邓航，邓惜仁，吴先焕

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

二甲醚均质混合压燃燃烧数值模拟研究

邓航，邓惜仁，吴先焕

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

文章利用大型化学反应动力学软件CHEMKIN结合二甲醚详细化学反应动力模型，对二甲醚的HCCI燃烧进行了模拟研究，从理论上研究探讨二甲醚的HCCI燃烧机理，构建了二甲醚HCCI反应动力学的简化模型，并研究了边界条件对二甲醚HCCI燃烧的影响。结果表明：随着进气温度的升高、过量空气系数的减小、初始压力的增加，缸内的最高压力升高，最大燃烧温度上升。

燃烧特性；排放；均质混合压燃；二甲醚；数值模拟

CLC NO.:U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-48-03

引言

面对日益短缺的能源和汽车尾气排放污染越来越严重，世界很多的国家在研究提高发动机性能时，不得不积极地研究和开发使用优良的代用燃料，比如二甲醚、甲醇等。

二甲醚作为燃料具有高的蒸汽压、低沸点、压燃性好及混合气形成容易等特性，非常适合HCCI的燃烧方式，因此，深入研究二甲醚HCCI燃烧过程，分析其燃烧特征，开发二甲醚HCCI燃烧技术，具有重要的理论和现实意义。[1]

1、内燃机计算模型

本文采用单区零维详细化学动力学模型，利用CHEM KIN完成二甲醚的HCCI燃烧的模拟计算。

1.1 模型的选择

本文选择CHENKIN中的内燃机模型（即IC Engine），IC Engine模块解决了发动机中的着火燃烧问题。应用IC Engine模块在发动机中进行HCCI燃烧模拟计算，需基于以下3点假设：

（1）燃烧室内质量恒定，且整个燃烧室为绝热系统混合气体组分均为理想气体，其比热能c、内能u、焓h等参数均仅与气体温度和气体成分有关。

（2）缸内工质的状态均匀，即同一瞬时气缸内各点的压力、温度、各组分浓度处处相等。并假定在进气期间，通过系统边界进入气缸内的空气与气缸内的残余废气实现瞬时的完全混合。

（3）不计气体的动能和势能。

模拟计算中进气门在上止点前(BTDC)132°CA关闭，故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，并且假设在模拟计算过程中，缸内压力、温度、各组分浓度处处相等，不考虑燃烧室壁面的传热。[2]

1.2 模拟数据与试验数据对比

本文选用的发动机是云南内燃机厂生产的4100QB-1A发动机。

为了验证计算模型的可靠性，将计算得到的缸内压力与试验测得的缸内压力进行比较。计算初始条件根据试验测量数据确定，图1为转速n=1000r/min、进气温度Tin=300K、平均指示压力Pi=0.12MPa工况下模拟计算结果与试验结果的对比。从图中可以看出，计算的低温和高温的着火时刻与实验测得结果吻合，但由于在计算过程中假设燃料混合气分布均匀，而在实验中不可能达到绝对的均匀分布，便会使得在计算中燃料高温着火后的燃烧速率过快，并且在模拟计算中没有考虑燃料混合气的泄漏、燃烧室壁面的传热、边界层及缝隙存在导致的不完全燃烧，使得计算的最大压力比实验结果高。[3]

图1 模拟结果与试验数据对比

1.2.1 边界条件对HCCI燃烧的影响

1.3 过量空气系数对HCCI燃烧的影响

图2 过量空气系数对缸内温度的影响

由图2、图3可以看出，随着过量空气系数的增加，最高温度压力均降低，这是由于混合气浓度降低导致。计算中工质总量不变，过量空气系数增加还会导致燃料量减少，也会使最高温度压力下降。

图3 过量空气系数对缸内压力的影响

1.4 进气温度对HCCI燃烧的影响

关于进气温度参数的研究计算条件：转速1000rpm，P0=0.095MPa，CR=17，α=4.8。由图4可看出，随着进气温度的升高，最大温度升高，着火时刻提前。初始温度越高，缸内工质的摩尔数越小，进气量变少，采用增压技术可以增加进气量。

图4 进气温度对缸内温度的影响

图5 进气温度对缸内压力的影响

由图5可看出，进气温度越高，反应越容易开始进行，所以反应开始时的压力越高，但是最高压力却不是最大的，320K时的压力最高，这是由于此时混合气浓度最适合反应的进行，反应最集中，压力升高率最高所致。

1.5 初始压力对HCCI燃烧的影响

对于初始压力这一参数的研究计算是在转速1000rpm，CR=17，T0=300K，α=4.8下进行的。由图6、图7可以看出，温度压力都随初始压力的升高而增加，最高温度和最大压力也越来越大，出现的时刻也有所提前。另外，初始压力的增加会导致最大压力过高，从而会导致NOx排放的急剧增加。[4]

图6 初始压力对缸内温度的影响

图7 初始压力对缸内压力的影响

2、结论

本文利用化学动力学计算软件CHEMKIN对二甲醚燃料HCCI燃烧的过程进行了模拟计算并与实验结果相比，结果表明：计算结果在整体压力曲线形状的预测与实验结果相吻合，可以用来预测燃烧边界条件对HCCI燃烧过程的影响。利用所建立的二甲醚HCCI燃烧的单区模型，研究了过量空气系数、进气温度、初始压力等燃烧边界条件对二甲醚HCCI燃烧的影响规律。结果表明：随着进气温度的升高、过量空气系数的减小、初始压力的增加，缸内的最高压力升高，最大燃烧温度上升。

[1] 吕兴才,黄震.李孝禄.代用燃料二甲醚的研究现状与前景[J].车用发动机,2003,04:39-42+54．

[2] 罗马吉,黄震,陈志,吕兴才,李德刚．二甲醚均质压燃燃烧的详细化学动力学模拟研究[J].汽车工程，2004，06:642-647．

[3] 陈志方,常耀红.基于CHEMKIN的甲烷HCCI燃烧模拟研究[J],北京汽车,2011,05:10-13．

[4] 王大兴,张欣,刘建华.均质压燃式(HCCI)燃烧的研究[J].内燃机工程,2002,04:77-81．

Combustion Numerical Simulation of DME HCCI

Deng Hang, Deng Xiren, Wu Xianhuan
( Automobile Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064 )

In this paper, the simulation study on dimethyl ether HCCI combustion is carried out by using the large-scale chemical reaction kinetics software CHEMKIN, combined with the detailed chemical kinetics model of DME. The combustion chemical kinetics mechanism of DME is investigated in theory. And the influences of boundary conditions on DME HCCI combustion are analyzed. The results show that the maximum pressure and the maximum temperature in the cylinder are increased with the increase of the intake air temperature, excess air coefficient and the increase of initial pressure.

Combustion Characteristic; Emission; HCCI; DME; Simulation

U463.8

A

1671-7988(2016)07-48-03

邓航，就读于长安大学汽车学院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.015