定容弹中甲缩醛-柴油混合燃料的燃烧和排放物生成特性的模拟研究

魏 超，王秀红，陈甲武，卢志美

（1.广西玉柴机器股份有限公司，广西 玉林 537005；2.广西玉柴动力股份有限公司，广西 玉林 537005）

0 引言

严重的能源危机和环境污染已是21 世纪的全球性问题。这些问题促使研究人员探索提高热效率，降低污染物排放的燃烧策略。含氧燃料作为可再生资源之一，使用资源能有效缓解石油消耗，同时降低NOx和soot 排放，因此受到人们的广泛关注。在美国，已经提供了税收优惠以促进生物燃料在汽油中的使用[1]。在欧洲，要求所有欧盟成员国在2020 年之前必须符合在运输中使用生物燃料或其他可再生燃料的10%的最低目标[2]。

甲缩醛（DMM）作为一种替代燃料，在许多实验中已经成功地实现了比柴油燃料更低的烟尘排放，并且在制动比燃料消耗（BSFC）和氮氧化物（NOx）方面没有损失[3-5]。此外，它还具有高氧浓度和无C-C 键的结构，这些特点确保了CI 发动机的良好减排燃烧[6]。Daly 等[7]首次研究了DMM 在温度为1 200 ～800 K，当量比为1.778、0.889 和0.444,压力为0.5 MPa 时的喷射搅拌式反应器中的氧化过程。根据他们建立的详细化学动力学模型，发现DMM 的分解只需要非常低的活化能。Sinha 等[8]用三种含氧碳氢化合物，如碳酸二甲酯（DMC）、DMM 和异丙醇，研究了整个对流扩散火焰（OFDFs）的物种浓度和温度。值得注意的是，对于DMM 和DMC 的燃料，由于缺乏C-C 键，迅速减少了乙炔、丙烯和乙烯的形成。Chen 等人[9]利用PI-MBMS（光离子化和分子束质谱）技术研究了DMM、DMC 和甲醇对层流预混正庚烷火焰的影响，观察到随着含氧燃料的加入，大部分C1-C5 中间物的含量都有所下降，研究中苯的浓度大大降低，这意味着烟尘前体物基本减少。Dias 等[10]开发了一个新的机制，其中包含480 个反应和90 个化学物种，以模拟DMM 火焰。他们得到了两个主要的降解途径来研究DMM 的消耗。上述所有的文献都指出了燃烧过程中烟尘减少的性质。

综上所述，在柴油中掺混DMM 是一种可能的降低排放的手段。因此，采用定容弹分析了不同DMM-柴油混合燃料燃烧过程中的燃烧和排放物生成特性，这些结果将有助于了解DMM-柴油混合燃料燃烧过程中NOx、Soot、HC 和CO 的生成规律，确定DMM 减排潜力。

1 仿真模型的构建

1.1 定容弹三维模型的建立

数值仿真基于CONVERGE 软件，在UG 三维建模软件中建立了定容弹的几何模型，并将几何模型保存为STL 格式文件导入到CONVERGE 中以获得定容弹模型的表面文件，其结果见图1，定容弹基本参数见表1。

图1 定容弹三维模型

表1 定容弹的基本参数

选用RNGk-ε湍流模型，该模型对缸内湍流具有很好地描述。选用KH-RT 喷雾破碎模型来描述液滴的生成、脱落和破裂为更小的液滴[13]。主要的影响参数为KH 模型破碎特征时间系数，控制一次破碎过程的快慢，设置为7.0；RT 模型破碎特征时间系数，控制二次破碎的快慢设置为1.0；RT 模型破碎长度系数，该值越小，二次破碎进行越早，设置为1.0。碰撞模型为NTC 模型，蒸发模型为Frossling 模型。采用正庚烷来代替柴油燃料，选用详细化学反应动力学燃烧模型（SAGE），选用152 个反应的骨架机理[11]。在求解流体动力学的同时进行化学反应的求解，针对预混合燃烧具有较高的模拟准确性。

网格选用基础网格2 mm，在此基础上增加自适应网格加密技术，通过设置速度梯度（1.0 m/s）和温度梯度（2.5 K）限制需求的时间内进行自动化网格加密与粗化，最小网格大小为0.25 mm，此项技术可以在获得高精度仿真结果的同时，大幅度的解决计算资源与计算时间。

1.2 燃料性质

本研究选择了四种燃料，分别为纯柴油（D100），10%DMM 与90%柴油混合燃料（DMM10），20%DMM与80%柴油混合燃料（DMM20）和30%DMM 与70%柴油混合燃料（DMM30）。D100 与DMM 的理化性质对比见表2。

表2 柴油和甲缩醛的理化性质

2 模拟结果与分析

定容弹内柴油的着火和燃烧过程，时间为5 ms，喷油时刻为0 ～2.5 ms，光图谱如图2 所示。从图2可看到，在1.5 ms 左右有火焰出现，并且出现在喷雾底部，这是由于底部温度和氧浓度较高，发生自燃反应；并且火焰不断增大。从1.5 ～3 ms，火焰不断增大，不断燃烧内部剩余的燃料，在3 ms 时，雾化燃料燃尽。3 ms 后火焰逐渐减少，直至熄灭。除此之外可以发现，定容弹内最大的燃烧温度高于2 500 K，火焰逐步由中部向外扩展。由于混合燃料与柴油的燃烧过程相近，燃烧差异较小，因此需要定量分析DMM 混合燃料与柴油的柴油，所以，文中给出了放热率、最大温度、颗粒物、氮氢化物、氮氢化合物和一氧化碳的定量分析，如图3。

图2 柴油燃料燃烧过程

图3 不同燃烧放热率曲线

四种燃料的燃烧放热率，如图3 所示。由于放热率取自实时的模拟值，高保真度的模拟通常显示出更多的波动。由图可以发现，在刚着火时，放热率最高，可达8 × 105J/CA。但是随着时间的增大，放热率逐渐减少，在3 ms 左右，放热率减小速度增大，这是由于定容弹内燃料燃尽，将要熄火的原因。在3.5 ms 左右燃料燃尽。另一方面，随着DMM 比例的增大，着火延迟明显增长；DMM30 的着火延迟最大，约为1.7 ms。这是由于DMM 燃料的蒸发前热值较高引起的。

不同燃料的最大燃烧温度，如图4 所示。由图4可发现，相比于D100，掺混DMM 会抑制燃料的燃烧，这表现在柴油机中为点火延迟。随着DMM 浓度增加，燃烧滞后效果越显著。

图4 不同燃料的最大燃烧温度

Soot 排放物的生成量曲线，如图5 所示。由图5可知，在1.5 ms 之前，Soot 生成量保持一致，这主要是因为燃料附近氧浓度较高。但在1.5 ms 后，由于DMM 中的氧含量较高，促进燃料的燃烧，导致Soot生成量降低。

图5 Soot 生成曲线

不同燃料燃烧过程中NOx 的生成曲线如图6 所示。由图6 可知，在1.5 ms 后，NOx 开始大量生成。这是因为，此时缸内温度较高，如图2 所示。相比于D100，DMM 有效抑制NOx 的排放，结合图3 可知，DMM-柴油混合燃料是一种打破NOx-Soot 平衡的有效手段。

图6 NOX 生成曲线

不同燃料燃烧过程中HC 的生成曲线，如图7 所示。由图7 可知，1.5 ms 前，HC 的浓度随时间升高，主要是因为燃料未充分燃烧。而在1.5 ms 后，HC 快速降低。相比于D100，DMM 表现出更高的HC 排放量。但在3.5 ms 时，混合燃料的HC 排放量相差不大。

图7 HC 生成曲线

图8 展示了不同燃料燃烧过程中CO 的生成曲线。相比于HC 生成曲线，CO 生成曲线在2.8 ms 时开始显著下降，此时，燃料已大部分燃尽，高温下，CO 与O2发生反应生成CO2。相比于D100，掺混DMM 有助于CO 的降低，且随着DMM 浓度的增加，CO 生成量减少。

图8 CO 生成曲线

3 结论

（1）相比于D100，掺混DMM 会抑制燃烧，且随着DMM 浓度增加，燃烧滞后。

（2）掺混DMM 有助于降低NOx 和Soot 和CO的生成，但会提高燃烧过程中HC 的生成，但对HC排放的影响较小。