【摘 要】为研究不同二甲醚掺混比对柴油/二甲醚双燃料发动机排放水平的影响，运用AVL FIRE软件对不同掺混比下的燃烧过程进行了三维数值模拟计算。研究结果表明，由于柴油与二甲醚燃料性质的差异，随着二甲醚掺混比的增加，缸内平均气体温度逐渐下降，从而抑制了NO和碳烟排放物的生成，但会导致发动机动力性能的下降，计算结果为合理的确定二甲醚的掺混比提供了依据。
【关键词】发动机；二甲醚；掺混比；数值模拟；排放
随着汽车保有量的增加以及石油资源的减少，汽车所带来的环境污染和能源危机问题越来越严重，而柴油/二甲醚双燃料发动机以其良好的经济性和排放性而受到人们的关注，国内相关院校也相继开展了二甲醚燃料发动机的研究工作[1-4]。但不同的二甲醚掺混比对发动机的燃烧及排放影响不同。针对这一情况，选择了五种不同掺混比例的柴油、二甲醚双燃料，运用FIRE软件对这五种不同二甲醚掺混比的双燃料发动机的燃烧过程进行了模拟计算，分析了不同二甲醚掺混比对发动机燃烧及排放的影响规律。
1 计算模型的建立
1.1 发动机的基本参数及燃烧室网格划分
计算所用的发动机的主要尺寸为：缸径为132mm，行程为145mm，以2500r/min的速度运转，连杆长度为262mm，压缩比为17：1，喷孔直径为0.3mm，喷孔夹角为150°。因用的是8孔喷油器，所以为了节省计算成本，建立了1/8燃烧室模型，同时认为燃烧室顶面是无气门的完整平面，活塞顶面为燃烧室的底面，缸套的内表面为燃烧室侧壁。采用FIRE软件的FAME模块对进行燃烧室网格划分，如图1所示。采用笛卡尔坐标随曲轴转角变化的动网格子程序进行网格的增删，燃烧室的网格数在下止点为（180°CA）79600个，上止点（360°CA）为23600个。
1.2 计算模型
在FIRE软件中，发动机缸内的气体流动模拟是以经典流体力学可压缩性粘性流体的N-S方程为基础的，根据基本的三大守恒定律，即质量守恒、动量守恒和能量守恒，以一组偏微分的方程组来描述缸内流动过程；同时计算中也采用了针对内燃机工作特点的其它模型，包括着火和燃烧模型、排放模型、喷雾模型、碰壁模型等。本文针对直喷发动机工作过程的特点，依据不同模型的内部机理和适用范围，进行了相应的选取。
在描述喷油的雾化过程时，采用了WAVE离散模型，蒸发模型采用Dukowicz模型，假设液滴是在不可压缩的气体中蒸发的。考虑到碰壁反射与黏附双重作用，用Walljet1模型模拟喷雾撞壁过程。着火模型选用Diesel-MIL模型，既能描述大多数燃料的着火特征，又能适应较宽的工况。发动机的燃烧模拟是建立在Eddy Breakup Model涡破碎模型基础上的， 该燃烧模型的假设条件是，在足够精细的流动湍流结构尺度下，一旦组分的混合是以分子量级发生的，化学反应在瞬间即可完成。因为和湍流输运过程相比，化学反应的时间尺度相对很小，所以燃烧的速率是由分子量级的湍流涡旋相互混合的速率所决定的，也就是说由这些涡的耗散率所决定的[5-6]。在模拟计算NO生成时，采用了Zeldovich反应机理。碳烟的生成和氧化模型选用Kennedy-Hiroyasu-Magnussen模型。
1.3 发动机的初始条件
定义压缩冲程的上止点为360°CA，为了减少计算时间，本次直喷式柴油机喷雾燃烧数值模拟过程没有对进气行程和排气行程进行模拟，而是从进气门关闭的时刻（220°CA）开始计算，到排气门开启前480°CA结束。并设缸内初始状态的压力、温度处处均匀，边界条件根据经验，设活塞表面温度为593K，缸盖壁面温度为583K，缸套壁面温度为490K。
2 模拟结果与分析
2.1 模拟结果与实测结果的比较
为了验证计算模型的正确性，将计算得到的缸内压力与实际测到的缸内压力进行比较。图2为燃用纯柴油时，某一工况下，计算结果与实测结果的比较，从图2中可以看出，计算得到的缸内压力曲线与实际测到的曲线基本吻合，表明所建立模型的正确性，可以用来通过模拟发动机的燃烧和排放等过程。
2.2 不同燃料掺混比对燃烧及排放产物的影响
图3为不同燃料掺混比时，不同曲轴转角下缸内的温度曲线（其中D0代表纯柴油，D30代表二甲醚质量分数为30%，依次类推，下同），从图3可以看出，在上止点前由于参与燃烧的燃料较少，五种不同种燃料掺混比时，缸内的温度曲线基本重合，在上止点后由于燃烧性质的不同，缸内温度曲线各有不同，随着二甲醚混合比例的提高，缸内温度逐渐下降，在420°CA时，温度差最大值达到160K。分析其主要原因为：二甲醚燃料有较低的沸点和高的蒸发潜热；二甲醚具有的十六烷值高、自燃温度低、滞燃期短、预混燃烧量少，气缸内的最高燃烧温度较低等优点，同时二甲醚的低热值（28.43MJ/kg）仅为柴油（ 42.5MJ/kg）的70%左右，造成二甲醚的比例逐渐增加时，其累计放热量逐渐减少（如图4所示），所以由于这两方面的原因，使得随着二甲醚掺混比例的提高，缸内的燃烧温度逐渐降低，但缸内温度的降低对发动机的动力性能将带来不利的影响。
不同掺合比例的燃料的NO排放随着曲轴转角的变化曲线如图5所示，从图5可以看出，NO的生成随着燃烧的开始而急剧上高，在390°CA时，达到峰值，随后保持不变；但随着二甲醚掺混比例的增加，NO生成量逐渐减少，并且下降幅度很大，燃烧D90与燃烧纯柴油相比，NO的质量分数从2.69E-5下降到8.5E-6，下降幅度高达68.4%，说明柴油中加入二甲醚进行掺烧可显著降低NO排放。掺混二甲醚能够降低发动机NO排放，这可由NO的生成条件分析得到：二甲醚掺混比例的增加时，缸内的温度、特别是最高燃烧温度降低，从而不利于NO的生成。
图6为不同掺混比例的燃料的碳烟排放随着曲轴转角的变化曲线。由图6可知，随着二甲醚掺混比例的增加，生成的碳烟质量分数较燃用纯柴油时大幅下降，同时生成的碳烟峰值也大幅降低。这主要是受二甲醚自身的理化性质影响：首先二甲醚的沸点和临界温度低、雾化性能好、与缸内空气能快速混合均匀，同时含氧量达到34.8%，能有效缓解缸内局部缺氧的现象；其次，二甲醚掺混比例增加时，缸内的燃烧温度能够显著降低；再次，二甲醚分子结构中不存在较强结合力的C-C键和芳香烃中所含的由碳单键和双键交替组成的苯环结构，从而减少了混合燃料在燃烧过程中的裂解成分，抑制了碳烟的生成量。所以，二甲醚的燃烧过程可以有效控制发动机内碳烟的生成，减少其排放量。
3 结论
本文针对发动机燃用不同比例的柴油/二甲醚混合燃料的燃烧过程进行了数值模拟并进行了分析。得到如下结论：
1） 随着二甲醚掺混比的增加，缸内平均气体温度逐渐下降，从而抑制了NO和碳烟排放物的生成；
2） 缸内气体温度的下降将导致发动机动力性能的下降，所以应合理的确定二甲醚与柴油的掺混比例。
3） 二甲醚是一种低排放的代用燃料，在排放法规日益严格的今天，具有良好的发展前景。
【参考文献】
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[责任编辑：薛俊歌]
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