二甲醚發(fā)動機PCCI-DI燃燒的數(shù)值模擬（Ⅱ）

李 維，王 穩(wěn)，黃勇成，汪 映

（1.西京學院 汽車學院，陜西 西安 710123;2.西安交通大學 能動學院，陜西 西安 710049）

二甲醚發(fā)動機PCCI-DI燃燒的數(shù)值模擬（Ⅱ）

李 維1，王 穩(wěn)1，黃勇成2，汪 映2

（1.西京學院 汽車學院，陜西 西安 710123;2.西安交通大學 能動學院，陜西 西安 710049）

以WAVE破碎模型替代TAB液滴破碎模型，利用部分攪拌反應器燃燒模型結合詳細化學反應機理對KIVAⅢ程序進行擴充修正后，對1臺單缸二甲醚發(fā)動機PCCI-DI燃燒過程進行了三維數(shù)值模擬，計算結果能夠準確反映DME的PCCI-DI燃燒過程的特點及缸內各組分濃度的變化情況。

二甲醚;數(shù)值模擬;KIVA-Ⅲ

采用在同一循環(huán)中使用預混進氣和缸內直噴的復合燃燒（PCCI-DI）方式可縮短滯燃期，減少擴散燃燒部分的油量，降低最高燃燒溫度與壓力［1］。采用PCCI-DI燃燒方式在較寬廣的轉速和負荷下運行可保持二甲醚發(fā)動機的熱效率并降低 NOx排放［2］。

由于二甲醚與柴油的理化性質差異較大，因此直接使用KIVA-Ⅲ來研究二甲醚的燃燒過程還存在一些問題。

筆者以WAVE破碎模型替代KIVA程序中的TAB液滴破碎模型，利用部分攪拌反應器（Partially Stirred Reactor，PaSR）燃燒模型結合詳細化學反應機理并考慮湍流混合作用對燃燒速率的影響，在PC機上對二甲醚發(fā)動機PCCI-DI燃燒過程進行了三維數(shù)值模擬。

1 發(fā)動機結構參數(shù)、運轉條件及網(wǎng)格劃分

計算所用發(fā)動機結構參數(shù)和運轉條件見表1。

表1 發(fā)動機結構參數(shù)和運轉條件Table 1 Configurable parameters and operative conditions of the engine

PCCI燃燒過程由于DME噴霧，缸內可燃混合氣分布并不均勻。為了準確模擬缸內的燃燒過程，計算時采用了三維計算模型，所用的空間網(wǎng)格的劃分如圖1。

2 計算的初始條件

計算從進氣門關閉時［131.0（CA BTDC）］開始。氣缸內空氣質量由空氣流量計測得。氣缸內初始周向速度沿徑向按貝塞爾函數(shù)型線分布，距離氣缸中心線r處的周向速度w（r）具體計算公式如下:

圖1 PCCI-DI計算網(wǎng)格Fig.1 Calculation girding of PCCI-DI

3 DME PCCI-DI發(fā)動機模擬結果

3.1 氣缸壓力和放熱率的計算

圖2和圖3給出了轉速n=1 800 r/min、過量空氣系數(shù)2.4，進氣引導量30.4 mg/cyc 時，PCCI-DI燃燒方式的氣缸壓力、放熱率模擬計算結果與試驗結果的比較［3］。從圖中可以看出，采用的三維數(shù)值模型計算結果與實測值非常接近。

圖2 氣缸壓力計算值與實測值的對比Fig.2 The comparison of predicted value and actual value for cylinder pressure

3.2 PCCI-DI燃燒過程缸內溫度的計算

圖4給出了數(shù)值模擬所得的PCCI-DI燃燒過程缸內溫度的變化曲線。從圖中可以看出，PCCI-DI燃燒過程缸內溫度的變化情況和HCCI燃燒過程極為相似，同樣具有兩階段放熱的特點［3］。第1階段放熱從22℃BTDC開始到15℃A BTDC時結束，這一段是HCCI燃燒的低溫放熱階段。隨后進入NTC區(qū)，缸內溫度幾乎不變。第2階段放熱從12℃A BTDC開始，直到6℃A BTDC，這一段仍是HCCI燃燒方式，缸內溫度上升較快。在6℃A BTDC時，DME噴入氣缸，由于DME汽化吸收一部分熱量，缸內溫度的上升出現(xiàn)瞬間停頓。由于DME直接噴入高溫的燃氣之中，滯燃期極短，因而燃燒迅速，缸內溫度仍有較快的上升，在上止點附近缸內溫度達到最高［4］。隨后，活塞開始下行，燃燒容積增大，缸內溫度開始下降。

圖3 放熱規(guī)律計算值與實測值的對比Fig.3 The comparison of predicted value and actual value for heat release rate

圖4 PCCI-DI發(fā)動機缸內溫度Fig.4 Cylinder temperature of PCCI-DI engine

3.3 油束所在截面溫度的變化歷程

油束所在截面（45°）溫度的變化歷程見圖5，可以形象地展現(xiàn)了PCCI-DI燃燒過程中油束所在截面（45°）溫度的變化情況。

3.4 缸內各組分濃度的計算

圖6給出的是三維數(shù)值模擬所得的DME PCCIDI發(fā)動機燃燒（包括DME噴霧）過程缸內主要組分摩爾分數(shù)變化情況。

DME PCCI-DI的燃燒過程仍然分兩個階段進行。第1階段仍然低溫放應，這一過程和HCCI燃燒的低溫反應過程基本相同，主要是DME進行的脫氫反應、兩次加氧反應、分子內部的異構化反應以及中間產(chǎn)物的裂解反應［5］。

圖5 PCCI-DI發(fā)動機45°油束截面溫度的變化歷程Fig.5 Temperature changing course of 45 degree spray section for PCCI-DI engine

低溫反應進行到一定程度后，缸內溫度大于1 000 K，此時開始生成大量的自由基，經(jīng)過一段時間后，各種自由基的摩爾百分數(shù)達到第1次峰值，這一階段各種自由基的摩爾百分數(shù)峰值出現(xiàn)的時刻與HCCI燃燒過程的基本相同。主要原因是在PCCI-DI燃燒過程中，預混混合氣濃度較小，因此低溫反應階段生成的各種自由基的摩爾百分數(shù)相應稍小，至于各種自由基的摩爾百分數(shù)峰值出現(xiàn)的時刻變化不大則是由于預混混合氣濃度對脫氫反應、兩次加氧反應、分子內部的異構化反應等反應速度的影響較小的緣故［6-7］。

圖6 PCCI-DI發(fā)動機45°油束截面溫度的變化歷程Fig.6 Temperature changing course of 45 degree spray section for PCCI-DI engine

但PCCI-DI燃燒過程中CO2摩爾百分數(shù)的變化情況和HCCI燃燒過程略有不同，即在高溫反應進行過程中，出現(xiàn)一段摩爾百分數(shù)變化較緩的短暫過程，這主要是由于DME噴霧造成的。在高溫反應進行到一定程度時，較大量的DME由噴嘴噴入氣缸，噴入的DME遇到較高溫度的燃氣后，迅速汽化，吸收較多熱量，延緩了缸內溫度的上升，同時也使得高溫反應在很短時間內減慢，這一點正是PCCI-DI燃燒的主要特征，正因為如此，才可以起到控制高溫反應速度從而控制HCCI燃燒速度的作用。其結果是:一方面使得最大放熱峰值出現(xiàn)的時刻更為合理;另一方面又可以抑制缸內溫度從而達到控制NOx排放的目的［8］。

此外，從圖6（b）、圖6（d）也可以看到，由于噴霧，缸內DME濃度再次增大，使得OH、H2O2的摩爾百分比濃度變化出現(xiàn)第2次峰值，第2次峰值要比第1次峰值高出許多，由于大量的OH根的加入，噴入缸內的DME的氧化速率迅速加快，形成一邊噴霧，一邊快速進行反應的燃燒過程。因此，雖然推遲了DME的噴入時刻，但由于高溫反應的速度極快，高溫放熱峰值在上止點后附近出現(xiàn)，在一定程度抑制了爆燃發(fā)生，燃燒過程比HCCI過程更為合理，發(fā)動機的工作范圍得以拓寬。

4 結論

1）以WAVE破碎模型替代KIVA程序中的TAB液滴破碎模型，利用部分攪拌反應器（Partially Stirred Reactor，PaSR）燃燒模型結合詳細化學反應機理并考慮湍流混合作用對燃燒速率的影響，可對二甲醚發(fā)動機PCCI-DI燃燒過程進行三維數(shù)值模擬，模擬結果與實際較為相符;

2）DME的PCCI-DI燃燒過程與HCCI燃燒過程相比同樣經(jīng)歷低溫和高溫反應2個階段。第1階段的低溫放應過程和HCCI燃燒的低溫反應過程基本相同。高溫反應階段由于DME的噴入有所延緩，從而達到了控制燃燒速度和最大放熱時刻的目的，擴寬了HCCI燃燒的工作范圍。

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Numerical Simulation of PCCI-DI Combustion Engine Fueled with DME（Ⅱ）

LI Wei1，WANG Wen1，HUANG Yong-cheng2，WANG Ying2
（1.Department of Automobile，Xijing College，Xi’an 710123，Shaanxi，China;
2.School of Energy ＆ Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，Shaanxi，China）

TAB breakage model is substituted by the WAVE broken model.PSR（Partially-Stirred-Reactor）combustion model with detailed chemical reaction mechanism is adopted in KIVA program，three dimensional numerical simulation of DME PCCI-DI combustion is carried out.The computation result can accurately reflect the characteristics of DME PCCI-DI combustion and various components density changing situations in the cylinder.

DME;numerical simulation;KIVA-Ⅲ

TK42

A

1674-0696（2011）06-1415-05

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.06.37

2011-05-24;

2011-06-17

陜西省教育廳專項科研計劃項目（2010JK888）;國家自然科學基金資助項目（50706038）

李 維（1965-），男，陜西西安人，副教授，博士，主要從事汽車發(fā)動機代用清潔燃料方面的研究。E-mail:liwei6512@126.com。