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西华大学碳士学位论文 柴油机燃用二荦醚的燃烧数值模拟 动力机械及工程专业 研究生潘小亮攒导教瘁黄海波教授 曾糸建副教授 = 甲醚( d m e ) 怒一种新型盼、游浩盼柴浦辊替代燃料。霜前= 甲醚在 柴油机上进行推广应用述处于研究阶段，研究二甲醚的燃烧性能，对予开发和 优化= 坪 醚发动机具膏指导意义。本文在直喷式柴油椒准缝燃烧模型以及= 甲 醚试验错宠穗墓疆主，建立了二甲醚发凌辍准壤燃筑模垄。该模登蒸予潼凌蒸 发燃烧疆论，按照燃油喷出时壶4 进行分区，包括燃油喷雾、卷吸、燕授、传热、 着火燃烧等子模型。模型考虑到二甲醚在缸内瞬时蒸发的特性。模型假定无油 柬碰愁问题，考虑了燃涟渣滴的直径分布，采丽了更接近实际赜油过稷朗芷弦 囔浊规搀；枣区羞火燃烧莱矮滞爨蘩燃烧攘壅遘器判断，缫弦燃烧按爨当量室 然院燃烧。各小区之闻燃烧过程中蔓不影响。整个燃烧模型分为压缩、燃烧、 膨胀三个阶段进行计髀，采用v b 编写计算程序。模型的验证采用计算模拟出的 艘动机瓤内压力益线每实际测得的敷肉压力监线相拱：较。大多数工况下模拟诗 冀缍繁尊试验缝象魄较唆合，葳基形瓣变乱趋势寒蕾，二者变纯趋势院鞍摺鸷 的，证明了本文建立的= 甲醚维维燃烧的模型实用髋。 评判发动机总体避转性能的优劣主要是从燃烧热效率、发动桃噪声和运 转糨器性、有害捧放物水平等方面人举。一般来说热效率和后蘸者是糖斥雏， 毽魏辩嚣综台考瘫善穷嚣熬因素，在霹嚣翡兹撂下逐步调整发动辊匏遮萼亍参数， 优化发动机整机性麓。本文通过模攒诗算分析，研究了改变发动聿且喷油系统参 数对教动机燃用二甲醚性能的影响，主装的参数包括；喷油提前角、喷油持续 期萃| _ l 嚷弛总涟遣截面积。研究表明，程综合考虑发动桃动力性及排放性能的蘸 西华大学硕士学位论文 提下，适当的提前喷油时间，缩短喷油持续期、增大喷孔总流通截面积可以显 著提高二甲醚发动机的性能。该研究为二甲醚发动机的性能优化提供了方向性 的意见。 最后，本文还分析了柴油机主要有害排放物碳烟和氮氧化合物( n o x ) 的生 成机理以及控制措施，并结合二甲醚的物化特性和二甲醚发动机模拟计算结果， 分析了二甲醚零碳烟排放和低氮氧化合物排放的原因。实现零碳烟排放的主要 原因是：二甲醚分子含氧量较高，燃烧过程不会生成高分子化合物；二甲醚进 入气缸后能与空气能够形成高质量的可燃混合气。二甲醚进入发动机气缸后会 迅速汽化，并且其汽化潜热大，使得发动机气缸温度较低，抑制了n o x 生成，造 成了二甲醚的低n o x t 非放。 关键词：二甲醚；燃烧模型；变参数研究；排放分析 i i 西华大学硕士学位论文 s i m u l a t i o no fc o m b u s t i o no fd i e s e le n g i n eb u r n i n gd m e a b s t r a c t d i m e t h y le t h e r ( d m e ) i so n ek i n do ft h en e wt y p ea n dt h ec l e a na l t e r n a t i v e f u e l sf o rd i e s e le n g i n e t h er e s e a r c ha b o u td m ei su n i v e r s a lu s e do nd i e s e le n g i n ei s p r o c e s s i n g s os t u d y i n gt h eb u r n i n gc h a r a c t e r i s t i c so fd m ei sp r o p i t i o u s t o m a n u f a c t u r ea n do p t i m i z ed m ee n g i n e i nt h i s p a p e r , aq u a s i d i m e n s i o n a l c o m b u s t i o nm o d e lf o rd m ee n g i n ei s d e v e l o p e do n t h eb a s e o fd i e s e l s q u a s i - d i m e n s i o n a lc o m b u s t i o nm o d e la n dd m ee n g i n e se x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n t h i sm o d e li sb a s e du p o nd r o pv a p o r i z i n gc o m b u s t i o nm o d e la n di n c l u d e sf u e ls p r a y ， m a s se n t r a i n m e n t ，f u e le v a p o r a t i o n ，h e a tt r a n s f e r ，i g n i t i o na n dc o m b u s t i o n ，e t c t h e c a l c u l a t i o nz o n ei sd i v i d e da st h et i m eo fs p r a yi nc y l i n d e r t h i sm o d e lc o n s i d e r st h e v a p o r i z i n gp e c u l i a r i t yo fd m e i nc y l i n d e r i ta d o p t sa na s s u m e di n j e c t i o np r o c e s sa s as i n el a ww h i c hi sc l o s et ot h ea c t u a li n j e c t i o np r o c e s s t h es t a r to fc o m b u s t i o no f f u e lz o n e si sd e t e r m i n e db ya ni g n i t i o nd e l a ym o d e l ，t h ec o m b u s t i o ni sa s s u m e dt o p r o c e e da te q u i v a l e n c er a t i oa n dt h ec o m b u s t i o np r o c e s so fe v e r yf i n ez o n ed o n t a f f e c te a c ho t h e r w h o l em o d e li sd i v i d e da st h r e ep a r t s ：c o m p r e s s i n g ，b u r n i n ga n d e x p a n d i n ga n dc o m p i l e st h ec o m p u t i n gp r o g r a mb yv b t h em o d e li sp r o v e d t h r o u g ht h ec o m p a r i n gt h ec a l c u l a t i n gp r e s s u r ec a l v ew i t l lt h ea c t u a lt e s t i n g i nm o s t w o r k i n gs t a t e s ，t 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 ee x p e r i m e n t a ld a t a t h ev a r i e t yo f t h eg r a p hi ss a m eb o t h i tp r o v e st h em o d e lw o r k sw e l l i tg e t sa c r o s st o j u d g eo p e r a t i o nc a p a b i l i t yo f e n g i n eb yt h e r m a le f f i c i e n c y , n o i s e , a s p e r i t y a n de m i s s i o n g e n e r a l l ys p e a k i n g , t h e n m le f f i c i e n c yc o n f l i c t sw i t hn o i s ea n de m i s s i o n s oi t n e e d st oc o n s i d e rv a r i o u sf a c t o r sa n da d j u s tt h ep a r a m e t e r so fe n g i n ef o ri m p r o v i n g t h ec a p a b i l i t yo fe n g i n e i tc h a n g e sp a r a m e t e r so ft h ei n j e c t i o ns y s t e mt of i n dt h e f a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ep e r f o r m a n c e so fd m ee n g i n e t h ep a r a m e t e r si n c l u d e i n j e c t i o na d v a n c e ，i n j e c t i o nd u r a t i o na n do v e r a l lc i r c u l a t i n gs e c t i o no fi n j e c t o r t h e i i i 西华大学硕士学位论文 s t u d y i n gi n d i c a t e st h a ti tc a ni m p r o v ep e r f o r m a n c eo fd m ee n g i n eb ya d v a n c i n g i n j e c t i o n ，s h o r t e n i n gi n j e c t i o nd u r a t i o n ，a c c r e t i o no v e r a l lc i r c u l a t i n gs e c t i o no f i n j e c t o ra n dp r o v i d e ss o m ea d v i c e sf o ro p t i m i f i n gt h ed m ee n g i n e a tl a s t ，t h i sp a p e ra n a l y s e sa m p l yt h em a i nc o n t a m i n a t i o n so fd i e s e le n g i n e ： s m o k i n ga n dn o xw h o s ep r i n c i p l eb r i n go u ta n dh o wt oc o n t r 0 1 i ta n a l y s e st h e r e a s o n sa b o u td m ee n g i n ew h i c hh a sn os m o k i n ga n dl o w e rn o xb yl i n k i n gt h e d m e sp h y s i c sa n dc h e m i s t r yc h a r a c t e rw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s c o n t a i n e dv a s t o x y g e no fd m em o l e c u l e ，b u r n e dn om a c r o m o l e c u l ec o m p o u n da n df o r m e dw e l l f u e ls p r a ya l et h er e a s o no fn os m o k i n g t h el o w e r t e m p e r a t u r eo fc y l i n d e ri st h e m a i nr e a s o no fl o w e rn 0 x k e yw o r d s ：d i m e t h y le t h e r , c o m b u s t i o nm o d e l ，c h a n g i n gp a r a m e t e r sr e s e a r c h ，e x h a u s ta n a l y s i s 西华大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 能源( 煤、石油、天然气等) 是国民经济和社会发展的物质基础，是人类 赖以生存的重要保障。随着汽车工业的发展，燃油需求量急剧上升，呈现出石 油短缺的现象，人们越来越认识到石油资源是有限的。自1 9 7 3 年的石油危机( 能 源危机) 使人们认识到资源的有限性和利用自然资源的必要性，更加速了各国 对车用燃料的研究进程。因此，一方面，人们想方设法在发动机上采用各种节 能措施更有效的利用现有能源；另一方面积极拓展新能源和代用燃料。我国能 源总的特征是“富煤、少油、有气”。我国石油地质资源约为9 4 0 亿吨，可开采 资源仅为1 3 5 亿吨，人均石油资源仅占世界平均值的1 1 6 ，而随着我国经济的 快速发展，现有石油总量远远不能满足日益增长的需求1 5 】，1 6 j 。目前，我国已经 成为了原油进口大国，2 0 0 5 年进口原油8 0 0 0 万吨，预计2 0 1 0 年将达到1 亿吨， 为了减少石油进口量，进行替代燃料的开发研究和推广应用是十分必要的【5 。 表1 1 美国加利福尼亚州轻型汽车排放标准的排放限值 t a b 1 1l i m i t i n ge m i s s i o nn u m e r i c a lv a l u eo f c a l i f s t a n d a r da b o u tl i g h t d u t ya u t o m o b i l e 5 00 0 0 m i l e ( g m i t e ) 标准c on m o g n o 。 微粒甲醛 1 9 9 33 4o 2 5 o 4o 0 8 t l e v 03 4 01 2 50 4o 0 8o 0 1 5 l e v3 40 0 7 5 o 20 0 80 0 1 5 u l e v 01 70 0 4 0o 20 0 4 0 0 0 8 1 0 00 0 0 m ie ( g m i l e l 标准 c on m o g n o 。 微粒 甲醛 】9 9 3 4 20 3 l1 0o 0 8 t l e v 4 201 5 6o ，60 0 8o 0 1 8 l e v4 20 0 9 00 3o 0 8o 0 1 8 u l e v 2 10 0 5 50 300 4 0 0 1 l 西华大学硕士学位论文 表l - 2 欧洲联盟轻型汽车的排放限值( g k m ) t a b 1 - 2l i m i t i n ge m i s s i o nn u m e r i c a lv a l u eo f e u r o p ef e d e r a t i o na b o u tl i g h t - d u t ya u t o m o b i l e 汽油车 标准生效日期c o h c + n o 。 标准生效日期c oh c n o 。 欧洲1 1 9 9 22 7 2 0 9 7欧洲3 2 0 0 0 2 30 2 o 1 5 欧洲21 9 9 5 1 02 2o 5欧洲42 0 0 51 0o 1o 0 8 表1 - 3 欧洲重型车用柴油机排放限值( g k w 舢 标准欧洲i 号欧洲号欧洲i 号 测试循环e c e r 4 9e c e r 4 9 e s ce 陌c 生效日期1 9 9 21 9 9 62 0 0 02 0 0 0 c o4 54 02 15 4 5 h c1 11 1o 6 6 n o x8 o7 o5o5 o 0 6 l0 1 5o 1 0o 1 6 微粒 0 - 3 60 2 5o 1 3o 2 1 适用于额定功率小于8 5 k w 的柴油机； 使用于单缸排量小于o 7 l 、额定转速大于3 0 0 0 r m i n 的柴油机。 同时，随着世界各先进工业国家经济的不断发展，城市运输车辆大幅度增 加，其尾气己成为各大城市的主要污染源之一。据统计，大约超过6 0 8 0 的空气污染物为车辆排放所造成。随之而来的是大量的政策和法规对内燃机尾 气排放进行严格的控制，从6 0 年代开始，美国、f = 1 本、欧盟国家相继制定了汽 车排放限制标准( 如表1 - 1 1 ，3 ) 7 2 1 ，以控制汽车排放对人类生存环境带来的 日益严重的危害。我国在2 0 0 0 年执行的新标准也对汽车排放作了更严格的限 制。 作为汽车的动力源之一柴油机，以高的热效率、低的油耗和低的排放 越来越受到重视。柴油机排放中n o x 和微粒( 碳烟和可溶性未燃碳氢) 的排放 西华大学硕士学位论文 是其最主要的污染物，而降低柴油机n o x 和微粒排放的措施往往存在矛盾，因 为n o x 生成条件是高温、富氧；而微粒的生成条件是高温、缺氧。因此，寻找 新型柴油替代燃料以实现高效率超低污染燃烧将是解决以上矛盾的最有效的措 施。 二甲醚( d i m e t h y le t h e r ，简称d m e ) 一种可再生清洁能源出现在人们的视 线中，有关二甲醚的研究起步于9 0 年代初期，到目前为止，仍处于初步探索阶 段。作为车用替代燃料，其十六烷值( 5 5 6 0 ) 高于柴油( 4 0 5 5 ) ，具有优良 的压燃性，非常适合压燃式发动机，是柴油发动机理想的替代燃料【2 】。而且二 甲醚具有优良的燃烧特性，清洁、动力性能好、污染小，稍加压即为液体，易 于存储。欧洲及美国等一些国家研究表明，二甲醚作为柴油机的替代燃料，可 使发动机具有良好的性能和超低的排放水平，可以显著降低n o 。排放，而排气 烟度几乎能达到零。发动机试验表明，对载客车和卡车无需进行排气后处理即 可达到u l e v ( u l t r al o we m i s s i o nv e h i c l e ) 排放标准，而且具有类似汽油机低的 噪音水平m 【2 1 ，m 【4 1 。因此，采用二甲醚作为柴油的替代品将有广阔的前景。 1 2 二甲醚的生产及物理化学性质 二甲醚主要是以煤、天然气以及石油残渣、生物物质等为原料制取，从资 源上看，二甲醚的制取所受的制约条件较少。目前，主要有以下几种方法制取 二甲醚。通常小规模的生产二甲醚是采用由合成气体( 氢、一氧化碳) 制取甲 醇，然后将甲醇进行脱水制取( 二步法) ；由合成气一步制取二甲醚过程是应 用兼具甲醇合成和甲醇脱水两种功能的催化剂，使得两个反应步骤在一个反应 器内完成，是当前二甲醚技术开发的方向；c o ，加氢直接合成二甲醚，该过程 尚属实验探索阶段【7 儿剐，【”】。我国是一个煤炭大国，采用煤制甲醇和二甲醚对于 我国柴油机水平较低而煤炭资源丰富的国家而言具有重要的意义。 二甲醚的分子式是c h 3 0 c h 3 ，是结构最简单的醚类化合物，二甲醚分子结 构中只有c h 键和c o 键，没有柴油燃料分子结构所含的c c 键，分子中含 氧质量百分比为3 4 8 【9 】。由于二甲醚是含氧燃料，因此它作为柴油机燃料， 有利于减少燃烧过程产生的烟度，并能够有效降低发动机的燃烧噪音，同时可 西华大学硕士学位论文 以用更大的废气再循环( e g r ) 率来降低n o x 排放。二甲醚与柴油以及其它代 用燃料的性质比较如表1 4 所示【9 】0 0 l 1 l 】。 表1 - 4 二甲醚和柴油燃料及其它内燃机代用燃料物化特性对比 物化特性 二甲醚 柴油甲醇 乙醇天然气 化学分子式 c h 3 0 c h 3c x h vc h 3 0 hc 3 h s o h c h d 低热值，m j k g 2 8 4 4 2 51 9 5 2 5 o5 0 o 液态密度，g ，m l 0 6 60 ，8 40 7 90 8 l 十六烷值5 5 6 04 0 5 558 自燃温度，2 3 52 5 04 5 04 2 06 5 0 沸点2 4 91 8 0 3 7 06 57 81 6 2 理论空燃比9 01 4 6 6 0 9 51 7 2 液态粘度， o 1 55 3 5 - 6 2 80 7 6 8 k g ，m s ( 2 0 ) 4 1 0 ( 2 0 ) 汽化潜热，k j & g 2 5 01 1 1 09 4 0 4 6 0 ( - 2 06 c ) 碳含量， 5 2 28 6 03 7 55 2 27 5 0 氢含量， 1 3 o1 41 2 51 3 02 5 o 氧含量，3 4 ：8o5 0 03 4 8o 二甲醚在常温常压下呈气态，在一定压力下可溶于水及烃类物质：通常 将二甲醚加压到1 5 3 m p a 以液态形式进行储存。二甲醚具有无色、无毒、无 腐蚀、无致癌性的特点；对金属无腐蚀作用，其性能稳定，长期暴露于空气中 也不会生成过氧化物，其使用安全性好于丙烷和丁烷。 二甲醚的十六烷值为5 5 6 0 ，比柴油高，远高于其它替代燃料，且其自燃 温度为2 3 5 ，故具有良好的自燃性能，因此在柴油机上燃用二甲醚不像甲醇、 乙醇、液化石油气和天然气那样需要助燃措施。在常温和o 5 0 8 m p a 的压力 下，二甲醚就可以保持液态，且其沸点为2 4 9 ，远远低于柴油和醇类燃料。 因此，二甲醚作为发动机燃料，混合气形成速度快，缩短了着火滞燃期，减少 西华大学硕士学位论文 预混合燃烧量，使柴油机具有良好的冷启动性能；二甲醚的汽化潜热几乎是柴 油的两倍，二甲醚的蒸发吸热可使缸内混合气温度降低，有利于抑制n o x 的生 成。i l 副另外，二甲醚能在很宽的空燃比范围内燃烧，燃烧时呈现如同天然气一 般的蓝色火焰。二甲醚热值仅为柴油热值的6 6 8 ，二甲醚液体密度只有柴油 密度的7 8 5 ，比重较轻，可压缩性较大，其能量密度较柴油低，但是高于甲 醇和乙醇。 二甲醚常温下动力粘度为0 1 3k g m s ，柴油约为5 ，5k g m s ，其液态 粘度不及柴油的3 ，这会大大加剧柱塞的泄漏和磨损，故二甲醚发动机必须在 燃料中添加一定量的抗磨添加剂以解决高压油泵柱塞偶件和喷油器针阀偶件的 润滑问题以及燃油泄漏问题。二甲醚的这些性质与其在柴油机中的燃烧特性及 使用密切相关。二甲醚在常温下的蒸发压力为o 5 m p a ，随着温度的升高，其蒸 发压力也增大。在发动机运行条件下，为防止气阻现象发生，燃料供给系统的 压力要大大高于柴油机燃料供给系统。二甲醚是一种溶剂，对燃料供给系统橡 胶密封件有腐蚀破坏作用，而使用二甲醚时整个燃油供给系统应当具有良好密 封性，以防止二甲醚泄漏。聚四氟乙烯( t e f l o n ) 对二甲醚是惰性的，但其刚 性、蠕变性等机械性能差，不适合作密封材料，只能用在发动机供油系统管道 的内衬等对弹性无要求的场合。上海交通大学吴宁等人研究认为三元乙丙胶( 简 称e p d m ) 具有良好的耐d m e 性能。【l3 】对于二甲醚在柴油机上的应用安全问 题，可以借鉴针对液化石油气所采取的安全防范措施。 1 3 二甲醚作为替代燃料的研究现状 1 3 1 二甲醚作为着火改善剂在内燃机中的应用1 2 】，【1 4 】 醇类燃料，尤其是甲醇是最有前途的内燃机代用燃料，但是与柴油相比， 甲醇着火温度高、汽化潜热大、十六烷值很低，因此将其应用于压燃式发动机 中很难着火。在柴油机上燃用甲醇，就需要加入着火改善剂，用来改善其低温 启动性能。二甲醚在内燃机中的应用起始于作为发动机的燃用甲醇的着火改善 剂。二甲醚用作甲醇着火改善剂后，使甲醇用作柴油机燃料时不需要其它助燃 措施，诸如火花塞、电热塞等。二甲醚作为着火改善剂是因为二甲醚较高的十 六烷值，并且能够在较低的温度下自燃。 西华大学硕士学位论文 其机理是：二甲醚作为部分燃料先期进入气缸，在压缩行程的后期先氧化 燃烧，提高气缸内的温度，从而对后期喷入的主燃料的着火起促进作用。在柴 油机中燃用纯醇燃料的简便方案是在甲醇中加入一定量的着火改善剂二甲醚， 使其十六烷值达到3 3 以上。用二甲醚改善醇类燃料发动机起动性能的方法，通 常是首先将醇燃料改质，使醇燃料通过催化剂作用，在高温下生成二甲醚，然 后将其引入发动机，或将其喷入特殊设计的辅助燃烧室以形成着火源，前者称 为二甲醚自然吸入法，后者称为火炬点火法或t i c 法。如将一定量的液态二甲 醚与甲醇混溶，制成混合燃料后使用的方法，则称为混合燃料法。自然吸入法 的技术关键是如何使二甲醚的吸入量，适应发动机负荷变化的需要。研究表明， 在一定的负荷条件下，最佳二甲醚的吸入量等于保证该负荷下发动机能稳定运 转的二甲醚用量的下限值。二甲醚用量过大，会导致发动机等容燃烧度过低， 而过早着火还会增加燃烧的散热损失，从而引起发动机热效率的下降。若二甲 醚用量过少，着火性能往往会恶化，使燃烧出现不稳定，同样会使发动机的热 效率下降。通常情况下，二甲醚的添加率随发动机转速和负荷的增大而减少。 这主要与发动机燃烧室壁温有关，在高负荷和高转速工况下，燃烧室壁温较高， 从而有利于燃料的着火和稳定燃烧。t i c 法是二甲醚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n - - 甲醚 在压缩行程中的扩散，以使少量的二甲醚混合气先行着火，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 佳二甲醚添加率可减少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 和末燃h c 的排放量大幅度降低， 而n 0 x 排放量略有增加。i i c 法能有效促进自辅助燃烧室流入主室的二甲醚的 扩散混合和燃烧过程。影响t i c 法的因素有：辅助燃烧室的容积、安装位置、 几何形状以及控制二甲醚的电磁阀的开启定时等。对混合燃料法目前有一定研 究但是效果不是很理想。 1 3 2 在柴油机上燃用二甲醚的研究现状 九十年代以来，各大内燃机公司以及研究所进行了在柴油机上直接燃用纯 二甲醚以及与其它燃料的混合燃料实验研究，取得令人满意的结果。血【l a m o c o 公司、h a l d o r t o p s o e a s 公司、n a v s t a r 公司和a v l 公司等在柴油机上直接燃用 6 西华大学硕士学位论文 纯二甲醚的研究。n a v s t a r 公司，在n a v s t a r 8 缸7 - 3 升柴油机上燃用二甲醚燃料显 示，发动机氮氧化物、微粒、一氧化碳、非甲烷碳氢和醛类有害排放全面满足 了世界上最严格的美国加州中型车超低排放量( u l e v ) 标准( 见表卜5 ) ；a v l 公司 在l e a d e r 4 缸2 升轿车柴油机进行了燃用二甲醚燃料的实验，同样发现二甲醚燃 料发动机达到了加州小型乘用车超低排放量( u l e v ) 标准( 见表卜6 ) 【3 】。在全负荷 范围内d m e 的消耗率大致与用柴油的消耗率相当，噪声比用柴油低1 0 d b ( n ) ，嗓 声水平接近汽油机。 表l 一5 二甲醚燃料满足加i 1 中型车超低排放指标 排放物g h p hu l e v 标准d m e 测定值 c 07 23 2 n o x 及非甲烷烃2 52 4 非甲烷烃1 3 0 2 l 颗粒状物0 0 50 0 3 3 甲醛0 0 2 50 0 2 2 表1 - 6 二甲醚燃料满足加州小型乘用车超低排放指标 排放物g h e hu l e v 标准d m e 测定值 c 01 70 6 排气催化 c h 0 0 4o 0 4 排气催化 n 0 xo _ 2o 2 颗粒状物0 0 4 o 日本广岛大学、茨木大学对二甲醚的喷雾特性及在柴油机上的燃烧特性进 行了研究，发现与纯柴油相比，二甲醚喷束的喷雾锥角大，贯穿距离短。目本 n k k 公司在一台由3 6 l 柴油机稍加改装后的发动机上燃用二甲醚，实验表明 碳烟排量几乎为零，与柴油机相比，n o x 排放量约下降了2 5 ，发动机在启动、 加速、停机时的响应与柴油机一样快。在日本工贸部、交通部的a c e 计划的支 西华大学碘士学位论文 持下，h i n o 发动机公司正进行二甲醚汽车发动机的开发工作【1 5 l 。 自1 9 9 6 年以来，国际能源署( 1 e a ) 每年都要在欧洲主持召开一次二甲醚 专题讨论会，并于1 9 9 7 年l o 月正式启动一项旨在推动二甲醚应用研究和新技 术开发，促进i e a 北美和欧洲成员国之间全面合作和交流的行动计划。国际能 源署( i b a ) 正在制订代用燃料汽车的有关二甲醚的燃料规格、安全标准与环境 评价等事项婵1 。 在国内，在汽车应用二甲醚的研究主要集中在上海交通大学、西安交通大 学、华中科技大学、天津大学等著名学府。西安交通大学在f o r d 基金的资助下， 进行了二甲醚喷雾特性和在柴油机上燃用二甲醚的实验研究，得出了二甲醚雾 化特性比柴油好、n o x 与烟度排放比柴油机少的结果【16 】，【1 7 i ，【1 8 l 。天津大学在国 家自然科学基金的资助下，对二甲醚喷雾混合特性和在柴油机上燃用二甲醚的 实验研究结果表明：二甲醚滞燃期、燃烧持续期比柴油短、喷雾锥角大贯穿距 小、混合质量比柴油好【1 9 】。目前从国内外的研究现状看主要的研究方向以及发 展方向如下： ( 1 ) 深入研究二甲醚发动机的喷射系统和燃烧系统，对二甲醚的供油、喷 射雾化、混合气形成进行优化，对新燃烧方式的探索，开展对二甲醚的着火过 程、放热模型、燃烧模型以及二甲醚的化学动力学模型等研究。 ( 2 ) 结合当前柴油机电控系统研究，开展适合于二甲醚的电子控制燃油供 给系统，二甲醚发动机电控装置以及传感器，优化发动机的控制策略，优化发 动机性能，进一步降低发动机有害排放物。 ( 3 ) 将二甲醚作为柴油机的替代燃料，进行应用推广性研究，包括二甲醚 的储存、运输和使用中的安全问题。建立健全二甲醚使用过程中各中间环节的 操作技术规范、注意事项，以及事故的防范措施和应急处理方法等。 ( 4 ) 充分发挥政府职能部门的领导、协调作用，制定优惠的政策，促进二 甲醚的应用推广。 1 4 内燃机燃烧模拟技术1 2 0 】，1 2 1 l ，1 2 2 l 内燃机燃烧模拟的主要任务是通过对内燃机进气、燃油雾化及着火、燃烧、 排气等工作过程进行计算机仿真，将这些短暂得难以看清和定量分析的动态过 西华大学硕士学位论文 程尽可能准确地展现出来，用数学模型对其进行定量地描述，为深入研究其内 在机理提供有效的手段和方法。内燃机模拟技术研究作为试验研究的辅助手段 已广泛运用于发动机研究过程中。 f i g 1 - lc o m b u s t i o nm o d e lc o n t a c tw i t ho t h e rf u n c t i o no f c i r c l em o d e l 图1 1 燃烧模型与循环模型中其它功能的衔接 概括起来，燃烧模型之所以得到迅速发展，有以下三点： 1 ) 由于模型比较客观实际更容易掌握和控制，从中可以得到一些实验难于 或不能测得的结果，有利于更全面、更深入地认识燃烧物理化学过程的规律和 细节。通过假设模型验证改善模型进一步验证，深化人们对 燃烧机理的理性认识。 2 ) 利用模型进行参数分析，可以揭示发动机性能随运转和结构参数变化的 规律，有助于识别出对燃烧起关键作用的因素，从而指导更合理和经济地安排 试验工作，以减少试验的盲目性。 3 ) 由于模型能在广泛的参数变化范围内进行预测，所以可用于实际燃烧装 置研制前的方案比较。在模型足够精确时，可进行参数优先和优化设计，缩短 研制周期，提高研制水平。 燃烧模型是柴油机循环模拟中极重要的一环，它联系着喷油规律和放热规 律。研究燃烧模型可以扩大循环模拟的功能及其应用范围( 参见图1 1 ) ，也可 以加深对燃烧基本过程的认识。 对柴油机燃烧的全面模拟一般需要7 个子模型，即喷雾混合子模型、蒸发 两华大学硕士学位论文 子模型、着火延迟子模型、传热子模型、放热子模型、热力学子模型和排放污 染物生成的化学动力学子模型。这些子模型相互制约和影响，并将设计运行参 数和性能指标、污染物排放指标联系起来，构成个完整的燃烧模型。 1 4 1 内燃机燃烧模型的分类 排放预测和性能预测是内燃机燃烧模型的主要内容。燃烧模型分为确定性 模型和随机模型两大类。确定性模型是根据力学定律和有经验确定的已知关系 式来描述燃烧过程的模型其整个过程所涉及的各参数之间的关系都是唯一确 定的。随机模型过程中所涉及的各个参数之间的关系具有某种不确定性。 目前，内燃机的燃烧模型主要有三类：零维燃烧模型、准维燃烧模型、多 维燃烧模型。 1 零维模型 零维模型就是假定气缸内工质均匀分布，各种热力学参数和热物性参数处 处相等，即随时处于热力学平衡状态，因此零维模型又叫做热力学模型。零维 模型主要用于根据已知的示功图计算放热规律或用经验的放热规律预测示功图 两方面，但它无法描述喷雾、油滴蒸发、混合、卷吸及工质运动等重要物理过 程以及非均匀温度场对有害排放产物的影响，因而不能用于有害废气浓度预测。 2 准维模型 在准维模型中，则考虑了缸内的非均匀性，根据缸内燃油空气非均匀分布 的经验关系式而把燃油喷注划分成若干个小区域，每个小区域即是一个独立的 热力学系统。同时也考虑了有关区域中进行的过程都受到气缸内紊流的影响。 整个模型是由柴油机中概念化了的单个过程如喷油、喷雾破碎、混合气形成、 放热、传热以及排放物的生成等组成，而n o x 的生成大多采用z e l d o v i c h 或扩 展的z e l d o v i c h 机理计算。 3 多维模型 在多维模型中，在遵循质量、动量和能量守恒的基础上，进一步考虑燃烧 室中工质成分、温度及流动等三维结构，通过求解支配燃烧现象的物理、化学 过程的基本微分方程，可以确定工质的流动特性、湿度及燃烧产物浓度等参数 的空间分布，具体地讲是在燃烧室中划出很细的二维或三维网络，用数值方法 对组互相藕合的微分控制方程进行求解，在解得缸内温度场分布的基础上用 西华大学硕士学位论文 z e l d o v i c h 或扩展的z e l d o v i c h 机理计算n o x 排放。 1 4 2 内燃机燃烧模拟技术的发展 随着计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，c f d ) 的发展，内燃 机工作过程的数值模拟已经成为分析和研究工作过程的一个重要工具。燃烧模 型的不断发展给内燃机燃烧研究和设计注入了新的活力，全面合理地解释了研 究实践中发现的一些现象，使传统设计方法正逐步走向电子计算机系统优化设 计。零维模型和准维模型的实用性使它己渗透到内燃机设计和研究领域中，成 为一种研究手段和工具。近年来，随着内燃机技术的发展，国外已经开发了许 多燃烧模拟的专业软件，其中包括美国s a n d i a 国家实验室的研究室开发的化学 动力学分析软件c h e m k i n 软件包：用于计算各种内燃机燃烧过程的多维大型 通用程序k i v a 程序；以及一些内燃机燃烧分析的专用软件f i r e 、s t a r c d 等。目前，这些软件已经广泛应用于内燃机的研制开发当中。 1 5 本课题研究的背景、目的及内容 1 5 1 本课题研究的背景、目的 随着国民经济的发展和社会的进步，汽车的使用量不断增长，导致汽车燃 料供需矛盾以及汽车排放污染物对生态环境危害的加剧。同时人民生活水平和 环境意识逐渐提高，人类对能源的需求日益增长，特别对清洁燃料的需求会更 为迫切。据权威机构预测：未来四十年，世界石油将消耗殆尽；而我国将在未 来二十年耗尽这一资源。石油不足己经严重威胁我国能源安全及经济发展。鉴 于我国的煤炭资源丰富、油气资源相当有限，如何合理利用我国的能源资源， 尤其是煤炭资源，寻找新型的清洁能源载体已经迫在眉睫。结合本课题的来源， 鉴于四川省是中国的贫油大省，而在四川一个生产二甲醚的基地正在四川泸州 形成，一个日产3 4 0 吨、年产量1 0 万吨、年产值1 0 亿元的大型二甲醚生产线 正投入运营当中。在汽车上推广应用二甲醚，能合理利用四川i 地方企业的生产 资源，推动地方经济的发展，为四川经济持续发展开拓能源之路。 1 5 2 本文研究的主要内容 本文的主要工作是从数值模拟的角度研究直喷式柴油机燃用二甲醚的燃烧 耍兰奎兰堡主堂垡鲨兰 特性。在结合实验研究基础上，根据二甲醚的工质特性和二甲醚发动机的工作 特点，参照柴油机准维燃烧模型的研究成果，建立了二甲醚发动机的准维燃烧 模型，并利用实验数据对模型计算的结果进行验证。在此基础上，根据计算结 果分析二甲醚发动机的燃烧过程，并利用模型模拟二甲醚发动机在变参数下的 燃烧性能，从而为二甲醚发动机的优化提供方向性的建议。最后结合模拟结果， 对二甲醚低排放性能进行理论分析。整个研究内容具体从以下几方面入手： 1 、在分析二甲醚发动机工作特性的基础上，参考广安模型( 油滴蒸发燃烧 模型) 、林慰梓模型( 气相喷注燃烧模型) 以及国内一些准维燃烧模型的思想， 建立了一个包括喷雾及分区子模型、燃油蒸发子模型、小区卷吸子模型、小区 传热子模型、小区着火和燃烧子模型在内的二甲醚发动机准维多区燃烧模型， 并利用v b 编制计算程序，进行模拟分析； 2 、建立试验台架，通过试验来进一步验证和修正模型，使模型更趋于实际； 然后利用模型的计算结果，分析二甲醚发动机的燃烧过程； 3 、利用建立的模型，在通过改变喷油定时、喷油持续期以及发动机喷嘴型 式，模拟二甲醚发动机在改变参量下的燃烧性能，并在此基础上提出对二甲醚 发动机进行优化的措旌； 4 、结合模拟计算结果和二甲醚的物化性质，对二甲醚发动机低排放性能进 行理论分析。 2 西华大学硕士学位论文 第二章二甲醚燃烧模型 2 1 燃烧模型总体思想及分区2 0 1 1 1 3 5 i ，【5 9 l i1 6 4 1 柴油机准维燃烧模型的种类很多，其中以气相喷注燃烧模型、油滴蒸发燃 烧模型最具代表性。它们分别从不同的角度对实际的气、液两相流场进行了简 化。气相喷注燃烧模型在有限空间内，将燃油喷注作非定常气相喷射处理；而 油滴蒸发燃烧模型则以单液滴蒸发和燃烧为出发点。【2 2 】 本模型基于广安博之等提出的以雾束中油滴蒸发为基础，提出油滴蒸发燃 烧模型的思想，考虑在焰前准备中燃油液滴和燃油蒸汽两种状态存在，对油束 中的油滴蒸发进行计算，燃油的蒸发和卷入的空气是控制燃烧的主要因素。借 助于准均匀多区燃烧的概念，把每一个区域从燃油喷入直到燃烧终了形成燃烧 产物为止的整个燃烧过程，都认为是由着火阶段和燃烧阶段所组成。对各个区 域在着火阶段中的反应不进行详细计算，而统一包括在各个区的着火延迟期， 即着火阶段的持续期中考虑。 f i g 2 1m o d e l sd i v i s i o n a ls k e t c hm a p 图2 - 1 模型分区示意图 燃烧室中区域的 划分是按照燃油喷入 气缸的时间确定，如 图2 一l 所示。从喷油 开始时刻起，第一个 时间步长内喷入气缸 总量保持不变，随着油束的扩展和空气的不断卷入， 的燃油与卷入的空气 形成区域1 ；在第二 个时间步长内喷入气 缸的燃油与空气形成 区域2 。每个区 域一旦形成，其燃油 使区域中的混合气逐渐稀 西华大学硕士学位论文 释，油束以外是空气区。模型中不考虑各个小区之间的相互干涉，认为各个小 区发生着完全相同的过程，整个气缸内的燃烧过程由各小区算术叠加得到。 假设燃烧室内的压力是均匀的，工质是由理想气体组成的混合物，每个区 域中混合物的特性参数是一致的。 速度呈线性关系。通过求出卷 入每个区域的瞬时空气量，可 知燃烧室中燃油一空气的时 间、空间分布。 对每个区域进行着火延 迟期的计算。区域是否燃烧， 由该区的着火延迟期所控制， 它既概括了区域从形成开始 到燃油分裂、油滴形成、雾化、 蒸发和混合的一系列过程。着 火后燃烧的燃油量是受空气 卷入率或燃油蒸发率控制。 模型的计算从压缩始点 开始，并一直计算到排气门打 开时结束。整个过程经历了压 缩、燃烧和膨胀三个阶段。 每个区域的平均速度与相应中心线处的射流 2 2 压缩、膨胀期数学模型1 3 6 i 进气弧7 钔 f i g 2 - 2c o m p r e s s i o nd i a g r a m 图2 - 2 压缩过程简图 从进气门关闭到喷油器开始喷油的这个过程为压缩阶段，此时进、排气门 均处于关闭状态。压缩的工质为纯空气。取气缸作为一个热力系统进行研究， 系统边界由活塞顶部、气缸盖底面以及气缸套内表面组成，忽略气门及活塞环 的漏气损失，则压缩期问无质量流过系统边界，缸内的工质质量保持不变，即： 加：常数，婴：0 d ( 2 - 1 ) 假设进气门关闭时，活塞位置处于下止点，气缸的压力p 。、温度互和体积k 已 4 西华大学硕士学位论文 知( 输入数据) ，由状态方程求出气缸中工质的总质量m ，即 。：盟 r 。互 如图2 所示，由能量守恒方程可知：