醇醚双燃料HCCI燃烧机理研究

陈 鹏，孟忠伟，张煜盛，闫 妍，吴 怡

（1.西华大学交通与汽车工程学院，四川 成 都 610039；2.华中科技大学能源动力工程学院，湖北 武 汉 430074）

均质充量压缩点火（HCCI）燃烧综合了传统柴油机和汽油机的燃烧方式，集两者的优点于一体，具有燃烧效率高、排放低等优点，被认为是满足未来严格排放法规的重要技术手段，是内燃机燃烧技术的重大进步［1］。二甲醚特殊的理化性质决定了其具有出色的均质压燃特性，但由于其过快的燃烧速度，二甲醚的HCCI燃烧工况范围十分狭窄，负荷只能达到原机10%左右［2－3］，采用双燃料燃烧模式是控制HCCI燃烧过程以及拓宽其工况范围的有效技术手段［4－7］。甲醇燃料具有较大的汽化潜热和较高的辛烷值，能够抑制二甲醚的快速燃烧，所以将这2种燃料结合起来可以进行更加深入和详细的HCCI研究。由于HCCI燃烧受化学动力学影响显著，对其燃烧机理的研究一直是HCCI领域的研究热点［8］。本研究主要从数学模拟方面对二甲醚、甲醇的化学机理进行分析，通过合理的简化计算得到双燃料HCCI燃烧简化模型，从而提高其燃烧模拟的计算效率。

1 二甲醚、甲醇简化动力学模型

研究所使用的双燃料详细机理分别是华中科技大学提出的二甲醚燃烧机理［9］以及普林斯顿大学提出的甲醇详细化学反应［10］，在剔除了某些重复机理整合后得到了二甲醚－甲醇双燃料详细化学反应机理，共包括97个物种和508个基元反应。但根据数值模拟计算可以发现，化学反应机理越多，计算机求取反应化学项的时间和占据的计算比例就越大，会直接影响数值模拟的计算效率。

目前通常是将详细化学反应机理应用在零维或一维燃烧模型的耦合计算方面，而需要与多维燃烧模型进行耦合时，都会将复杂的详细化学反应机理模型进行一定程度的简化，剔除其中对化学反应影响较小的次要反应，获得重要的骨干机理并建立新型简化机理模型。

本研究通过Chemkin 4.0计算软件的敏感度分析方法，在二甲醚、甲醇原有详细机理模型的基础上，构建出一个包含38个物种99个基元反应的新模型，并针对实验需求，在机理中添加了甲醛、甲酸和甲酸甲酯的生成子模型。同时在简化与详细机理对比计算分析的基础上，验证了简化机理的有效性，并藉此对二甲醚－甲醇HCCI发动机的燃烧过程进行数值模拟研究。

2 计算结果与讨论

2.1 数值建模及其边界条件

Chemkin 4.0计算软件包提供了单独的均质压燃发动机计算模块，其中内嵌零维单区燃烧模型。研究对象以试验采用的ZS195直喷式柴油机为模型，燃料供给改由进气道喷入甲醇以实现HCCI模式。考虑到甲醇的十六烷值低，无法直接进行压燃，需采用进气加热措施，因此，将计算初始温度定为380K，保证甲醇正常压燃。模拟计算的始点定为进气门关闭时刻，即上止点前137°曲轴转角，计算过程从进气门关闭时刻开始至排气门打开结束。结合原型机缸压实测数据与准维燃烧模型的计算结果，初始压力确定为0.1MPa。计算中过量空气系数（a）取值范围为2～6。传热模型采用Chemkin自带的Woschni传热公式。

由于二甲醚和甲醇以不同的混合比进入气缸，所以定义甲醇过量空气系数以及二甲醚过量空气系数分别为

式中：Gair为每循环的进气量；GM每循环甲醇喷射量；GD为每循环二甲醚喷射量；αM为甲醇的理论空燃比；αD为二甲醚的理论空燃比。

2.2 简化模型验证

为了验证上述简化反应模型的有效性，以详细化学动力学模型和实验数据为标准，对简化反应模型进行验证。图1示出数值模拟计算值与试验所得缸内压力数据的对比（aD＝4.3，aM＝10.1），可以发现简化机理和详细机理的曲线几乎完全重合，有很好的一致性。但由于零维软件假设缸内温度场和压力场完全均匀，忽略了燃烧室壁面温度降低对燃烧造成的影响，所以模拟计算的燃烧速率要高于实际工况，缸内最高燃烧压力也出现虚高的情况，不过总体趋势还是能够反映试验结果。

2.3 双燃料燃烧过程分析

在二甲醚过量空气系数相同的条件下，对双燃料HCCI的燃烧过程进行了模拟计算。如图3所示（1 600r／min，aD＝4，aM＝8），双燃料的燃烧没有明显的负温度系数区域，其中二甲醚的氧化反应略微早于甲醇，两种燃料都在热焰反应中快速消耗完毕，双燃料的消耗速度比纯二甲醚明显变慢，在上止点后5°左右才基本消耗完毕。而二甲醚的雾化性和十六烷值都很高，在短时间内多点着火，快速燃烧，在上止点前6°左右已经全部燃烧完毕。

分析双燃料燃烧反应过程可以发现（模型中的M为第三体，即反应中的过渡分子态），氧化反应开始于二甲醚和氧气之间的反应，随着OH根的出现，其与二甲醚的脱氢反应开始占据主要地位：

一次脱氢产物CH3OCH2进行加氧反应后进行分子内部异构化，异构化后直接分解。

脱氢产物一次加氧：

一次加氧后异构化：

异构产物直接分解：

原本单一燃料二甲醚在低温阶段有重要的支链反应，对一次加氧后异构产物进行二次加氧反应，但由于甲醇燃料的添加破坏了支链的继续传播，原本异构化产物的二次加氧过程被破坏，大部分的CH2OCH2O2H直接进行分解。

二甲醚一次脱氢产物另外一条反应路径是直接进行热裂解，由于甲醇的加入抑制了低温反应，使得热裂解反应强度增大，脱氢产物直接热裂解成为甲醛：

甲醇与氧气的脱氢反应要晚于二甲醚，主要生成CH2OH和CH3O两种过渡态产物：

这两种产物首先被氧化成为甲醛，进入高温反应后，甲醛会生成HCO：

甲醛基再分解成为HO2和CO，HO2发生分子聚合反应生成H2O2，当H2O2累积到一定浓度后快速分解成为OH，进而引发高温反应，最终所有中低温产物消耗完毕，氧化成为CO2。

图4和图5示出了双燃料燃烧过程中的重要活性基（OH和H2O2）和非常规排放物（甲醛、甲酸和甲酸甲酯）的生成与消耗曲线，可以看出，详细机理和简化机理吻合度较高，能够正确反映燃烧过程。在上止点前17°左右，缸内开始生成H2O2，随着其浓度不断累积，在上止点左右H2O2达到峰值。同时，非常规排放物甲醛、甲酸和甲酸甲酯也在上止点附近浓度达到最高值，其中甲醛的浓度最高。此时大量H2O2开始分解生成OH根，反应进入快速燃烧的高温氧化反应阶段。这些低温燃烧产物与OH根发生快速氧化反应生成CO，并最终转变为CO2。

2.4 边界条件对燃烧过程的影响

为了进一步验证简化机理的适用性，改变模型初始参数将其与详细机理进行更加细致的对比。由于HCCI燃烧受缸内温度和燃料浓度影响很大，而双燃料的燃烧主要以二甲醚为主，所以改变二甲醚浓度及初始温度这两种初始条件对燃烧加以对比。选取的参数分别为初始温度（330K，340K，350K，360K，370K）和二甲醚过量空气系数（4.5，5.0，5.5，6.0，6.5），主要对比参数为缸内压力峰值、着火时刻（定义为高温放热反应开始时刻，缸内温度到达1 100K时对应的曲轴转角）和缸内温度峰值。

3 结论

a）通过敏感度分析方法，在二甲醚、甲醇原有详细反应机理的基础上，构建出的包含38个物种、99个基元反应的简化机理能够正确反映双燃料HCCI燃烧过程，同时能对非常规排放物进行预测分析；

b）通过分析对比发现，二甲醚单一燃料的燃烧过程包括低温冷焰阶段和高温热焰阶段，在低温和高温燃烧阶段中间存在负温度系数区域，在这个时间区域的燃烧中间产物浓度几乎不变，生成速率很低；而双燃料的燃烧没有明显的负温度系数区域，由于添加甲醇，抑制了二甲醚低温反应，降低了缸内温度，使双燃料的消耗速度明显降低；

c）通过改变二甲醚浓度和初始温度发现，随着二甲醚浓度的降低，缸内最高温度、最高缸压都会随之降低，高温放热时刻也在不断推后；而随着初始温度的升高，缸内温度和最高缸压随之升高，而高温放热时刻也在不断提前；与试验数据结合可以发现，初始温度定为350K较适宜。

［1］ Mingfa Yao，Zhaolei Zheng，Haifeng Liu.Progress and Recent Trends in Homogeneous Charge Compression Ignition（HCCI）Engines［J］.Progress in Energy and Combustion Science，2009，35（5）：398－437.

［2］ 孙海英.二甲醚发动机非常规排放物的测试与数值模拟研究［D］.武汉：华中科技大学，2007.

［3］ 莫春兰.基于化学反应动力学的DME发动机燃烧与排放特性研究［D］.武汉：华中科技大学，2007.

［4］ Sage L Kokjohn，Reed M Hanson，Derek A Splitter，et al.Experiments and Modeling of Dual－uel HCCI and PCCI Combustion Using In－cylinder Fuel Blending［C］.SAE Paper 2009－01－2647.

［5］ Hiroyuki Y，Masataka Y，Atsumu T.Chemical Mechanistic Analysis of Additive Effects in Homogeneous Charge Compression Ignition of Dimethyl Ether［J］.Proceedings of the Combustion Institute，Thirtieth International Symposium on Combustion，2005，30（2）：2773－2780.

［6］ Yamada，Hiroyuki，Tono，et al.Validation of Retarding Mechanism in Ignition Timing of HCCI Engine by Adding Methanol to DME［J］.Transactions of the Ja－pan Society of Mechanical Engineers Part B，2004，16（9）：2455－2461.

［7］ 谌祖迪.基于醇醚燃料复合燃烧模式的压燃发动机性能与排放特性研究［D］.武汉：华中科技大学，2011.

［8］ Xingcai Lu，Dong Han，Zhen Huang.Fuel Design and Management for the Control of Advanced Compression－ignition Combustion Modes［J］.Progress in Energy and Combustion Science.2011，37（6）：741－783.

［9］ 莫春兰，张煜盛，石 宇.二甲基醚发动机H CCI燃烧与排放的计算［J］.华中科技大学学报：自然科学版，2006，34（11）：103－106.

［10］ Li Juan，Zhao Zhen Wei，Kazakov A.A Comprehensive Kinetic Mechanism for CO，CH2O and CH3OH Combustion［J］.International Journal of Chemical Kinetics，2007，39（3）：109－136.