（光学工程专业论文）二甲醚发动机hcci燃烧与排放研究.pdf

e ： ： 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：俺v 日期：户t 。6 7 指导教师签名：差葵和琶l 日期跏【o b 矿 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：；邕趴 日期： 加一参夕 指导教师签名：，鸯罗龇 日期2 刀c d 白y 西华大学硕士学位论文 摘要 随着2 1 世纪第一个十年的渐行渐远，能源危机与环境污染这两大难题正在步步紧 逼。内燃机作为耗能和排污的重要因素，必须在燃料与燃烧方式方面做出改进才能适应 社会的发展。二甲醚( d m e ) 的十六烷值高、沸点低且来源广泛，被认为是柴油机理想 的代用燃料。均质充量压缩燃烧( h c c i ) 结合了传统点燃式和压燃式内燃机的特点， 能够实现稀薄燃烧，具有低碳氢( h c ) 和低氮氧化物( n o x ) 排放等优点。 本文通过分析d m e 燃烧的主要反应历程，以及利用化学动力学软件c h e m k i n 对 各基元反应进行温度敏感性分析，构建了一个简化化学动力学机理，该简化反应机理涉 及3 1 种组分、4 9 个基元反应，包括低温阶段和负温度系数( n t c ) 区子机理、甲酸生 成与消耗子机理以及高温阶段子机理。通过对简化机理和详细机理条件下h c c i 燃烧模 拟计算结果的比较分析，验证了本文所构建之简化机理的准确性。同时本文以z s l l 0 0 柴油机为原型，使用计算流体力学软件f l u e n t 建立了燃烧室二维c f d 模型，通过选 用适当子模型及耦合己构建的简化机理，并且采用并行计算的方法对d m eh c c i 燃烧 进行了仿真计算。 本文以模拟计算的方式，研究了d m eh c c i 燃烧的特性，研究内容及结论如下： 1 分析了燃烧各个阶段缸内温度、压力、基元组分的变化情况。研究表明，当混合 气温度达到7 5 0 k 8 0 0 k 时低温反应开始，低温燃烧在余隙容积及燃烧室凹坑中心区率先 进行，此时二次加氧反应剧烈；在n t c 区c h 2 0 大量生成，燃烧放热率降低，温度上 升缓慢；当温度高于1 0 0 0 k 时高温燃烧开始，此阶段主要由蓝焰反应和热焰反应组成， 并释放出大量热量。 2 分析了进气温度、燃空当量比、压缩比、c 0 2 对燃烧和排放的影响。研究表明， 提高进气温度，低温燃烧、高温燃烧始点均提前，最高温度上升，最高压力先增大后减 小，总h c 、c o 排放量下降，n o 排放量上升；增大燃空当量比，压力和温度均上升， 高温燃烧始点提前，h c 和c o 排放降低，n o 排放增加；在保证正常燃烧的前提下，增 大压缩比，燃烧始点、峰值压力、温度对应点均提前；进气中掺入c 0 2 后，着火延迟， 缸内压力、温度下降。 3 分析了燃烧重要中间产物及污染物的反应历程。研究表明，c h 2 0 、c o 、o h 等 是燃烧过程中重要的自由基；燃烧主要的污染物为甲酸、二甲醚、甲醛和一氧化碳；d m e h c c i 燃烧n o 排放量很小。 关键词：二甲醚( d m e ) ；均质充量压缩燃烧( h c c i ) ；敏感性分析；c h e m k i n ；f l u e n t 二甲醚发动机h c c i 燃烧与排放研究 a b s t r a c t a st h ef i r s td e c a d eo ft h e21s tc e n t u r yp a s s i n ga w a yt h et w op r o b l e m s ，c r i s i so fr e s o u r c e a n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o n ，a r ea p p r o a c h i n gg r a d u a l l y i no r d e rt ok e e p p a c ew i t ht h es o c i e t y d e v e l o p m e n t t h ei n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ew h i c hi sa i m p o r t a n tf a c t o ro f r e s o u r c ec o n s u m i n g a n dp o l l u t a n tr e l e a s i n gw i l lh a v et oi m p r o v et h ef u e ls i t u a t i o na n dc o m b u s t i o n m o d e d i m e t h y le t h e r ( d m e ) i sr e g a r d e da st h ei d e a ls u b s t i t u t eo ft h ed i e s e le n g i n e b e c a u s eo f i t s h i 曲 c e t a n en u m b e r、l o wb o i l i n gp o i n ta n dw i d es o u r c e h o m o g e n e o u sc h a r g e c o m p r e s s i o ni g n i t i o n ( h c c l ) ，w h i c hc o m b i n e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fo r i g i n a ls p a r ki g n i t i o n e n g i n ea n dc o m p r e s s i o ni g n i t i o ne n g i n e ， c a nc o n d u c tl e a nb u r na n dh a st h ea d v a n t a g e so fl o w p o l l u t i o no fh ca n dn o x i nt h i sa r t i c l et h em a i nr e a c t i o np r o g r e s s e so fd m ec o m b u s t i o na r ea n a l y z e da n dt h e t e m p e r a t u r es e n s i t i v i t ya n a l y s i s e so fe v e r ye l e m e n t a r yr e a c t i o na r ei m p l e m e n t e db yu s i n gt h e c h e m i c a ll ( i n e t i cs o f t w a r ec h e k i n b a s e do nt h ea b o v ew o r kar e d u c e dc h e m i c a l m e c h a n i s mi sf i g u r e do u tw i t hi t sa c c u r a c yb e i n gv e r i f i e db yc e r t a i nm e t h o d 1 1 1 i sr e d u c e d m e c h a n i s mw h i c hc o n t a i n i n g31 s p e c i e sa n d4 9e l e m e n t a r yr e a c t i o n sc o n s i s t so ft h r e e s u b - m e c h a n i s m ：l o w t e m p e r a t u r e a n dn t c r e g i o n 、f o r m i c a c i df o r m a t i o na n d c o n s u m p t i o n 、h i g ht e m p e r a t u r er e g i o n a d d i t i o n a l l yt h e2 dc h a m b e rc f d m o d e li sb u i l t a c c o r d i n gt o z s110 0d i e s e le n g i n eb yu s i n gt h ec o m p u t a t i o nf l u i dd y n a m i cs o f t w a r e f l u e n t t h ed m eh c c ic o m b u s t i o ni sc o n c u r r e n t l yc o m p u t e dw i t hs e l e c t i n gs u i t a b l e s u b - m o d e la n dc o u p l i n gt h er e d u c e dm e c h a n i s m b yu s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dt 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 e h c c ia r e s t u d i e d n es t u d y i n gc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ee x h i b i t e da sf o l l o w s ： 1 1 1 1 ev a d d n gp r o c e s so fc y l i n d e rt e m p e r a t u r e 、p r e s s u r ea n dr a d i c a ls p e c i e sa r ea n a l y z e d t h es t u d yp r e s e n t st h a tt h el o wt e m p e r a t u r ec o m b u s t i o nb e g i n si nt h ec l e a r a n c ev o l u m ea n d c h a m b e rp i tw h e r et h et e m p e r a t u r er e a c h e st o7 5 0 kt o8 0 0 k , i nt h e s ea r e x t st h et w oo x y g e n a d d i t i o nr e a c t i o n sb e h a v i o r sf i e r c e l y ；i nt h en t cr e g i o nt h er a d i c a lc h 2 0i sg e n e r a t e d n u m e r o u s l y , t h eh e a tr e l e a s i n gr a t ed e c r e a s e sa n dt h et e m p e r a t u r eg r o w ss l o w l y , w h e nt h e t e m p e r a t u r er e a c h e sa b o v ei 0 0 0 kt h eh i 曲t e m p e r a t u r ec o m b u s t i o nw h i c h i n c l u d i n gb l u ef l a m e a n dh o tf l a m es t a r t sa n dr e l e a s e sg r e a td e a lo fh e a t 2 t h ei n f l u e n c e so ft h ei n t a k e c h a r g et e m p e r a t u r e 、 f u e la i r e q u i v a l e n c e r a t i o 、 c o m p r e s s i o nr a t i o 、 c 0 2t oc o m b u s t i o na n dp o l l u t i o na r es t u d i e d t h es t u d yp r e s e n t s t h a tr a i s i n gt h ei n t a k ec h a r g et e m p e r a t u r el e a d st ot h ea d v a n c eo ft h es t a r t i n gp o i n to fl o wa n d h i 曲t e m p e r a t u r ec o m b u s t i o n ，i n c r e a s eo ft o pt e m p e r a t u r e ，f i r s tu pa n dt h e nd o w no ft h et o p p r e s s u r e ，d e c r e a s eo f o v e r a l lh ca n dc oe m i s s i o na n dt h ei n c r e a s eo f n oe m i s s i o n ；r a i s i n gt h e i i 西华大学硕士学位论文 一 f u e la i re q u i v a l e n c er a t i ol e a d st ot h eg r o w t ho fp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e ，a d v a n c eo fh i g h t e m p e r a t u r ec o m b u s t i o ns t a r t i n gp o i n t ，d e c r e a s eo f h ea n dn oe m i s s i o na n dt h eg r o w t ho f n o e m i s s i o n ；u n d e rt h ec o n d i t i o no fn o r m a lc o m b u s t i o n ，r a i s i n gt h ec o m p r e s s i o nr a t i ol e a d st ot h e m v a n c eo fc o m b u s t i o ns t a r t i n gp o i n t 、t o pp r e s s u r ea n d t e m p e r a t u r ep o i n t ；w h e nc 0 2i sa d d e d t oi n t a k ec h a r g et h ec o m b u s t i o ni sd e l a y e da n dt h ep r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ei nc y l i n d e rg r o w s d o w n 3 t h ei m p o r t a n ti n t e r m e d i a t es p e c i e sa n dp o l l u t a n ta r ea n a l y z e d t h e s t u d yp r e s e n t st h a t c h 2 0 、c oa n do ha l ei m p o r t a n tr a d i c a le l e m e n t so ft h ec o m b u s t i o n ；t h em a i nc o m b u s t i o n p o l l u t a n t sa r ef o r m i ca c i d 、d m e 、f o r m a l d e h y d ea n dc a r b o nm o n o x i d e ；t h en oe m i s s i o no f d m eh c c ii sv e r y1 0 w k e yw o r d s ：d i m e t h y le t h e r ( d m e ) ；h o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ( h c c i ) ； s e n s i t i v i t ya n a l y s i s ；c h e m k i n ；f l u e n t m 二甲醚发动机h c c i 燃烧与排放研究 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1引言1 1 2 二甲醚的理化特性及在内燃机上的应用1 1 2 1 二甲醚的理化特性1 1 2 2 二甲醚在内燃机上的应用2 1 3h c c i 燃烧模式简介6 l - 3 1 h c c i 发展概述一6 1 3 2h c c i 的原理6 1 3 3h c c i 的优点7 1 3 4 h c c i 面临的挑战一8 1 4h c c i 数值模拟方法概述9 1 4 1 零维单区模型9 1 4 2 多区模型9 1 4 3 多维c f d 模型1 0 1 5 二甲醚h c c i 研究进展11 1 6 本论文主要研究内容12 2 二甲醚简化化学反应动力学研究13 2 1 h c c i 化学反应机理概述1 3 2 1 1 单步机理1 3 2 1 2 骨架机理1 3 2 1 3 详细机理1 3 2 1 4 简化机理1 4 2 2 简化化学反应动力学模型构建方法1 4 2 2 1 集总模型1 4 2 2 2 敏感度分析1 4 2 2 3 计算奇异值扰动法( c s p ) 1 5 2 2 4 准平衡法( p e ) 15 2 3 化学动力学软件c h e m n 简介1 5 西华大学硕士学位论文 2 3 1c h e m l ( 玳软件的组成结构1 5 2 3 2c h e m k i n 的求解过程1 6 2 3 3 数学模型1 7 2 3 4h c c i 燃烧模型1 9 2 3 5 敏感性分析2 2 2 4 二甲醚简化机理的构建2 3 2 4 1 简化机理的构建2 3 2 4 2 简化机理的验证：2 7 2 5n o x 生成机理分析3 0 2 6 本章小结。3 0 3 计算流体力学软件f i ，1 7 e n t 介绍及应用3 l 3 1f l u e n t 软件基本构成3 1 3 2f l l j e n t 适用的问题。3 1 3 3 控制方程_ 3 2 3 4 湍流模型3 3 3 4 1湍流模型分类3 4 3 4 2r n gk 占模型_ 3 4 3 5 组分输运与化学反应模型3 5 3 5 1容积反应3 6 3 5 2 涡耗散概念( e d c ) 模型3 6 3 5 3 耦合化学动力学机理一3 7 3 6n o x 生成模型3 8 3 6 1n o 生成机理3 8 3 6 2f i ，i 烈t 中n o 模拟策略，3 9 3 7 动网格简介3 9 3 7 1 动网格跟新方法3 9 3 7 2 i n c y l i n d e r 模型4 0 3 8 并行计算4 1 3 9 本章小结一4 1 4 简化机理与c f d 耦合计算结果分析4 2 4 1 二维c f d 模型的建立4 2 4 1 1 发动机物理模型及网格4 2 v 二甲醚发动机h c c i 燃烧与排放研究 4 1 2 初始条件及边界条件4 2 4 1 3 计算模型及计算策略4 4 4 2c f d 模型的验证4 4 4 3 二甲醚均质压缩燃烧过程研究4 6 4 3 1二甲醚h c c i 燃烧过程分析4 6 4 3 2 不同参数对二甲醚h c c i 的影响一5 6 4 4 二甲醚h c c i 中间产物及排放物分析6 2 4 4 1 重要中间产物反应历程6 3 4 4 2 未燃h c 和c o 排放6 5 4 4 3 n o x 排放6 7 4 5 本章小结一6 8 5 全文总结与展望6 9 参考文献一7 0 攻读硕士学位期间发表学术论文情况7 4 致谢7 5 v i 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1 引言 内燃机诞生一百多年来，以其热效率高、功率范围广、结构简单、比质量轻、移动 方便和适应性能好等优点，被广泛应用在工业、农业、交通运输业和国防建设事业中。 然而，随着世界经济的快速发展以及汽车保有量的不断增加，使得内燃机面临着来自能 源和环境两方面的巨大压力。 自1 9 7 3 年第一次石油危机爆发以来，世界各国逐渐意识到石油资源的有限性。进 入2 l 世纪国际市场原油价格上升迅速，2 0 0 8 年7 月甚至一度飞涨到1 4 7 美元每桶。石 油资源贮量逐年减少，除采用各种节能措施以更有效地利用现有能源外，寻找新能源则 是更为积极主动的摆脱困境的途径，因此如何开发和利用新能源，减少对石油资源的过 分依赖成为一项意义重大的课题。 另外，内燃机排放是城市大气环境的主要污染源，有害排放量约占6 0 以上。汽车 排出的氮氧化物( n o x ) 及未燃的碳氢化合物( h c ) 在太阳光照射下，经过复杂的化 学反应形成的烟雾，其中含臭氧、过氧酰基硝酸酯p a n 、醛类及酮类等有害物质。汽车 的排放物二氧化碳( c 0 2 ) 能阻挡由地面射向空间的红外辐射，导致地球表面温度逐步 升高即温室效应【lj 。 面对能源危机和环境污染，寻找能够降低石油依赖性的清洁代用燃料，开发新型有 效的内燃机燃烧方式已成为当前的研究热点，对于世界各国来说，这都是十分迫切的任 务，有着重要的理论和现实意义。 1 2 二甲醚的理化特性及在内燃机上的应用 1 2 1 二甲醚的理化特性 常温常压下，二甲醚( d i m e t h y le t h e r ，d m e ) 是一种无色、具有微弱的醚类芳香味 的气体，稳定性好，无腐蚀性和致癌性。二甲醚的理化性质与液化石油气( l p g ) 接近， 可将比较成熟的l p g 的存储和运输方式应用于二甲醚。二甲醚与柴油的理化性质列于 表1 1 。 与柴油相比，二甲醚具有如下的特点【i 3 】： ( 1 ) d m e 分子结构中只有c h 键和c o 键，不存在c c 键，使得d m e 容易分 解和进行氧化反应，同时d m e 分子中氧的含量高达3 4 8 ，燃烧时不容易产生碳炳。 ( 2 ) d m e 的十六烷值为5 5 6 0 ，高于柴油，其自然温度为2 3 5 ，与柴油相当。 二甲醚发动机h c c i 燃烧与排放研究 ( 3 ) d m e 在低温低压( 约为0 s m p a ) 下为液态，沸点为2 4 9 。c ，有利于形成可 燃混合气，从而缩短着火滞后期，有利于燃烧的进行。 ( 4 ) d m e 的低热值仅为柴油的6 6 8 ，d m e 液态密度只有柴油密度的7 8 5 ，为 了达到原柴油机的动力性，以体积计d m e 供给量约是柴油的1 9 倍。 ( 5 ) 二甲醚的液态粘度不及柴油的3 ，必须考虑高压油泵柱塞偶件和喷油器针阀 偶件的润滑问题以及燃料的泄漏问题。 ( 6 ) d m e 无毒，对金属无腐蚀作用，但橡胶件长时间处在d m e 作用下，会发生 变化，一些橡胶密封件会损坏。 ( 7 ) 在d m e 燃烧产物中，不会有多环芳香烃及苯等有害物质，未然d m e 不会产 生臭氧等有害物质。 表1 1 二甲醚与柴油的理化性质 t a b 1 1p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fd m ea n dd i e s e l 1 2 2 二甲醚在内燃机上的应用 迄今的研究表明，二甲醚能够解决柴油机碳烟和n o x 排放此消彼长的矛盾，同时 具有良好的动力性和燃油经济性。但是由于二甲醚自身的理化特性，使得二甲醚应用于 柴油机仍然需要解决一系列的技术问题，如二甲醚粘度低，润滑性较差，就必须对柴油 机原有的供油系统进行适当改进，以适应二甲醚的特定要求。 ( 1 ) 二甲醚柴油机供油系统 早期的柴油机改用二甲醚试验用的供油系统如图1 1 所示。为防止d m e 在油路中 气化发生气阻现象，整个供油系统处于加压的状态。d m e 钢瓶用不溶于d m e 的惰性气 体如氮气或氦气进行加压，压力保持在0 s m p a 以上。通过输油泵将d m e 送到高压喷 油泵，在高压泵入口处d m e 的压力大约为2 0 m p a 。喷油器回路中也保持一定的压力 使d m e 为液态，并将它导入供油泵的入口。为了获得较好的喷雾及混合气质量，在试 验中需要调节喷油器启喷压力。 2 西华大学硕士学位论文 一高压油路 图1 1 二甲醚发动机供油系统 f i g 1 1 f u e ls y s t e mo fd m ee n g i n e 丹麦大学的s o r e n s o n 等人【4 】在一台排量为0 2 7 3 l 非增压直喷式柴油机上进行了燃 用纯d m e 的试验研究。实验结果显示，当d m e 的喷嘴压力为8m p a 、而柴油为2 0m p a 时，燃用二甲醚和燃用柴油的效率相同，燃烧噪音比原机小，h c 和c o 排放两者相差 不多，但是d m e 的n o x 排放只有原机的1 4 ，且几乎是无烟燃烧。s o r e n s o n 等人在 后续的研究中发现，由于d m e 分子的可压缩性较大，容易引起泵一嘴之间油管的压力 波动，因此他认为常规的泵一管一嘴形式的喷射系统不适合d m e 。 a v l 公司的j a m e s 等人【5 j 对现有各种喷射系统作了全面分析，发现共轨式喷射系统 比较适合燃用d m e ，主要原因如下： 在常规系统中利用柱塞泵计量d m e 的喷油量非常困难，但共轨系统对d m e 分 子的高弹性不甚敏感； 喷油压力和喷油速率灵活可变，可根据发动机的转速、负荷灵活控制d m e 的喷 射以达到最佳运行效果； 所需的喷油压力不需要增压措施即可达到，已有的液压活塞泵经改造后即可用 于d m e ，降低了系统成本。 共轨系统的应用可在现有柴油机上进行改造后实现，避免了主要部件的改动。 基于以上的设想，j a m e s 等人提出了一套全新的喷射系统( 见图1 2 ) 。整个系统的 工作原理是：当共轨单元和喷油器之间的电磁阀受电控单元指令打开时，共轨中的高压 d m e 流向喷油器，节流孔受突然升高的油压作用，发生节流效应，d m e 不能经过节流 孔流回低压油路，喷油器打开喷油；当电磁阀关闭时，回油叉道中的压力下驿，d m e 二甲醚发动机h c c i 燃烧与排放研究 经节流孔流回低压油路，喷油器停止喷油。而且由于背压可调，这样在喷嘴压力一定时， 改变背压后喷油器初期喷油速率是可调的【6 1 。 图1 2 二甲醚电控共轨系统 f i g 1 2 e l e c t r i c a lc o m m o nr a i ls y s t e mo fd m ee n g i i l e ( 2 ) 二甲醚柴油机的燃烧特性 由于二甲醚特定的理化性质，d m e 离开喷嘴时将形成扩散面宽而短的喷雾，而且 很快蒸发形成气态，与柴油相比更容易实现稀混合气燃烧。d m e 的十六烷值高，自燃 温度低，喷雾又易汽化，故可燃混合气容易着火，燃烧滞燃期短，预混合阶段燃烧过程 较温和，发动机工作过程不会粗暴【7 j 。 s k a j i t a n i 等人【8 】在排量为0 6 3 8 l 单缸机上，分别用柴油与d m e 为燃料，在相同平 均有效压力下测得的放热率曲线如图1 3 所示。研究结果表明，d m e 的燃烧速度快于柴 油，如果喷油提前角由1 7 a 推迟到5 c a ，d m e 起始放热时刻并没有柴油推迟那么多， 说明d m e 容易着火，滞燃期短，整个燃烧持续期短。 华中科技大学陆艺红【9 】等人对d m e 发动机着火与燃烧过程进行了数值计算，计算 结果表明，由于d m e 的低热值只有柴油的6 6 8 ，且d m e 的理论空燃比为9 o ，远小 于柴油的1 4 6 ，为使燃用d m e 的发动机功率能达到原机水平，d m e 的循环喷油量应为 柴油的1 4 9 倍，此时发动机的指示功率可达燃用柴油时的9 9 7 。燃用d m e 时缸内的 压力升高率和最大爆发压力都比燃用柴油时低。同时，发动机燃烧放热率的对比计算也 表明，d m e 的最高燃烧放热率比柴油的小。这是由于d m e 的预混燃烧比例较小，其低 热值又较柴油低，致使其燃烧初裴的放热室较小，发动机的燃烧噪音也较低。然而，在 扩散燃烧阶段，d m e 的燃烧放热率总体来说比柴油的要高，因此按总热值计算的d m e 发动机的燃料经济性与燃用柴油时相当。 4 西华大学硕士学位论文 t 为 l p 印 瓷 螽4 0 整 0 曲1 001 0加3 04 05 0 曲轴转镪 图1 3 柴油与二甲醚的放热率曲线 f i g 1 3 h e a tr e l e a s er a t eo fd i e s e la n dd m e ( 3 ) 二甲醚柴油机的排放特性【i 】 对柴油机而言，降低n o x 及p m 的一些措施是矛盾的，往往需要采取折中的措施； 对d m e 而言，这一矛盾不存在，采用较低的喷油压力，既可以降低n o x ，也可以使pm 排放很低。 在h c 及c o 排放方面，一些研究报告认为，使用d m e 也可以使这些排放物比用 柴油时低，也有一些试验研究结果持不同的看法。丹麦工程技术大学的研究报告认为， d m e 发动机排放的挥发性有机成分( v o c ) 及c o 同柴油机是同一数量级的，但是d m e 发动机排放出的v o c 的成分( 大体上包括8 0 的d m e 、1 8 的甲烷以及少量的含c 的 碳氢化合物) 比柴油机排出的对环境的危害性低，d m e 在大气中的衰变周期短，并分解 成c o 及h 2 0 。在光化学反应过程中形成烟雾时，d m e 并不会产生甲醛，且d m e 发 动机直接排放出的甲醛排放物比柴油机低。有研究报告认为d m e 发动机的甲醛排放量 为1 0 0 1 3 0ug k g 燃料，而柴油机则为2 0 01 tg k g 燃料。而排量为7 3 l 的涡轮增压直 喷发动机使用d m e 时的醛排放物已达到超低排放车的水平。 由于n o x 的生成需要高温及富氧，而d m e 的汽化热高，滞燃期短，预混合的燃烧 量少，缸内温度水平及最高燃烧温度低，这皆不利于n o x 的生成。d m e 虽然含氧，但 是根据d m e 的化学动力学特征，d m e 释放出自由氧的机遇是很少的，d m e 含的氧对 n o x 生成的影响是微不足道的。 二甲醚发动机h c c i 燃烧与排放研究 1 3h c ci 燃烧模式简介 1 3 1h c c i 发展概述 均质充量压缩燃烧( h o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ，h c c i ) 指的是气态 燃料与空气在进气过程中已混合均匀，并在活塞行驶到压缩上止点附近时自燃着火的过 程。1 9 7 9 年，o n i s h i 【lo 】等人首次提出h c c i 燃烧的概念，他们在一台二冲程汽油机研究 中发现，从空载到中等负荷，转速从1 0 0 0 r m i n - - 3 0 0 0 r m i n 工况范围内不用点火装置点 燃就可以实现均质压燃平稳运行，并且可以显著降低排放和提高燃油经济性，以及降低 噪声和循环变动，称这种燃烧方式为“活化热氛围燃烧( a c t i v et h c r m o - a t m o s p h e r e c o m b u s t i o n ，a t a c ) 。随后y o i c h i 】和g e l l t i l i i l 2 】等研究了利用内部e g r 在二冲程 发动机上实现h c c i 的应用。1 9 8 3 年，n a j t 和f o s t e r t j 在w a u k e s h ac o o p e r a t i v ef u e l s r e s e a r c h ( c f r ) 机上用简单动力学模型计算了适当压缩比、高e g r 与发热率的关系。 1 9 8 9 年t h r i n g h 】用一台楔形燃烧室、压缩比8 ：1 、预混的l a b e c oc o o p e r a t i v el u b r i c a n t r e s e a r c h ( c l r ) 发动机上，测出了h c c i 发动机的运行性能。他指出h c c i 运行的局 限性，即点火控制问题和运行范围仅局限于部分负荷。2 0 世纪9 0 年代，a o y a m a b j ， m a s e r l 6 】研究了汽油和柴油h c c i 燃烧的控制方法，m a g n u s 】等人还对增压代用燃料 h c c i 的燃烧进行了研究。近年对于h c c i 燃烧模式的研究更多，如：研究多组分液体 燃料h c c i 燃烧；空燃比和进气温度对h c c i 燃烧的影响；用零维模型、多区模型、耦 合化学动力学c f d 模型预测h c c i 燃烧和排放；不同燃料h c c i 燃烧试验掣1 8 】。目前， h c c i 发动机技术已有了新进展。2 0 0 7 年上半年，通用汽车获得重大突破，已将第一辆 装配发动机的样车上试验跑道行驶。在国内，一些企业和科研院所如奇瑞汽车公司、天 津大学、上海交通大学也在从事这方面的研究。 1 3 2h c c i 的原理 h c c i 是一种全新的内燃机燃烧模式，它既不同于传统点燃式发动机火花点火、火 焰传播的燃烧方式，也不同于传统压燃式发动机非均质扩散燃烧的方式，而是将两者的 优点集合于一身。h c c i 进气方式与汽油机相似，燃料与空气在进气系统预混合然后进 入气缸，而其着火方式与柴油机相似，即可燃混合气在气缸内被压缩，自身温度上升并 最终着火燃烧。h c c i 燃烧过程完全受燃料自身的化学反应动力学控制，可燃混合气在 燃烧室内多点同时着火，燃烧迅速传遍整个燃烧室，几乎没有火焰传播过程，燃烧时间 很短，各循环燃烧的快慢蓬童差距不大，循环变动小【6 】。 6 西华大学硕士学位论文 1 3 3 h 0 0 l 的优点 ( 1 ) 高热效率 h c c i 通常具有很高的放热速率，见图1 4 【19 1 ，在特定的工况下近似于理想的o t t o 循环。同时由于h c c i 燃烧属于稀薄低温反应，没有高温区和发光火焰，所以发动机热 损失较小，因此h c c i 燃烧模式具有较高的热效率。有研究表明l ：0 1 ，在一定工况下，h c c i 燃烧热效率与柴油机相当。 ( 2 ) 低n o x 和碳烟( s o o t ) 排放 无论传统汽油机式的火花塞点火燃烧还是传统柴油机的扩散燃烧，燃烧室内温度场 分布都极不均匀，在局部高温富氧区域就会生成氮氧化物。h c c i 方式由于是预混合稀 薄燃烧，燃烧迅速且无火焰传播，温度较低温度场均匀，因此n o x 排放显著下降。研 究表明【2 0 h c c i 燃烧n o x 排放比传统柴油机燃烧最大可减少9 0 9 8 。 传统的柴油机采用扩散燃烧，化学反应速率远高于燃料和空气的混合与扩散速率， 燃烧快慢由混合扩散速率决定。在这种类型的燃烧中，混合气和温度分布都极不均匀， 扩散火焰内部高温缺氧区产生碳烟【19 1 。h c c i 方式可以大大降低s o o t 的排放，其机理目 前尚未得到证实，但普遍认为由于缺少扩散燃烧和局部富油区，所以降低了s o o t 的形 成【2 1 1 。 8 76 忑 o 皂 4 弋 导l 导 0 3 2 0 3 4 03 6 0 3 8 0 4 0 0 4 2 0 曲轴转角缈，。c a 图1 4 规范化放热率曲线 f i g 1 4n o r m a l i z e dh e a tr e l e a s er a t e ( 3 ) 较好的燃料适用性 h c c i 燃烧方式适用于各种燃料，如汽油、天然气、液化石油气( l p g ) 、乙醇等。 同时h c c i 还适用于多种燃料的混合燃烧，如二甲醚和甲醇【2 2 1 ，l p g 和二甲醚 2 3 】等。 二甲醚发动机h c c i 燃烧与排放研究 1 3 4h c c i 面临的挑战 ( 1 ) 着火时刻的控制 传统发动机由火花塞点火或者喷油器开始喷油来控制着火点，但h c c i 燃烧完全由 燃料自身的化学反应动力学控制，很难人为控制其着火时刻。从目前研究进展来看，主 要从以下方面来控制h c c i 燃烧始点：调节进气温度、压力；通过废气再循环( e g r ) 来 调节气缸内可燃混合物的温度和组成；调节发动机压缩比来改变混合气压缩终点的温 度；可变气门正时( v v t ) 改变缸内残余废气量以及往可燃混合气中加入惰性气体等。 ( 2 ) 运行工况的扩展 h c c i 运转时受到失火( 相应于过稀混合气) 和敲缸( 相应于过浓混合气) 的限制， 图1 5 示出使用两种燃料h c c i 发动机的试验结果，可以看见适宜的压缩比和空燃比的 范围都比较窄【2 4 】。 h c c i 燃烧由化学动力学主导，对温度最敏感，发动机冷启动时如混合气温度过低， 压缩终点