二甲醚发动机实现预混等压燃烧模式的计算与分析

苏石川，张 旭，李 强，王 慧，王浩东

(1.江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏镇江212003)(2.镇江四洋柴油机制造有限公司，江苏镇江212003)(3.合肥熔安动力机械有限公司，安徽合肥230601)

一般直喷式内燃机采用空间雾化燃烧方式，其基本特征是混合气形成不均匀的扩散燃烧，因此废气排放指标较差，最大爆发压力高，工作较粗暴［1］.在进气状态相同、循环的最高压力和最高温度相同的条件下，定压加热理想循环的热效率最高［2］.基于这种理论提出的预混等压燃烧模式可有效地解决工作粗暴性与经济性及排放之间的矛盾［3］，其优点是以预混合燃烧代替扩散燃烧，消除黑烟与烟粒;以热预混合燃烧代替冷态预混合，消除白烟;既使压缩比提高，保持良好经济性，又使着火点不在上止点，以获得近似的等压燃烧，平稳柔和地工作［4］.随着石油等化石燃料的不断减少和排放法规的日益严格，人们不得不寻求新的柴油机燃料［5］.二甲醚(DME)因其良好的物理化学特性而受到青睐，国内外对DME燃料的燃烧过程进行了相关实验研究［6-9］，但对二甲醚发动机实现近似等压燃烧方面的研究甚少，文中提出了DME掺混LPG燃料燃烧以实现预混合近似等压燃烧，采用数值计算的方法为以后DME发动机提高效率提供有力依据.

1 理论方法与计算模型

内燃机在工作过程中，缸内流体进行着非常复杂的湍流运动，缸内流动的多维数值模拟即对可压缩粘性流体的N-S(Navies-Stokes)方程进行数值求解，一般采用质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程.针对缸内湍流动量方程中雷诺应力项和能量方程中湍流扩散项的特点，须引入湍流模型使控制方程组封闭，以便求解.通过专业软件STARCD对三维模拟对象进行网格划分，通过有限容积法对偏微分方程组进行离散，再应用SimplePiso算法对控制方程进行求解，最终实现整体收敛.经修正后的湍流模型为［10］:

通过STAR-CD对DME发动机掺混LPG燃料的燃烧过程进行数值计算和分析［11］，采用的湍流燃烧模型为 Magnussen的涡破碎模型(EBU)［12］.涡破碎模型的燃油燃烧速率为式中:RF为燃油燃烧速率;ρ为气体密度;k和ε分别是湍流动能和湍流扩散系数;mF为燃油质量;mO为氧气质量;sF和sO是化学反应方程式中燃油与氧前的系数;Aebu，Bebu为无量纲经验系数.湍流燃烧反应速率可以通过改变Aebu和Bebu来加以调整.

在STAR中采用液滴破碎模型，其中油滴的破碎可分为包破碎和剥离破碎两种情况.STAR-CD中采用临界韦伯数与表面张力系数来控制液滴的破碎过程.临界韦伯数越小，液滴越易破碎，表面张力系数越小破碎特征时间越短，破碎过程越快［13-14］.

文中控制湍流燃烧速率的经验系数Aebu和Bebu分别取为12和0.8，Reitz破碎模型中包破碎的临界韦伯数和表面张力系数分别取为4和3.142，Reitz破碎模型中剥离破碎的临界韦伯数和表面张力系数分别取为 0.5 和 10［15］.

文中计算所用发动机为某四缸艇用柴油机改造而成.使用平底气缸盖和偏心燃烧室，其主要结构参数如表1.

表1 二甲醚发动机主要结构参数Table 1 Fundamental structural parameters of the DME engine

由于实际燃烧室的凹坑中心线与气缸轴线不重合，为准确模拟其喷雾及燃烧工作过程，采用ES-ICE这一内燃机运动网格专用生成工具来建立喷雾燃烧系统的整个缸体三维模型.

2 模型计算结果

为了验证模型的可靠性，图1是标定转速下掺混不同比例LPG燃料燃烧时缸内压力(P)和放热率(R)的试验结果与模拟结果的比较(两者掺混比例有所不同).其中试验数据是参考文献［16］在一台六缸四冲程柴油机上进行试验所得的数据.文中所模拟机型与该试验所用机型主要参数相似，包括压缩比、冲程数、燃烧方式等相同.由图可知，计算模拟中掺混LPG燃料后对DME发动机燃烧特性的影响与试验结果基本吻合.虽因部分参数设置略有差异使得缸内最大爆发压力与放热率峰值的具体数值和对应的时刻有所不同外，其燃烧特性的影响趋势基本一致.总体来说，模拟所选的计算模型与试验基本符合，结果合理.

图1 试验与模拟条件下不同含量的LPG对缸内压力和燃烧放热率影响的比较Fig.1 Comparison of effect of different content of LPG on cylinder pressure and heat release rate between experimental and simulation conditions

由图1b)的缸内压力曲线可看出，在标定工况下，随着LPG燃料含量的增加，对应的缸内最大爆发压力略有增加，同时也推迟了着火时刻.同时由于随着LPG燃料的加入导致在着火前缸内的可燃预混气增加，更多的预混合气开始着火燃烧，使得缸内压力上升率也略有增加.由图1b)的放热率曲线可知:与纯DME燃料燃烧相比，随着LPG燃料含量的增加，燃烧放热率峰值都有显著的增大，同时使初始放热和放热率峰值所对应的曲轴转角向后延迟.对于纯DME燃料燃烧，由图可知其放热率的变化趋势由预混可燃气燃烧所代表的预混燃烧和后来的扩散燃烧两部分组成.同时纯DME燃料在上止点前就已开始燃烧，这就导致主机压缩时要克服更大的阻力而使负功增加，影响了发动机的动力性能.掺混LPG燃料后对放热率有两大重要影响:①随着LPG含量的增加，扩散燃烧部分减少，预混燃烧部分显著增加;②随着LPG含量的增加，着火时刻逐渐由纯DME时的上止点前推迟至上止点附近，这使得负功减少，整个放热规律近似趋近于等腰三角形.

3 预混合等压燃烧的模拟

图2为不同含量的LPG对发动机燃烧持续期及着火时刻影响的数值模拟情况.

图2 不同含量的LPG对燃烧持续期及着火时刻的影响Fig.2 Effect of different content of LPG on combustion duration and ignition time

图2上部曲线表示燃烧持续期(当累计放热率位于5%～95%之间时的曲轴转角).由图可看出:燃烧持续期随着LPG掺混量的增加而逐渐缩短.LPG掺混量为零时即纯DME发动机的燃烧持续期为 34.7°CA，掺混 10%，20%，30%LPG 时分别为31.7°CA，29°CA 和27.9°CA，与纯 DME 相比燃烧持续期分别缩短了 3.0°CA，5.7°CA 和 6.8°CA.这是由于LPG的热值比DME高，随着LPG掺混量的增加，混合燃料的低热值增加，使得达到缸内相同的平均有效压力时燃料消耗量减少，等同于提高了燃料喷射速率;同时可燃预混气和着火延迟也会增加，使得燃烧速率增大.

由图2的下部曲线不难看出:在等热值条件下，随着LPG含量的增加，着火时刻会向后延迟.纯DME燃烧时着火时刻为356.1°CA，而掺混10%，20%，30%LPG燃料时着火时刻分别为357.6°CA、359.3°CA 和360.5°CA，分别推迟了1.5°CA、3.2°CA和4.4°CA.这是因为随着混合燃料中LPG含量的增加，燃料的十六烷值降低，着火性能变差;同时LPG燃料具有较大的蒸发潜热，使得缸内温度相对降低和滞燃期延长.

参照文献［16］，模拟选取30%LPG这一比例来作为扩大预混燃烧范围的措施，同时通过进一步增大喷油孔直径、提高喷油速度的方式来缩短喷油持续期，使燃料在滞燃期内喷入气缸并形成预混合气.表2为采取上述综合措施后的预混合燃烧与纯DME常规燃烧的比较.

表2 纯DME常规燃烧与预混合燃烧的措施对比Table 2 Comparison between classical combustion of pure DME and premixed combustion

图3 纯DME常规燃烧和预混合燃烧的缸内压力及放热率对比Fig.3 Comparison of cylinder pressure and heat release rate between classical combustion of pure DME and premixed combustion

图3为采取多种措施后，DME发动机在不同工况下纯DME常规燃烧与预混燃烧各自压力及放热率之间的对比.

由图可知，采取综合措施后，随着负荷的增加，预混合燃烧的最高燃烧压力比纯DME常规燃烧的压力有少许提高.

由常规燃烧特性曲线可知:在负荷较小时，喷入气缸的燃油少，导致燃油喷射期较短，在燃烧前大部分的二甲醚就已喷入气缸，此时的燃烧放热规律近似于预混合燃烧.然而随着负荷的进一步增加，喷入缸内的燃料会迅速增加，这会产生两种不利后果:①喷油量的增加导致燃烧开始时形成的可燃预混合气大幅减少，此时燃烧规律分为比例不断下降的预混合燃烧和比例不断增大的扩散燃烧2个部分;②随着喷油量的增加，纯DME常规燃烧的着火始点会逐渐前移，这就导致其滞燃期逐渐缩短，同时上止点前的负功增加，严重影响了发动机的工作效率.

由燃烧特性曲线可看出，对于采取综合措施后的预混合燃烧，燃烧基本发生在上止点附近，最高燃烧压力与常规燃烧相比并无多大变化.同时由于初始条件相同，且根据等热值原理换算了每循环的喷油量，换算后的循环放热量相等，这些符合内燃机实现等压燃烧热效率达到最高时所需的前提条件.在放热率图上也可看出，采取综合措施后，开始时燃烧放热部分比较平缓，随之放热速率愈加剧烈，对应的放热峰值也大幅度增加，在全负荷工况下纯DME常规燃烧放热率峰值为2.288×106J/s，而预混合燃烧在相应工况时其放热率峰值上升到3.257 ×106J/s，提高了 42.35%;同时放热比较集中(10°CA左右)，放热率规律曲线呈现近似“等腰三角形”的单峰曲线，而根据预混合近似等压燃烧理论亦即预混近似等腰三角形燃烧理论［17］的特点:当采取措施延长滞燃期、推迟着火时刻至上止点附近、缩短燃烧持续期时，能使在滞燃期内更多更容易地形成可燃预混合气体，于上止点开始燃烧时热效率更高，同时燃烧放热集中迅速、改善了经济性，有效地解决了发动机工作粗暴、经济性及排放之间的矛盾.因此，通过结果分析可知，掺混适量(30%)LPG燃料后实现了二甲醚发动机以预混合等压燃烧为主的近似等压燃烧模式.

4 结论

1)基于STAR-CD分析软件，根据发动机主要结构参数建立了燃烧室的几何模型，并划分动态网格，建立了缸内工作过程的物理和数学模型.

2)模拟计算结果显示，随着混合燃料中LPG含量的增加燃烧持续期逐渐缩短，着火时刻向后推迟，燃烧放热率峰值明显增大，滞燃期延长.

3)将纯DME常规燃烧和预混合燃烧进行比较可得出:随着喷油量的增加，常规燃烧规律分为比例不断下降的预混合燃烧和比例不断增大的扩散燃烧2个部分，且着火始点会逐渐前移，滞燃期缩短;而采取综合措施后的预混合燃烧其燃烧特性呈现以预混合等压燃烧为主的特性，放热率规律曲线呈现近似“等腰三角形”的单峰曲线，基本实现了发动机预混合等压燃烧模式.

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