许永红，童亮，石智成，张红光

(1.北京信息科技大学 机电工程学院，北京 100192；2.北京工业大学 环境与能源工程学院，北京 100124；3.北京电动车辆协同创新中心，北京 100124)

0 引言

与常规燃烧系统相比，均质充量压缩着火燃烧(HCCI)由于具有较高的热效率以及较低的氮氧化物和颗粒物质(PM)排放而受到人们的广泛关注[1]。然而，HCCI的点火时刻难以控制，而且HCCI在高负荷下非常快速地进行，其运行范围有限[2]。由于HCCI发动机燃烧过程主要取决于燃料化学反应动力学，解决此问题的有效方法是使用具有不同着火性能的混合燃料[3]。作为有前景的替代燃料，二甲醚(DME)和氢气(H2)因其燃烧特性而受到各国学者的广泛重视[4-5]。着眼于点火控制和运行范围的拓宽，学者们提出了用DME掺混H2的燃烧策略[6]。

在发动机台架研究方面，梁晨等[7]在初始温度为室温299 K、压缩比为18.5的HCCI发动机中进行了不同氢气掺混比下DME与H2混合气的燃烧实验研究，结果表明：添加H2可以提高缸内峰值压力和制动平均有效压力。在基础燃烧方面，着火延迟时间是研究燃烧机理的重要参数，也是开发、验证和完善化学动力学模型的关键数据。Pan等[8-9]在高温激波管上测量了DME与H2混合气的着火延迟时间(H2混合比范围为0%～100%)，发现高温(900～1 700 K)条件下着火延迟期随着掺氢比的增加而缩短。但是截至目前，针对更贴近发动机运行工况的低到中温(600～900 K)、高压实验条件(快速压缩机(RCM)测量工况范围)下的DME/H2混合气着火延迟期的测量数据仍然很少，并且对其着火特性需要进一步研究。张红光等[10]在快速压缩机上止点温度675 K、当量比0.83条件下发现DME存在三阶段燃烧与放热现象。此外，Hu等[11]在利用压缩比12.5的HCCI发动机在初始温度380 K条件下进行数值模拟研究后发现：DME与H2混合气燃烧时会出现三阶段燃烧与放热现象，而产生此现象的机理需要进一步解释。

因此，本文测量了RCM中稀燃DME与H2混合气的着火延迟期，并结合有限元分析软件ANSYS Chemkin-Pro进行模拟分析，以解释掺氢效应和稀燃DME与H2混合气的三阶段燃烧与放热现象。

1 实验装置与方法

1.1 实验装置简介

本文实验中应用的RCM参见文献[12]，在此仅作简要描述。RCM实验台架主要由燃烧缸、气压驱动、液压控制、气体供应和数据采集系统组成。RCM是RCM实验台架的主体部分，主要包括驱动气缸、液压缸和燃烧缸。驱动气缸和燃烧缸分别具有200 mm和50 mm的内径，从而导致驱动活塞与燃烧活塞的面积比为16∶1，驱动气压为0.2～0.8 MPa. 通过改变限位垫片和余隙垫片的数量使得压缩行程和燃烧室长度分别在190～250 mm和12～20 mm范围内调节，压缩比为8.42～16.90.压缩行程结束时，利用高压储气罐中的驱动气压将燃烧活塞锁定在上止点，从而形成定容的燃烧室，燃烧缸中的混合气在短时间内被压燃。由于压缩时间较短(仅为20～30 ms)，压缩过程中的散热量小，整个压缩过程可以近似为绝热压缩。采用目前广泛应用的余隙活塞[13]可以有效抑制由活塞运动引起的边界涡流，保持燃烧缸中良好的均匀条件。因此，可以确保“绝热核心”假设[14]的成立，从而准确计算压缩温度。根据绝热核心假设，上止点温度Tc由初始压力p0、初始温度T0、反应物组分和上止点压力pc决定，采用化学平衡软件Gaseq[15]计算并假定在压缩过程中不发生化学反应，具体计算公式为

(1)

式中：γ为混合气的比热容比，是温度和混合气组分的函数；T为整个压缩过程中的缸内温度。图1所示为RCM实验平台的系统图。

1.2 实验参数和着火延迟期定义

实验所用气体的纯度如下：DME 99.5%；H299.999%；氧气(O2)99.999%；氮气(N2)99.999%.燃烧缸内的压力由瑞士Kistler公司产6125C压力传感器和5011电荷放大器测得，同时使用美国Tektronix公司产MS04000示波器进行记录。上止点压力通过调节初始压力和压缩比控制在12～22 bar范围，涉及到的当量比为0.30～1.00，氮气稀释率为0%和59%，掺氢比为0～85%. 上止点温度通过调节初始温度和压缩比控制在628～858 K范围，其中低温范围为628～705 K，中温范围为705～858 K. 掺氢比RH2定义为燃料混合物中H2的摩尔分数：

(2)

式中：nH2、nDME分别为H2和DME的摩尔分数。

为了确保实验结果的准确性，在相同的初始条件下(pc=22 bar，Tc=622 K)重复实验不少于3次，取其平均值来代表最后的着火延迟期。相同工况条件下的3次实验曲线在压缩和燃烧过程中吻合良好，即基于本RCM实验台架的数据可重复性良好，具体如图2所示。图2中反应气体为DME混合气(DME∶O2∶H2=1∶6∶24)，非反应气体是把DME混合气中的O2换成N2.

混合气的配置在装有磁力搅拌器的预混罐中进行，根据分压定律，按照物质的量从小到大依次将实验气体充入预混罐中并充分搅拌(约20 min)，然后静置至少12 h，以保证混合气的充分均质化。每次实验前，将燃烧缸与配气管路进行抽真空处理，以降低残余废气对下次实验的影响。

值得注意的是，活塞达到上止点前，压缩过程中已经发生了化学反应，第1阶段着火延迟期耦合在压缩过程中(见图4)。图4中φ为当量比，ε为压缩比。此时无法准确定义上止点和计算上止点温度，在此温度区间所得的数据不予采用。

1.3 着火延迟期不确定性分析

压力和温度的测量、边界层厚度和活塞位置等因素将影响到RCM中着火延迟期的测量精度，其中压力和温度测量的不确定性起主导作用[13]。压力测量的不确定性来自初始压力测量，压力传感器和电荷放大器的不确定性会导致初始压力的不确定性；而初始压力测量的不确定性将直接导致上止点温度计算的不确定性。由于初始温度测量的不确定度为±0.24 K，导致上止点温度计算的不确定度为±0.45 K. 而来自于混合气组分的不确定性非常小(<0.62%)，因此可以忽略。此外，较高上止点温度下第1阶段的着火延迟期较短，因此压缩过程中发生的化学反应影响第1阶段着火延迟期的测量。综上所述，着火延迟期的不确定度根据Di等[16]的计算方法，采用(3)式进行计算：

(3)

(4)

tc为压缩时间，τi,c为根据压缩过程中瞬时压力和瞬时温度计算所得到的着火延迟期。

2 数值模拟

下面采用Chemkin-Pro软件中的0-D均质定容绝热反应器进行数值模拟研究。为了更贴近RCM燃烧缸内混合气的燃烧过程，在设定反应器容积时采用Mittal等[18]的体积膨胀法，将压力的变化以等熵假设转变为体积的变化来考虑压缩后的热损失。反应器初始参数与实验过程中的初始参数相同。首先进行相应的非反应气体压缩实验，其中非反应气体与相应的反应气体具有相同的比热容比、初始温度和初始压力，具体方法为用与O2具有近似比热容比和热扩散率的N2替代O2，参见文献[19]。从图2中可以看出，压缩过程和着火发生前非反应曲线和相应的反应物曲线吻合良好，证明了本文的传热模型模拟RCM实验的可应用性。

本文模拟计算所用机理为NUIG Mech_56.54(包含113种物种和710种基元反应)[20]，该机理包含详细的DME和H2子机理，并已得到了大量基础实验数据的验证[20-21]。

3 结果与分析

3.1 掺氢比对着火延迟期的影响

图5所示为上止点温度724 K、上止点压力22 bar以及不同掺氢比条件下DME与H2稀混合气的缸内燃烧压力曲线。由图5可见，随着掺氢比的增加，低温着火阶段放热率(由压力升高近似代表)降低，着火延迟期延长。从图6所示进一步的量化结果可以看出:在较低上止点压力下，纯DME和DME与H2稀混合气均出现负温度系数(NTC)现象：随着上止点温度的增加，着火延迟期保持不变或增加，而H2本身无NTC现象，表明在本文掺氢比实验条件下DME着火过程中的化学反应仍起主导作用。NUIG Mech_56.54能够较好地定性预测掺氢比对DME与H2稀混合气着火延迟期的影响。从定量分析来看，NUIG Mech_56.54在NTC区间较好地预测了着火延迟期，而在低温区间的模拟值小于实验值。H2的添加使得着火延迟期延长，但在不同温度区间有所差异。相比于低温区间，H2的添加在NTC区间使得着火延迟的延长更加明显，在其他混合燃料的着火延迟研究中同样发现了类似的现象[22]。因此，在后文中选择NTC区间的上止点温度700 K进行分析。如图7所示，在上止点压力12 bar和22 bar条件下，选择着火延迟期作为掺氢比的函数，可以看出着火延迟期随着掺氢比的增加呈非线性延长：在掺氢比小于60%时着火延迟期缓慢增加，当掺氢比超过60%时着火延迟期的增幅变得明显。此外，掺氢效应在上止点压力较低时更明显，表明掺氢效应对上止点压力敏感。

OH自由基是DME低温氧化的链载体，其与燃料分子反应后生成小分子物质，同时释放大量热量。H2和DME竞争OH自由基，可抑制DME的整个低温氧化过程[23]。图8所示为温度700 K、压力12 bar以及当量比0.5条件下反应R3(H2+OH⟺H2O+H)和反应R433(CH3OCH3+OH⟺CH3OCH2+H2O)竞争OH自由基的归一化消耗速率。从图8中可以看出，尽管反应R433仍然主导OH自由基的消耗，但其贡献率随着H2摩尔分数的增加而降低。而反应R3的贡献率随着H2摩尔分数的增加而增加，表明H2竞争到了更多的OH自由基。产生的H自由基进一步通过链传递反应R9：H+O2(+ M)⟺HO2(+M)形成HO2自由基，表明添加H2后将高反应活性的OH自由基转化为亚稳态的HO2自由基，降低了系统的反应活性[23]。同时，在较低的压力下着火对反应R9更敏感[24]，因此在较低的上止点压力下，添加H2的效应更明显。H、OH和HO2自由基在DME与H2稀混合气低温着火过程中起到非常关键的作用[25]，因此这些自由基的浓度和可以用于表征添加H2对DME着火过程的影响。从图9中可以看出，H2的添加降低了低温反应阶段H、O和HO2自由基的浓度和，使其浓度峰值对应的时刻延迟，即抑制了DME的低温氧化过程，进而总的着火延迟期延长。当掺氢比超过60%时，自由基浓度和摩尔分数下降开始变得明显，这与实验中着火延迟期随着掺氢比的增加而非线性延长相对应。

3.2 DME与H2稀混合气三阶段燃烧与放热现象

图10所示为固定上止点温度655 K和上止点压力12 bar以及不同当量比(0.30、0.75和1.00)和掺氢比(0%、30%和50%)下燃烧压力曲线。从图10(a)中可以看出，在较低的当量比(φ=0.30)条件下，燃烧与放热出现低温、高温第1阶段和高温第2阶段3个阶段，即三阶段放热现象，且随着掺氢比的增加，三阶段燃烧与放热现象变得弱化。进一步的量化结果如图11所示。由图11可见，随着掺氢比的增加，高温两阶段放热的间隔时间缩短。

而在较高的当量比下，如图3和图10(b)所示，即使在较高稀释率下燃烧与放热只有低温和高温两个阶段。当量比的增加加速了燃烧过程，放热率和温度升高率相应增加，因此只出现高温单阶段燃烧的现象。

为了阐明在低当量比下DME与H2混合气产生三阶段燃烧与放热的机理，在Tc=655 K、pc=12 bar和φ=0.30条件下进行RH2=0%和RH2=50%的化学动力学模拟，包括温度、放热率和重要反应物摩尔分数随时间的变化，结果如图12所示。从图12可以看出，DME消耗产生大量HCHO，导致低温放热。然后HCHO逐渐积累并最终大量消耗产生一氧化碳(CO)，随后CO消耗产生二氧化碳(CO2)。值得注意的是，CO最大产生率时间对应于高温第1阶段的放热率峰值，最大CO消耗速率时间对应于高温第2阶段的放热率峰值。由此可以得出结论，HCHO反应产生CO主导高温第1阶段放热，而CO和剩余燃料组分氧化主导高温第2阶段放热。从图12还可以看出，在RH2=50%时，与纯DME相比，低温阶段和高温第1阶段的放热率峰值都较小。这主要是由于随着H2的添加，DME的量降低，同时H2的添加抑制了DME的消耗，HCHO产生和累积量降低进而放热率降低。由此可以得出结论，DME主要在低温放热和高温第1阶段放热消耗，而H2主要在高温第2阶段放热中消耗。因此，高温第2阶段放热量随着H2的添加而增加。H2的添加使得高温第1阶段放热降低而高温第2阶段放热率增加，因此具有缓和燃烧的作用。

图13所示为在Tc=655 K、pc=12 bar和φ=0.30条件下放热率、重要反应物和重要基元反应放热率随温度的变化，此处只给出了对放热率贡献最大的6个基元反应。放热率的3个峰值分别对应于低温、高温第1阶段和高温第2阶段3个放热阶段。H2的添加降低了低温和高温第1阶段反应的放热量，而增加了高温第2阶段反应的放热量。基元反应放热率曲线表明，R9：H+O2(+M)⟺HO2(+M)、R19：H2O2(+M)⟺OH+OH(+M)、R31：HCO+O2⟺CO+HO2和R72：CH2O+OH⟺HCO+H2O为高温第1阶段反应放热做出了主要贡献。R19虽然是吸热反应，但是H2O2分解产生的OH参与反应R72.因此，HCHO消耗产生CO是高温第1阶段反应放热的主要原因。反应R15：HO2+OH⟺H2O+O2和R27: CO+OH⟺CO2+H主导高温第2阶段反应放热。CO和HO2分别生成CO2和H2O是高温第2阶段放热的主要原因。

4 结论

1) H2的添加使得DME与H2稀混合气着火延迟期呈现非线性增加：在掺氢比小于60%时着火延迟期缓慢增加，而超过60%时着火延迟期显著增加，且H2的添加效应在较低的上止点压力条件下更加明显。

2) NUIG Mech_56.54能够较好地定性预测DME与H2稀混合气体的着火延迟期。但在低温区间，模拟值小于实验值，其机理仍需进一步优化。

3) DME与H2稀混合气在较低的当量比0.30条件下呈现低温放热、高温第1阶段放热和高温第2阶段放热的三阶段燃烧与放热现象，且随着掺氢比的增加，三阶段燃烧与放热现象弱化。而在较高的当量比条件下，燃烧与放热只有低温和高温两个阶段。

4)化学动力学分析表明：DME主要在低温和高温第1阶段反应过程中消耗，而H2主要在高温第2阶段反应中消耗。

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