柴油/二甲醚雙燃料發(fā)動機的排放性能研究

袁志明 秦朝舉

（華北水利水電大學 機械學院，河南 鄭州450045）

隨著汽車保有量的增加以及石油資源的減少，汽車所帶來的環(huán)境污染和能源危機問題越來越嚴重， 而柴油/二甲醚雙燃料發(fā)動機以其良好的經(jīng)濟性和排放性而受到人們的關(guān)注，國內(nèi)相關(guān)院校也相繼開展了二甲醚燃料發(fā)動機的研究工作[1-4]。但不同的二甲醚摻混比對發(fā)動機的燃燒及排放影響不同。 針對這一情況，選擇了五種不同摻混比例的柴油、二甲醚雙燃料，運用FIRE 軟件對這五種不同二甲醚摻混比的雙燃料發(fā)動機的燃燒過程進行了模擬計算，分析了不同二甲醚摻混比對發(fā)動機燃燒及排放的影響規(guī)律。

1 計算模型的建立

1.1 發(fā)動機的基本參數(shù)及燃燒室網(wǎng)格劃分

計算所用的發(fā)動機的主要尺寸為： 缸徑為132mm， 行程為145mm，以2500r/min 的速度運轉(zhuǎn)，連桿長度為262mm，壓縮比為17:1，噴孔直徑為0.3mm，噴孔夾角為150°。因用的是8 孔噴油器，所以為了節(jié)省計算成本，建立了1/8 燃燒室模型，同時認為燃燒室頂面是無氣門的完整平面，活塞頂面為燃燒室的底面，缸套的內(nèi)表面為燃燒室側(cè)壁。 采用FIRE 軟件的FAME 模塊對進行燃燒室網(wǎng)格劃分， 如圖1所示。采用笛卡爾坐標隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的動網(wǎng)格子程序進行網(wǎng)格的增刪，燃燒室的網(wǎng)格數(shù)在下止點為(180°CA)79600 個，上止點(360°CA)為23600 個。

圖1 燃燒室網(wǎng)格

1.2 計算模型

在FIRE 軟件中，發(fā)動機缸內(nèi)的氣體流動模擬是以經(jīng)典流體力學可壓縮性粘性流體的N-S 方程為基礎(chǔ)的，根據(jù)基本的三大守恒定律，即質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒，以一組偏微分的方程組來描述缸內(nèi)流動過程； 同時計算中也采用了針對內(nèi)燃機工作特點的其它模型，包括著火和燃燒模型、排放模型、噴霧模型、碰壁模型等。 本文針對直噴發(fā)動機工作過程的特點， 依據(jù)不同模型的內(nèi)部機理和適用范圍，進行了相應(yīng)的選取。

在描述噴油的霧化過程時，采用了WAVE 離散模型，蒸發(fā)模型采用Dukowicz 模型，假設(shè)液滴是在不可壓縮的氣體中蒸發(fā)的。 考慮到碰壁反射與黏附雙重作用，用Walljet1 模型模擬噴霧撞壁過程。 著火模型選用Diesel-MIL 模型，既能描述大多數(shù)燃料的著火特征，又能適應(yīng)較寬的工況。發(fā)動機的燃燒模擬是建立在Eddy Breakup Model 渦破碎模型基礎(chǔ)上的, 該燃燒模型的假設(shè)條件是， 在足夠精細的流動湍流結(jié)構(gòu)尺度下，一旦組分的混合是以分子量級發(fā)生的，化學反應(yīng)在瞬間即可完成。因為和湍流輸運過程相比，化學反應(yīng)的時間尺度相對很小，所以燃燒的速率是由分子量級的湍流渦旋相互混合的速率所決定的，也就是說由這些渦的耗散率所決定的[5－6]。 在模擬計算NO 生成時，采用了Zeldovich 反應(yīng)機理。 碳煙的生成和氧化模型選用Kennedy-Hiroyasu-Magnussen 模型。

1.3 發(fā)動機的初始條件

定義壓縮沖程的上止點為360°CA，為了減少計算時間，本次直噴式柴油機噴霧燃燒數(shù)值模擬過程沒有對進氣行程和排氣行程進行模擬，而是從進氣門關(guān)閉的時刻(220°CA）開始計算，到排氣門開啟前480°CA 結(jié)束。 并設(shè)缸內(nèi)初始狀態(tài)的壓力、溫度處處均勻，邊界條件根據(jù)經(jīng)驗，設(shè)活塞表面溫度為593K，缸蓋壁面溫度為583K，缸套壁面溫度為490K。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 模擬結(jié)果與實測結(jié)果的比較

為了驗證計算模型的正確性，將計算得到的缸內(nèi)壓力與實際測到的缸內(nèi)壓力進行比較。圖2 為燃用純柴油時，某一工況下，計算結(jié)果與實測結(jié)果的比較，從圖2 中可以看出，計算得到的缸內(nèi)壓力曲線與實際測到的曲線基本吻合，表明所建立模型的正確性，可以用來通過模擬發(fā)動機的燃燒和排放等過程。

圖2 計算與實測缸內(nèi)壓力曲線對比圖

2.2 不同燃料摻混比對燃燒及排放產(chǎn)物的影響

圖3 為不同燃料摻混比時，不同曲軸轉(zhuǎn)角下缸內(nèi)的溫度曲線(其中D0 代表純柴油，D30 代表二甲醚質(zhì)量分數(shù)為30%， 依次類推，下同)，從圖3 可以看出，在上止點前由于參與燃燒的燃料較少，五種不同種燃料摻混比時，缸內(nèi)的溫度曲線基本重合，在上止點后由于燃燒性質(zhì)的不同，缸內(nèi)溫度曲線各有不同，隨著二甲醚混合比例的提高，缸內(nèi)溫度逐漸下降，在420°CA 時，溫度差最大值達到160K。分析其主要原因為：二甲醚燃料有較低的沸點和高的蒸發(fā)潛熱；二甲醚具有的十六烷值高、自燃溫度低、滯燃期短、預混燃燒量少，氣缸內(nèi)的最高燃燒溫度較低等優(yōu)點，同時二甲醚的低熱值(28.43MJ/kg)僅為柴油( 42.5MJ/kg)的70%左右，造成二甲醚的比例逐漸增加時，其累計放熱量逐漸減少（如圖4 所示），所以由于這兩方面的原因，使得隨著二甲醚摻混比例的提高，缸內(nèi)的燃燒溫度逐漸降低，但缸內(nèi)溫度的降低對發(fā)動機的動力性能將帶來不利的影響。

圖3 溫度曲線

圖4 累計放熱量曲線

圖5 NO 生成的質(zhì)量分數(shù)對比圖

不同摻合比例的燃料的NO 排放隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線如圖5所示， 從圖5 可以看出，NO 的生成隨著燃燒的開始而急劇上高，在390°CA 時，達到峰值，隨后保持不變；但隨著二甲醚摻混比例的增加，NO 生成量逐漸減少，并且下降幅度很大，燃燒D90 與燃燒純柴油相比，NO 的質(zhì)量分數(shù)從2.69E-5 下降到8.5E-6， 下降幅度高達68.4%，說明柴油中加入二甲醚進行摻燒可顯著降低NO 排放。 摻混二甲醚能夠降低發(fā)動機NO 排放，這可由NO 的生成條件分析得到：二甲醚摻混比例的增加時，缸內(nèi)的溫度、特別是最高燃燒溫度降低，從而不利于NO 的生成。

圖6 碳煙生成的質(zhì)量分數(shù)對比圖

圖6 為不同摻混比例的燃料的碳煙排放隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。由圖6 可知，隨著二甲醚摻混比例的增加，生成的碳煙質(zhì)量分數(shù)較燃用純柴油時大幅下降，同時生成的碳煙峰值也大幅降低。 這主要是受二甲醚自身的理化性質(zhì)影響： 首先二甲醚的沸點和臨界溫度低、霧化性能好、與缸內(nèi)空氣能快速混合均勻，同時含氧量達到34.8%，能有效緩解缸內(nèi)局部缺氧的現(xiàn)象；其次，二甲醚摻混比例增加時，缸內(nèi)的燃燒溫度能夠顯著降低；再次，二甲醚分子結(jié)構(gòu)中不存在較強結(jié)合力的C-C 鍵和芳香烴中所含的由碳單鍵和雙鍵交替組成的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，從而減少了混合燃料在燃燒過程中的裂解成分，抑制了碳煙的生成量。 所以，二甲醚的燃燒過程可以有效控制發(fā)動機內(nèi)碳煙的生成，減少其排放量。

3 結(jié)論

本文針對發(fā)動機燃用不同比例的柴油/二甲醚混合燃料的燃燒過程進行了數(shù)值模擬并進行了分析。 得到如下結(jié)論：

1) 隨著二甲醚摻混比的增加，缸內(nèi)平均氣體溫度逐漸下降，從而抑制了NO 和碳煙排放物的生成；

2) 缸內(nèi)氣體溫度的下降將導致發(fā)動機動力性能的下降， 所以應(yīng)合理的確定二甲醚與柴油的摻混比例。

3) 二甲醚是一種低排放的代用燃料， 在排放法規(guī)日益嚴格的今天，具有良好的發(fā)展前景。

［1］周宇，秦朝葵，邢慧娟，等.天然氣摻混二甲醚擴散是燃燒性能與排放[J].同濟大學學報，2014,42(4):589-595.

［2］梁晨.摻混二甲醚點燃式內(nèi)燃機燃燒與排放性能的試驗研究[D].北京:北京工業(yè)大學,2013.

［3］廖水榮.二甲醚發(fā)動機動力及排放性能研究[J].小型內(nèi)燃機與摩托車，2011,40(6):79-82.

［4］梁晨.二甲醚-生物柴油混合燃料噴射及發(fā)動機燃燒研究[D].上海:上海交通大學,2011.

［5］秦朝舉，原彥鵬，宋立業(yè).燃燒室形狀對柴油機燃燒及排放影響的研究[J].中國農(nóng)機化學報，2013,34(1):98-101,111.

［6］何鵬,李云清,王金成.燃燒室?guī)缀涡螤顚Σ裼蜋C燃燒過程影響的研究[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車，2008,35(3):35-37,41.