（动力机械及工程专业论文）二甲基醚发动机着火与燃烧过程的数值模拟.pdf

华中科技大学硕士学位论文 曩 化学反 摘要 有少数学 程的详细 并提高对 d m e 在发动机中燃烧的规律性的认识，本文从分析d m e 着火燃烧的化学反应机理 入手，对d m e 的低温氧化和自燃着火过程进行了数值模拟计算，在此基础上建立了 d m e 压燃着火的数据库。然后将着火数据库与发动机热力学模型相耦合，对d m e 发动机的燃烧过程进行了参数分析研究。计算结果表明，d m e 具有良好的着火性能， 适于在柴油机上作为代用燃料使用。与燃用柴油相类似，d m e 的着火滞燃期随发动 机缸内温度和压力的升高而降低，在定范围内随燃空当量比的增大而减小。但燃 用d m e 的发动机压力升高率和最大爆发压力都较柴油低，且燃烧初期放热率也较 低，因此其机械负荷和燃烧噪音均较小。本文将d m e 发动机工作过程模拟计算的结 果与试验数据进行了比较，模拟计算值与试验测量结果吻合较好，说明了数值模拟 计算的有效性。最后，本文还比较系统地论述了发动机排放成分氮氧化物( n o x ) 和颗粒物的生成机理，并结合d m e 发动机循环模拟计算结果分析了排放物的成因。 糕讯彻抄。秒撒值黟着锣埔染岁l 乙 v 基金项目：国家重大基础研究项目 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho f d i m e t l l y le t h e r ( d m e ) a san e w o x y g e n a t e dc l e a nf u e lf o rd i e s e l e n g i n e sa l l di t sa p p l i c a t i o na r eg e n e r a l l ya n a l y z e d ht h i sp 印e r ，ad e t a i lc h e m i c ：气n e t i c m e c h a n i s mw a sd e v e l o p e dt od e s c r i b et h ea u t oi g n i t i o no fd m e t h em e c h a n i s m p r e d i c t s a u t o i g n i t i o nd e l a y t i m eu n d e rd i e s e l l i k ec o n d i t i o n s t h ee f f e c t so f t e m p e r a t u r e s ， p r e s s u r e sa n d f u e l a i re q u i v a l e n c er a t i o so nt h ed m e i g n i t i o np r o c e s s e sw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei g n i t i o nd e l a yo fd m ei ss h o r t e rt h a nt h a to fd i e s e lf u e l t h e h i g h e ra r et h et e m p e r a t u r e s ，p r e s s u r e sa n df u e l a i re q u i v a l e n c er a t i o s ，t h es h o r t e ri st h e i g n i t i o nd e l a y o fd m e i na d d i t i o n ，t h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd m ei na s i n g l e c y l i n d e rd i e s e la r ea l s oi n v e s t i g a t e dw i t hat h e r m o d y n a m i cc o m b u s t i o nm o d e l t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ep e a kp r e s s u r ei nc y l i n d e ri sm u c hl o w e rf o rd m e t h i sw i l la c h i e v e l o w e re n g i n en o i s ef o rd m et h a nf o rd i e s e lf u e l t h eh e a tr e l e a s ea n a l y s i sr e s u l t ss h o w t h a tt h em a x i m u mr a t eo fh e a tr e l e a s eo fd i e s e lf u e li sn e a r l yt w i c eg r e a t e rt h a nt h a to f d m e t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h em e a s u r e dd a t aa n ds i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t e s t h mt h em o d e lw o r k sw e l la n dt h es i m u l a t i o np r e d i c t e dr e s u l t sa g r e ew i t ht h e e x p e r i m e n t a l d a t a h o w e v e r , t h ed i s c r e p a n c yb e t w e e nt h ee x p e r i m e n ta n dt h em o d e li n d i c a t e st h a tt h e m e c h a n i s mu s e di nt h i sc o m p u t a t i o n a lm o d e l m a y n e e di m p r o v e d k e y w o r d s ：a l t e r n a t i v ef u e l ；d m ec o m b u s t i o n ；s i m u l a t i o n ；i g n i t i o np r o c e s s ； p o l l u t a n t se m i s s i o n i i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 清洁代用燃料 1绪论 能源( 煤、石油、天然气等) 是国民经济和社会发展的物质基础之一，是人类 赖以生存的重要保障。我国能源总的特征是“富煤、少油、有气”。据有关资料显示， 我国有8 0 的煤用于燃烧。1 9 9 9 年因燃烧煤产生的s 0 2 的排放量已达18 5 8 万t ，在 许多燃料燃烧反应中产生大量的烟尘、酸雨和“温室效应”气体。我国由此造成的 经济损失每年己高达百亿元以上，成为世界上因大气污染排放造成损失最大的国家 之一。我国石油地质资源约有9 4 0 亿吨，可开采资源仅1 3 5 亿吨，人均石油资源仅 占世界平均值的1 1 6 。可以说我国石油资源是十分短缺的。从我国对石油的需求来 看，其总量远远不能满足日益增长的需求。1 1 9 2 0 j 目前，我国已经成为原油进口大国，2 0 0 0 年进口原油约7 0 0 0 万t 。据悉，我国 2 0 0 5 年需进口石油8 0 0 0 万吨，2 0 1 0 年1 亿吨，为了减少石油进口量，进行代用燃 料的开发研究和推广应用是十分必要的。【5 u 】 随着人民生活水平的提高，对能源的需求还会继续增长，特别是对清洁燃料的 需求将更加迫切。当前开发及应用代用燃料一方面是为了降低发动机污染物的排放， 保护环境，同时还要扩大汽车燃料供应的品种以满足未来的需要。 当前，正在研究开发或推广应用的发动机清洁代用燃料主要有：天然气( 包括 压缩天然气c n g 和液化天然气l n g ) 、液化石油气( l p g ) 、醇类燃料、氢燃料、二 甲醚等。天然气汽车尾气中无铅、无氧化硫污染，产生的一氧化碳仅为汽油车的0 4 ， 氮氧化物及碳氢仅为汽油车的1 1 0 。但燃用纯n o 的发动机需增加火花塞点燃系统， 储运携带不便。醇类燃料，主要是指甲醇和乙醇。它们在二十世纪4 0 年代就曾被用 作内燃机的燃料。它们可由植物、煤炭或天然气制取，资源广泛，是可再生能源。 燃用醇类发动机的p m 、n o x 及臭氧排放量少，但醇类燃料十六烷值低，汽化潜热大， 着火十分困难，因此只有在采取相应的技术措施后，才能在柴油机中应用。 液氢发动机燃烧产物只有水和n o x ，不排放c 0 和h c ，但存在着储存和难以实 现可控燃烧等问题，氢燃料成本也有待降低。 我国天然气总储量约为3 8 1 0 1 3 m 3 ，从可持续发展的战略观点出发，合理利用 华中科技大学硕士学位论文 资源，有效利用能源，把清洁燃料作为化学合成工业的发展重点是必要的。以天然气 或煤作为原料生产清洁的二甲醚等燃料，以补充我国石油资源的不足，对我国具有 十分重要的战略意义。碳烟和其他污染物排放量远远低于石油液化气等燃料的二甲 醚，生产原料来源丰富、成本低廉，开发和推广应用d m e 燃料可为躬决目前困扰人 类的能源危机和环境污染两大难题，开辟一条现实可行的道路。 1 2 二甲醚的生产技术及其物理化学性质 目前全世界d m e 的年生产能力约为1 5 0k t a ，其中德国联合莱茵褐煤燃料公司 6 0 l a a ，美国杜邦公司1 5 k t a ，德国汉堡d m a 公司】0 k t a ，荷兰阿克苏公司】0 k t a ， 日本和中国台湾约在1 0k t l a 以上，几乎全部由甲醇脱水( 二步法) 制取。目前二甲 醚主要用于许多精细化学品的合成，还可以作为合成汽油和烯烃的中间体。同时二 甲醚在制药、农药及化学工业中有许多用途，可代替氟利昂用作气溶胶喷射剂和制 冷剂，减少对环境的污染。高浓度的二甲醚还可用作麻醉剂。此外，二甲醚液化后还 可作为城市煤气、液化石油气( l p g ) 和柴油汽车燃料的代用品。由于它是一种优 良的清洁能源，二甲醚在国外被誉为“2 l 世纪的绿色产品”，在国内则被称为“第二 代民用液体燃料”。垆l j 1 2 1 二甲醚的生产技术1 5 3 l d m e 主要以煤、天然气为原料制取，生产过程比较简单。通常小规模生产时采 用先制取甲醇，然后通过甲醇脱水制取( 二步法) ；在大规模生产d m e 时，可以直 接由合成气步制得。此外，近年来c 0 2 加氢直接合成二甲醚法也得到了研究开发。 ( 1 ) 甲醇脱水法( 二步法) 该方法先由合成气制得甲酵，然后甲醇在固体催化剂作用下脱水制得二甲醚。 由于从合成气制备甲醇的化学反应受到较强的化学平衡限制，因此反应要在较高的 压力( 约8 m p a1 2 m p a ) 下才能达到一定的转化率。这就决定了d m e 的两步法生 产成本较高，限制了d m e 的大规模生产和应用。特别是作为燃料，由于成本较高， 难于和石油、天然气等燃料竞争。因此，迫切需要开发成本低廉的d m e 的合成新技 术，以适应市场和环保的需求。正是在这样的背景下，由合成气一步法合成d m e 技 术紧跟两步法之后迅速地发展起来。 ( 2 ) 合成气一步法合成二甲醚 华中科技大学硕士学位论文 该方法以合成气( c o + h 2 ) 为原料，在甲醇合成及甲醇脱水的复合催化剂( 或 双功能催化剂) 的作用下直接合成二甲醚。该方法所用合成气可由煤、重油、渣油 及天然气不完全氧化制得，生产过程较为简单，可获得较高的单程转化率，而且易 形成大规模生产，故可降低成本，但后处理较为复杂，产品主要用作醇醚燃料。该 方法的反应式为： 2 h 2 + c o c h 3 0 h c o + h 2 0 c 0 2 + h 2 2 c h 3 0 h c h 3 0 c h 3 + h 2 0 一步法合成二甲醚的工艺技术发展及工业化情况如下：1 9 9 1 年，美国a i rp r o d u c t s a n dc h e m i c a l si n c ( a p c i ) 公司开发了合成气浆态床步合成二甲醚技术，并建成 1 0 t a 中试装置。该技术通过水煤气反应协同进行，避免了多步合成法受平衡条件的 影响，从而提高了单程转化率。目前该工艺已扩大至1 万t a 的工业装置，采用铜基 + a 1 2 0 3 s i 0 2 沸石催化剂，操作压力5 2 7 6 m p a ，反应温度2 5 0 c ，装置运行正常。与 气相一步法或多步法相比，该方法尤其适用于c o 含量较高的煤基合成气。1 9 9 5 年， 丹麦h a l d o r t o p s o e 公司开发出以天然气为原料，经合成气制二甲醚技术，并建成 5 0 k g d 的中试装置。该方法采用种铜催化剂，操作条件为2 0 0 3 0 0 。c 、3 0 8 0 m p a 。 据t o p s o e 称，co 单程转化率达到6 0 7 0 ，二甲醚选择性达9 0 以上，可同时 生产甲醇和二甲醚。目前t o p s o e 正在建造7 0 0 0 t d 的二甲醚生产装置，其工程造价 在5 亿美元以上。日本钢管( n n k ) 公司也开发出利用天然气直接合成二甲醚的技 术。该技术以天然气、煤、l p g 等为原料，用淤浆床反应器，采用c u z n o - a 1 2 0 3 催 化剂直接合成二甲醚。c o 的单程转化率为5 6 ，二甲醚选择性为9 4 。现正建一套 5 t a 的中试装置，其目标是到2 0 0 5 年制造出2 5 0 0 t d 的实用化设备。日本三菱瓦斯化 学公司决定在沙特实现二甲醚的商业化生产，现已进入可行性研究阶段，规模1 8 0 万忱，预计2 0 0 5 年开始生产。我国浙江省应用化学重点实验室( 即杭州大学催化剂 所) 在自制的二甲醚合成催化剂上，利用合成氨厂现有的半水煤气，在一定反应温 度、压力和空速下进行单管试验，使半水煤气一步直接合成二甲醚，c0 单程转化 率达到6 0 8 3 ，二甲醚选择性达9 5 。经过1 0 0 0h 的催化剂寿命试验和短时间 破坏性冲击试验，仍然能够保持良好的活性和选择性，现已在合成氨厂进行千吨级工 业放大试验。 ( 3 ) c 0 2 加氢直接合成二甲醚 华中科技大学硕士学位论文 c 0 2 经过催化加氢制含氧化合物的研究，近年来为人们所关注，尤其是c 0 2 加 氢制甲醇。但由于该反应是可逆反应，受热力学平衡的限制，c 0 2 转化率难以达到 较高值。为了使反应打破热力学平衡的限制，人们已开始关注c 0 2 加氢直接合成二 甲醚。因为它不仅打破了c 0 2 加氢制甲醇的热力学平衡，使c 0 2 转化率得以提高。 从长远考虑，c 0 2 加氢直接制取二甲醚有重要的战略意义，既可解决c 0 2 的环境问 题，又可利用c 0 2 制得有用的化学品。 据估算，建一套以天然气为原料的1 5 万“a 二甲醚装置，需投资9 亿元；建一 套以天然气为原料2 5 0 0t d 的二甲醚装置，投资3 5 亿元，消耗天然气1 0 亿m 3 。天 然气价格为0 6 0 元m 3 时，生产成本为1 2 3 1 元t 。如果在联醇厂建3 5 0 0 d a 的二甲 醚工业装置，需投资4 6 5 万元，当煤价2 5 0 元t 时，其生产成本为1 8 6 0 元，t 。目 前，国内二甲醚价格为6 5 0 0 7 5 0 0 元t ，国际价格为1 万元t 。 5 2 1 由此可见，用 天然气或煤一步法合成二甲醚将具有较强的竞争能力和较大的社会经济效益。 1 2 2 二甲醚的理化性质 二甲基醚的化学分子式为c i - 1 3 - o c h 3 ，是结构最简单的醚类。同甲醇一样，它 的分子中没有c - c 键，而且有一个氧原子( 分子中含氧质量百分比为3 4 8 ) 。柴油 机燃用d v i e 可以完全消除碳烟排放，并有效降低发动机n o x 排放和燃烧噪声。二 甲醚与柴油及其它代用燃料的性质比较如表i 1 所示。1 4 】 表1 1二甲醚与柴油及其它代用燃料的性质比较 d m ed m c柴油甲醇乙醇c n g 分子式 c h 3 o - c h 3c 3 h 6 0 3c x h yc h 3 - o hc h 3 一c h 2 0 hc h a 低热值( m j n ( g ) 2 8 4 31 5 7 84 2 51 9 55 0 0 液态密度( g r n l )0 6 6 8 1 0 70 8 4 ，0 7 90 8 1 十六烷值5 5 - 6 04 0 5 558 着火温度( ) 2 3 52 5 04 5 04 2 0 6 5 0 理论空燃比( k 眺g ) 9 03 51 4 66 59 01 7 2 沸点( ) - 2 s9 0 1 8 0 3 7 06 57 8- 1 6 2 汽化潜热( i “瓜g ) 4 1 0a t 2 0 2 5 01 1 1 09 0 4 氧含量3 4 85 3 3 o5 0 03 4 80 氢含量1 3 o 6 71 4 01 2 51 3 o2 5 0 碳含量 5 2 24 0 08 63 7 ，55 2 57 5 0 华中科技大学硕士学位论文 d m e 自燃温度为2 3 5 ，低于柴油，而十六烷值高达5 5 6 0 ，高于柴油。所以， d m e 具有良好的自燃着火性能。在2 0 。c 时，d m e 的饱和蒸汽压为o 5 m p a ，低于丙 烷( 0 8 2 m p a ) 。这说明，在常温和0 5 一o 8 m p a 的压力下，d m e 即可保持液体状态。 d m e 的沸点为2 0 ，远低于柴油及醇类，故以d m e 为燃料的发动机混合气形成速 度高，着火延迟期短，发动机的冷起动性好。1 2 j 另外，d m e 能在很宽的空燃比范围 内燃烧，燃烧时呈现出如同天然气那样的蓝色火焰。按单位容积计算，d m e 的热值 大约只有柴油的5 4 。因此，其能量密度较柴油低，但比甲醇和乙醇高。d m e 的粘 度较低，比重较轻，可压缩性较大。d m e 的这些性质与其在柴油机中的燃烧特性及 使用密切相关。 d m e 的毒性低于甲醇，与液化石油气( l p g ) 相当。它无色、有轻微醚香味， 对环境无污染，对人体无致癌作用，对金属无腐蚀，性能稳定，即使长期暴露于空 气中也不会像二乙基醚那样生成过氧化物。d m e 在常温、常压下为气态，所以通常在 中压( 1 5 30 m p a ) 下以液态储存。d m e 的使用安全性要好于丙烷和丁烷。 d m e 是一种溶剂，对燃油系统中橡胶密封件的性能有破坏作用，而聚四氟乙烯 对d m e 却有很好的耐受能力。因此，使用d m e 时应保证整个燃油系统密封性能良 好，以防止d m e 向大气中泄漏。一般来说，针对液化石油气采用的安全防范措施同 样也适用于d m e 。 1 3 二甲醚( d m e ) 应用研究的发展方向 从目前研究状况看，d m e 应用于发动机的方式主要有两种：一是以d m e 作为 。 着火改善剂，二是在柴油机上燃用纯d m e 。1 2 1 1 3 1 着火改善剂 醇类燃料，尤其是甲醇是较有前途的内燃机代用燃料。但与柴油相比，甲醇着 火温度高、汽化潜热大、十六烷值很低，这就使之在压燃式发动机中难于自燃着火。 在柴油机中燃用纯醇燃料最简便的方案，是在甲醇中加入一定量的着火改善剂d m e ， 使其十六烷值达到3 3 以上。d m e 可作为甲醇的着火改善剂，使甲醇用作柴油机燃 料时不需要其它助燃措施，如火花塞、 量的2 5 5 0 ，如果d m e 的量太少， 的量过多时，有可能产生敲缸现象。 电热塞等。一般来说，d m e 应占整个燃料质 在低负荷时容易产生“缺火”现象；而d m e 华中科技大学硕士学位论文 使一定量的d m e 在发动机进气道的负压作用下，随空气一道被吸入气缸内，称 为d m e 自然吸入法。也可以采用其他方式，如火炬点火室( t o r c h i g n i t i o n c h a m b e r ) 方案，将d m e 喷入特殊设计的辅助燃烧室以形成着火源。将d m e 作为着火改善剂 主要是考虑其十六烷值较高，自燃性好，少量d m e 在进气行程进入气缸后，可在压 缩行程后期先行燃烧，从而对主燃料的着火起促进作用，并对发动机的性能和排放 产生一定的影响。 m u r a y a m a 等人1 4 1 的对比研究表明，与燃用柴油相比较，采用d m e 自然吸入法 的压燃式甲醇发动机，放热速率较高，燃烧持续期较短，热效率较高，无碳烟排放， n o x 排放降低，c o 和h c 的排放则有所增加。研究表明采用此法的压燃式甲醇发动 机其低负荷的燃烧和排放性能仍好于火花点燃式发动机。 针对上法存在的c o 、h c 和未燃d m e 排放量较大，以及为保证发动机稳定若 火燃烧所需的d m e 添加量也较大等问题，m u r a y a m a 等人【4 训发展了一种热焰点火方 式的所谓火炬点火法，又称t i c 法。d m e 在进气过程中通过电磁阀进入一个特殊设 计的辅助燃烧室中，该室容积很小( 3 4 c c ) 这样可限制d m e 在压缩行程中的扩散， 以使少量的d m e 混合气先行着火，然后用形成的火焰使主燃烧室内的混合气着火。 对比研究表明，与自然吸入法相比，t i c 法的最佳d m e 添加率可减少3 0 ，各种负 荷条件下的发动机热效率均有所提高。其中，低负荷工况的热效率可增长1 0 ，c o 和未燃h c 的排放量大幅度降低，而n o x 排放量略有增加。 t i c 法主要是有效促进了自辅助燃烧室流入主室的d m e 的扩散混合和燃烧过 程。t i c 法的影响因素包括：辅助燃烧室的容积、安装位置、几何形状，以及控制 d m e 的电磁阀的开启定时等。 d m e 易溶于液态甲醇，在1 7 和o 2 m p a 蒸汽压条件下，液态d m e 在两者混 合液中的容积比可达2 5 ，而其热值却相当于混合燃料总热值的4 0 。村山等人进 行的试验研究发现，发动机在燃用甲醇与d m e 混合燃料时，即使d v i e 的容积比高 达2 5 ，在任何转速和负荷下均难于实现正常的着火燃烧。据分析，村山试验不成 功的原因在于，该混合燃料的汽化潜热太大，致使可燃混合气难于达到其自燃温度。 再加上这两种高含氧燃料均具有一定的稀释效应，因此，在未采取相应技术措施的 情况下，较低的温度和相对较高的空燃比势必会大大延缓喷雾周边区域混合气的焰 前反应过程，从而导致发动机的起动着火困难。 实际上，f l e i s c h t 4 5 1 和s o r e n s o n l 4 2 】都各自成功地进行了燃用混合燃料( 9 0 d m e _ ，_ _ _ _ _ _ _ _ 一 6 华中科技大学硕士学位论文 + 1 0 甲醇) 、d m e 掺水( 最大掺水量为1 0 ) 和燃用粗d m e ( 9 2 d m e + 4 水 + 4 甲醇) 的试验研究，对比研究结果表明，与燃用纯d m e 相比，柴油机的热效率、 烟度以及n o x 排放量大致相同，而h c 和c o 的排放量则有不同程度的增加。 1 3 2 在柴油机上燃用纯d m e 以纯d m e 为燃料的柴油机比起添加部分d m e 来，具有更多的性能优点。因此 各国都在加紧进行柴油机燃用纯d m e 的研究和应用。主要是根据d m e 的物理、化 学性质改装发动机现有的供油系统，调整工作过程的有关参数，采取相应的技术措 施，使燃用纯d m e 的发动机达到超低排放、高燃油经济性的最佳性能。 在柴油机中燃用纯d m e ，首先要解决供油和燃油喷射系统所面临的问题。由于 二甲醚的粘度低、润滑效果差，为了保护高压泵柱塞和喷油嘴，需在d m e 中添加 定数量的润滑油，另外二甲醚常温下为气态，其油箱、供油管路等都要进行专门设 计，并在燃油管路中保持一定的输油压力。为了使发动机产生与燃用柴油同等大小 的功率，根据d m e 和柴油的热值，应当加大d m e 的循环供油量。 s o r e r t s o n 等【4 2 】在一台o 2 7 3 l 直喷式柴油机上作了燃用纯d m e 及d m e 混合燃 料试验。研究表明，对小型非增压直喷式柴油机( 单缸工作容积小于o 5 l ) 而言， 只须对普通的波许供油系统稍加改装，对有关参数加以调整，即可燃用d m e 。然而， 若要实现最佳d m e 燃烧过程，尚须研究开发新的d m e 供油系统，以便根据发动机 转速和负荷的变化，精确控制d m e 喷油定时，喷油速率及其喷油量。 奥地利a v l 公司【2 0 】曾将d m e 用作排量2 l 的直喷增压中冷车用柴油机的燃料， 并测试了排气成分，其结果见表1 2 ，实验用车为a u d l l o o 。由表可见燃用d m e 的 排气烟度及微粒排放很低，当使用氧化催化剂时，c o 及h c 排放也很低，可以满足 超低排放标准。 单位里程质量排放量d m e ( 直列泵)柴油( 泵喷嘴)u l e v 限值 n o x0 1 20 4 3 50 1 2 微粒0o 0 1 50 0 2 5 不用催化剂o 2 50 2 1 6 h c0 0 2 5 用催化剂0 0 2 50 0 , ：1 4 不用催化剂3 7 2 90 9 8 2 c o1 0 5 7 用催化剂0 3 7 3o 1 9 6 7 华中科技大学硕士学位论文 在紫浊班上燃蠲d m e 掇苓襻兹按术上懿障醛，塑为了熙好域糖囊d m e 媳燃烧 效率，仍霭簧对其羲火粒燃烧辍理、有害燃烧产镪坐或殴及撵数特憋莓课鞭进行潆 入的研究。 d a u g a u t 簿人f 3 2 0 3 强一个射流搅挎反废器中避行了实验，测繁出d m e 氧他爱应 所生成的备释生成物以及中间产物，通过察验数据分析发现：d m e 氧化反应过程中 不会产垒高分子亿合物，并建立了畲肖2 8 6 个基冗反应( 其巾大黜分是玎逆发艘) 藕4 3 种物质的d m e 氧亿反应动力举机理的数学模型。 蟊1 9 9 6 年戳来，鹫际毹源著( i e a ) 每年都要在欧湘主持锯开次d m e 专题 讨论会，并予1 9 9 7 年1 0 弼正舞：扁动项酶在推动d m e 应用研究和新技术汗发，促 进i e a 荚秘歇溯戏最国之间全葫音佧和交流的行动计划。当前，有哭d m e 的成 鼹疆究爱发疑方离簧点魏下： 1 ) 深入戮究d m e 懿供涵，喷射雾壬 ：、混合气形成和燃烧过程，寻求实现喷 滔系统、燃烧塞鞋及敷蠹气流运动三嚣之阕最餐配含静有效途径，叛便改进萁燃烧 方式。 ( 2 ) 针对d m e 赘豫熬供溜方式磷潮会遴豹d m e 奄控喷、穗系统。 ( 3 ) 磺究d m e 发凌撬电羧装嚣及健感嚣，毅秘谯选燃窆鲞豢沈，恍纯发动梳 瞧缝，邈一疹簿僬污染狻攘效。 4 ) 溪绕d m e 在德露、运辕耀毽惩枣靛安全阚戆开霞研究，建立餐全d m e 备傻耀中瓣繇节豹搽佟技术援程、淀意搴矮，默及事数熬貉楚掺藏魏褒惫楚理方法 等。 ( 5 ) 茺分发挥跛黪职熊罄门蛉镁导和缀织警鼹，锲定钱患鼗爨，提供爱好蕊歇、 鞭馋环壤，兴办示范工援，以震示d m e 广闼豹皮鼹蕊豢。姆麦敬府会爨匿豢墨浊公 翅稠蜜豪( v o l v e ) 客车公司等资助的擐燃底控维娅公汽颈星，于1 9 9 9 年投入了三到 六套以d m e 为燃辩的公共汽车进露市区运营试验，以便积累经验，雄动d m e 发动 规应用磷究的发展，强野掘d m e 的市场创造条件。 l 。4 本文静主要王俸 在广泛誊阕中外耀关的专业文献的基础上，从谍题黉求及现有研究条绺蹬发， 研究d m e 低温和高温着火的化举反应机理及自燃着火过程的数学模拟，建立d m e 翻燃蟹火酶数摇阵，发袋了柴油机燃用d m e 的热力学燃烧模型t 提出d m e 灌火数 一_ p s 华中科技大学硕士学位论文 据库与热力学模型的耦合方法，就d m e 发动机着火与燃烧过程进行数值模拟及参数 分析研究。本文主要工作内容包括以下几个方面： 第一章绪论。介绍了清洁代用燃料的研究现状，二甲醚的生产情况和性质，以 及二甲醚应用研究的发展方向。 第二章气缸内热力过程的数值模拟。本章主要阐述了热力学燃烧放热模型。 第三章d m e 着火过程数值模拟。详细介绍了- d m e 的自燃着火化学反应动力学 机理以及如何结合c h e m k i n 软件包进行模拟计算，并分析和讨论了着火滞燃期预 测结果。 第四章着火数据库及其循环模拟的耦合，阐述循环模拟计算程序的组成和分析 缸内热力过程，重点介绍着火子模块的修改方案和着火数据库及其循环模拟的耦合。 第五章循环模拟计算结果与讨论。本章给出了模拟燃烧特性结果分析。并对燃 烧过程预测模型进行了验证，将燃烧模拟计算结果与西安交通大学王贺武博士的实 验数据相比较，以验证模型可行性。 第六章d m e 发动机超低排放物原因初探，比较系统地讨论了发动机排放成分氮 氧化物n o x 和颗粒物形成机理，并结合具体燃用d m e 模拟计算结果分析排放物成 因。 第七章对全文内容进行了总结，并进一步提出以后后续工作改进方向。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 气缸内热力过程的数值模拟 2 1 气缸内热力过程的数值描述 燃烧过程对内燃机性能的影响至关重要，这是众所周知的。由于燃烧过程的复 杂性，仅用实验研究有很大局限性，而随着电子计算机的出现和普及，使得对内燃 机燃烧过程进行数值模拟成为可能。 燃烧模型分两大类，即试验模型和理论模型。【4 7 】试验模型是以相似理论为基础， 通过模型试验得到数据，用无量纲准则数的函数关系关联这些数据，再将所得到经 验公式推广到其他情况。理论模型则是以实验为依据，在大量实验观测的基础上， 从中抽象出体现燃烧规律的物理原理，并给出相应的数学表达式。理论模型相继发 展了热力学，准维和多维燃烧模型，这些使燃烧模拟成为燃烧过程研究的重要手段， 并成为实验研究的种重要补充。 在一定假设条件下，用含有若干修正系数c i 的经验或半经验的常微分方程或代 数解析方程来描述柴油机缸内燃料的燃烧速率，并辅以热力学基本方程、理想气体 状态方程和初始及边界条件来模拟柴油机燃烧过程的模型，称之为柴油机的热力学 燃烧模型。 建立热力学模型( t h e r m o d y n a m i cm o d e l s ) 的目的是对柴油机燃烧过程的一些宏 观性能参数做预测分析，如示功图随发动机运行工况及燃烧初始参数变化的规律等。 在本文热力学燃烧模型中柴油机非定常、非均匀的实际燃烧过程做了如下假设： ( 1 ) 柴油机气缸内各物理量在空间上是均匀的。 ( 2 ) 缸内工质符合理想气体状况方程，燃料的燃烧为完全燃烧，即燃烧产物全 部变成h 2 0 、c 0 2 。 ( 3 ) 缸内工质在各瞬时均达到热力学平衡，工质状态由能量守恒方程及理想气 体状态方程控制。 对于图2 1 所示的热力系统，根据热力学第一定律，能量平衡关系式如下： 一a o l + 亟一盟一盟：型+ 一d w 、 d pd 9d od 。 【c 3 p g ! 。q p 曼g ， 当岛。一，。( p - 月) d e p 0j 其中c i ，i = l ，2 ，3 ，4 ，5 为待定常数 尽管在该模型中未考虑滞燃期，但由于燃烧初期燃烧率很低，实际效果上同滞 燃期并无大的区别。因此，系数c l ，c 2 的值的大小将直接影响滞燃期的长短。 由于实际燃烧放热曲线因机型不同而有所差异，用一个单一的韦伯燃烧模型难 以满足模拟计算的需要。而柴油机燃烧不是单纯的扩散燃烧，而是包括预混燃烧和 扩散燃烧两部分。为了反映这一特点，本文采用了w a t s o n 燃烧放热模型来模拟计 算。 华中科技大学硕士学位论文 2 2w a t s o n 燃烧放热模型 w a t s o n 燃烧放热模型的特点是，将燃烧分成两部分。一部分是预混燃烧，另一 部分是扩散燃烧。瞬时燃料燃烧量和燃烧率分别为： m b = m b l + m m ( 2 一1 0 ) 磐：曼警+ 蔓磐( 2 - 1 1 ) d pd pd p 式中m b 为瞬时燃烧燃料量；m b l 为瞬时预混燃烧燃料量；m b 2 为瞬时扩散燃烧 燃料量。 每缸每循环的喷油量m b o 也是由预混燃烧燃料量m b o 和扩散燃烧燃料量m b 0 2 所组成，即m a o = m b o + m a 0 2 令口：丝盟，比例系数b 表示预混燃料燃烧量占每循环喷油量的比例，b = 1 时 m 表示全部为预混燃烧情况，b = 0 时，则表示全部都是扩散燃烧。引用下列参数： x 一告，x - = 告m m m b o l x ，：旦坠- ，y ：塑：纽! + m b o _ j 妒口一伊 则式( 2 。8 ) 、( 2 9 ) 变成下列无因次形式。 x = 届k + ( 1 一) 彳2 ( 2 _ 1 2 ) 等= 等+ ( 1 柏等 沼 d y 。d y、一d y 式中x 1 为预混累积燃烧函数；x 2 为扩敢累积燃烧幽效。 根据实际放热规律曲线拟合，得出最佳放热函数的表达式如下 x 。= 1 一( 1 一y 。1 ) 。2 等：c ，c 2 j r c h ( 1 一】，叩一一 d y 1。 、 。 x 2 = 卜护 要：c ，c 4 尸旷4 d y 。1 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 式中c 。、c 2 、c 3 、c 4 是燃烧规律的形状系数，燃烧规律的第一个峰值出现的时 间由c l 控制，而增大c 2 值可使预混燃烧率变得更陡，c s 能改变扩散燃烧率以及扩 一一 1 4 华中科技大学硕士学位论文 散燃烧持续时间，c 4 则对扩散燃烧的峰值出现时间有较大影响，c 3 、c 4 的作用要大 于c l 和c 2 的作用，其中预混燃烧函数( 2 - 1 4 ) 式是采用指数函数，而扩散燃烧函数 ( 2 - 1 6 ) 式是韦伯函数。 根据在高涡流直喷式柴油机上的试验数据，可得到形状系数的数值如下： c ，= 2 0 + 1 2 5 e 一8 ( r + ) 2 4 ； c 2 = 5 0 0 0 0 ； c ，= 1 4 2 西“： c 。= o 7 9 1 c p 8 ； 口= 1 0 9 2 6 4 o3 r 。”； 式中，中为燃空当量比；t 为着火滞燃期，可按下式计算： 式中t 、p 分别为着火滞燃期内的缸内平均温度和平均压力。 ( 2 1 8 ) 2 3 本章小结 本章首先阐述了热力学燃烧放热模型的基本概念、简化假设以及基本方程，并 简单描述了w i e b e 模型、双韦伯函数模型和w b i t e h o u s e 的准备率模型，接着本文具 体介绍了本文所采用的w a t s o n 燃烧放热模型。 华中科技大学硕士学位论文 = ! ! ! 竺= = ! ! 竺= = ! = = = = ! ! = = ! = = = = = = ! = ! = = = = 竺= ! 竺! 竺= 竺= 竺= = 竺! 竺= = ! = = 3 d m e 着火过程的数值模拟 柴油机中燃料是在压缩行程中活塞上行至上止点附近喷入的，燃料进入气缸， 在着火前通常经历了一系列的物理、化学准备过程。物理过程包括油滴的细化、升 温、蒸发和扩散过程，影响这一过程的主要因素有燃料的挥发性、雾化质量、空气 涡流、紊流强度、气缸内的温度和压力等。化学准备过程包括燃料高分子裂解、活 化物浓度及反应物的积累过程。影响化学准备过程的因素有燃料的十六烷值、缸内 温度、压力及燃空当量比等等。实验证明，燃料的十六烷值、气缸温度、气缸压力 对着火滞燃期影响很大。在柴油机中，燃料的着火性用十六烷值表示。十六烷值高 的燃料着火延迟时间小于十六烷值低的。但在发动机正常工作的情况下，那些影响 化学准备过程的因素决定了滞燃期的长短，而影响物理准备过程的因素其作用要微 小得多。 3 1d m e 着火的化学反应机理 根据化学反应动力学的观点，着火机理可分两种：一种是热自燃机理，另一种 是链锁自燃机理。i l 刮 所谓热自燃机理，是在利用外部热源加热的条件下，使反应混合气体达到一定 温度，在此温度下，可燃混合气发生化学反应所释放出的热量大于通过器壁散失的 热量，从而使混合气的温度升高，并促使混合气的反应速度和放热速率增大。这种 相互促进的结果，导致极快的反应速率而达到着火。热自燃机理通常只考虑化学反 应的热效应，而忽略链锁反应的影响。同时，还假定： ( 1 ) 整个容器内，系统的组分、温度和浓度( 或压力) 是均匀的。 ( 2 ) 容器的壁温t o 等于周围介质温度t 。 ( 3 ) 系统与容器壁的对流换热系数x 为常数。 ( 4 ) 反应放出的热量q 为某一定值。 假设这一复杂的综合反应按下式进行 f u e l 】+ 0 2 】一【i c 】一最终生成物 其 f u e l 燃料浓度，【0 2 】为氧的浓度，【i c 为中间产物的浓度，它的反应速率 可用a r r h e n i o u s 式表示： 一_ 。_ _ _ _ 1 一 1 6 华中科技大学硕士学位论文 掣：k f u e i i o a m ( 3 - 1 ) f 三、 式中， k = c + e o k 为反应速度常数，l 、1 1 3 分别为燃料及氧的化学反应计量系数，e 为反应表观 活化能，r 是通用气体常数。 当中间产物浓度达到一个i 临界值 i c c r 时，反应将进入剧烈自加速阶段，着火也 就发生了。因而，滞燃期可以表示为： r = a + e r t p “ 【m s ( 3 - 2 ) 式中，a 为比例常数；t 为滞燃期间的平均温度；p 为滞燃期间的平均压力：n 为综合反应级数。 在上述w a t s o n 燃烧模型中，滞燃期计算所采用的经验公式( 2 1 8 ) 取a = 3 5 2 ， n = 1 0 2 2 ，e r = 2 1 0 0 。此经验公式是n w a t s o n 根据在高速、直喷式、高涡流比发 动机上的试验结果而提出的压升高法判定滞燃期公式。 所谓链锁自燃机理是指由于链的分支使活性中心迅速增殖，从而使反应速度剧 烈升高而导致着火。在这种情况下，温度的增高固然能促使反应速率加快，但即使 在等温情况下亦可由于活性中心浓度的迅速增大而造成自发着火。 实际燃烧过程中，没有纯粹的热自燃或链锁自燃存在。实际上，两种机理同时 存在于焰前反应中，而且相互促进。 目前，关于d m e 着火自燃机理的研究仍十分欠缺。d m e 相对柴油来说其组成 较为简单。根据前人研究的结果，其着火机理可叙述如下：高压低温时，在d m e 着 火过程中，形成的预氧化基起主导作用，二甲醚游离基( c h 3 0 c h 2 ) 被认为是在氧 化过程中起主导作用的预氧化基。首先二甲醚游离基c h 3 0 c i - 1 2 分解成甲基和甲基游 离基，即 c h 3 0 c h 2 一c h 3 0 + c h 2 ( 3 - 3 ) 另一种影响d m e 的分子氧化的反应方式是二甲醚游离基均裂，并且二甲醚游离 基与0 2 结合生成甲基甲酸c h 3 - o - c = o ，即 c h ，o c h2 + o2 寸c h l o c o + h ， 在着火过程中，c h 3 0 c h 3 与0 2 之间生成预氧化基，并转化为过氧化物，它快速 分解后导致链扩散反应。氧化过程依赖于新链反应中间产物的生成，甲基c h 3 和过 氧化氢h 2 0 2 起了关键作用。总之，在较低环境温度时，d m e 着火过程受d m e 基链 华中科技大学硕士学位论文 的过氧化物控制。在高温时，着火过程对温度依赖相对较小( w t d ，w e a k t e m p e m t u r e d e p e n d e n t ) 这是由于高温控制了低温时发生的分支链锁反应，此时甲醛起主导作用， d m e 发生均裂反应： c h 3 0 c h ，j c h 3 0 + c h 3 ( 3 4 ) 3 2d m e 着火过程的模拟计算 目前，对有机燃料的着火过程进行数学模拟般有三种方法：一是考虑燃料、 。 氧化剂和燃烧产物混合的空气动力学过程、传热传质和燃烧过程；另种方法是详 细考虑化学反应动力学机理，而对流动和混合过程作大量的简化，如假设化学反应 是在良好搅拌的反应器中进行的；第三种方法是以上两种方法的综合。考虑到d m e 沸点低，喷入燃烧室后能瞬时汽化，并迅速与空气良好混合，因此，为了简化计算， 本文采用了第二种方法建立d v i e 的着火燃烧的数学模型，即假定d m e 和空气之间 进行快速的绝热混合，而混合气的最终温度t z ，根据能量平衡由下式给出： n r n g 而只( 巧) + j + z l h ：( r g ) 乞2 瓦c p 一( r z ) s ， 船 ”。 酉 式中，c p