柴油机燃用二甲醚的HCCI特性模拟分析

第２７卷第４期　西华大学学报（自然科学版）　２００８年７月　Ｖｏ１．２７．Ｎｎ　４　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ・Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｊｕ１．２００８　文章编号：１６７３—１５９Ｘ（２００８）０３－－００２７－０３　柴油机燃用二甲醚的ＨＣＣＩ特性模拟分析　林灵，魏远文　（西华大学交通与汽车工程学院，四川成都６１００３９）　摘要：用化学动力学软件，对二甲醚柴油机ＨＣＣＩ燃烧模式进行变参数模拟计算。结果表明，进气温度、进气　压力、压缩比、转速和ＥＧＲ率都对ＨＣＣＩ的燃烧过程有比较明显的影响。模拟结果有望在柴油机燃用二甲醚的研　究工作中得到广泛应用。　关键词：二甲醚；ＨＣＣＩ；柴油机；燃烧；模拟研究　中图分类号：ＴＫ４２１　．２６　文献标识码：Ａ　近年来，发动机ＨＣＣＩ（Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ　Ｃｈａｒｇｅ　（４）换气过程中的质量损失为零，即认为是封　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）燃烧模式是研究热点，研究结　闭系统，不考虑泄露。同时柴油机余隙中残留的混　果表明发动机采用ＨＣＣＩ燃烧模式可以同时降低发　合气也不考虑。　动机尾气中的ＮＯｘ和微粒ＰＭ排放，较好地兼具了　１．２基本控制方程　柴油机和汽油机的优点，能同时获得较高的热效率　ＨＣＣＩ燃烧模块是封闭的绝热系统。混合气在　和低的排放特性。ＨＣＣＩ的着火主要受到混合气的　密闭的气缸内反应，没有物质流出和流入，因此混合　化学动力影响，其燃烧时刻的控制和工况的进一步　物的总质量守恒，即：　扩展仍是ＨＣＣＩ发展中的难点。　ＤＭＥ是柴油机比较理想的替代燃料，有着良好　＝　ｍ　为常数且　ｋ　１　ｃｔｔ　＝０（１）　：　的自燃特性和燃烧火焰温度低的特性，其固有分子　其中，ｍ　为第ｋ种物质的质量，Ｋ为混合物的　结构的特点，使得ＤＭＥ发动机尾气中没有微粒排　物质总数。　放。ＤＭＥ能很好的适应二冲程ＡＴＡＣ发动机和四　系统内各物质的质量变化为：　冲程发动机的ＨＣＣＩ燃烧模式¨Ｊ。在ＤＭＥ的自燃　：　二　：１，…，Ｋ　（２）　过程中，其燃烧过程呈明显的两阶段燃烧，即低温燃　烧阶段（ＬＴＲ）和高温燃烧阶段（ＨＴＲ）。把ＤＭＥ应　式中：ｔ为时问；　为基元反应中的第ｋ种物质　用于柴油机上进行ＨＣＣＩ燃烧模式的研究，具有很　的摩尔生成速率；　为第ｋ种物质的摩尔质量；Ｖ　强的现实意义。本文运用化学动力学燃烧软件建　为系统容积，随时间变化。　模，改变压缩比、进气温度、进气压力、转速等参数对　由于系统总质量不变，因此上式可以写成：　传统柴油机燃用二甲醚的ＨＣＣＩ燃烧模式的影响，　为二甲醚在柴油机上的进一步研究打下基础。　警：　：１，……，Ｋ　（３）　１　模型的建立　＝　为第ｋ种物质的质量分数　１．１计算假设　本文应用气相化学动力学软件进行柴油机ＨＣ—　＝　为比容积　ＣＩ燃烧模拟仿真时，作了以下基本假设：　（１）混合气完全均匀混合，系统各热力学参数　绝热封闭系统的热力学第一定律方程为：　相同。　ｄｅ＋ｐｄ　：０　（４）　（２）燃烧室单区集中。　式中：ｅ为单位质量；ｐ为压力　（３）绝热压缩和绝热膨胀。　理想混合气体的总内能为：　收稿日期：２００８４３４－２８　基金项目：四川省教育厅资助科研项目（２００６ＺＤ０２８）　作者简介：林灵（１９７８一），男，四川德阳市人，硕士研究生，主要研究方向为：内燃机替代燃料及排放控制技术。　维普资讯 http://www.cqvip.com

西华大学学报・自然科学版　２００８矩　ｅ＝二ｅ　式中：ｅ　为第ｋ种物质的内能。　对上式微分得到：　Ｋ　Ｋ　（５）　与过量空气系数和进气温度比较密切，不同的过量　空气系数对应不同的进气温度，从而使发动机的动　力性能达到最佳。　ｄｅ　＋　ｅ　ｄ　（６）　。对于理想气体有：　ｄｅ　＝Ｃｖ，ｋｄＴ　（７）　式中：　为混合气温度。　Ｃｖ，ｋ常压下第ｋ种物质的定容比热。　其中混合物的平均定容比热定义为：　Ｋ　ｃ　：　ｃ　（８）　将式（６）代入式（４），对时间ｔ求导数，并代入　式（５）、式（７）、式（８）可得：　。ｃ　”　＋警＋主ｅ　　＋＋ｐ　＝　：Ｕｏ　（９）　将式（３）代入式（９）可得：　Ｃｖ　Ｔ　ｔ　Ｐ　＋＋　ｄｖｉ＋　∑ｅ＋　　∞　Ｋ：０∞　ＫＷ　　（１Ｏ）ｕ）　其中ｃ　＝∑　：。　ｃ　由理想气体状态方程可计算压力Ｐ：　Ｐ：　（１１）　其中，Ｒ为普适常量，　为混合气体的平均分　子量，Ｐ为混合气密度。　Ｐ＝　［　］　（１２）　其中，［　］是第ｋ种物质的摩尔浓度。　Ｗ：—　（１３）　Ｋ　ｊ　ｋ　因为体积是时间的函数，因此有：　（　）：　（１４）　ｄ￡　：　ｍ　ｄ￡　（１５）、～　　由方程（９）和方程（２）组成了系统方程。　２　变参数模拟结果分析　２．１进气温度对燃烧的影响　ＨＣＣＩ燃烧的着火时刻对进气温度十分敏感，随　着进气温度的提高，将出现着火提前的现象。因此，　控制缸内温度将是控制ＨＣＣＩ燃烧着火时刻的一个　关键因素。在一定的工况下，找出最佳进气温度值　能有效的控制ＨＣＣＩ的燃烧。本文模拟在转速为　８００ｒ／ｍｉｎ～１８００ｒ／ｍｉｎ和过量空气系数为２．５～５．５　范围内来研究与进气温度的变化关系，并作出ＭＡＰ　图（如图１）。结果表明，转速对燃烧的影响不大，而　ｚ　（ｘｌ０３）　过量空气系数　图１最佳进气温度　２．２压缩比对燃烧的影响　ＨＣＣ！的着火燃烧过程与混合气在压缩过程中　所经历的温度和缸内压力历程密切相关，而与混合　气在缸内的运动形式关系不大。压缩比的大小直接　影响到压缩冲程对混合气的作用。从图２、图３和　图４看出，随着压缩比的增加，缸内燃烧压力和温度　都有所增加，燃烧着火时刻提前。通过计算发现，过　小的压缩比不能使混合气自燃，而过高的压缩比则　易导致发动机工作粗爆，甚至使发动机反转。ＨＣＣ！　最佳压缩比在１４～１６范围内。　一一Ｐ（￡＝ｌ２）　。…Ｐ（￡＝ｌ６）　——Ｐ（￡＝ｌ４）　…、Ｐｆ　ｓ＝Ｊ８）　图２压缩比对燃烧压力的影响　一一Ｒ（￡＝１２）　－…Ｒ（￡＝１６）　——Ｒ（￡＝１４）　…・Ｒ（￡＝１８）　图３　压缩比对燃烧放热率的影响　维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期　林灵等：柴油机燃用二甲醚的ＨＣＣＩ特性模拟分析　２９　一一Ｔ（Ｋ）（￡＝１２）…　Ｔ（Ｋ）（￡＝１６）　——Ｔ（Ｋ）（８＝１４）一‘Ｔ（Ｋ）（￡＝１８）　图４压缩比对燃烧温度的影响　２．３转速对燃烧的影响　模拟计算时，ＨＣＣＩ的混合气是一定的，柴油机　转速的提高对发动机的缸内燃烧压力和燃烧温度影　响不大，着火时刻向后推移了一定的曲轴转角。这　是因为在不改变混合气物化性质的前提下，柴油机　转速提高，使得柴油机每单位循环时间缩短，故着火　延迟　一ｎ＝８Ｏ０ｒ／ａｒｉｎ　——ｎ＝１４００ｒ／ｒａｉｎ　一・ｎ＝ｌ０００ｒ／Ｉｔ１ｊｎ　一一ｎ＝１６００ｒ／ｍｉｎ　。’’。—’Ｐ（ｎ＝ｌ２００ｒ／ａｒｉｎ、　图５转速对燃烧压力的影响　一ｎ　８００ｒ／ａｒｉｎ　ｎ：ｌ４０Ｏｒ，ｎ１ｉｎ　・一－ｎ＝１０００ｒ／ｍｉｎ　——ｎ：１２００ｒ／ｍｉｎ　一　ｎ＝１６００ｒ／ａｒｉｎ　图６转速对燃烧温度的影响　２．４　ＥＧＲ率对燃烧的影响　为控制ＨＣＣＩ燃烧模式的着火时刻和燃烧过　程，可改变混合气的物化性质参数，从而得到理想的　燃烧效率。ＤＭＥ的自燃性好，容易压燃，如果在传　统柴油机上用ＤＭＥ燃料做ＨＣＣＩ燃烧试验，高压缩　比会导致发动机着火提前，因此要采用大的过量空　气系数和ＥＧＲ，这样使混合气进一步稀释，同时　ＥＧＲ中的惰性气体ＣＯ　能有效延迟着火。从图７　和图８看出，随着ＥＧＲ率的升高，发动机燃烧压力　下降，燃烧缓和，着火时刻向后推移。　…　ｒ（Ｋ）一Ｃ０２＝０％一一Ｔ（Ｋ）一ＣＯ２＝１０％　——Ｔ（Ｋ）一ＣＯ２＝５ｖ／ｃ…　Ｔ（Ｋ）ＣＯ２＝２０％　图７　ＥＧＲ对燃烧温度的影响　～Ｐ（Ｐａ）一Ｃ０２＝ＯＶ／ｃ　一一Ｐ（Ｐａ）一Ｃ０２＝１　０％　———Ｐ（Ｐａ）一Ｃ０２＝５ｃｋ　‘　。一Ｐ（Ｐａ）一ＣＯ２＝２０％　图８　ＥＧＲ对燃烧压力的影响　２．５进气压力对ＨＣＣＩ燃烧的影响　把传统柴油机燃烧方式改为ＨＣＣＩ后，改变进　气压力，设定柴油机转速为ｌＯ００ｒ／ｍｉｎ，过量空气系　数为３．５，压缩比为１７，进气温度为３００Ｋ，进行模拟　计算。计算结果如图９和图１０所示。在维持柴油　机结构参数和其它热力参数不变的情况下，随着进　气压力升高，发动机燃烧的缸内最高压力增加，且增　加幅度远大于进气压力升高的幅度，当进气压力为　一Ｐ０＝０．１０ＭＰａ　…。Ｐ０＝０．１６ＭＰ０　。…Ｐ０＝０．１２ＭＰ　一一一Ｐ０＝０．１４ＭＰａ　Ｐ０＝０．１８ＭＰａ　图９进气压力对燃烧温度的影响　（下转４１页）　维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期　杨从新等：风力机风轮叶片气动设计程序开发　４１　的结果见表１。相对半径０．６处，Ｂｌａｄｅｄ计算软件　计算数据见表２。　表１　ＯＰＴＩ程序计算结果　的快速性和实用性。　（４）该程序结果与Ｂｌａｄｅｄ的计算结果有良好的　一致性。　参考文献　・　［１］Ｌｅ　Ｇｏｕｒｉｅｒｅｓ　Ｄ．风力机的理论与设计［Ｍ］．施鹏飞，译．北　京：机械工业出版社，１９８７．　［２］贺德馨．风工程与工业空气动力学［Ｍ］．北京：国防工业出　版社，２００６．　［３］李春葆．Ｖｉｓｕａｌ　Ｂａｓｉｃ程序设计［Ｍ］．北京：清华大学出版　社，２００５．　［４］张玉良，李仁年，杨从新，等．水平轴风力机设计与流场特性　的预测［Ｊ］．兰州理工大学学报，２００７，３３（２）：５４－５７．　相对半径　Ｏ．６　轴向诱导因子　Ｏ．３３　周向诱导因子　Ｏ．０１２２　［５］刘雄，陈严，叶枝全．水平轴风力机气动性能计算模型　［Ｊ］．太阳能学报，２００５，２６（６）：７９２－８００．　［６］程兆雪．水平轴风力机转轮气动性能的数值解法［Ｊ］．甘肃　工业大学学报，１９９６，２２（１）：５２－５７．　４　结论　（１）根据Ｇｌａｕｅ￣的圆盘理论，采用Ｖｉｓｕａｌ　Ｂａｓｉｃ　６．０语言开发了人机对话的风力机设计程序。　［７］Ｇｌａｕｅｒｔ，Ｈ．Ａｉｒｐｌａｎｅ　Ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｓ［Ｊ］．Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ　Ｔｈｅｏｒｙ，　１９４３，４．　（２）考虑普朗特的叶尖损失修正因子，同样采　用上述语言实现了风力机叶片两个诱导因子的迭代　计算程序。　（３）利用该程序对８　ｋＷ风力机叶片进行了初　［８］Ｗｉｌｓｏｎ，Ｒ．Ｅ．ａｎｄ　Ｌｉｓｓａｍａｎ，Ｐ．Ｂ．Ｓ．，Ａｐｐｌｉｅｄ　Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ　ｏｆ　Ｗｉｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｍａｃｈｉｎｅｓ，Ｏｒｅｇｏｎ　Ｓｔａｔｅ　Ｕｎｉｖ．Ｒｅｐｏｒｔ　ＮＳＦ／ＲＡ／Ｎ－７４１　１３　［ｚ］，１９７４．　［９］陈严，胡士山，叶枝全．定桨距风力机气动优化设计优化　方向分析［Ｊ］．太阳能学报，１９９７，ｌ８（３）：２９０－２９５．　步设计与各断面的诱导因子的计算，结果表明程序　ｆ。¨●…●Ｈ◆　ｌｉｔｌ◆　Ｉ　ｎ◆，ｌｉｌ◆¨●１◆¨　◆１　◆１ｌｉｔｌ◆　◆１◆¨¨◆一ｌｌｉｔ●　◆ｉＩＩｉ◆　（编校：李晓丽）　（上接２９页）　０．１　ＭＰａ时，缸内最高压力为９．６８　ＭＰａ，当进气压力　为０．１２　ＭＰａ时，此刻缸内最高压力增至１　１．６４　ＭＰａ，缸内最高压力升高了１．９６　ＭＰａ，约是进气压力　增高幅度的２００倍。但是温度和着火时刻变化并不　显著，基本维持在原来水平。该计算结果与Ｃｈｒｉｓ—　ｔｅｎｓｅｎ－６　等人的实验研究结论基本吻合，验证了本　模拟计算结果的正确性。模拟结果表明，增加进气　压力会增加ＨＣＣＩ发动机的平均有效压力，但改变　进气压力对ＨＣＣＩ燃烧过程影响较小，不能用来控　制ＨＣＣＩ的燃烧着火时刻。　一３　结论　（１）通过模拟计算，建立了ＨＣＣＩ燃烧模式的　最佳进气温度数据库，作出了ＨＣＣＩ燃烧模式下，进　气温度随转速和过量空气系数的ＭＡＰ图。　（２）柴油机燃用ＤＭＥ的ＨＣＣＩ的最佳压缩比在　１４～１６范围内。　（３）转速对柴油机燃用ＤＭＥ的燃烧影响不大，　进气压力增加可以有效增加发动机的平均有效压　力，但不能用来控制燃烧时刻。　ＰＯ＝Ｏ．１ＯＭＰ　　（４）采用ＥＧＲ可有效控制ＨＣＣＩ的燃烧时刻和　燃烧过程。　参考文献　［１］Ｓｕｓｕｍｕ　Ｓａｔｏ，Ｎｏｒｉｍａｓａ　ｌｉｄａ．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ＤＭＥ　Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ　Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｐｒｅｓｓｉｏｎ　Ｉｇｎｉｔｉｏｎ　Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ［Ｊ］．ＳＡＥ　Ｐａｐｅｒ，２００３（１）：　ｌ８２５．　・…ＰＯ＝Ｏ．１６ＭＰａ　一…Ｐ０：Ｏ．１２ＭＰａ　一—Ｐ０＝ｏ．１４ＭＰａ　ＰＯ＝Ｏ．１８ＭＰ　２．Ｏ×ｌ　１．５×ｌ　［２］蒋德明，陈长佑，等．高等车用内燃机原理［Ｍ］（上、下）．　１．０×ｌ　西安：西安交通大学出版社，２００６：４．　［３］黄５．０×ｌ　晨，尧命发．ＤＭＥ燃料ＨＣＣＩ燃烧过程及排放的数值模　宇，张煜盛，莫春兰，等．ＤＭＥ简化反应模型及其在ＨＣＣＩ　拟［Ｊ］．燃烧科学与技术，２００６，１２（３）：２４８－２５２．　［４］石Ｃｒａｎｋ　ｒｏｔａｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ　燃烧分析中的应用研究［Ｊ］．安全与环境学报，２Ｏ０６，６（２）：１０５．１１０．　图ｌＯ进气压力对燃烧压力的影响　（编校：张安林）