模拟发动机工况下二甲醚喷雾燃烧实验及仿真研究

王理堃，张光德，三次勇太，金野满

(1.武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北 武汉，430081；2.茨城大学理工学研究科，日本茨城 日立，3168511)

鉴于全球石油资源消耗日益加剧，寻找新的代用燃料具有十分重要的意义。二甲醚(dimethyl ether，DME)分子式为CH3OCH3，无毒性，可无烟燃烧且燃烧噪声较低，能实现最大比例的废气再循环，从而大幅降低氮氧化合物的排放[1-2]。二甲醚十六烷值约为55～60，具有良好的压燃性，非常适合作为压燃式发动机的替代燃料[3]。然而由于二甲醚的密度、弹性模量、热值等相对于柴油较低，故要想达到相同的能量输出，二甲醚的喷射量必须是柴油的1.8倍，而且蒸汽压力与表面张力特性也对二甲醚喷射过程中的燃料破碎和蒸发有潜在影响。

处于超临界状态的流体将呈现不同于亚临界状态的流体特性，包括气体与液体的界面不复存在，液体表面张力和蒸发潜热都趋近于零，此时流体密度趋于液体密度，而输送特性则趋于气体的输送特性，不存在破碎的颗粒，整个喷雾的扩散也将非常明显[4]。研究表明，汽油在超临界状态下可提升喷射速度，并且具有更好的雾化特性[5]。二甲醚对应的临界点压力和温度分别是5.37 MPa和400.05 K[6]，而增压发动机的工作压力及温度都超过了这个临界条件[7]，所以二甲醚在超临界条件下的喷射是可以实现的，探讨该状态下二甲醚的喷雾燃烧特性对于二甲醚发动机的研发具有重要意义，然而目前此领域的研究成果相对不足。

周昃等[8]使用高速摄像机拍摄记录了定容弹内超临界喷射条件下二甲醚的喷雾特性。本研究在其基础上进行超临界喷射条件下的二甲醚喷雾燃烧实验，并与亚临界喷射情形进行对比，同时考虑到实验成本较高，又根据实验条件建立了适用于二甲醚发动机的喷雾燃烧数值仿真模型，以期为后续研究工作提供技术支持。

1 实验研究

1.1 实验装置

本研究在模拟柴油发动机实机工况的定容弹中进行，分别进行喷雾非燃烧和喷雾燃烧实验，实验装置如图1所示。定容弹两侧安装有直径100 mm、厚50 mm的观察窗口，有效观察范围为直径80 mm的圆形区域。在定容弹四周装有电加热装置，能使其室温达到400 K左右。为达到实验要求的发动机缸内高温、高压条件，可向定容弹内充入一定比例的H2、O2、CO、N2，并由定容弹底部的火花塞点燃。喷射部分主要包括由二甲醚专用的高压共轨系统、安装在定容弹上方中间位置的喷油器以及喷射控制装置，喷油孔直径为0.31 mm，喷油器内装有电热丝以控制实验所需的喷射温度，喷油器内温度由直径为0.1 mm的K型热电偶监测。光学观察部分主要包括纳米强光源和高速摄像机。

图1 实验装置示意图

1.2 实验条件及方法

实验模拟柴油发动机的运转工况，设定缸内温度、压力分别为920 K、6.0 MPa，喷射压力为100 MPa。为了实现超临界喷射，将喷油器内的二甲醚加热到427 K，并与亚临界条件下359 K的二甲醚喷射进行对比实验。通过控制定容弹内氧气浓度实现二甲醚的自燃。进行二甲醚的喷雾燃烧实验时，初始混合气中氧气浓度为16%；而进行二甲醚的喷雾非燃烧实验时，初始混合气中氧气浓度仅为8.1%，这样混合气体燃烧后的氧气浓度接近于零，二甲醚不会自燃。

实验开始前，先往定容弹中充入一定比例的可燃气体，点燃后缸内温度和压力最高可分别达到1850 K和18.5 MPa。通过感应装置监控，在达到目标环境条件时进行喷射实验。

采用两种光学观察方法记录喷雾形态，分别是可以同时拍摄喷雾的气相和液相的阴影法以及仅能拍摄喷雾液相的背景散射法[9]。阴影法用来捕捉喷雾的宏观形态包括喷雾锥角和贯穿距离，背景散射法则是通过观察喷雾液相的贯穿距离来判断二甲醚的雾化程度。在拍摄喷雾燃烧时快门速度为40 000 fps，拍摄像素为512×512；非燃烧状况下快门速度为20 000 fps，拍摄像素为384×400。

1.3 实验结果与分析

二甲醚非燃烧喷雾实验观察结果如图2和图3所示。阴影法拍摄结果显示，超临界和亚临界条件下的二甲醚喷雾形态并没有明显差异；背景散射法拍摄结果显示，超临界条件下二甲醚喷雾的液相贯穿距离更短。

图2 阴影法记录的二甲醚喷雾图像

图3 背景散射法记录的二甲醚喷雾图像

Fig.3ImagesofDMEspraybybackgroundscatteringmethod

根据二甲醚喷雾图像得出超临界和亚临界条件下喷雾贯穿距离和液相贯穿距离的数据对比，如图4所示。可以进一步看出，两种条件下的二甲醚喷雾贯穿距离十分接近，而超临界和亚临界条件下二甲醚喷雾的液相贯穿距离分别为15 mm和19 mm左右，这表明超临界条件下更多的二甲醚燃料雾化了。

图4 超临界和亚临界二甲醚喷雾实验结果对比

Fig.4ComparisonofexperimentalresultsbetweensupercriticalandsubcriticalDMEsprays

二甲醚喷雾燃烧实验观察结果如图5所示，从图中可以看出不同条件下二甲醚喷雾燃烧形态并无太大差别，但超临界条件下的喷雾着火时刻略微提前。总之，超临界状态对二甲醚喷雾燃烧方面的影响较小。

图5 阴影法记录的二甲醚喷雾燃烧图像

2 仿真研究

二甲醚易蒸发、常温下不容易保存、难以加压等特性导致实验成本较高，所以建立合适的二甲醚喷雾仿真模型对于今后的研究工作具有十分重要的意义。本文仿真分析使用的FORTE计算流体动力学(CFD)模拟软件可以将喷雾模型与二甲醚燃烧的氧化还原反应机理进行耦合，并且其对网格质量依赖程度低，可实现多线程求解，计算速度快。

2.1 二甲醚喷雾模型的构建

为了模拟实验结果，仿真完全采用日本株式会社电装(DENSO)提供的DME专用发动机喷射系统及燃烧室的参数作为建模依据，喷射孔径为0.31 mm，喷射压力为100 MPa。定容弹中的环境为仿涡轮增压发动机缸内环境，压力和温度分别为6.0 MPa和920 K。总喷射量参考实验结果为24 mg。计算范围为49 mm×49 mm×100 mm。模拟实验环境，顶部设置喷射控制点，喷雾形态也会在此显现。考虑到计算负荷，设置网格尺寸为1 mm3，共5000个网格单元。

2.2 二甲醚喷雾燃烧模型的构建

在FORTE软件中可调整燃料成分，划分网格区域的环境成分，通过相关的氧化还原反应组模拟燃料的燃烧过程。鉴于二甲醚实际燃烧的复杂性，选用合适的氧化还原反应机理尤为重要。本次研究参照文献[10]，选用由Burke等[11]提出的详细DME化学反应动力学模型，并围绕二甲醚喷雾燃烧实验进行仿真建模，同样通过控制初始网格环境内的氧气浓度实现二甲醚的自燃。

二甲醚自燃时有三个重要的反应过程：①阶段一为低温氧化反应阶段，主要由于O2的异构性及附着性，其与二甲醚低温反应产生大量的OH自由基；②阶段二中二甲醚仍未发生燃烧，由于产生的HO2而导致CH2O和H2O2大量积蓄[12]；③阶段三为二甲醚自燃的高温反应阶段，前两个阶段积累的大量活性游离基及化合物互相反应，主要由于H2O2的分解促进了高温反应阶段的产生，放出大量能量。各阶段相关反应式如图6所示。

图6 二甲醚燃烧反应过程

2.3 仿真结果与分析

2.3.1 非燃烧条件下二甲醚喷雾仿真

超临界和亚临界条件下未燃烧时二甲醚喷雾形态的仿真结果如图7所示。对比图2和图7可以发现，仿真结果在一定程度上再现了二甲醚喷雾的部分特征，如喷雾的大致形状和贯穿距离。

根据仿真得到的超临界和亚临界条件下二甲醚未燃烧时的喷雾贯穿距离与液相贯穿距离如图8所示。可以看出，两种喷射条件下的喷雾贯穿距离基本相同，而超临界条件下的液相贯穿距离小于亚临界状态下的对应值。仿真结果在喷雾贯穿距离方面基本还原了实验结果。然而，仿真结果中超临界条件下液相贯穿距离为0，而亚临界条件下的液相贯穿距离大于实验结果。这可能是因为，理论上二甲醚在超临界条件下处于一个密度大但输运特性更像气体的新状态，在FORTE软件中对该状态进行呈现时便不能把此时的二甲醚当做液相记录，故得出液相贯穿距离为0，但该仿真结果仍能对比说明超临界条件下的二甲醚喷雾特性。

(a)超临界条件

(b)亚临界条件

图8非燃烧时二甲醚喷雾贯穿距离和液相贯穿距离仿真结果

Fig.8SimulationresultsofunfiredDMEspraytipandliquidphasepenetrationlengths

根据仿真得出超临界和亚临界条件下的二甲醚总喷射量如图9所示。可以看出，喷射条件并不影响喷射过程中二甲醚的总喷射量，结合图8可推测，超临界状态下二甲醚从喷射开始时便已经雾化。

图9二甲醚总喷射量

Fig.9TotalinjectionquantityofDME

2.3.2 燃烧条件下二甲醚喷雾仿真

超临界和亚临界条件下的二甲醚喷雾燃烧仿真结果如图10所示。前面的实验结果显示，超临界条件与亚临界条件下的喷雾着火时刻分别为0.25 ms和0.275 ms。仿真基本拟合了实验中超临界条件下喷雾着火时刻略早的结果。在喷雾的燃烧特性如火焰举升距方面，可以看出亚临界条件下的火焰举升距更远，而从两种条件下的火焰燃烧亮度方面并不能看出明显的区别。

(a)超临界条件

(b)亚临界条件

仿真过程中二甲醚燃烧时的温度如图11所示。由图11可见，超临界条件下二甲醚喷雾燃烧释放的热量更多，并且比亚临界条件下的喷雾更快达到最高温度点，这也进一步说明了超临界条件下二甲醚雾化效果更好。

图11二甲醚喷雾燃烧温度

Fig.11TemperatureofDMEspraycombustion

3 结语

本研究模拟发动机实机工况，在定容弹中观察超临界和亚临界喷射条件下二甲醚喷雾及燃烧形态，同时基于FORTE软件开发二甲醚喷雾燃烧仿真模型，仿真结果与实验结果基本吻合。二甲醚在两种喷射条件下的喷雾贯穿距离无明显差异，而超临界条件下的液相贯穿距离较短。与亚临界条件相比，超临界条件下二甲醚喷雾着火时刻略早，火焰举升距较小。仿真结果还显示超临界条件下二甲醚燃烧释放出更多的热量。然而仿真模型仍需调校，其在二甲醚喷雾的液相贯穿距离和着火时刻上仍不能精确还原实验结果，并且仿真计算时间较长，下一步研究可考虑精简二甲醚氧化还原反应组，缩短计算时间。

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