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基于FIRE的二甲醚-空气预混特性的模拟孙志强;李巧英;金阳;段俊法【摘要】为研究内燃机代用燃料的燃烧特性,在一台压燃式发动机上对二甲醚-空气在进气道内的预混特性进行了模拟.在选定初始条件的情况下,运用FIRE软件对GW4D20发动机进气道内气体流动进行了三维数值模拟,对相应的进气道速度流场进行了分析.结果表明:二甲醚在传统压燃式发动机上应用时,需要对其进气道进行结构优化,以改善混合气均匀性,并减少死区数量；其次,对进气歧管位置进行调整和对流体流动引导可以形成滚流,加速混合气的混合；此外,流量增加20％时,速度接近为0的区域减少,因此在进气前端加装增压装置,有利于混合气的预混.【期刊名称】《华北水利水电学院学报》【年(卷),期】2013(034)002【总页数】3页(P114-116)【关键词】二甲醚;压燃式发动机;进气道预混;数值模拟【作者】孙志强;李巧英;金阳;段俊法【作者单位】华北水利水电学院机械学院,河南郑州450045;北京理工大学机械与车辆学院,北京100081【正文语种】中文【中图分类】TK42近些年来，由于石油资源的日趋减少，车辆尾气排放对大气污染的愈加严重，加上日益严格的排放法规，如何在车用内燃机上燃用清洁的替代燃料，已引起广泛关注．国内外很多研究机构开展了二甲醚应用在汽车上的研究，包括二甲醚燃烧、排放和喷雾特性等方面［1－4］．一系列试验研究表明：二甲醚的物化特性非常优良，含有很大潜能，二甲醚发动机具有和直喷柴油机几乎相同的热效率，且运转柔和，燃烧噪声低，几乎与汽油机相当，催化处理后可实现超低排放，燃油喷射压力低．笔者基于国内外文献的研究成果，运用先进的流体分析软件FIRE模拟GW4D20发动机的二甲醚－空气预混特性，以此提出了将二甲醚应用在传统压燃式发动机上时对进气道的改进建议．1 二甲醚－空气的预混进气道的质量指标主要有流动阻力和涡流强度．气流的品质和气道结构的设计是否合理，直接影响到缸内新鲜空气充量的大小和吸入空气涡流的强度．进气过程中进入气缸的空气量和气体的速度分布及其涡流和湍流状况等又明显影响着燃烧过程，影响到发动机的排气成分、燃烧完善程度、废气可用能量以及发动机的运转经济性等．该模拟研究是在不造成发动机爆燃的前提下，在GW4D20发动机进气道内喷入一定量的二甲醚，并与空气在进气道内进行预混．预混质量的好坏决定了可燃混合气进入各缸的均匀性，进而决定二甲醚进入气缸后可燃混合气的着火时刻、燃烧能量，以及后续柴油喷入后的扩散燃烧的好坏，进而决定发动机的各项技术指标．由模拟结果知，燃料在进气道内混合质量的好坏决定于进气道的设计，改善它可以改进发动机的相关性能．三维模拟能够系统地反映进气气流状况和气体运动过程及对系统进行三维模拟设计．2 进气道流场模拟气道内流场的多维数值模拟技术是基于流体力学的基本原理，用一组守恒偏微分方程，描述气道内流体运动及其对缸内空气运动的影响［5］．利用计算机对这组方程在特定的边界条件和初始条件下进行数值求解，可以获得一系列气道内流场的详尽信息，如气道内的流速、温度和压力分布等空间场［6－8］．所用数学模型是质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、k－ε双方程模型及相关的理想气体状态方程和热力学关系式［9］，写出求解微分方程的源程序，就可以由此求解不同类型的流体流动问题．对GW4D20发动机指定的初始条件为：质量流量m=0．038 107 kg/s;温度 T=293．15 K;指定湍动能ε =0．02 m2/s2;湍流长度尺度lt=0．001 m;出口指定静压p=100 000 Pa．采用有限差分法（FDM）进行流体的三维离散［10］．3 进气道内流场结果分析FIRE中的矢量场很好地描述了GW4D20发动机进气道内气体流场的流线和流型，对流体运动情况的研究非常重要．通过数值模拟计算，保证收敛性良好的情况下，选定时间步长制作流场切片．各速度场如图1—5所示．图1 纵向速度场由图1可以看出，在进气总管段混合气的流速较大并且均匀，具有很高的湍动能，可见此段混合气的均匀性很好．但是在进气道底部流速变化梯度较大，在与进气歧管衔接处有形成滚流的趋势，可以对流体进行适当的引导使滚流增强，有利于气体的混合．进气歧管进口处流速只有原来的1/4，且有死区（速度为0）出现，使得进入进气歧管的气体密度分布很不均匀，从而混合气无法形成适当的湍流，影响其进入缸内的燃烧性能，但可通过增强滚流来改善．图2 上表面速度场图2为进气道上表面速度场，可以看出进气总管下端出现速度接近为零的大片区域，即死区．说明此处并无流体流过或流体流动缓慢，会造成混合气的局部浓度变大，极大地影响了混合气的均匀性．因此，在进气管的设计中可以考虑将其适当削减．图3 下表面速度场由图3可以看出，在进气道的底部，特别是进气总管下侧两边对称区域有速度较大区域，可能是由进气道的大片死区引起，一方面进气道底部受到较大的压力，使得对进气道本身的机构强度要求增大;另外，也使得进气阻力增大，能量损耗较多，不利于后期进入气缸内形成涡流，进而影响燃烧．因此，有必要对进气道内流体运动进行适当的引导，以便使其能量损耗降到最低，有利于气体的预混合．图4 俯视速度场由图4可以看出，混合气在未进入进气歧管之前比较均匀，进入进气歧管后，出现了两端进气歧管速度均匀且流速较大，可见混合气在这两个进气歧管中混合较均匀．但是中间2个进气歧管出现了较大的速度差，且整体流速较低，混合气的均匀性较差，并且湍动能较小．说明进入4个气缸的混合气浓度有差异，各缸的均匀性差，应该考虑对气体的流动进行适当引导．图5 流量增加20%的上表面速度场图5为流量增加20%的上表面速度场切片，与图2上表面速度场相比，速度接近为0的区域减小，可见当车辆处于较大负荷时，有利于对进气道结构自身不足的弥补，有利于混合气的均匀混合．因此，可以考虑进气前端加上增压装置．4 结语1）二甲醚与空气混合气在进气道内流动的过程中，特别是在总进气道的下端出现了较多的死区（流速为0），会使得进气道内混合气局部浓度过大，混合气均匀性变差，需要对进气道的结构进行优化，减少死区的数量．2）当混合气进入4个进气歧管时，两端进气歧管的混合气比中间两进气歧管混合气均匀性好，导致进入4个气缸的混合气浓度有差异，各缸的均匀性差，有必要对进气歧管的位置进行调整．同时对流体的流动进行引导，可以在流体流入进气歧管前使其形成滚流加速混合气的混合．3）当进气道内的气体质量流量增加，会改善混合气的均匀性．所以如果在进气前端加上增压装置可以减少死区数量，将有利于混合气的预混．参考文献［1］ Fieisch T，McCarthy，Basu A，et al．A new clean diesel technology：demonstration of ULEV emissions on an avistar diesel engine fueled with dimethyl ether［C］．SAE Paper 950061，1995．［2］ Ofner H，Gill D W，Krotscheck C．Dimethyl ether as fuel for CI engines—a new technology and its environmental potential［C］．SAE Paper 981158，1998．［3］廖水容，邵毅明，束海波．二甲醚发动机燃烧过程的数值模拟［J］．华侨大学学报，2010，31（2）：136 －140．［4］张煜盛，常汉宝，张亚珺．柴油机高效清洁燃料二甲基醚（DME）的研究及其发展［J］．内燃机工程，2001，22（1）：17－22．［5］陈汉平．计算流体力学［M］．北京：水利电力出版社，1995：165－168．［6］徐敬照．基于CFD的小型汽油机的改进研究［D］．天津：天津大学，2010．［7］邓帮林．基于CFD的495QME汽油机进气系统改进设计［D］．湖南：湖南大学，2007．［8］常思勤．发动机气道现代设计方法及其应用的研究［D］．湖北：华中理工大学，1999．［9］王福军．计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用［M］．北京：清华大学出版社，2004：114－128．［10］吴子牛．计算流体力学基本原理［M］．北京：科学出版社，2001：130－137．。
中国石油和化工2012·12Technology技术CPCI 摘要:以四川泸天化绿源醇业有限责任公司１０万吨／年二甲醚装置合成反应系统为研究对象，用ＡＳＰＥＮ ＰＵＬＳ流程模拟软件，建立二甲醚合成反应器模型模拟计算，在此基础上进行了灵敏性分析，研究影响二甲醚合成生产的关键变量及对甲醇转化率的影响，将模拟数据结果与设计值和生产实际操作数据进行对照比较，为当前生产优化操作提供参考。
１ 前言四川泸天化绿源醇业有限责任公司１０万吨二甲醚装置于２００６年３月建成投产，使用的二甲醚合成塔是一个固定床立式自热式反应器，内置上、中、下三组冷却盘管，每一组冷却盘管内的冷却介质为甲醇蒸汽。
由于是世界上第一套１０万吨级规模的装置，在实际生产运行操作过程中，无任何经验可以借鉴，特别是二甲醚合成反应系统的操作，对各种操作参数的调整正确与否无从验证。
本文采用ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ过程稳态仿真软件，模拟一个二甲醚合成系统的化工单元对其作全流程模拟计算，选用平推流反应器模型，把甲醇直接合成二甲醚看作是一个绝热反应过程，运用能量和物料衡算，通过动力学方程，可以计算出产物组成。
２ 二甲醚合成过程模拟２．１动力学方程甲醇气相脱水法制二甲醚发生的主要反应如下：２ＣＨ３ＯＨ→（ＣＨ３）２Ｏ＋Ｈ２Ｏ＋５．６ｋｃａｌ／ｇ－ｍｏｌ ．．．．．．①作为符合以上反应平衡式的反应机理，提出的模式之一，就是决定二甲醚合成反应的速度，即吸附在催化剂表面的ＣＨ３ＯＨ 和ＣＨ３Ｏ－的反应。
甲醇脱水生成的水抑制了反应，因为生成的水吸附在催化剂的表面，从而阻断了催化剂对甲醇的吸附。
随着反应转化率的增加，反应速率减慢。
另一方面，因为二甲醚对催化剂的吸附能力相当弱，二甲醚对反应不产生抑制。
根据①反应的动力学表达式及参数如下：．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．②ｒ—反应速率 ，ｋ—反应速率常数，Ｐｉ—分子ｉ的分压力，Ｋｉ—吸附常数。
（注i ：M —甲醇，W —水）平衡状态下Ｋｐ表达式如下：ｌｎＫｐ＝－２．２０５＋２７０８．６３１７／Ｔ ．．．．．．．．．．．．．．．．．③甲醇转化为二甲醚的反应受平衡限制。
臭氧对天然气均质压缩燃烧的影响张梦圆;彭杨茗;王秦燕【摘要】针对均质压燃(homogeneous charge compression ignition,HCCI)技术仍存在着火时刻控制困难、燃烧不充分等问题,以天然气HCCI发动机为研究对象,通过建立HCCI单区模型,耦合CH4-O3反应机理,研究添加臭氧(O3)和一定臭氧浓度下初始参数对天然气HCCI发动机的燃烧过程和排放特性的影响.结果表明:添加O3可以使着火时刻提前,缸内温度和压力升高,且随着O2浓度增大效果越明显,增长幅度逐渐下降;提高进气温度使缸内压力峰值下降,当量比的增大使着火时刻延迟,提示可通过改变O3浓度和初始参数实现对燃烧相位的控制;O2浓度和发动机初始参数的增大均不同程度上促进了NOx排放.【期刊名称】《内燃机与动力装置》【年(卷),期】2018(035)002【总页数】7页(P1-7)【关键词】天然气;HCCI;臭氧;燃烧特性;数值模拟【作者】张梦圆;彭杨茗;王秦燕【作者单位】合肥工业大学汽车与交通工程学院,安徽合肥230009;东风汽车集团股份有限公司技术中心,湖北武汉430100;合肥工业大学汽车与交通工程学院,安徽合肥230009【正文语种】中文【中图分类】TK431近年来随着汽车保有量的增多，发展先进的内燃机控制技术至关重要。
面对更严格的排放法规和更高的经济性要求，均质充量压燃技术(homogeneous charge compression ignition,HCCI)逐渐成为内燃机领域的研究热点[1]。
HCCI技术通过在进气中形成预混的均质混合气，采用压燃代替火花塞点火，使缸内温度达到着火点，在上止点附近实现整个燃烧室的自燃过程[2]。
与柴油机相比，燃烧过程较为均匀，避免了富油扩散燃烧，NOx和颗粒物排放大幅减少；与汽油机相比，HCCI 发动机不存在进气损失，热效率和燃油经济性较高[3]，因此HCCI技术具有广阔的发展前景，但也存在较难控制燃烧相位、极限工况下燃烧不理想等问题[4]。
掺氢对二甲醚预混层流燃烧特性的影响陈朝阳;耿莉敏;巩静;汤成龙;张春化【摘要】利用定容燃烧弹试验和化学反应动力学数值模拟相结合的方法,研究了不同氢气掺混比下的二甲醚-氢气-空气预混层流火焰特性,分析了氢气掺混量(掺氢比)对二甲醚预混层流燃烧速度、绝热火焰温度以及火焰中主要活化自由基的影响.试验结果显示:随掺氢比的增大,混合气体的层流燃烧速度、绝热火焰温度逐渐增大,且在掺氢比小于80％时增大幅度较小,在掺氢比大于80％时,增大幅度较大;掺氢比较小时,混合燃料燃烧初期,火焰中会有一定量的氢气生成,说明混合燃料燃烧过程中,二甲醚会被优先氧化分解,在掺氢比较小的混合燃料燃烧过程中二甲醚的氧化分解占主导地位;随掺氢比的增大,火焰中自由基的浓度逐渐增大,大掺氢比时H自由基浓度增大幅度更为明显,H自由基浓度随掺氢比增大的剧增导致层流燃烧速度的剧增.【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2014(048)006【总页数】5页(P122-126)【关键词】二甲醚;氢气;预混层流;定容燃烧弹;数值模拟【作者】陈朝阳;耿莉敏;巩静;汤成龙;张春化【作者单位】长安大学汽车学院,710064,西安;长安大学汽车学院,710064,西安;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;长安大学汽车学院,710064,西安【正文语种】中文【中图分类】TK16石油供给问题的日益紧张和排放法规的日益严格,使清洁石油替代燃料的研究成为内燃机研究与发展中的热点问题。
二甲醚和氢气被认为是目前最有发展前景的洁净替代燃料。
二甲醚可以从煤、天然气、生物质等多种原料中大量制取,其十六烷值高,分子中不含C—C化学键,且本身含氧,是适用于压燃式发动机的优良燃料[1]。
发动机燃用二甲醚的优势在于低噪音、低碳烟、低CO以及低NOx排放[2-4]。
氢气点火能量低,火焰传播速度快,可燃极限宽,在燃烧时能释放出OH、H、O等活性很高的自由基。
不同EGR对氢内燃机的燃烧特性影响任天乐;郭浩;楚朝阳【摘要】本文基于fire三维CFD模拟软件,建立单缸进气歧管喷射的氢内燃机三维燃烧模型,重点研究了不同EGR率下,氢内燃机的压力场、温度场以及排放的变化.分析结果表明,随着EGR率的不断提高,氢内燃机的最高压力值、最高温度和压力升高率、温度升高率均下降,NO排放量大幅降低,但同时对动力性和经济性也有一定影响.【期刊名称】《汽车实用技术》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】4页(P29-32)【关键词】氢内燃机;EGR;NO排放【作者】任天乐;郭浩;楚朝阳【作者单位】华北水利水电大学,机械学院,河南郑州450011;华北水利水电大学,机械学院,河南郑州450011;华北水利水电大学,机械学院,河南郑州450011【正文语种】中文【中图分类】U464.12CLC NO.:U464.12Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)02-29-04近年来，采用氢气作为内燃机替代燃料的研究引起国内外高度重视，大量的实验研究表明氢气是一种高效清洁的燃料。
内燃机燃用氢气完全可以获得与燃用汽油相似的运行性能[1]，而且更清洁。
但是随着当量燃空比的增加，氢内燃机的燃烧温度急剧增高，使得NOx排放变得很严重，而NOx排放中NO是主要危害物。
如何在提高氢内燃机功率的同时又不增加NO排放是研究人员所致力解决的一个问题。
废气再循环( EGR)是个很好的选择，采用EGR 后，增大了缸内气体的比热容，减慢了燃烧速度，从而降低了燃烧温度并减少了NO排放[2]。
AVL公司的FIRE软件对内燃机进行计算流体力学分析，拥有求解器FIRE、前处理器FAME和后处理器IMPRESS，不仅可以完成内燃机稳态计算，还可以精确计算内燃机瞬态过程。
本研究基于FIRE软件，对氢内燃机的部分燃烧特性进行模拟分析。
本研究设备为日本三菱重工生产的K5A汽油机改造而成的氢内燃机，内燃机水平横置，单缸水冷，缸径85mm，冲程85mm，压缩比4.8，排量0.482L。
燃烧室形状对醇醚燃料发动机燃烧和排放影响的数值模拟张莉娟;张翠平;张鹏超;范博【摘要】为了研究燃烧室形状对醇醚燃料发动机燃烧和排放特性的影响,在压缩比不变的条件下,设计了5种不同形状的燃烧室,运用AVL Fire软件对具有不同形状燃烧室发动机的燃烧过程进行了模拟计算.结果表明,缩口燃烧室E内气流运动最强烈,缸内平均压力较高,NO和soot排放很低;直口燃烧室A的缸内压力最低,噪声小,NO和soot排放较低;敞口燃烧室B的NO排放最高,soot排放较低.尖底凸台对气流的导流效果比圆底、平底凸台要好,更利于挤流的形成和发展.缩口燃烧室内的挤流强度比直口、敞口燃烧室强烈.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2016(000)002【总页数】4页(P141-144)【关键词】燃烧室形状;醇醚燃料发动机;燃烧过程;气流运动;排放【作者】张莉娟;张翠平;张鹏超;范博【作者单位】太原理工大学车辆工程系,山西太原030024;太原理工大学车辆工程系,山西太原030024;太原理工大学车辆工程系,山西太原030024;太原理工大学车辆工程系,山西太原030024【正文语种】中文【中图分类】TH16;TK46+4目前，环境问题已经成为当今社会的首要问题，面对严重的温室效应和近期大范围的雾霾天气，汽车排放标准日益苛刻[1-2]。
能源紧缺也已成为当今世界面临的一大难题。
醇类燃料作为含氧代用燃料，在燃烧过程中可提高燃油当量比，CO和NOx排放比柴油低，是典型的清洁替代燃料[3]；醇类燃料可以从煤、天然气等资源中提炼，我国煤炭资源丰富，开发利用醇类燃料有广阔前景[4]。
二甲醚由于其特殊的理化特性，几乎无碳烟排放，能够实现高效低污染燃烧，是国际公认的超清洁替代燃料[5]。
发动机的燃烧室型式、形状和结构参数对燃烧和有害排放物的生成有重要的影响[6]。
针对醇醚燃料发动机，应用AVL_Fire软件对不同形状燃烧室的燃烧过程进行三维数值模拟研究，分析燃烧室形状对发动机燃烧和排放的影响，为燃烧室的改进设计提供有效依据。
第32卷 第4期2008年8月武汉理工大学学报(交通科学与工程版)Journal of Wuhan University of Technolo gy(T r anspo rtat ion Science &Engineer ing )V ol.32 N o.4Aug.2008压缩比与EGR 对二甲醚的HCCI特性影响的模拟研究* 收稿日期:2008-04-06 刘 成:男,26岁,硕士,主要研究领域为内燃机燃烧与排放控制 *国家863项目(批准号:20032g 0007)和武汉理工大学科学研究基金项目(批准号:xjj 2005119)资助刘 成 颜伏伍 罗马吉 李 (武汉理工大学汽车工程学院 武汉 430073)摘要:应用单区燃烧模型和已建立的二甲醚氧化反应机理,对二甲醚的HCCI 过程进行了模拟计算,研究了变压缩比和不同的冷却EGR 率对二甲醚的HCCI 特性的影响.结果表明:随着压缩比的升高,二甲醚的两阶段着火均有提前,且间隔减小,燃烧持续期缩短;冷却EG R 率对二甲醚第一阶段着火时刻并无太大影响,第二阶段着火时刻随EG R 率的增大逐渐延迟,缸内压力和温度均有所下降,燃烧持续期增大.关键词:二甲醚;均质压燃燃烧;数值模拟;化学动力学中图法分类号:U 473.2 均质充量压缩燃烧(hom ogeneo us charge co mpr ession ignitio n ,HCCI )方式的主要特征是均匀预混合气在着火前形成,混合气靠压缩自燃,着火在多点同时发生,整个过程不存在火焰传播现象[1],并且无进气节流,泵气损失少.二甲醚(dim ethyl ether ,DM E )作为燃料具有高蒸气压、低沸点、压燃性好及混合气形成容易等特性,其与柴油混合燃烧可以同时减低柴油机的NO x 和碳烟排放[2],非常适合HCCI 方式.HCCI 主要受化学反应动力学的控制,因此化学动力学模型在其数值模拟中起着重要作用.本文从化学反应动力学的角度,应用单区模型和已建立的DME 化学反应机理,对DM E 均质充量压燃的着火和燃烧过程进行了模拟计算,并研究了压缩比、EGR 率对DM E 的HCCI 特性的影响.1 模拟方法1.1 计算模型采用单区零维详细化学动力学模型,利用美国Law rence Liv erm ore 国家实验室开发的化学反应动力学程序HCT (hy drodynamics,chemistr yand transport)完成二甲醚的HCCI 的模拟计算.假设混合气是理想气体,在燃烧室中的热力学状态、各组分的质量浓度分布、温度和压力均匀,不考虑进气门、排气门关闭时的泄漏和余隙容积中的残留混合气,并且不考虑燃烧室壁面的传热.1.2 化学动力学模型采用由Law rence Livermore 国家实验室的Cur ran 等人提出的最新二甲醚氧化反应机理,其中包括399个基元反应,涉及79种组分[3],反应主要包括裂解反应、脱氢反应、甲氧基-甲基基元反应、甲氧基-过氧化甲基基元反应、CH 2OCH 2O 2H 基元反应、O 2CH 2OCH 2O 2H 异构化反应、低温下的链分支反应等.在二甲醚的氧化反应过程中,低温反应机理和高温反应机理不同,如图1所示.由图1可知二甲醚氧化反应,在低温(<800K)时生成酮氢过氧化物组分的链分支反应起主要作用,随着温度的升高,烃基氢过氧化组分的链传递反应比重也随之上升,从而导致高温条件下 -裂解反应产生,当温度升到较高(>1000K )时二甲醚的单分子裂解反应和甲氧基甲基的 -裂解反应占主导地位.图1 二甲醚氧化反应流程简图2 计算结果与分析本文模拟计算采用的是四缸柴油机,其缸径为100mm 、直喷 型燃烧室,发动机排量为3298mm 3,进气门在上止点前132°CA 关闭,以压缩上止点为曲轴转角的零点,计算从进气门关闭开始,结束于膨胀行程的终点,所以计算中曲轴转角的范围是-132°～180°CA ,并且假设在模拟计算过程中,缸内压力、温度、各组分质量浓度处处相等,不考虑燃烧室壁面的传热.2.1 压缩比对二甲醚HCCI 特性的影响本文模拟中,采用的压缩比变化范围是8～19.2,选定的进气压力p in =0.095M Pa,进气温度T in =350K,转速n =1800r /min,分别计算了燃空当量比=0.3(如图2a))、0.5(如图2b))时的缸内压力、缸内温度和已燃燃料摩尔分数随曲轴转角的变化,如图2所示.图2 变压缩比对缸内压力、缸内温度、燃烧率的影响 二甲醚由于十六烷值较高,在其进行均质压缩燃烧时能够在着火前释放较多的能量,形成第一阶段放热高峰,此时为低温化学反应放热,如图2a )的温度曲线图,其第一阶段的温度突升,大约在800K 左右,缸内压力相应升高.这主要是由于冷焰反应和负温度系数效应(NT C )[4]的结果,同・650・武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2008年 第32卷时使得第二阶段反映延迟;当反应物的温度超过1000K 时,燃料分子的链分支反应和链传递反应交替出现,气缸温度出现第二次突升,燃烧在整个燃烧室内同时进行,大部分燃料能在10°CA 内迅速燃烧,缸内压力在上止点附近达到最大值.由图2可以发现,二甲醚均质压燃发动机的缸内压力在快速升高前,均有一个较小的压力升高,且随着压缩比的增大,两阶段压力升高的时间间隔逐渐减小,并且燃空当量比=0.3时的压力升高分隔比较明显,而燃空当量比=0.5时,衔接得比较紧密.在图2a)中,随着压缩比从13.2增大到19.2,DM E 的着火时刻从7°CA 提前到-9°CA,缸内最大爆发压力出现点从7°CA 提前到-3°CA ,这主要是因为均质充量压缩着火是受化学反应动力学控制的,缸内混合气的温度和燃料的浓度与整个燃烧过程的化学反应速率有着密切的关系,而压缩比越大,燃料浓度越高,气缸内温度升高越快,所能达到的温度最大值越大,从而加速了化学反应的进行,导致DME 在氧化过程中能有更多的自由基产生,使得燃烧的着火提前,相应的缸内压力最大值点也提前,且由于第一阶段冷焰反应的时间提前,使得DME 的燃烧更加容易,这就缩短了冷焰反应和着火之间的时间间隔.从图2还可看出,当压缩比较大时,燃空当量比对最大压力爆发时刻和着火时刻的影响并不明显,燃烧持续期基本一致,而压缩比较小时,燃空当量比的大小对二甲醚的HCCI 有着十分显著的影响,甚至在同一压缩比(如 =12)下,当燃空当量比较大时燃烧可以进行,而燃空当量比较小时,发动机却会失火.因此,随着二甲醚HCCI 发动机压缩比的升高,混合气的稀燃能力提高,对于较低负荷的HCCI 发动机采用较高压缩比为宜,而当HCCI 发动机负荷较高时,循环供油量增大,燃空当量比也相应增大,为使发动机不至发生爆震和形成较大压缩负功,此时宜采用较低压缩比. 从图2可以知道,当燃空当量比=0.3、压缩比 =17时,发动机着火出现在上止点前5°CA ,燃烧持续期大致为10°CA,且在上止点前燃烧完成,缸内最大爆发压力出现在上止点前1°CA;当燃空当量比=0.5、压缩比 =17时,发动机着火出现在上止点6°CA,燃烧持续期大致为5°CA,且在上止点前燃烧完成,缸内最大爆发压力出现在上止点前4°CA.由上可知,在此2种情况下发动机着火燃烧均在正常范围内,且缸内最大爆发压力都在合适范围内,不致使发动机产生爆振现象,本文以下部分即选定压缩比 =17来研究废气再循环对二甲醚HCCI 特性的影响.2.2 EGR 对二甲醚HCCI 着火特性的影响本文为了更好地研究EGR 的组分浓度对二甲醚HCCI 着火和燃烧的影响[5-6],并没有考虑EGR 的温度影响,而是直接假定进气充量与EGR 混合后的温度保持为350K,并且假设燃烧完全.定义EGR 率为废气引入量占总废气量的体积分数,发动机转速仍然选定n =1800r /min ,进气压力为p in =0.095M Pa ,压缩比为 =17,燃空当量比=0.3,计算结果如图3所示.图3 EG R 率对缸内压力、缸内温度、燃烧放热率的影响 从图3可以看出,随着EGR 率的增加,缸内压力和温度逐渐减小,着火时刻延迟,并且从放热率随曲轴转角变化图上可以清楚看到第一阶段燃烧始点变化不大(几乎不变),第二阶段主燃烧着火时刻逐渐延迟,其两阶段着火时刻间隔增大.这是因为随着EGR 率的增加,可燃混合气质量浓度逐渐降低,其稀释效果使得燃烧放热率减小,缸内最大爆发压力相应减小;并且燃烧第一阶段着火主要与温度有关,受燃料浓度的影响并不是很大,而本文没有考虑EGR 对充量加热效应,所以反映在图上低温着火时刻并无太大变化;在低、高温着火时刻之间的化学反应受燃料组分浓度影响较大,质量浓度越小反应越慢,在相同时间内由于低温反应积累的能量也越小,此外又由于CO 2和H 2O 的比热容・651・ 第4期刘 成,等:压缩比与EGR 对二甲醚的HCCI 特性影响的模拟研究较大,使得缸内带EGR 的充量的比热容升高,所以随EGR 率的增长,缸内温升下降,高温着火延迟.虽然废气中含有一定量的氧气,能够增加可燃混合气中氧的含量,但是在EGR 的CO 2,O 2,H 2O ,N 2的4个主要组分中,N 2对DME 的HCCI 的着火延迟影响最大,因此当EGR 率达到了一定数值(EGR 率=50%)时,燃烧的第二阶段着火过迟,使得缸内温度还未达到DM E 的燃点,活塞就开始下行进入膨胀做功行程,缸内温度下降,此时发动机便会失火.3 结 论1)二甲醚的HCCI 呈现明显的2阶段性,即低温阶段和高温阶段,其两阶段着火时刻的间隔长短是由反应的负温度系数决定的.2)压缩比对二甲醚的HCCI 有着显著的影响,当压缩比增大时,缸内温度升高,着火始点逐渐提前,燃烧持续期逐渐缩短;燃空当量比对相同压缩比下的二甲醚的HCCI 的影响也比较明显,燃空当量比的增加会使得发动机着火更加提前,拓宽压缩比的适用范围.3)冷却EGR 对二甲醚的HCCI 的低温着火影响并不是很大,对高温着火有明显的延迟作用,随EGR 率的增大缸内压力和温度有较大程度的改变,燃烧反应速率降低,燃烧持续期延长,当EGR 率达到一定值时,发动机发生失火现象.参考文献[1]Na jt P M ,Fo st er D E.Com pr ession-ignitedhomo geneous cha rg e co mbustion [C ]//SAE P aper 830264,1983:964-979.[2]吕 林,段树林,吴锦翔.柴油机燃用柴油二甲醚混合燃料对其性能及排放的影响[J ].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2002,26(4):552-556.[3]罗马吉,黄 震.二甲醚均质压燃燃烧化学反应动力学机理数值模拟[J ].上海交通大学学报,2005,39(8):1266-1271.[4]Y udai Yamasaki ,Shinya T akabashi ,N o rimasa I ida .A uto -ig nitio n and com bustio n analy sis of D M E air HCCI engine by chemiluminescent measur ement and numer icalcalculation[C ]//Inter na tio nalSy mposium o n A lco ho l Fuels Confer ence andEx hibition,2002.[5]Chen Rui,M ilov ano vic N ebojsa,T urner Jamie,et al.T hetherma leffecto finternalex haustgasrecirculat ion on contr olled auto ignition [C]//SA E Paper 2003-01-0751,2003.[6]罗马吉,陈 志,黄 震,等.EGR 对二甲醚HCCI 着火过程的数值模拟研究[J ].汽车工程,2005,27(4):399-403.Simulation for the Effects of Compression Ratio and EGR on Combustion Characteristics of DM E HCCILiu C heng Yan Fuwu Luo Maji Li Liu(School o f A utomobile Engineering ,W uhan Univer sity of Technology ,W uhan 430073)AbstractThe chem ical reaction m echanism of Dimethly Ether (DME )and single zo ne co mbustio n m odel are used to investig ate the effects o f com pression ratio and cold EGR rate on HCCI com bustion characteristics .The results reveal that the increase o f co mpression ratio advances the ig nition timing of tw o stages,shor tens the interval of the tw o stages and combustion duration.Mo reover,as cold EGR rate increases,the ignition tim ing of the first co mbustio n stage has no remarkable change,but the ig nition timing of the seco nd stage delays ,and as the cy linder pressure and tem perature decreases ,the com bustion dur ation ex tends.Key words :DM E;hom ogeneous charg e compression ig nition(HCCI);numerical sim ulation;chem icalkinetics・652・武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2008年 第32卷。
