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        二甲醚/甲醇混合燃料燃燒數(shù)值模擬研究

        2021-03-29 09:40:02董兆晨王柏超田敏
        汽車實(shí)用技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)過(guò)量

        董兆晨,王柏超,田敏

        (1.長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院,陜西 西安 710064;2.陜西重型汽車進(jìn)出口有限公司,陜西 西安 710200)

        前言

        目前熱效率最高的熱力動(dòng)力機(jī)械依然是各類內(nèi)燃機(jī),但是一方面,內(nèi)燃機(jī)消耗相當(dāng)多珍貴的化石類能源[1],另一方面,內(nèi)燃機(jī)的使用是大氣污染與全球能源消耗的原因之一[2]。

        研究[3-4]發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)燃燒方式相比,均質(zhì)充量壓縮燃燒技術(shù)(HCCI)因其在降低排放和內(nèi)燃機(jī)節(jié)能方面具有巨大潛力從而成為全球內(nèi)燃機(jī)界廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)。

        本文利用CHEMKIN化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模擬軟件對(duì)DME/甲醇混合燃料HCCI進(jìn)行數(shù)值模擬,分析其影響因素。重點(diǎn)研究燃料摻混對(duì)DME/甲醇混合燃料HCCI燃燒特性的影響規(guī)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圍的化學(xué)當(dāng)量比和廢氣再循環(huán)(EGR)率下確保發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。即使當(dāng)EGR很大時(shí),甲醇也不會(huì)燃燒,但是當(dāng)它處于穩(wěn)定的工作范圍時(shí),會(huì)有大量的部分燃燒。研究發(fā)現(xiàn)[6]燃燒 DME燃料可以作為清潔替代燃料使用,從而達(dá)到柴油機(jī)高效,低噪,低排放的效果。圖1為DME燃燒過(guò)程氧化反應(yīng)流程圖。

        圖1 DME 燃燒過(guò)程氧化反應(yīng)流程圖

        相關(guān)研究表明[7-8],DME/甲醇摻混燃燒性能、排放性能與燃料的混合比例、過(guò)量空氣系數(shù)等有關(guān)。

        2 方法

        本文所用的IC Engine模塊功能主要是解決發(fā)動(dòng)機(jī)中著火及燃燒的問(wèn)題以及做模擬HCCI燃燒的計(jì)算。做如下假設(shè):

        (1)燃燒室內(nèi)質(zhì)量恒定,且整個(gè)燃燒室為絕熱系統(tǒng)。

        (2)混合氣體的組分均為理想氣體,在不計(jì)混合氣體的動(dòng)能和勢(shì)能的前提下,各組分參數(shù)只與氣體溫度、氣體成分有關(guān)。

        (3)缸內(nèi)的工質(zhì)的狀態(tài)始終均勻,從而確保缸內(nèi)各點(diǎn)的溫度、壓力以及各組分的濃度處處相等。

        本文選用化學(xué)平衡法計(jì)算混合氣成分配比。計(jì)算時(shí)對(duì)HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的進(jìn)氣做如此設(shè)定:空氣的成分僅為氧氣和氮?dú)?,不含有其他多余氣體。根據(jù)甲醇和DME的化學(xué)平衡關(guān)系:

        定義摻混比為DME摻入甲醇后甲醇的濃度百分比。設(shè)摻混比為x,則總反應(yīng)式為:

        式中,Gair為實(shí)際進(jìn)氣量,G為理論空氣量。

        3 結(jié)果

        過(guò)量空氣系數(shù)過(guò)低時(shí),混合氣濃度升高。當(dāng) DME/甲醇混合燃料過(guò)量空氣系數(shù)為3時(shí)缸內(nèi)溫度與壓力都急劇增加,發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴,噪聲變大,熱負(fù)荷增大,燃燒熱損失增加,輸出功率降低,NOX排放增多,燃燒不理想。而過(guò)量空氣系數(shù)為5、7和9時(shí),相對(duì)適合HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒。當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)為9時(shí),放熱率峰值非常低,燃燒困難。所以發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)量空氣系數(shù)應(yīng)該選取適中,這樣可以使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn),熱負(fù)荷降低,輸出功率穩(wěn)定,降低燃油消耗,提高燃油經(jīng)濟(jì)。

        隨著摻混比減小,DME濃度增加,缸內(nèi)最大壓力增加,缸內(nèi)燃燒溫度上升,燃燒著火時(shí)刻提前,放熱率峰值增大,壓力升高率峰值增大,熱損失增多,NOX排放增多。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)甲醇濃度越高,DME/甲醇混合燃料的燃燒反應(yīng)速率越低,即混合燃料燃燒越來(lái)越不明顯,這表明DME的低溫反應(yīng)受到甲醇的抑制。

        隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高,缸內(nèi)最大溫度和缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力沒(méi)有明顯變化。但是發(fā)動(dòng)機(jī)著火時(shí)延遲,燃燒持續(xù)的曲軸轉(zhuǎn)角變長(zhǎng)。在實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)中,轉(zhuǎn)速升高時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量減少(慣性進(jìn)氣部分),充氣效率下降,混合氣濃度下降,燃燒速率變慢,使得燃燒的著火時(shí)刻過(guò)遲,并且缸內(nèi)溫度和缸內(nèi)壓力降低,燃燒的累積放熱量少,放熱率下降,燃燒效果不理想。

        研究發(fā)現(xiàn)隨著進(jìn)氣溫度的升高,第一階段放熱出現(xiàn)的時(shí)間相應(yīng)地提前,并且第一階段放熱率最大值隨進(jìn)氣溫度升高而降低。在主放熱階段隨著進(jìn)氣溫度升高放熱率的最大值升高,可見(jiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒溫度的最大值與進(jìn)氣溫度密切相關(guān)。

        4 討論

        研究表明:甲醇摻混度較低時(shí),著火時(shí)刻較早,缸內(nèi)溫度和最大爆發(fā)壓力較高,放熱率和壓力升高率很大,HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴,熱負(fù)荷和機(jī)械載荷增加,摻混比較高時(shí),放熱率曲線峰值非常低,燃燒反應(yīng)很不明顯;過(guò)量空氣系數(shù)較小時(shí),缸內(nèi)燃燒劇烈,燃燒時(shí)刻較早,最大爆發(fā)壓力和最高燃燒溫度較高,發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴,同時(shí)承受很高的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷。隨過(guò)量空氣系數(shù)的增大,最大爆發(fā)壓力和最高燃燒溫度降低,發(fā)動(dòng)機(jī)工作趨于平穩(wěn);轉(zhuǎn)速升高,缸內(nèi)溫度和壓力變化不明顯,但是燃燒著火時(shí)刻延遲,燃燒持續(xù)的曲軸轉(zhuǎn)角增加;初始溫度升高,缸內(nèi)溫度升高和放熱率升高,缸內(nèi)熱負(fù)荷和機(jī)械載荷增加,發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴,NOX排放增加。

        5 結(jié)論

        本文應(yīng)用CHEMKIN軟件從影響發(fā)動(dòng)機(jī)的四個(gè)影響因素(摻混比,過(guò)量空氣系數(shù),轉(zhuǎn)速以及進(jìn)氣溫度)的角度分析了在不同條件下,發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)壓力,缸內(nèi)溫度,放熱率,壓力升高率和累積放熱量的變化。探討控制著火時(shí)刻和燃燒反應(yīng)速率的技術(shù)途徑,研究發(fā)現(xiàn)甲醇摻混度以及過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)DME/甲醇燃料HCCI燃燒特性影響很大,初始溫度對(duì)HCCI燃燒特性有一定影響,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)燃燒著火時(shí)刻影響很大。由于模擬研究與實(shí)驗(yàn)研究存在一定差別,因此分析結(jié)果存在一定局限性,此外所研究的HCCI其他排放物也可以作為排放分析的重要參考。

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