陳 鵬，孟忠偉，張煜盛，閆 妍，吳 怡

（1.西華大學交通與汽車工程學院，四川 成 都 610039；2.華中科技大學能源動力工程學院，湖北 武 漢 430074）

均質(zhì)充量壓縮點火（HCCI）燃燒綜合了傳統(tǒng)柴油機和汽油機的燃燒方式，集兩者的優(yōu)點于一體，具有燃燒效率高、排放低等優(yōu)點，被認為是滿足未來嚴格排放法規(guī)的重要技術(shù)手段，是內(nèi)燃機燃燒技術(shù)的重大進步［1］。二甲醚特殊的理化性質(zhì)決定了其具有出色的均質(zhì)壓燃特性，但由于其過快的燃燒速度，二甲醚的HCCI燃燒工況范圍十分狹窄，負荷只能達到原機10%左右［2－3］，采用雙燃料燃燒模式是控制HCCI燃燒過程以及拓寬其工況范圍的有效技術(shù)手段［4－7］。甲醇燃料具有較大的汽化潛熱和較高的辛烷值，能夠抑制二甲醚的快速燃燒，所以將這2種燃料結(jié)合起來可以進行更加深入和詳細的HCCI研究。由于HCCI燃燒受化學動力學影響顯著，對其燃燒機理的研究一直是HCCI領域的研究熱點［8］。本研究主要從數(shù)學模擬方面對二甲醚、甲醇的化學機理進行分析，通過合理的簡化計算得到雙燃料HCCI燃燒簡化模型，從而提高其燃燒模擬的計算效率。

1 二甲醚、甲醇簡化動力學模型

研究所使用的雙燃料詳細機理分別是華中科技大學提出的二甲醚燃燒機理［9］以及普林斯頓大學提出的甲醇詳細化學反應［10］，在剔除了某些重復機理整合后得到了二甲醚－甲醇雙燃料詳細化學反應機理，共包括97個物種和508個基元反應。但根據(jù)數(shù)值模擬計算可以發(fā)現(xiàn)，化學反應機理越多，計算機求取反應化學項的時間和占據(jù)的計算比例就越大，會直接影響數(shù)值模擬的計算效率。

目前通常是將詳細化學反應機理應用在零維或一維燃燒模型的耦合計算方面，而需要與多維燃燒模型進行耦合時，都會將復雜的詳細化學反應機理模型進行一定程度的簡化，剔除其中對化學反應影響較小的次要反應，獲得重要的骨干機理并建立新型簡化機理模型。

本研究通過Chemkin 4.0計算軟件的敏感度分析方法，在二甲醚、甲醇原有詳細機理模型的基礎上，構(gòu)建出一個包含38個物種99個基元反應的新模型，并針對實驗需求，在機理中添加了甲醛、甲酸和甲酸甲酯的生成子模型。同時在簡化與詳細機理對比計算分析的基礎上，驗證了簡化機理的有效性，并藉此對二甲醚－甲醇HCCI發(fā)動機的燃燒過程進行數(shù)值模擬研究。

2 計算結(jié)果與討論

2.1 數(shù)值建模及其邊界條件

Chemkin 4.0計算軟件包提供了單獨的均質(zhì)壓燃發(fā)動機計算模塊，其中內(nèi)嵌零維單區(qū)燃燒模型。研究對象以試驗采用的ZS195直噴式柴油機為模型，燃料供給改由進氣道噴入甲醇以實現(xiàn)HCCI模式?？紤]到甲醇的十六烷值低，無法直接進行壓燃，需采用進氣加熱措施，因此，將計算初始溫度定為380K，保證甲醇正常壓燃。模擬計算的始點定為進氣門關(guān)閉時刻，即上止點前137°曲軸轉(zhuǎn)角，計算過程從進氣門關(guān)閉時刻開始至排氣門打開結(jié)束。結(jié)合原型機缸壓實測數(shù)據(jù)與準維燃燒模型的計算結(jié)果，初始壓力確定為0.1MPa。計算中過量空氣系數(shù)（a）取值范圍為2～6。傳熱模型采用Chemkin自帶的Woschni傳熱公式。

由于二甲醚和甲醇以不同的混合比進入氣缸，所以定義甲醇過量空氣系數(shù)以及二甲醚過量空氣系數(shù)分別為

式中：Gair為每循環(huán)的進氣量；GM每循環(huán)甲醇噴射量；GD為每循環(huán)二甲醚噴射量；αM為甲醇的理論空燃比；αD為二甲醚的理論空燃比。

2.2 簡化模型驗證

為了驗證上述簡化反應模型的有效性，以詳細化學動力學模型和實驗數(shù)據(jù)為標準，對簡化反應模型進行驗證。圖1示出數(shù)值模擬計算值與試驗所得缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)的對比（aD＝4.3，aM＝10.1），可以發(fā)現(xiàn)簡化機理和詳細機理的曲線幾乎完全重合，有很好的一致性。但由于零維軟件假設缸內(nèi)溫度場和壓力場完全均勻，忽略了燃燒室壁面溫度降低對燃燒造成的影響，所以模擬計算的燃燒速率要高于實際工況，缸內(nèi)最高燃燒壓力也出現(xiàn)虛高的情況，不過總體趨勢還是能夠反映試驗結(jié)果。

2.3 雙燃料燃燒過程分析

在二甲醚過量空氣系數(shù)相同的條件下，對雙燃料HCCI的燃燒過程進行了模擬計算。如圖3所示（1 600r／min，aD＝4，aM＝8），雙燃料的燃燒沒有明顯的負溫度系數(shù)區(qū)域，其中二甲醚的氧化反應略微早于甲醇，兩種燃料都在熱焰反應中快速消耗完畢，雙燃料的消耗速度比純二甲醚明顯變慢，在上止點后5°左右才基本消耗完畢。而二甲醚的霧化性和十六烷值都很高，在短時間內(nèi)多點著火，快速燃燒，在上止點前6°左右已經(jīng)全部燃燒完畢。

分析雙燃料燃燒反應過程可以發(fā)現(xiàn)（模型中的M為第三體，即反應中的過渡分子態(tài)），氧化反應開始于二甲醚和氧氣之間的反應，隨著OH根的出現(xiàn)，其與二甲醚的脫氫反應開始占據(jù)主要地位：

一次脫氫產(chǎn)物CH3OCH2進行加氧反應后進行分子內(nèi)部異構(gòu)化，異構(gòu)化后直接分解。

脫氫產(chǎn)物一次加氧：

一次加氧后異構(gòu)化：

異構(gòu)產(chǎn)物直接分解：

原本單一燃料二甲醚在低溫階段有重要的支鏈反應，對一次加氧后異構(gòu)產(chǎn)物進行二次加氧反應，但由于甲醇燃料的添加破壞了支鏈的繼續(xù)傳播，原本異構(gòu)化產(chǎn)物的二次加氧過程被破壞，大部分的CH2OCH2O2H直接進行分解。

二甲醚一次脫氫產(chǎn)物另外一條反應路徑是直接進行熱裂解，由于甲醇的加入抑制了低溫反應，使得熱裂解反應強度增大，脫氫產(chǎn)物直接熱裂解成為甲醛：

甲醇與氧氣的脫氫反應要晚于二甲醚，主要生成CH2OH和CH3O兩種過渡態(tài)產(chǎn)物：

這兩種產(chǎn)物首先被氧化成為甲醛，進入高溫反應后，甲醛會生成HCO：

甲醛基再分解成為HO2和CO，HO2發(fā)生分子聚合反應生成H2O2，當H2O2累積到一定濃度后快速分解成為OH，進而引發(fā)高溫反應，最終所有中低溫產(chǎn)物消耗完畢，氧化成為CO2。

圖4和圖5示出了雙燃料燃燒過程中的重要活性基（OH和H2O2）和非常規(guī)排放物（甲醛、甲酸和甲酸甲酯）的生成與消耗曲線，可以看出，詳細機理和簡化機理吻合度較高，能夠正確反映燃燒過程。在上止點前17°左右，缸內(nèi)開始生成H2O2，隨著其濃度不斷累積，在上止點左右H2O2達到峰值。同時，非常規(guī)排放物甲醛、甲酸和甲酸甲酯也在上止點附近濃度達到最高值，其中甲醛的濃度最高。此時大量H2O2開始分解生成OH根，反應進入快速燃燒的高溫氧化反應階段。這些低溫燃燒產(chǎn)物與OH根發(fā)生快速氧化反應生成CO，并最終轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2。

2.4 邊界條件對燃燒過程的影響

為了進一步驗證簡化機理的適用性，改變模型初始參數(shù)將其與詳細機理進行更加細致的對比。由于HCCI燃燒受缸內(nèi)溫度和燃料濃度影響很大，而雙燃料的燃燒主要以二甲醚為主，所以改變二甲醚濃度及初始溫度這兩種初始條件對燃燒加以對比。選取的參數(shù)分別為初始溫度（330K，340K，350K，360K，370K）和二甲醚過量空氣系數(shù)（4.5，5.0，5.5，6.0，6.5），主要對比參數(shù)為缸內(nèi)壓力峰值、著火時刻（定義為高溫放熱反應開始時刻，缸內(nèi)溫度到達1 100K時對應的曲軸轉(zhuǎn)角）和缸內(nèi)溫度峰值。

3 結(jié)論

a）通過敏感度分析方法，在二甲醚、甲醇原有詳細反應機理的基礎上，構(gòu)建出的包含38個物種、99個基元反應的簡化機理能夠正確反映雙燃料HCCI燃燒過程，同時能對非常規(guī)排放物進行預測分析；

b）通過分析對比發(fā)現(xiàn)，二甲醚單一燃料的燃燒過程包括低溫冷焰階段和高溫熱焰階段，在低溫和高溫燃燒階段中間存在負溫度系數(shù)區(qū)域，在這個時間區(qū)域的燃燒中間產(chǎn)物濃度幾乎不變，生成速率很低；而雙燃料的燃燒沒有明顯的負溫度系數(shù)區(qū)域，由于添加甲醇，抑制了二甲醚低溫反應，降低了缸內(nèi)溫度，使雙燃料的消耗速度明顯降低；

c）通過改變二甲醚濃度和初始溫度發(fā)現(xiàn)，隨著二甲醚濃度的降低，缸內(nèi)最高溫度、最高缸壓都會隨之降低，高溫放熱時刻也在不斷推后；而隨著初始溫度的升高，缸內(nèi)溫度和最高缸壓隨之升高，而高溫放熱時刻也在不斷提前；與試驗數(shù)據(jù)結(jié)合可以發(fā)現(xiàn)，初始溫度定為350K較適宜。

［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］ 孫海英.二甲醚發(fā)動機非常規(guī)排放物的測試與數(shù)值模擬研究［D］.武漢：華中科技大學，2007.

［3］ 莫春蘭.基于化學反應動力學的DME發(fā)動機燃燒與排放特性研究［D］.武漢：華中科技大學，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］ 諶祖迪.基于醇醚燃料復合燃燒模式的壓燃發(fā)動機性能與排放特性研究［D］.武漢：華中科技大學，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］ 莫春蘭，張煜盛，石 宇.二甲基醚發(fā)動機H CCI燃燒與排放的計算［J］.華中科技大學學報：自然科學版，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.