稀释气体对二甲醚着火延迟特性的影响

张红光 李佳政 石智成 高 翔

(1.北京工业大学环境与能源工程学院， 北京 100124； 2.北京电动车辆协同创新中心， 北京 100124)

稀释气体对二甲醚着火延迟特性的影响

张红光1,2李佳政1,2石智成1,2高 翔1,2

(1.北京工业大学环境与能源工程学院， 北京 100124； 2.北京电动车辆协同创新中心， 北京 100124)

在上止点压力1.5 MPa，上止点温度670～795 K，当量比为1的实验条件下，利用快速压缩机(RCM)研究了N2、N2/Ar(50%/50%)和Ar/CO2(61.2%/38.8%)稀释气体对二甲醚(DME)着火延迟期的影响。利用CHMKIN-PRO软件在较大温度范围内进行了模拟研究。结果表明：不同稀释气体组分对二甲醚混合气体第一阶段着火延迟期影响很小，但对总着火延迟期具有较大的影响，尤其在负温度系数(NTC)区间的起点温度附近。与N2相比，N2/Ar(50%/50%)使得实验中总着火延迟期缩短30%。稀释气体的化学效应对第一阶段着火延迟期和总着火延迟期的影响均很小。在低温区间和NTC区间，稀释气体的热效应起主导作用，而当上止点温度超过NTC区间时，CO2的化学效应影响增强且超过热效应而起到主导作用。随稀释率增加，DME混合气体第一阶段着火延迟期略有延长，而总着火延迟期出现明显延长，且总着火延迟期的NTC现象变得更加明显。

稀释气体； 二甲醚； 着火延迟期； 快速压缩机

引言

日益严重的环境问题使得人们更加重视内燃机的燃烧与污染排放。为了减少内燃机的有害排放，理解燃料燃烧时发生的化学反应是十分必要的。快速压缩机(RCM)能够模拟内燃机中活塞的单次压缩过程，且便于精准控制压缩过程中的各项热力学参数，从而成为研究燃料燃烧特性的理想实验平台[1]。在快速压缩机实验过程中，为达到不同的测试工况，常常通过调节稀释气体混合比例来实现。但是，由于不同稀释气体比热容比、热扩散率、导热性等的不同，相同燃料采用不同稀释气体所得实验结果有所差异。

针对稀释气体对快速压缩机中燃料燃烧过程的影响，已有学者展开相关研究[2-3]。目前已有研究主要针对单阶段着火或高温燃烧，而稀释气体对于具有两阶段着火及负温度系数(NTC)现象燃料燃烧影响的研究很少，近来只有DI等[4]通过实验和数值模拟研究了稀释气体热效应和化学效应对异辛烷和正庚烷两种燃料着火过程的影响。研究发现：不同稀释气体组分对正庚烷和异辛烷着火影响很大，尤其是在两级着火区间。低到中温范围内，二甲醚(DME)燃料通常具有明显的两阶段燃烧和NTC现象，而且，不同燃料对采用稀释气体种类的敏感性不同[5],稀释气体组分对二甲醚燃料燃烧过程的影响尚不清楚。基于此，本文利用RCM开展稀释气体组分对二甲醚着火延迟期影响的实验研究，并结合CHEMKIN-PRO软件进行模拟与化学动力学分析。

1 实验装置与参数定义

1.1 快速压缩机

使用的RCM参见文献[6]，主要由气压驱动系统、液压控制系统、燃烧系统、配气系统、数据采集系统组成。燃烧缸直径50 mm，驱动气压0.2～0.8 MPa，压缩比8.42～16.9。本文RCM的燃烧活塞采用文献[7-13]中的“creviced piston”，这种活塞设计可有效减小活塞运动过程中引起的涡流对燃烧室的影响，保证“绝热核心假设”的成立，从而精确地计算上止点温度Tc。Tc计算公式为

(1)

式中p0——混合气体的初始压力，MPaT0——初始温度，Kpc——上止点压力，MPaγ——混合气体的比热容比

图1为实验台架原理图。

图1 RCM实验台架原理图Fig.1 Schematic diagram of rapid compression machine (RCM) test bench1.同步信号发生器 2.高速摄影机 3.数据采集 4.加热保温系统 5.磁力预混罐 6.氮气 7.氧气 8.二甲醚 9.真空泵10.燃烧缸 11.液压缸 12.空气压缩机 13.储气缸 14.驱动气缸 15.位移传感器 16.限位垫片 17.液压控制站 18.余隙垫片 19.示波器 20.电荷放大器

1.2 着火延迟期定义

图2 着火延迟期的定义Fig.2 Definition of ignition delay

二甲醚混合气着火延迟期的定义如图2所示，定义时间0点为活塞到达上止点的时刻，从时间0点到燃烧压力变化率的第一个峰值定义为第一阶段着火延迟期，从燃烧压力变化率的第一个峰值到第二个峰值定义为第二阶段着火延迟期。从图中可以明显看出，二甲醚混合气体燃烧呈现出明显的两阶段放热和两阶段着火延迟，总着火延迟期τ=τ1+τ2。

1.3 实验条件及实验可重复性

稀释气体对着火过程的影响分为热效应(比热容)、化学效应(第三体碰撞)和稀释效应(燃料和O2浓度)。本文利用快速压缩机研究N2、N2/Ar(50%/50%)和Ar/CO2(61.2%/38.8%)稀释气体对二甲醚着火延迟期的影响。为了将稀释气体热效应和化学效应区分开研究，将Ar和CO2以61.2%/38.8%的摩尔比例混合，其比热容与N2基本相同。实验中气体纯度依次为：DME 99.5%、O299.999%、N299.999%、Ar 99.999%、CO299.999%。实验中上止点压力通过调节混合气体初始压力来控制，上止点温度通过调节压缩比和混合气体初始温度来控制，实验条件如表1所示。

实验过程中，缸内燃烧压力数据由kistler6125C型缸压传感器与kistler5011型电荷放大器进行采集，并用TektronixMS04000型示波器记录数据。每组实验条件根据情况重复3～5次，以保证实验数据的可靠性。本文中同一工况实验可重复性按着火延迟期相对误差Δα来评价[4]，经计算图3中着火延迟期相对误差Δα为2.5%，误差在可接受范围内，且从图中可以看出，DME混合气体压缩及燃烧曲线吻合较好，即基于本RCM的燃烧实验可重复性良好。

表1 实验条件

图3 实验可重复性Fig.3 Repeatability of experiment

2 数值模拟

利用CHEMKIN-PRO软件模拟二甲醚混合气在快速压缩机内燃烧时的物理及化学反应条件，模拟过程中采用ZHAO机理[14]，该机理包含55种组分和290步可逆基元反应，是国际上公认的、可靠的二甲醚燃烧详细机理，并在快速压缩机[15]、激波管[16]和流动反应器[17]等燃烧装置中得到验证。由于快速压缩机压缩过程非常快，若忽略压缩过程中的传热损失，则活塞到达上止点后近似为绝热定容反应，因此，本文反应模型采用0-D均质定容绝热反应器。

反应器初始参数设为实验中RCM压缩上止点的参数，利用MITTAL等[18]采用的“体积膨胀法”来模拟传热损失。在计算中将压力的变化以等熵假设转换为体积的变化。瞬时体积计算公式为

Veff(t)=Veff(0)vp(t) (t>0)

(2)

式中Veff(0)——活塞达到上止点时的燃烧室体积Veff(t)——活塞达到上止点后的瞬时体积vp(t)——体积膨胀系数

具体方法参见文献[19]。

3 结果与讨论

3.1 稀释气体的热效应与化学效应

图4为稀释气体组分对二甲醚第一阶段着火延迟期和总着火延迟期影响的实验与模拟结果。如图4所示，ZHAO机理能够较好地预测稀释气体组分对DME着火延迟期的影响，但是在较高上止点温度下，尤其对于第一阶段着火延迟期，计算值较实验值偏高。这主要是由于实验过程中采用加热的方法提高混合气体初始温度，而第一阶段着火延迟期较短，是因为在压缩过程中存在潜在的化学反应。

图4 稀释气体对二甲醚着火延迟期的影响Fig.4 Effects of diluent gas composition on ignition delays of DME

如图4所示，不同稀释气体组分下，二甲醚混合气体第一阶段着火延迟期基本相同，即稀释气体组分对二甲醚混合气体第一阶段着火延迟期影响很小。从图中还可以看出，二甲醚混合气体总着火延迟期呈现明显的NTC现象。在低温区间，稀释气体组分对二甲醚总着火延迟期的影响同样很小，但在NTC区间，稀释气体组分对总着火延迟期具有较大的影响，尤其在NTC区间的起点温度附近。与N2相比，N2/Ar(50%/50%)使得实验结果与模拟结果总着火延迟期分别缩短30%和15%。

图5为N2、N2/Ar(50%/50%)和Ar/CO2(61.2%/38.8%)作为稀释气体，上止点压力为1.5 MPa、上止点温度为700 K时压缩及燃烧过程的实验压力曲线。不同稀释气体组分下，二甲醚混合气体第一阶段着火延迟期基本相同，但是第一阶段着火后的压力和温度升高差异很大。第一阶段着火后的压力和温度升高由混合气体的累计放热量和比热容决定，而比热容起到主导作用。相同实验条件下，N2累计放热量更高[4]，但是Ar具有更小的比热容，从而第一阶段着火后压力和温度升高幅度更大。如图5所示，N2作为稀释气体时，第一阶段着火后压力升高0.32 MPa，对应温度升高223 K，而N2/Ar(50%/50%)为稀释气体时压力升高0.42 MPa, 对应温度升高 293 K。由于第二阶段着火延迟与第一阶段着火相耦合，第一阶段着火后压力和温度的升高直接影响第二阶段着火延迟，进而影响总的着火延迟期。与N2相比，N2/Ar(50%/50%)作为稀释气体时第一阶段着火后的压力、温度升高幅度更大，化学反应速率加快，第二阶段着火延迟期缩短，进而总着火延迟期缩短。在低温区间，第一阶段着火延迟期较长，而第二阶段着火延迟期较短，第一阶段着火后温度和压力升高对第二阶段着火延迟期影响很小，因此总着火延迟期基本相同。而在NTC区间，由于第二阶段着火延迟期较长，第一阶段着火后温度和压力升高对第二阶段着火延迟期影响增加，因此，与N2相比，N2/Ar(50%/50%)使得总着火延迟期出现明显缩短。

图5 稀释气体组分对二甲醚着火过程影响的实验结果Fig.5 Experiment results of effects of diluent gas composition on ignition process of DME

已有研究表明[15],对二甲醚着火延迟期和放热影响较大的2个三体碰撞反应为

表2为ZHAO机理中几种稀释气体在这2个反应中的三体碰撞系数，从表中可以看出，Ar/CO2(61.2%/38.8%)与N2作为稀释气体时三体碰撞系数差异很大，Ar/CO2(61.2%/38.8%)的三体碰撞系数在2个反应中分别为N2的2.09倍和1.87倍。而从图4中可以看出，Ar/CO2(61.2%/38.8%)作为稀释气体时，其第一阶段着火延迟期和总着火延迟期与N2几乎相同，说明在本文实验温度范围内由第三体碰撞反应引起的化学效应对二甲醚着火延迟期的影响很小。值得注意的是，模拟上止点温度高于830 K时总着火延迟期有所差异，即稀释气体的化学效应开始变得明显。

表2 三体反应碰撞系数

为进一步研究稀释气体对DME第一阶段着火延迟期和总着火延迟期的影响，将N2的比热容Cp设置为分别与Ar和CO2相同，在上止点温度800 K时进行数值模拟。热效应指数定义为Δτt,Ar(τmodifiedN2-τN2)和Δτt,CO2(τmodifiedN2-τN2)，化学效应指数定义为Δτc,Ar(τAr-τmodifiedN2)和Δτc,CO2(τCO2-τmodifiedN2)。如图6所示，稀释气体的热效应和化学效应对DME第一阶段着火延迟期影响均很小。Ar的热效应使得总着火延迟期缩短0.79 ms，而CO2的热效应使得总着火延迟期延长2.02 ms。这主要是由于不同稀释气体比热容的差异引起的，如与N2相比，CO2具有较高的比热容，第一阶段着火后压力和温度升高幅度较小，化学反应速率降低，第二阶段着火延迟期延长，从而总着火延迟期延长。从图中还可以看出，Ar的化学效应使得总着火延迟期延长0.14 ms，而CO2的化学效应使得总着火延迟期缩短0.28 ms。这主要是由于不同稀释气体三体碰撞系数的差异引起的，如与N2相比，CO2具有更高的三体碰撞系数(该系数是N2的3.8倍)，从而化学反应速率加快，着火延迟期缩短。

图6 热效应和化学效应对二甲醚着火延迟期影响Fig.6 Thermal and chemical effects on ignition delays of DME

为进一步研究不同温度工况下稀释气体对DME着火延迟期的影响，在650～1 000 K温度范围内进行模拟研究，并将结果进行归一化处理。归一化处理公式为

η=Δτ/τtotal

(3)

式中 Δτ——前文中提到的Δτt,Ar、Δτc,Ar、Δτt,CO2和Δτc,CO2

τtotal——Ar和CO2作为稀释气体时的总着火延迟期

如图7和图8所示，稀释气体的热效应和化学效应对第一阶段着火延迟期影响很小。从图7可以看出，随上止点温度增加，Ar的热效应和化学效应均呈现先增强后减小趋势，但是在整个温度区间，Ar的热效应对DME总着火延迟期的影响起主导作用。从图8可以看出，与Ar类似，在低温区间和NTC区间CO2的热效应起主导作用。但是，当上止点温度超过NTC区间时(大于930 K)，CO2的化学效应影响增强且超过热效应而起到主导作用，CO2作为稀释气体时的总着火延迟期小于N2。

图7 Ar的热效应和化学效应对二甲醚着火延迟期的影响Fig.7 Thermal and chemical effects of Ar on ignition delays of DME

图8 CO2的热效应和化学效应对二甲醚着火延迟期的影响Fig.8 Thermal and chemical effects of CO2 on ignition delays of DME

3.2 稀释气体的稀释效应

图9为N2稀释率对二甲醚第一阶段着火延迟期和总着火延迟期影响的实验与模拟结果。由图9可得，ZHAO机理能够较好地预测N2稀释率对DME着火延迟的影响，但是在较高上止点温度下，第一阶段着火延迟期计算值明显高于实验值。如图9所示，随着N2稀释率增加，第一阶段着火延迟期略有延长，但是总着火延迟期出现明显延长。

图9 N2稀释率对二甲醚着火延迟期的影响Fig.9 Effects of N2 dilution ratio on ignition delays of DME

图10所示为不同N2稀释率下DME第一阶段着火放热(用压力升高代表)的实验与模拟结果，模拟与实验结果趋势一致，实验值小于模拟值。如前文所述，第二阶段着火延迟与第一阶段着火相耦合，第一阶段着火产生的活性分子数量主导第二阶段着火过程。随N2稀释率增加，DME和O2浓度降低，第一阶段着火延迟期略有延长，但如图10所示，DME第一阶段着火放热明显降低，累计活性分子数量降低，从而第二阶段着火延迟期延长。因此，随N2稀释率增加总着火延迟期明显延长。从图10还可以看出，随上止点温度增加，DME第一阶段着火放热近似呈线性变化降低，且不同N2稀释率下第一阶段着火放热差异缩小。

图10 N2稀释率对第一阶段着火压力升高的影响Fig.10 Effects of N2 dilution ratio on pressure rise during the first-stage ignition

从图9还可以看出，DME总着火延迟期出现明显的NTC现象，且随N2稀释率增加，NTC现象变得更加明显。已有研究结果表明[20]形成过氧烷基(RO2)和烷基(R)反应的比例决定NTC现象。随N2稀释率增加，O2浓度降低，更易形成稳定分子烷基。因此，随N2稀释率增加，NTC区间向低温方向移动，NTC现象变得更加明显。

N2稀释率的实验与模拟结果对比证明ZHAO机理能够较好地预测稀释率对DME着火延迟期的影响。因此，通过数值模拟进一步研究了Ar稀释率和CO2稀释率对DME着火延迟期的影响。如图11和图12所示，Ar稀释率和CO2稀释率对DME着火延迟期的影响与N2呈相似的变化趋势。此外，与N2和Ar相比，CO2作为稀释气体时总着火延迟期的NTC现象不明显。

图11 Ar稀释率对二甲醚着火延迟期的影响Fig.11 Effects of Ar dilution ratio on ignition delays of DME

图12 CO2稀释率对二甲醚着火延迟期的影响Fig.12 Effects of CO2 dilution ratio on ignition delays of DME

4 结论

(1) 实验与模拟结果表明：稀释气体组分对DME第一阶段着火延迟期影响很小，在低温区间，稀释气体组分对总着火延迟期的影响同样很小。而在NTC区间，稀释气体组分对总着火延迟期具有较大的影响，尤其在NTC区间的起点温度附近。与N2相比，N2/Ar(50%/50%)使得实验结果与模拟结果总的着火延迟期分别缩短30%和15%。

(2) 对比N2和Ar/CO2(61.2%/38.8%)作为稀释气体时的DME着火延迟期，实验结果表明稀释气体的化学效应对第一阶段着火延迟期和总着火延迟期的影响很小，而模拟结果表明上止点温度超过830 K时，化学效应开始变得明显。

(3) 分别用N2、Ar和CO2作稀释气体的模拟结果表明：在整个温度区间范围内，Ar的热效应对DME总着火延迟期的影响起主导作用；在低温区间和NTC区间，CO2的热效应同样起主导作用，但是当上止点温度超过NTC区间时，CO2的化学效应影响增强且超过热效应而起到主导作用。

(4) 随稀释率增加，第一阶段着火延迟期略有延长，而总着火延迟期出现明显延长，且随稀释率增加，总着火延迟期的NTC现象变得更加明显。

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Effects of Diluent Gases on Ignition Delays Characteristics of Dimethyl Ether

ZHANG Hongguang1,2LI Jiazheng1,2SHI Zhicheng1,2GAO Xiang1,2

(1.CollegeofEnvironmentalandEnergyEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China2.CollaborativeInnovationCenterofElectricVehiclesinBeijing,Beijing100124,China)

Effects of diluent gases composition on ignition delays of dimethyl ether (DME) were investigated at compressed pressure of 1.5 MPa, compressed temperature from 670 K to 795 K and equivalence ratio of 1 by using a rapid compression machine (RCM). The diluent gases considered were nitrogen (N2), mixture of N2and argon (Ar) at mole ratio of 50% to 50% and mixture of Ar and carbon dioxide (CO2) at mole ratio of 61.2% to 38.8%. The simulation study was performed over a wider temperature range based on CHMKIN-PRO software. The results showed that diluent gases composition had little impact on the first-stage ignition delay. However, significant differences in the total ignition delay were observed, especially in the negative temperature coefficient (NTC) region. Compared with N2, mixture of N2and Ar decreased the total ignition delay by 30%. The chemical effect of diluent gases composition on the first-stage and total ignition delays was negligible. The thermal effect was dominant factor in the low temperature and NTC regions, however, the chemical effect of CO2enhanced and exceeded the thermal effect in the temperature region beyond the NTC region. With the increase of N2dilution ratio, the first-stage ignition delay was slightly increased, while a significant increase in the total ignition delay was observed. Moreover, the NTC behavior of total ignition delay was noted to become more pronounced at high N2dilution ratio.

diluent gases; dimethyl ether; ignition delay; rapid compression machine

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.04.044

2016-08-01

2016-08-28

国家自然科学基金项目(51376011)、北京市自然科学基金项目(3152005)和北京市教育委员会科技计划重点项目(KZ201410005003)

张红光(1970—)，男，教授，博士生导师，主要从事内燃机燃烧与测试研究，E-mail： zhg5912@263.net

TK401

A

1000-1298(2017)04-0335-07