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1、华中科技大学 博士学位论文 基于化学反应动力学的DME发动机燃烧与排放特性研究 姓名：莫春兰 申请学位级别：博士 专业：动力机械及工程 指导教师：张煜盛 20070512 I 摘 要 摘 要 能源短缺，排放法规日趋严格，柴油机的可持续发展面临严峻考验。近年来，二 甲基醚 （dimethyl ether,DME） 由于其良好的着火性能而用作柴油机替代燃料的系列研 究引起了人们的加倍关注。基于此,本课题结合国家 973 项目的内容,借鉴国内外研究 工作的新进展，通过 DME 发动机缸内直喷（DI）和均质充量压燃（HCCI）两种不同的 燃烧方式，应用详细化学反应机理进行了模拟计算和实验对比，为实现
2、DME 发动机的 高效、低污染燃烧提供理论依据和实施方向。 本文的研究内容和所取得的成果主要有以下几个方面： 对 DME 发动机实验与数值模拟研究的现状进行了综述，全面分析了柴油机燃用 DME 的技术措施及其有关问题。以 ZS195 型直喷式柴油机为原型机，构建了 DME 发动 机专用实验台架，在其上开展了 DME 发动机性能及常规排放物的测试研究。针对 DME 特殊的理化性能，进行了 DME 经高压燃油泵柱塞套间隙的泄漏量测量实验以及油管压 力波实验，分析了 DME 热物性对燃油喷射特性和高压燃油泵泄漏量的影响；探讨了启 喷压力、供油提前角、气门开启时刻、喷孔直径和压缩比等对 DME 缸内直
3、喷发动机性 能与排放的影响。台架实验结果表明，与燃用柴油相比，燃用 DME 时缸内直喷发动机 在额定转速下，碳烟排放极低，NOX排放随着负荷的增加而增大，但燃用 DME 的 NOX 排放比柴油低；在中低转速下，HC 排放比柴油高，且 HC 排放随着有效功率的升高呈 下降趋势。与 DME 发动机缸内直喷方式相比，HCCI 燃烧方式可有效抑制氮氧化物的排 放，甚或降低至零排放水平，但 HC 排放明显增加。因此，有必要对 DME 发动机的 HC 排放加以重点研究及控制。 在国内外首次开展了DME发动机非常规排放物的定量测试研究。为此，开展了DME 发动机非常规排放物检测方法的研究，包括气相色谱法（G
4、C）和傅立叶变换红外分析 法(FTIR)。在GC实验中，首先对配有氢火焰离子化检测器的气相色谱仪的分离柱温、 载气流速、气化室温度和检测器温度等工作条件进行了优化，采用外标法，经色谱工 作站绘制出甲醛和甲酸甲酯的工作标准曲线，继而对发动机尾气进行检测，并将其结 果与FTIR检测结果进行对比，确认FTIR可作为检测DME发动机非常规排放物的有效手 段。进一步的FTIR实验结果表明，DME直喷发动机的排放中存在甲醛、甲酸甲酯和甲 酸三种非常规排放物，其中甲醛排放浓度最高，甲酸甲酯排放浓度次之，甲酸排放浓 II 度最小，甲酸排放浓度最低时低于10ppm。DME的HCCI燃烧方式与缸内直喷相比，前者
5、甲醛和甲酸甲酯的排放浓度较高。 应用详细化学反应动力学计算软件 CHEMKIN，就 DME 发动机着火和燃烧过程开展 了性能预测与计算结果的实验验证工作,构建了 DME 发动机的着火数据库，并深入探 讨了热力学燃烧模型与着火数据库耦联的方法及其应用于DME发动机循环模拟计算的 适用性。模拟计算结果表明,滞燃期是缸内温度、压力和燃空当量比的函数，在一定 的燃空当量比范围内，着火滞燃期随燃空当量比增大而变小。计算结果与验证实验结 果对比表明,Wiebe 模型、Watson 模型和 Whitehouse-Way 模型均可应用于 DME 发动机 工作过程的模拟计算，其中，以着火数据库与 Watson
6、燃烧子模型相耦合的模拟计算 结果与实验结果最为吻合。该项研究对于发展简洁而又实用的 DME 发动机工作过程模 拟计算软件具有现实意义。 开展了发动机数值计算专用软件KIVA3V的微机化移植、液态DME燃料数据库建库、 引入液滴破碎模型以及燃烧模型改进等项基础工作，藉此对DME缸内直喷发动机的性 能与非常规污染物排放量进行了三维数值模拟和预测研究。其中，液滴破碎过程的模 拟分别采用TAB模型、基于表面波不稳定理论的KH-RT模型；燃烧模型分别采用了EDC 模型、基于详细化学反应机理的部分搅拌器概念模型（PaSR）。模拟计算考虑了气相 可压缩性、流场不均匀性及液滴破碎对发动机动力及排放性能的影响。
7、三维湍流燃烧 模拟关于直喷发动机缸内压力随曲轴转角的变化，以及NO排放浓度的预测值与实验结 果吻合较好。同时，计算分析了缸内流场速度、温度和组分浓度分布随曲轴转角的变 化历程；就进气加热、缸内温度、气体流动、壁面传热、缝隙效应，以及喷雾模型和 化学反应机理的选择对甲醛、甲酸甲酯生成及其氧化过程的影响进行了参数分析；进 一步探讨了预测值小于实验值的原因以及甲酸甲酯的生成机理。 通过构建可应用于HCCI发动机燃烧排放研究的DME详细化学反应动力学燃烧模 型，对DME均质充量压燃发动机的非常规排放物生成机理与控制策略进行了深入研究。 详细模型包含97种物种和457个基元反应。通过模拟及其计算结果的实
8、验验证，证实 了详细模型的实用性和有效性，判明了DME氧化反应的主要历程与甲醛（CH2O）、甲酸 （HCO2H） 和NOX主要生成机理。 计算结果表明， NOX排放中NO生成量达到最大值后有 “冻 结”现象出现，NO与N2O最终排放浓度极少且受缸内温度影响不大；随着缸内温度的增 加,NOX排放中NO所占比重逐渐增加。基于化学反应速率及敏感度分析得知，DME发动机 HCCI燃烧的NO生成主要有扩充的切尔多维奇机理和N2O生成机理这两个途径。 III 为了节省计算机时，并为化学反应动力学模型与CFD多维模型耦合的燃烧计算提 供一个行之有效的途径， 在详细化学反应动力学模型的基础上， 构建了包括36
9、种组分、 73个基元反应组成的简化机理模型。简化模型包括低温反应和负温度系数区子模型、 高温裂解和高温氧化子模型以及NO排放子模型。利用该模型，可以计算着火点、燃烧 速率、甲醛、甲酸和NO排放。将简化模型与FLUENT相耦合，进行了DME发动机HCCI燃 烧数值二维模拟计算，结果表明，DME发动机HCCI燃烧的甲醛和甲酸排放物浓度较高， 其排放浓度受燃空比、活塞环与气缸壁处缝隙和压缩比的影响较为明显。 关键词： 二甲基醚（DME），化学反应机理，湍流燃烧，非常规排放物， 傅立叶变换红外分析法（FTIR），气相色谱分析法（GC） IV Abstract Environmental and hum
10、an health concerns over emissions from internal combustion engines continue to bring about increasingly stringent emission standards and drive research into the development of cleaner-burning fuels. Aiming at this current research situation together with the contents of National Basic Research Prior
11、ities Program (2001CB209207) administrated by the State Ministry of Science kV c , 为常压下第k种组分的定容比热。 混合物的平均定容比热 V c 为: kV K k kV cYc , 1 = = (4-9) 将(4-7)式代入(4-5)式得: 0 11 =+ = pdvdYedeY k K k kk K k k (4-10) 将(4-8)式代入(4-10)式可得: 0 1 , 1 =+ = pdvdYedTcY k K k kkV K k k (4-11) 将(4-9)式代入(4-11)式可得: 0 1 =+ =
12、 pdvdYedTc k K k kV (4-12) (4-12)式对时间t求导得: 0 1 =+ = dt dv p dt dY e dt dT c k K k kV (4-13) 将(4-4)式代入(4-13)式得: 0 1 =+ = dt dv pWev dt dT c kk K k kV (4-14) 由于系统容积随时间变化,即 )(tVV = ,且比容 m tV tv )( )(= ,则: dt dV mdt dv1 = (4-15) 将(4-15)式代入(4-14)式得: 53 0 1 =+ = dt dV m p Wev dt dT c kk K k kV (4-16) 根据理想
13、气体状态方程: W RT p = (4-17) 式中，R为普适恒量；W为混合气的平均分子量， = = K k k k W Y W 1 1 ；为混合气密 度, = = K k kk WX 1 ，其中 k X 是第k种组分的摩尔浓度。 将(4-17)式和(4-9)式代入(4-16)式得到能量方程: 0 1 , 1 =+ = dt dV Wm RT WevcY dt dT kk K k kkV K k k (4-18) 方程（4-18）和（4-4）组成了为由 k Y 和T组成的 1+k 个未知数的一阶非线性方 程组。 4.1.1.2 发动机几何模型 方程（4-18）中的 dt dV 可由发动机气缸容
14、积随曲轴转角的变化函数求得。气缸容 积随发动机参数的变化函数为： sincos1 2 1 1 )( 22 + +=RR C V tV c (4-19) 式中， c V 为气缸的余隙容积，C为压缩比; 连杆长度/曲轴半径比 A c L L R= ， c L 为连杆 长度， A L 为曲柄半径。 对（4-19）式求导，得到气缸容积的变化率： 54 sin cos 1 sin) 2 1 ( ) )( ( 22 + = R C dt d dt V tV d c (4-20) 联立方程组（4-18）和（4-20）式就能解决发动机中的燃烧问题，并得出整个燃 烧过程加的温度、压力和各组分浓度的变化过程。 4
15、.1.1.3 化学反应子模型 方程（4-19）中的基元反应中第k种组分的摩尔生成速率 k 由所有和它相关的化 学反应的综合作用决定。 k K k r ki k k k K k f ki xx fi ri = 11 ), 1( s Ni = (4-21) 式中， f ki 和 r ki 分别为第i个反应第k种物质的正向和逆向反应计量系数； fi k 和 ri k 分 别为第i个反应的正向和逆向反应速率常数 i k 。 1889年Arrhenius通过大量实验与理 论的认证，提示了在恒定浓度的条件下，反应速率常数对温度的信赖关系，建立了著 名的Arrhenius定理。常用的是它的指数表达式： )e
16、xp( RT E TAk i ii i = (4-22) 式中, i A 和 i E 是由反应本性决定而与温度无关的常数。 i A 为第i个反应的指前因子， 又叫频率因子， 代表分子相互碰撞次数。 i E 为阿累尼乌斯活化能(单位为J/(molK), 分子要进行反应必须要有 i E 以上的能量才行。R为通用气体常数其值为 8.3144kJ/(molK)。T为热力学温度。 RT Ei exp 叫波兹曼因子，它相当于能量 在 i E 以 上的分子数占总分子数的比例。 控制方程组中出现的基元反应中第k种组分的摩尔生成速率如下： = = ss r ki f ki N i N i iriifi K k f ki r kik XkXk 111 )( (4-23) 在某些条件下，一些基元反应受到高
