二甲醚发动机缸内燃烧过程的三维数值模拟

二甲醚发动机缸内燃烧过程的三维数值模拟
章炜;左承基;刘镇;任荣社
【摘要】通过扩展标准版KIVA-3V燃料库,使其具有液态DME燃烧过程的计算能力.用扩展程序对改装后的二甲醚发动机的缸内工作过程进行了三维数值模拟,得到了缸内气体流动、平均性能曲线及温度、压力场等大量实时数据信息.经过与原柴油机工作情况的对比分析表明:二甲醚作为发动机燃料可以减轻零部件负荷,降低噪音,减少排放.
【期刊名称】《船海工程》
【年(卷),期】2007(036)004
【总页数】4页(P62-65)
【关键词】二甲醚发动机;燃烧过程;KIVA-3V;数值模拟
【作者】章炜;左承基;刘镇;任荣社
【作者单位】海军蚌埠士官学校,机电系,安徽,蚌埠,233012;合肥工业大学,机械与汽车工程学院,合肥,230009;海军工程大学,船舶与动力学院,武汉,430033;海军蚌埠士官学校,机电系,安徽,蚌埠,233012
【正文语种】中文
【中图分类】TK42
国内外已针对二甲醚（DME）发动机开展了一系列的应用研究［1-4］，但对于其缸内过程尤其是燃烧情况的细节参数还缺乏有效的获取手段。

因此，用数值模拟
的方法对DME发动机的缸内过程进行仿真就成为降低实验成本、提高研究效益的先进手段之一。

美国Los Alamos国家实验室针对内燃机燃烧室内的流动、燃烧计算开发的KIVA 系列程序适用于各类液态和气态燃料，甚至能适应燃气轮机等燃烧装置内的流动和燃烧模拟［5］，得到了广泛的应用。

本文以标准版KIVA-3V程序作为DME发动机缸内过程的数值模拟工具，对其进行了微机化移植。

1 二甲醚主要特性
二甲醚和柴油的主要物理和化学特性见表1。

表1 二甲醚、柴油的主要物理和化学特性对比360液态密度／g·cm-3 0.668
0.840液态粘度／cP 0.15 4.40～5.40自燃温度／℃ 2.35 2.50临界温度／℃ 400.1 720.6扩散系数D0／cm2·s-1（T＝273K） 0.068 3 0.041 6扩散系数指数n性能二甲醚柴油沸点／℃ -24.9 180～1.75 1.60
续表1性能二甲醚柴油低热值／MJ·kg-1 290＊燃料在空气中的扩散系数D＝
D0 28.43 42.50十六烷值 55～60 40～55理论空燃比 9.06 14.6蒸发潜热／kJ·kg-1 460（-20℃）≈（）T n 273
2 KIVA-3V程序的移植与扩充
KIVA-3V源程序以FORTRAN语言编制，使用Cray Fortran编译器在CrayTime Sharing System系统下运行。

若用于PC机上，必须进行相应的转换和移植。

本
文选用Windows下的Fortran Powerstation 4.0作为编译系统，将原有实型变
量和外部、内部函数均置为双精度型数，以此保持计算精度；替换、取消、补充了部分库函数资源；调整了图形输出接口，采用专业的流场可视化程序FIELDVIEW、TECPLOT进行计算数据的后处理，获得相应的曲线、图像和动画。

标准版KIVA-3V自带的燃料库只有气态二甲醚，参考相关文献和手册［6-8］，
在程序的fuelib.f数据段添加了液态DME的所有物性参数（包括液体密度、在空
气中的扩散系数、生成热、临界温度以及各温度下的焓值、气化潜热、蒸气压、粘性系数、表面张力、导热系数等），修改并重新定义了DATA数据块，在Fortran Powerstation 4.0中编译生成EXE可执行文件。

3 计算方法
3.1 计算网格
仿真发动机由1105单缸柴油机进行直喷化改造而成，使用平底气缸盖和偏心燃烧室，主要结构参数见表2。

仿真采取三维伪极坐标（pseudopolar）网格和360°模型生成计算网格。

表2 仿真二甲醚发动机主要结构参数参数项单缸、mm 105×130挤气间隙／mm 1.5连杆长／mm 260压缩比 17 x方向凹坑偏移量／mm 8.544 y方向凹坑偏移量／mm 0燃烧室直径／mm 58燃烧室深度／mm 26燃烧室转角半径／四冲程缸径×冲程／mm 10
3.2 边界及初始条件
仿真计算在上止点前15℃A开始，结束于上止点后148℃A。

设定初始涡流比为1.5，方向顺时针。

计算采用RNGk-ε湍流模型，利用概率分布函数定义液滴和喷雾方程，边界条件为湍流壁面定律速度条件和固定温度壁面条件。

为了更好地分析模拟结果，计算时对比相应功率水平的柴油机选择计算参数：根据等热值原则减小了对比机型的循环喷油量（通常按体积流量计约为柴油的1.8～1.9倍，本文选取较大值），为柴油（DF2）的1.49倍，相应减小了喷油器的喷孔直径；考虑到DME其雾化性能远好于柴油，蒸发快，与空气混合迅速，增大柴油机的涡流比至3.0；另外，喷油器伸出缸盖底平面的距离由原来的5mm减小到3mm。

4 计算结果与分析
1）二甲醚发动机燃烧时缸内的平均压力、温度变化曲线见图1、2。

图1 缸内平均压力曲线
图2 缸内平均温度曲线
图1 和图2显示的计算结果表明，二甲醚发动机燃烧时其缸内的最高平均压力较
之柴油机要低0.6～0.7MPa，且压力升高率也比柴油机小。

等压燃烧阶段（稳燃期）缸内平均压力变化较平缓，持续时间（曲轴转角）相对于柴油机要长一些。

这样可以有效降低发动机的燃烧噪音，实现柴油机的“柔和”运转。

另外，二甲醚发动机的缸内平均温度比柴油机低150K左右，进一步降低了发动机的机械负荷，同时有助于降低NOx排放。

计算结果还表明，二甲醚从燃烧开始到燃烧结束整个燃烧过程的持续时间比柴油要短，这是因为其扩散燃烧速度比柴油来得快。

实际使用过程中一般适当推迟DME 的喷射时间，既能抑制预混燃烧速率，又加快了扩散燃烧速率，可大大降低发动机机械负荷和NOx排放。

对提高发动机综合性能非常有利。

2）二甲醚发动机燃烧过程缸内的主要排放物生成量见图3、4。

图3 不同燃料燃烧时缸内NO生成量
图4 不同燃料燃烧时缸内CO生成量
在相同的喷油提前角下，二甲醚发动机的NO排放量仅为柴油机的60.7%（图3），考虑到实际的二甲醚发动机一般会将喷油提前角适当推迟，因此NO的实际排放量可以降至柴油机的50%左右甚至更低。

这都得益于整个二甲醚燃烧过程缸
内的温度、压力均较低。

对于CO的生成量，虽然燃烧中期二甲醚发动机的CO生成量远远低于柴油发动机，但随着燃烧的进行，由于柴油机的后期缸内温度较高，CO逐渐氧化成CO2，至
排气门开启时刻，两种不同燃料发动机的CO排放量基本相同（图4）。

3）二甲醚发动机燃烧过程的缸内温度场。

仿真计算得到了二甲醚和柴油发动机各自燃烧时不同曲轴转角的温度场等值线分布。

限于篇幅，此处仅列出两者在上止点（TDC）横剖面和5°CAATDC时刻轴截面的温度场分布图（图5）。

图5 不同燃料燃烧时的缸内温度场分布
可以看出，同一曲轴转角下二甲醚发动机的缸内最高温度均小于柴油机，且高温区域更小，这将有利于降低NO的生成量。

4）二甲醚发动机燃烧过程缸内NO瞬时密度的对比。

图6为两种燃料发动机燃烧过程中轴截面的缸内NO密度分布。

可以明显的看到，二甲醚发动机燃烧室内NO的生成量相对于柴油机缸内要低得多，且分布范围更小，原因归功于缸内温度和压力均较低导致NO排放减少。

5）二甲醚发动机在不同工况下的动力及排放性能。

对二甲醚发动机作不同负荷、喷油时间等有关参数的对比计算，仿真结果类似于柴油机：随着负荷（喷油量）的增大，缸内平均温度、压力均有所上升，而NO排
放量会随之增加；随喷油提前角的减小，则会使缸内最高温度及最高爆发压力降低，NO排放量也随之减少。

图6 不同燃料燃烧时的缸内NO密度分布（单位：g／cm3）
5 结论
通过对二甲醚发动机燃烧过程的三维数值模拟，得到了大量的缸内性能参数及流场分布，限于篇幅本文仅列出其中的极小部分。

仿真结果表明：
1）在相同喷射提前角和相同当量循环喷油量下，二甲醚发动机相对于柴油机具有较低的爆发压力、压力升高率和缸内平均温度，扩散燃烧速度快，工作柔和；
2）在相同喷射提前角和相同当量循环喷油量下，二甲醚发动机的NO排放量比柴油机低约40%；
3）在相同喷射提前角和相同当量循环喷油量下，二甲醚发动机的CO最终排放量与柴油机基本相同；
4）不同工况对二甲醚发动机燃烧过程的影响与柴油机相类似。

参考文献
【相关文献】
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［3］王贺武，陈鸿雁，周龙保，黄佐华，蒋德明.直喷柴油机燃用二甲醚的试验研究［J］.内燃机
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