二甲醚发动机PCCI-DI燃烧的数值模拟（Ⅱ）

李 维，王 稳，黄勇成，汪 映

（1.西京学院 汽车学院，陕西 西安 710123;2.西安交通大学 能动学院，陕西 西安 710049）

二甲醚发动机PCCI-DI燃烧的数值模拟（Ⅱ）

李 维1，王 稳1，黄勇成2，汪 映2

（1.西京学院 汽车学院，陕西 西安 710123;2.西安交通大学 能动学院，陕西 西安 710049）

以WAVE破碎模型替代TAB液滴破碎模型，利用部分搅拌反应器燃烧模型结合详细化学反应机理对KIVAⅢ程序进行扩充修正后，对1台单缸二甲醚发动机PCCI-DI燃烧过程进行了三维数值模拟，计算结果能够准确反映DME的PCCI-DI燃烧过程的特点及缸内各组分浓度的变化情况。

二甲醚;数值模拟;KIVA-Ⅲ

采用在同一循环中使用预混进气和缸内直喷的复合燃烧（PCCI-DI）方式可缩短滞燃期，减少扩散燃烧部分的油量，降低最高燃烧温度与压力［1］。采用PCCI-DI燃烧方式在较宽广的转速和负荷下运行可保持二甲醚发动机的热效率并降低 NOx排放［2］。

由于二甲醚与柴油的理化性质差异较大，因此直接使用KIVA-Ⅲ来研究二甲醚的燃烧过程还存在一些问题。

笔者以WAVE破碎模型替代KIVA程序中的TAB液滴破碎模型，利用部分搅拌反应器（Partially Stirred Reactor，PaSR）燃烧模型结合详细化学反应机理并考虑湍流混合作用对燃烧速率的影响，在PC机上对二甲醚发动机PCCI-DI燃烧过程进行了三维数值模拟。

1 发动机结构参数、运转条件及网格划分

计算所用发动机结构参数和运转条件见表1。

表1 发动机结构参数和运转条件Table 1 Configurable parameters and operative conditions of the engine

PCCI燃烧过程由于DME喷雾，缸内可燃混合气分布并不均匀。为了准确模拟缸内的燃烧过程，计算时采用了三维计算模型，所用的空间网格的划分如图1。

2 计算的初始条件

计算从进气门关闭时［131.0（CA BTDC）］开始。气缸内空气质量由空气流量计测得。气缸内初始周向速度沿径向按贝塞尔函数型线分布，距离气缸中心线r处的周向速度w（r）具体计算公式如下:

图1 PCCI-DI计算网格Fig.1 Calculation girding of PCCI-DI

3 DME PCCI-DI发动机模拟结果

3.1 气缸压力和放热率的计算

图2和图3给出了转速n=1 800 r/min、过量空气系数2.4，进气引导量30.4 mg/cyc 时，PCCI-DI燃烧方式的气缸压力、放热率模拟计算结果与试验结果的比较［3］。从图中可以看出，采用的三维数值模型计算结果与实测值非常接近。

图2 气缸压力计算值与实测值的对比Fig.2 The comparison of predicted value and actual value for cylinder pressure

3.2 PCCI-DI燃烧过程缸内温度的计算

图4给出了数值模拟所得的PCCI-DI燃烧过程缸内温度的变化曲线。从图中可以看出，PCCI-DI燃烧过程缸内温度的变化情况和HCCI燃烧过程极为相似，同样具有两阶段放热的特点［3］。第1阶段放热从22℃BTDC开始到15℃A BTDC时结束，这一段是HCCI燃烧的低温放热阶段。随后进入NTC区，缸内温度几乎不变。第2阶段放热从12℃A BTDC开始，直到6℃A BTDC，这一段仍是HCCI燃烧方式，缸内温度上升较快。在6℃A BTDC时，DME喷入气缸，由于DME汽化吸收一部分热量，缸内温度的上升出现瞬间停顿。由于DME直接喷入高温的燃气之中，滞燃期极短，因而燃烧迅速，缸内温度仍有较快的上升，在上止点附近缸内温度达到最高［4］。随后，活塞开始下行，燃烧容积增大，缸内温度开始下降。

图3 放热规律计算值与实测值的对比Fig.3 The comparison of predicted value and actual value for heat release rate

图4 PCCI-DI发动机缸内温度Fig.4 Cylinder temperature of PCCI-DI engine

3.3 油束所在截面温度的变化历程

油束所在截面（45°）温度的变化历程见图5，可以形象地展现了PCCI-DI燃烧过程中油束所在截面（45°）温度的变化情况。

3.4 缸内各组分浓度的计算

图6给出的是三维数值模拟所得的DME PCCIDI发动机燃烧（包括DME喷雾）过程缸内主要组分摩尔分数变化情况。

DME PCCI-DI的燃烧过程仍然分两个阶段进行。第1阶段仍然低温放应，这一过程和HCCI燃烧的低温反应过程基本相同，主要是DME进行的脱氢反应、两次加氧反应、分子内部的异构化反应以及中间产物的裂解反应［5］。

图5 PCCI-DI发动机45°油束截面温度的变化历程Fig.5 Temperature changing course of 45 degree spray section for PCCI-DI engine

低温反应进行到一定程度后，缸内温度大于1 000 K，此时开始生成大量的自由基，经过一段时间后，各种自由基的摩尔百分数达到第1次峰值，这一阶段各种自由基的摩尔百分数峰值出现的时刻与HCCI燃烧过程的基本相同。主要原因是在PCCI-DI燃烧过程中，预混混合气浓度较小，因此低温反应阶段生成的各种自由基的摩尔百分数相应稍小，至于各种自由基的摩尔百分数峰值出现的时刻变化不大则是由于预混混合气浓度对脱氢反应、两次加氧反应、分子内部的异构化反应等反应速度的影响较小的缘故［6-7］。

图6 PCCI-DI发动机45°油束截面温度的变化历程Fig.6 Temperature changing course of 45 degree spray section for PCCI-DI engine

但PCCI-DI燃烧过程中CO2摩尔百分数的变化情况和HCCI燃烧过程略有不同，即在高温反应进行过程中，出现一段摩尔百分数变化较缓的短暂过程，这主要是由于DME喷雾造成的。在高温反应进行到一定程度时，较大量的DME由喷嘴喷入气缸，喷入的DME遇到较高温度的燃气后，迅速汽化，吸收较多热量，延缓了缸内温度的上升，同时也使得高温反应在很短时间内减慢，这一点正是PCCI-DI燃烧的主要特征，正因为如此，才可以起到控制高温反应速度从而控制HCCI燃烧速度的作用。其结果是:一方面使得最大放热峰值出现的时刻更为合理;另一方面又可以抑制缸内温度从而达到控制NOx排放的目的［8］。

此外，从图6（b）、图6（d）也可以看到，由于喷雾，缸内DME浓度再次增大，使得OH、H2O2的摩尔百分比浓度变化出现第2次峰值，第2次峰值要比第1次峰值高出许多，由于大量的OH根的加入，喷入缸内的DME的氧化速率迅速加快，形成一边喷雾，一边快速进行反应的燃烧过程。因此，虽然推迟了DME的喷入时刻，但由于高温反应的速度极快，高温放热峰值在上止点后附近出现，在一定程度抑制了爆燃发生，燃烧过程比HCCI过程更为合理，发动机的工作范围得以拓宽。

4 结论

1）以WAVE破碎模型替代KIVA程序中的TAB液滴破碎模型，利用部分搅拌反应器（Partially Stirred Reactor，PaSR）燃烧模型结合详细化学反应机理并考虑湍流混合作用对燃烧速率的影响，可对二甲醚发动机PCCI-DI燃烧过程进行三维数值模拟，模拟结果与实际较为相符;

2）DME的PCCI-DI燃烧过程与HCCI燃烧过程相比同样经历低温和高温反应2个阶段。第1阶段的低温放应过程和HCCI燃烧的低温反应过程基本相同。高温反应阶段由于DME的喷入有所延缓，从而达到了控制燃烧速度和最大放热时刻的目的，扩宽了HCCI燃烧的工作范围。

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Numerical Simulation of PCCI-DI Combustion Engine Fueled with DME（Ⅱ）

LI Wei1，WANG Wen1，HUANG Yong-cheng2，WANG Ying2
（1.Department of Automobile，Xijing College，Xi’an 710123，Shaanxi，China;
2.School of Energy ＆ Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，Shaanxi，China）

TAB breakage model is substituted by the WAVE broken model.PSR（Partially-Stirred-Reactor）combustion model with detailed chemical reaction mechanism is adopted in KIVA program，three dimensional numerical simulation of DME PCCI-DI combustion is carried out.The computation result can accurately reflect the characteristics of DME PCCI-DI combustion and various components density changing situations in the cylinder.

DME;numerical simulation;KIVA-Ⅲ

TK42

A

1674-0696（2011）06-1415-05

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.06.37

2011-05-24;

2011-06-17

陕西省教育厅专项科研计划项目（2010JK888）;国家自然科学基金资助项目（50706038）

李 维（1965-），男，陕西西安人，副教授，博士，主要从事汽车发动机代用清洁燃料方面的研究。E-mail:liwei6512@126.com。