig.4 The engine combustion process with different EGR rate curves of the mole fraction CO

圖5 不同λ下的發(fā)動機缸內(nèi)溫度Fig.5 The engine temperature in cylinder with different λ

圖6 不同λ下的發(fā)動機缸內(nèi)壓力Fig.6 The engine pressure in cylinder with different λ

圖7所示的是REGR為0.2，不同λ下DME燃料發(fā)動機HCCI燃燒模式的放熱率曲線.由圖7可以看出，隨著λ的增大，放熱率峰值急劇下降，這與缸內(nèi)壓力和溫度峰值的下降一致，都是由于λ的增大減少了缸內(nèi)的燃料量所致.放熱率的兩個峰值位置隨λ的變化呈現(xiàn)不同的規(guī)律.隨著λ的增大，低溫放熱階段提前，而高溫放熱階段滯后.這是由于隨著λ的增大，混合氣的比熱容減小，壓縮階段溫度升高幅度增大，因此，大的λ的混合氣先達到低溫反應(yīng)溫度限值，使低溫反應(yīng)階段提前；然而，大的λ使得混合氣中燃料量減少，低溫燃燒放熱階段放熱量減小，前期溫度積累減小，使得高溫主反應(yīng)階段滯后，過多的空氣量也使得高溫反應(yīng)階段反應(yīng)劇烈程度減小，放熱率峰值下降.

圖7 不同λ下發(fā)動機的放熱率Fig.7 The engine with different λ of heat release rate

圖8 不同λ下發(fā)動機燃燒過程中CO的摩爾分數(shù)變化曲線Fig.8 The engine combustion process with different λ curves of the mole fraction CO

圖8所示的是REGR為0.2，不同λ下的CO摩爾百分數(shù)變化曲線.由圖8可知，λ=1時，CO摩爾百分數(shù)表現(xiàn)出兩個峰值，先在較短時間內(nèi)急劇增大后降低，再緩慢上升最終消耗完全，這是因為當λ=1時，缸內(nèi)溫度較高，氧氣以當量供給，燃燒初期，氧氣相對充足，生成的CO很快氧化成CO2，而之后受到了O2濃度的限制，CO的藍焰反應(yīng)速率高于熱焰反應(yīng)，摩爾百分數(shù)稍有增加，最終CO基本完全被氧化.當λ大于3時，在低溫反應(yīng)階段，有少量CO生成，負溫度系數(shù)區(qū)CO摩爾百分數(shù)保持不變.在高溫反應(yīng)階段有大量CO生成并消耗，變化趨勢逐漸減小.因為隨著λ增大，O2濃度增加，氧化改善，CO幾乎完全氧化成CO2，λ增大，缸內(nèi)溫度降低，使CO的反應(yīng)速率降低.λ=9時，CO又出現(xiàn)剩余，這是因為λ過大，缸內(nèi)溫度較低，CO的氧化受到抑制.

3 結(jié)論

(1)外部EGR能改變DME的HCCI燃燒，隨著REGR的增大，缸內(nèi)的壓力、壓力升高率、溫度及放熱率都有所降低；對應(yīng)的二甲醚低溫反應(yīng)階段的燃燒相位幾乎不變，負溫度系數(shù)區(qū)持續(xù)時間增長，高溫反應(yīng)階段的燃燒相位推遲，燃燒持續(xù)期增長.

(2)隨著過量空氣系數(shù)的增加，缸內(nèi)壓力、溫度以及放熱率峰值降低，低溫氧化放熱提前，而高溫放熱階段和燃燒持續(xù)期增長.

因此可以通過改變REGR和λ來對DME的HCCI燃燒進行控制.

[1] 亢銀虎．二甲醚火焰燃燒特性及工程應(yīng)用的研究[D]．重慶：重慶大學動力工程學院，2015：4-18．

[2] 廖水容．二甲醚柴油缸內(nèi)溫度場數(shù)值模擬的研究[J]．鄭州大學學報(工學版)，2010，31(1)：111-115．

[3] 徐凱．二甲醚發(fā)動機HCCI燃燒與排放研究[D]．四川：西華大學交通與汽車工程學院，2010：6-30．

[4] 羅馬吉，陳志，黃震,等．EGR對二甲醚HCCI著火過程的數(shù)值模擬研究[J]．汽車工程，2005，27(4)：399-403．

[5] 吳晗，張春化，佟娟娟,等．外部EGR甲醇HCCI發(fā)動機燃燒特性試驗[J]．甘肅農(nóng)業(yè)大學學報，2013，48(2)：114-118．

[6] HASAN M M, RAHMAN M M. Homogeneous charge compression ignition combustion: advantages over compression ignition combustion, challenges and solutions[J]. Renewable and sustainable energy reviews, 2016, 57: 282-291.

[7] 張志超．發(fā)動機燃燒新技術(shù)HCCI[J]．技術(shù)新視野，2015(9)：79-80．

[8] 羅馬吉，黃震．二甲醚均質(zhì)壓燃燃燒化學反應(yīng)動力學機理數(shù)值模擬[J]．上海交通大學學報，2005，39(8)：1266-1271．

[9] 羅馬吉，黃震，彭小圣，等．二甲醚 HCCI 燃燒高溫反應(yīng)動力學分析[J]．工程熱物理學報，2006，27(1)：155-158．

[10] PRINCE J C, WILLIAMS F A. A short reaction mechanism for the combustion of DME[J]. Combustion and flame, 2015, 162: 3589-3595.

[11] ZHAO Z W, CHAOS M, KAZAKOV A, et al. Thermal decomposition reaction and a comprehensive kinetic model of dimethyl ether[J]. International journal of chemical kinetics, 2007,40(1):1-18.