压缩比与EGR对二甲醚的HCCI特性影响的模拟研究

第32卷　第4期2008年8月
武汉理工大学学报(交通科学
与工程版)
Journal of Wuhan University of Technolo gy
(T r anspo rtat ion Science &Engineer ing )
V ol.32　N o.4Aug.2008
压缩比与EGR 对二甲醚的HCCI
特性影响的模拟研究
*
收稿日期:2008-04-06
刘　成:男,26岁,硕士,主要研究领域为内燃机燃烧与排放控制
*国家863项目(批准号:20032g 0007)和武汉理工大学科学研究基金项目(批准号:xjj 2005119)资助
刘　成　颜伏伍　罗马吉　李　
(武汉理工大学汽车工程学院　武汉　430073)
摘要:应用单区燃烧模型和已建立的二甲醚氧化反应机理,对二甲醚的HCCI 过程进行了模拟计算,研究了变压缩比和不同的冷却EGR 率对二甲醚的HCCI 特性的影响.结果表明:随着压缩比的升高,二甲醚的两阶段着火均有提前,且间隔减小,燃烧持续期缩短;冷却EG R 率对二甲醚第一阶段着火时刻并无太大影响,第二阶段着火时刻随EG R 率的增大逐渐延迟,缸内压力和温度均有所下降,燃烧持续期增大.
关键词:二甲醚;均质压燃燃烧;数值模拟;化学动力学中图法分类号:U 473.2
均质充量压缩燃烧(hom ogeneo us charge co mpr ession ignitio n ,HCCI )方式的主要特征是均匀预混合气在着火前形成,混合气靠压缩自燃,着火在多点同时发生,整个过程不存在火焰传播现象[1]
,并且无进气节流,泵气损失少.二甲醚(dim ethyl ether ,DM E )作为燃料具有高蒸气压、低沸点、压燃性好及混合气形成容易等特性,其与柴油混合燃烧可以同时减低柴油机的NO x 和碳烟排放[2],非常适合HCCI 方式.HCCI 主要受化学反应动力学的控制,因此化学动力学模型在其数值模拟中起着重要作用.本文从化学反应动力学的角度,应用单区模型和已建立的DME 化学反应机理,对DM E 均质充量压燃的着火和燃烧过程进行了模拟计算,并研究了压缩比、EGR 率对DM E 的HCCI 特性的影响.
1　模拟方法
1.1　计算模型
采用单区零维详细化学动力学模型,利用美国Law rence Liv erm ore 国家实验室开发的化学反应动力学程序HCT (hy drodynamics,chemistr y
and transport)完成二甲醚的HCCI 的模拟计算.
假设混合气是理想气体,在燃烧室中的热力学状态、各组分的质量浓度分布、温度和压力均匀,不考虑进气门、排气门关闭时的泄漏和余隙容积中的残留混合气,并且不考虑燃烧室壁面的传热.1.2　化学动力学模型
采用由Law rence Livermore 国家实验室的Cur ran 等人提出的最新二甲醚氧化反应机理,其中包括399个基元反应,涉及79种组分[3],反应主要包括裂解反应、脱氢反应、甲氧基-甲基基元反应、甲氧基-过氧化甲基基元反应、CH 2OCH 2O 2H 基元反应、O 2CH 2OCH 2O 2H 异构化反应、低温下的链分支反应等.在二甲醚的氧化反应过程中,低温反应机理和高温反应机理不同,如图1所示.
由图1可知二甲醚氧化反应,在低温(<800K)时生成酮氢过氧化物组分的链分支反应起主要作用,随着温度的升高,烃基氢过氧化组分的链传递反应比重也随之上升,从而导致高温条件下 -裂解反应产生,当温度升到较高(>1000K )时二甲醚的单分子裂解反应和甲氧基甲基的 -裂解反应占主导地位.
图1　二甲醚氧化反应流程简图
2　计算结果与分析
本文模拟计算采用的是四缸柴油机,其缸径为100mm 、直喷 型燃烧室,发动机排量为3298
mm 3
,进气门在上止点前132°CA 关闭,以压缩上止点为曲轴转角的零点,计算从进气门关闭开始,
结束于膨胀行程的终点,所以计算中曲轴转角的
范围是-132°～180°CA ,并且假设在模拟计算过程中,缸内压力、温度、各组分质量浓度处处相
等,不考虑燃烧室壁面的传热.
2.1　压缩比对二甲醚HCCI 特性的影响
本文模拟中,采用的压缩比变化范围是8～19.2,选定的进气压力p in =0.095M Pa,进气温度T in =350K,转速n =1800r /min,分别计算了燃空当量比=0.3(如图2a))、0.5(如图2b))时的缸内压力、缸内温度和已燃燃料摩尔分数随曲轴转角的变化,如图2所示
.
图2　变压缩比对缸内压力、缸内温度、燃烧率的影响
二甲醚由于十六烷值较高,在其进行均质压缩燃烧时能够在着火前释放较多的能量,形成第一阶段放热高峰,此时为低温化学反应放热,如图
2a )的温度曲线图,其第一阶段的温度突升,大约在800K 左右,缸内压力相应升高.这主要是由于冷焰反应和负温度系数效应(NT C )[4]的结果,同
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时使得第二阶段反映延迟;当反应物的温度超过1000K 时,燃料分子的链分支反应和链传递反应交替出现,气缸温度出现第二次突升,燃烧在整个燃烧室内同时进行,大部分燃料能在10°CA 内迅速燃烧,缸内压力在上止点附近达到最大值.
由图2可以发现,二甲醚均质压燃发动机的缸内压力在快速升高前,均有一个较小的压力升高,且随着压缩比的增大,两阶段压力升高的时间间隔逐渐减小,并且燃空当量比=0.3时的压力升高分隔比较明显,而燃空当量比=0.5时,衔接得比较紧密.在图2a)中,随着压缩比从13.2增大到19.2,DM E 的着火时刻从7°CA 提前到-9°CA,缸内最大爆发压力出现点从7°CA 提前到-3°CA ,这主要是因为均质充量压缩着火是受化学反应动力学控制的,缸内混合气的温度和燃料的浓度与整个燃烧过程的化学反应速率有着密切的关系,而压缩比越大,燃料浓度越高,气缸内温度升高越快,所能达到的温度最大值越大,从而加速了化学反应的进行,导致DME 在氧化过程中能有更多的自由基产生,使得燃烧的着火提前,相应的缸内压力最大值点也提前,且由于第一阶段冷焰反应的时间提前,使得DME 的燃烧更加容易,这就缩短了冷焰反应和着火之间的时间间隔.从图2还可看出,当压缩比较大时,燃空当量比对最大压力爆发时刻和着火时刻的影响并不明显,燃烧持续期基本一致,而压缩比较小时,燃空当量比的大小对二甲醚的HCCI 有着十分显著的影响,甚至在同一压缩比(如 =12)下,当燃空当
量比较大时燃烧可以进行,而燃空当量比较小时,发动机却会失火.因此,随着二甲醚HCCI 发动机压缩比的升高,混合气的稀燃能力提高,对于较低负荷的HCCI 发动机采用较高压缩比为宜,而当
HCCI 发动机负荷较高时,循环供油量增大,燃空当量比也相应增大,为使发动机不至发生爆震和形成较大压缩负功,此时宜采用较低压缩比. 从图2可以知道,当燃空当量比=0.3、压缩比 =17时,发动机着火出现在上止点前5°CA ,燃烧持续期大致为10°CA,且在上止点前燃烧完成,缸内最大爆发压力出现在上止点前1°CA;当燃空当量比=0.5、压缩比 =17时,发动机着火出现在上止点6°CA,燃烧持续期大致为5°CA,且在上止点前燃烧完成,缸内最大爆发压力出现在上止点前4°CA.由上可知,在此2种情况下发动机着火燃烧均在正常范围内,且缸内最大爆发压力都在合适范围内,不致使发动机产生爆振现象,本文以下部分即选定压缩比 =17来研究废气再循环对二甲醚HCCI 特性的影响.
2.2　EGR 对二甲醚HCCI 着火特性的影响
本文为了更好地研究EGR 的组分浓度对二甲醚HCCI 着火和燃烧的影响[5-6]
,并没有考虑EGR 的温度影响,而是直接假定进气充量与EGR 混合后的温度保持为350K,并且假设燃烧完全.定义EGR 率为废气引入量占总废气量的体积分数,发动机转速仍然选定n =1800r /min ,进气压力为p in =0.095M Pa ,压缩比为 =17,燃空当量比=0.3,计算结果如图3所示
.
图3　EG R 率对缸内压力、缸内温度、燃烧放热率的影响
从图3可以看出,随着EGR 率的增加,缸内压力和温度逐渐减小,着火时刻延迟,并且从放热率
随曲轴转角变化图上可以清楚看到第一阶段燃烧始点变化不大(几乎不变),第二阶段主燃烧着火时刻逐渐延迟,其两阶段着火时刻间隔增大.这是因为随着EGR 率的增加,可燃混合气质量浓度逐渐降低,其稀释效果使得燃烧放热率减小,缸内最大
爆发压力相应减小;并且燃烧第一阶段着火主要与温度有关,受燃料浓度的影响并不是很大,而本文没有考虑EGR 对充量加热效应,所以反映在图上低温着火时刻并无太大变化;在低、高温着火时刻之间的化学反应受燃料组分浓度影响较大,质量浓度越小反应越慢,在相同时间内由于低温反应积累的能量也越小,此外又由于CO 2和H 2O 的比热容
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较大,使得缸内带EGR 的充量的比热容升高,所以随EGR 率的增长,缸内温升下降,高温着火延迟.
虽然废气中含有一定量的氧气,能够增加可燃混合气中氧的含量,但是在EGR 的CO 2,O 2,H 2O ,N 2的4个主要组分中,N 2对DME 的HCCI 的着火延迟影响最大,因此当EGR 率达到了一定数值(EGR 率=50%)时,燃烧的第二阶段着火过迟,使得缸内温度还未达到DM E 的燃点,活塞就开始下行进入膨胀做功行程,缸内温度下降,此时发动机便会失火.
3　结 论
1)二甲醚的HCCI 呈现明显的2阶段性,即低温阶段和高温阶段,其两阶段着火时刻的间隔长短是由反应的负温度系数决定的.
2)压缩比对二甲醚的HCCI 有着显著的影响,当压缩比增大时,缸内温度升高,着火始点逐渐提前,燃烧持续期逐渐缩短;燃空当量比对相同压缩比下的二甲醚的HCCI 的影响也比较明显,燃空当量比的增加会使得发动机着火更加提前,拓宽压缩比的适用范围.
3)冷却EGR 对二甲醚的HCCI 的低温着火影响并不是很大,对高温着火有明显的延迟作用,随EGR 率的增大缸内压力和温度有较大程度的
改变,燃烧反应速率降低,燃烧持续期延长,当EGR 率达到一定值时,发动机发生失火现象.
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Simulation for the Effects of Compression Ratio and EGR on Combustion Characteristics of DM E HCCI
Liu C heng Yan Fuwu Luo Maji Li Liu
(School o f A utomobile Engineering ,W uhan Univer sity of Technology ,W uhan 430073)
Abstract
The chem ical reaction m echanism of Dimethly Ether (DME )and single zo ne co mbustio n m odel are used to investig ate the effects o f com pression ratio and cold EGR rate on HCCI com bustion characteristics .The results reveal that the increase o f co mpression ratio advances the ig nition timing of tw o stages,shor tens the interval of the tw o stages and combustion duration.Mo reover,as cold EGR rate increases,the ignition tim ing of the first co mbustio n stage has no remarkable change,but the ig nition timing of the seco nd stage delays ,and as the cy linder pressure and tem perature decreases ,the com bustion dur ation ex tends.
Key words :DM E;hom ogeneous charg e compression ig nition(HCCI);numerical sim ulation;chem ical
kinetics
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652・武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2008年　第32卷。