基于快速壓縮機的二甲醚燃燒特性研究

石智成，劉昊，張紅光，盧海濤

（北京工業(yè)大學環(huán)境與能源工程學院，北京100124）

基于快速壓縮機的二甲醚燃燒特性研究

石智成，劉昊，張紅光，盧海濤

（北京工業(yè)大學環(huán)境與能源工程學院，北京100124）

為了研究二甲醚（DME）的燃燒特性，在初始溫度293 K、驅動壓力0.6 MPa、初始壓力0.04～0.08 MPa、氮氣稀釋率47.29%～60.81%、壓縮比8.82～12.02的實驗條件下，利用快速壓縮機（RCM）研究了初始壓力、氮氣稀釋率、壓縮比對DME-O2-N2混合氣著火延遲期和最高燃燒壓力的影響。結果表明：DME-O2-N2混合氣出現(xiàn)兩階段放熱現(xiàn)象與兩階段著火延遲期；隨著壓縮比的增加，混合氣的著火延遲期出現(xiàn)負溫度系數(shù)（NTC）現(xiàn)象，隨初始壓力的升高，出現(xiàn)NTC現(xiàn)象的溫度向高溫方向發(fā)展；隨氮氣稀釋率的增加，出現(xiàn)NTC現(xiàn)象的溫度向低溫方向發(fā)展；初始壓力一定，不同壓縮比下，隨氮氣稀釋率的增加，混合氣的最高燃燒壓力和第2階段著火延遲期呈相反的變化趨勢；氮氣稀釋率一定，不同初始壓力下，隨壓縮比的增加，混合氣的最高燃燒壓力和總著火延遲期呈相反的變化趨勢。

工程熱物理；快速壓縮機；著火延遲期；負溫度系數(shù)

0 引言

能源短缺和環(huán)境污染問題給人們帶來的壓力日益加重，目前，各個國家在投入大量精力尋找清潔替代能源的同時，也在通過不斷改進發(fā)動機燃燒技術來提高能源的利用率，減少污染物的排放。二甲醚（DME）具有較高的十六烷值，易于壓燃。同時由于其汽化潛熱高，能夠降低發(fā)動機內(nèi)的燃燒溫度，可減少NOx的排放。DME易于從煤、生物質、天然氣等資源中獲得，且它的性質與液化石油氣（LPG）類似，所以目前已經(jīng)建立的LPG相關基礎設施同樣可以用來儲存和運輸DME.所以，DME是一種很有潛力的石油燃料替代品，受到人們的關注［1-2］。

為了減少污染和提高能源的利用效率，深入研究燃料燃燒時發(fā)生的化學反應和相關參數(shù)是十分必要的。目前各國學者利用定容燃燒彈、單缸實驗機、快速壓縮機（RCM）等燃燒實驗裝置對DME的燃燒和排放性能進行了大量的研究［3-5］。同時，也有學者對DME在低、高溫下燃燒的化學反應模型進行了詳細的分析［5］。但是，目前在低到中溫條件下進行DME燃燒實驗的研究較少。RCM能夠模擬低到中溫環(huán)境，可以測量的著火延遲期范圍較長，且便于控制壓縮過程中的各項熱力學參數(shù)，如當量比、溫度、壓力等，是研究DME燃燒特性理想的實驗平臺。

1 實驗裝置與實驗方案

1.1 快速壓縮機

實驗中使用的RCM系統(tǒng)主要包含5部分:氣壓驅動系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖1為RCM實驗臺架的系統(tǒng)圖，表1為RCM的具體參數(shù)。RCM能夠模擬單行程壓縮過程，在驅動氣壓的作用下，活塞快速運動，在壓縮沖程末，活塞被鎖止在上止點，形成定容燃燒室，燃燒缸內(nèi)的的混合氣被迅速壓縮至高溫高壓并點燃。由于壓縮時間較短，通過缸壁的散熱量很小，因此整個過程可以看做絕熱壓縮過程。通過改變安裝在液壓缸后端的限位墊片和安裝在液壓缸前端與燃燒缸后端之間余隙墊片的數(shù)量，可以實現(xiàn)RCM壓縮比的調節(jié)。

圖1 RCM實驗臺架系統(tǒng)圖Fig.1 Block diagram of rapid compression machine test bench

表1 RCM具體參數(shù)Tab.1 Specific parameters of rapid compression machine

本文的RCM采用了文獻［6］中的“creviced piston”，使由活塞運動引起的渦流能夠被擠壓到活塞余隙中，減小渦流對燃燒室內(nèi)絕熱核心區(qū)域的影響，保證絕熱核心假設的成立，能夠精確地計算壓縮溫度Tc.Tc可以通過（1）式來計算。

式中:T0與p0分別為DME-O2-N2混合氣的初始溫度（K）與初始壓力（MPa）；Tc與pc分別為活塞到達上止點時DME-O2-N2混合氣壓縮溫度（K）與壓縮壓力（MPa）；γ為DME-O2-N2混合氣的比熱容比，為溫度的函數(shù)。

1.2 著火延遲期的定義和DME-O2-N2混合氣的配制

本文對DME-O2-N2混合氣著火延遲期的定義如圖2所示，定義時間0點為活塞到達上止點的時刻，從時間0點到燃燒壓力變化率的第1個峰值定義為第1階段著火延遲期子1，從燃燒壓力變化率的第1個峰值到第2個峰值定義為第2階段著火延遲期子2.從圖2中可以明顯看出，DME-O2-N2混合氣的燃燒呈現(xiàn)出明顯的兩階段放熱和兩階段著火延遲，總著火延遲期子=子1+子2.

圖3為不同驅動壓力pd對混合氣著火延遲期的影響。從圖3可以看出，驅動壓力pd較低時，混合氣的第1階段和總的著火延遲期較短，pd=0.25 MPa時，活塞運動速度慢，整個壓縮過程時間較長，DMEO2-N2混合氣在到達上止點前已經(jīng)到達燃點，使得混合氣的第1階段著火延遲期與壓縮過程耦合在一起，從而影響了著火延遲期的測量精度。而當pd= 0.60 MPa時，壓縮速度較快，壓縮時間較短，壓縮過程中熱損失較小，從而減少了對著火延遲期測量精度影響，所以本文以下實驗均采用pd=0.60 MPa.

圖2 著火延遲期的定義Fig.2 Definition of ignition delay time

圖3 驅動壓力對著火延遲期的影響Fig.3 Effect of driving gas pressure on ignition delay time

本文采用DME作為燃料配制DME-O2-N2混合氣，各種氣體的純度依次為氧氣99.999%、氮氣99.999%、DME為99.5%.實驗中DME燃料罐裝壓力為0.5 MPa，在常溫下為氣態(tài)（常溫下，DME的飽和蒸汽壓力約為0.5 MPa）.然后按照N2、O2、DME的順序依次將3種氣體按實驗所需摩爾配比預先充入燃料預混罐中并充分攪拌（約20～30 min），然后靜置約10 min，以保證DME-O2-N2混合氣的均質化。每次實驗前，將燃燒缸與配氣管路抽真空，真空度小于40 Pa，使殘余廢氣對下次實驗的影響降至最低。預混灌的體積遠大于燃燒室的體積，充入預混罐內(nèi)的DME-O2-N2混合氣可以進行多次實驗以保證該組分條件下實驗的一致性。采用圖1中所示的加熱保溫系統(tǒng)精確控制混合氣初始溫度保持在293 K.

1.3 實驗條件和實驗一致性

本文中所涉及到的實驗條件如表2所示。

分別進行DME:O2:N2摩爾配比為1:3:25，1:3: 30，1:3:35的實驗研究，通過氮氣的摻加，即氮氣稀釋率的改變，實現(xiàn)對內(nèi)燃機中廢氣再循環(huán)（EGR）的基本模擬，研究其對著火延遲期和最高燃燒壓力的影響。

表2 實驗條件Tab.2 Test conditions

實驗過程中，缸內(nèi)燃燒壓力數(shù)據(jù)由kistler6125C型缸壓傳感器與kistler 5011型電荷放大器進行采集，并用Tektronix MS04000型示波器記錄數(shù)據(jù)。

在進行DME-O2-N2混合氣壓燃實驗時，在每組實驗條件下，實驗均重復3～5次以保證實驗結果的準確性。圖4（a）、圖4（b）中1、2、3分別為相應的實驗條件下所進行的3次實驗的結果。從圖中可以看出，DME-O2-N2混合氣壓力燃燒曲線吻合度較好，即RCM的燃燒實驗可重復性良好。

圖4 壓縮曲線的一致性Fig.4 Compression curves

2 結果與討論

2.1 初始壓力、氮氣稀釋率、壓縮比對著火延遲期的影響

已有相關研究表明:壓縮壓力對混合氣第1階段著火延遲期的影響不明顯［7］。圖5所示為在壓縮比8.82、氮氣稀釋率55.04%的條件下，不同初始壓力對DME-O2-N2混合氣兩階段著火延遲期的影響。隨著初始壓力的升高，壓縮壓力逐漸升高。初始壓力的增加對第1階段著火延遲期無明顯影響，而第2階段著火延遲期隨混合氣初始壓力的增加呈現(xiàn)縮短趨勢，從而混合氣總著火延遲期呈現(xiàn)縮短趨勢。

圖5 初始壓力對著火延遲期的影響Fig.5 Effect of initial pressure on ignition delay time

圖6所示為在壓縮比9.73、初始壓力為0.04 MPa條件下，不同氮氣稀釋率對DME-O2-N2混合氣兩階段著火延遲期的影響。隨著氮氣稀釋率的升高，第1階段著火延遲期呈現(xiàn)縮短趨勢。這是由于隨著摻混氮氣比例的增加，DME-O2-N2混合氣的熱物理性質發(fā)生改變，在相同初始壓力條件下，壓縮壓力逐漸升高。由（1）式可知，初始壓力不變，壓縮壓力升高時，壓縮溫度上升，而壓縮溫度是影響低溫反應開始時間的主要因素，所以第1階段著火延遲期縮短。氮氣作為一種惰性氣體，其本身并不參與反應，但隨著氮氣稀釋率的增加，單位體積內(nèi)DME和O2的濃度降低，從而使化學反應速率降低，DME-O2-N2混合氣需要更長的誘導時間來積累足夠的熱量引發(fā)高溫反應，同時DME-O2-N2混合氣的比熱容增大，低溫反應放熱后，DME-O2-N2混合氣升溫幅度減小，所以第2階段著火延遲期延長。

圖6 氮氣稀釋率對著火延遲期的影響Fig.6 Effect of nitrogen dilution ratio on ignition delay time

圖7所示為在初始壓力為0.08 MPa、氮氣稀釋率55.04%條件下，壓縮比對DME-O2-N2混合氣著火延遲期的影響。隨著壓縮比的增加，第1階段著火延遲期縮短，第2階段著火延遲期先縮短后延長，但第1階段著火延遲期縮短幅度較大，從而總著火延遲期呈縮短趨勢。

圖7 壓縮比對著火延遲期的影響Fig.7 Effect of compression ratio on ignition delay time

圖8、圖9分別為氮氣稀釋率55.04%、不同初始壓力條件下，混合氣第1階段著火延遲期與總著火延遲期隨壓縮比變化的量化對比結果。如圖8所示，在3種不同初始壓力下，混合氣第1階段著火延遲期隨壓縮比的升高均呈現(xiàn)縮短趨勢。這是由于隨著壓縮比的升高，壓縮溫度逐漸上升，而壓縮溫度是影響低溫反應開始時間的主要因素。在3種不同初始壓力下，壓縮比從8.82升高到12.02時，混合氣第1階段著火延遲期分別縮短14.6 ms、15.3 ms與13.5 ms，差異較小。如圖9所示，在3種不同初始壓力下，混合氣的總著火延遲期隨壓縮比的升高呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。在p0=0.08 MPa時，混合氣的總著火延遲期呈單調縮短趨勢，而p0=0.04 MPa與p0=0.06 MPa時，混合氣的總著火延遲期呈先縮短后延長的趨勢，即出現(xiàn)負溫度系數(shù)（NTC）現(xiàn)象:隨壓縮溫度的升高，著火延遲期縮短，當壓縮溫度增加到一定值時，隨溫度的繼續(xù)升高，著火延遲期保持不變或增加，隨后，著火延遲期又開始縮短，但出現(xiàn)NTC現(xiàn)象的壓縮比（溫度）拐點有所變化。在本文的實驗條件下，p0=0.04 MPa時，壓縮比9.73為混合氣總著火延遲期出現(xiàn)NTC現(xiàn)象的拐點；p0= 0.06 MPa時，壓縮比10.99為混合氣總著火延遲期出現(xiàn)NTC現(xiàn)象的拐點；而p0=0.08 MPa時，混合氣總著火延遲期隨壓縮比的增加未出現(xiàn)NTC現(xiàn)象。由此可見，初始壓力使混合氣總著火延遲期出現(xiàn)NTC現(xiàn)象的溫度始點發(fā)生變化，隨著初始壓力的升高，混合氣總著火延遲期出現(xiàn)NTC現(xiàn)象的溫度始點向更高溫度的方向移動。

圖8 不同初始壓力下壓縮比對第1階段著火延遲期的影響Fig.8 Effect of compression ratio on first stage ignition delay time under different initial pressures

圖9 不同初始壓力下壓縮比對總著火延遲期的影響Fig.9 Effect of compression ratio on overall ignition delay time under different initial pressures

圖10、圖11分別為初始壓力0.08 MPa時，不同氮氣稀釋率條件下，混合氣第1階段著火延遲期與總著火延遲期隨壓縮比變化的量化對比結果。圖10所示，在3種不同氮氣稀釋率下，混合氣第1階段著火延遲期均隨壓縮比的升高均呈現(xiàn)縮短趨勢，而氮氣稀釋率越高，混合氣第1階段著火延遲期縮短趨勢越緩慢。在氮氣稀釋率47.29%、55.04%與60.81%時，壓縮比從8.82升高到12.02時，混合氣第1階段著火延遲期分別縮短38.3 ms、13.6 ms與9.3 ms.圖11所示，在3種不同氮氣稀釋率下，混合氣的總著火延遲期隨壓縮比的升高呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。在氮氣稀釋率為47.29%和55.04%時，混合氣的總著火延遲期呈單調縮短趨勢，但氮氣稀釋率為55.04%時，總著火延遲期縮短趨勢更緩慢。氮氣稀釋率為60.81%時，混合氣的總著火延遲期呈先縮短后延長的趨勢，出現(xiàn)NTC現(xiàn)象，且在本文實驗條件下，壓縮比10.99為混合氣總著火延遲期出現(xiàn)NTC現(xiàn)象的拐點。由此可見，氮氣稀釋率使混合氣的總著火延遲期出現(xiàn)NTC現(xiàn)象的溫度始點發(fā)生變化，隨著氮氣稀釋率的升高，混合氣總著火延遲期出現(xiàn)NTC現(xiàn)象的溫度始點向更低溫度的方向移動。

圖10 不同氮氣稀釋率下壓縮比對第1階段著火延遲期的影響Fig.10 Effect of compression ratio on first stage ignition delay time under different nitrogen dilution ratios

圖11 不同氮氣稀釋率下壓縮比對總著火延遲期的影響Fig.11 Effect of compression ratio on overall ignition delay time under different nitrogen dilution ratios

2.2 初始壓力、氮氣稀釋率、壓縮比對最高燃燒壓力的影響

本文實驗條件下，DME混合氣最高燃燒壓力和第2階段著火延遲期密切相關。

圖12、圖13分別為p0=0.08 MPa時，不同壓縮比下，第2階段著火延遲期、最高燃燒壓力隨氮氣稀釋率變化的量化對比結果。

從圖12中可以看出，不同壓縮比下，隨氮氣稀釋率的增加，第2階段著火延遲期呈延長趨勢。在壓縮比分別為8.82、9.73、10.99、12.02時，與氮氣稀釋率為47.29%時相比，混合氣第2階段著火延遲期在氮氣稀釋率升高為60.81%時分別延長5.9 ms、4.9 ms、4.8 ms與10.3 ms.相同條件下，如圖13中所示，混合氣最高燃燒壓力呈下降趨勢。在壓縮比分別為8.82、9.73、10.99、12.02時，與氮氣稀釋率為47.29%時相比，混合氣最高燃燒壓力在氮氣稀釋率升高為60.81%時分別下降0.82 MPa、0.92 MPa、1.13 MPa與1.28 MPa.

圖12 氮氣稀釋率對第2階段著火延遲期的影響Fig.12 Effect of nitrogen dilution ratio on the second stage ignition delay time

圖13 氮氣稀釋率對最高燃燒壓力的影響Fig.13 Effect of nitrogen dilution ratio on peak combustion pressure

隨第2階段著火延遲期延長，壓縮后熱損失增多，燃燒劇烈程度降低，所以最高燃燒壓力降低。

圖14為混合氣最高燃燒壓力隨壓縮比變化的量化對比結果。對比圖9和圖14可知，p0=0.04 MPa與p0=0.06 MPa時，混合氣的總著火延遲期隨壓縮比的增加呈先縮短后延長的趨勢，而最高燃燒壓力呈先上升后下降的趨勢，且在本文的實驗條件下，壓縮比9.73和10.99分別為拐點。同樣的，在p0= 0.08 MPa時，隨壓縮比的增加，混合氣的總著火延遲期呈單調縮短趨勢，而最高燃燒壓力呈單調上升趨勢。

圖14 壓縮比對最高燃燒壓力的影響Fig.14 Effect of compression ratio on peak combustion pressure

從圖14中還可以看出，相同壓縮比下，隨初始壓力的增加，最高燃燒壓力呈上升趨勢。

3 結論

1）初始壓力對第1階段著火延遲期的影響并不明顯，而隨著初始壓力的上升，總著火延遲期呈單調遞減趨勢。

2）隨壓縮比的增加，混合氣的著火延遲期出現(xiàn)NTC現(xiàn)象，且初始壓力的增加使出現(xiàn)NTC現(xiàn)象的溫度始點向高溫方向發(fā)展；氮氣稀釋率的增加使出現(xiàn)NTC現(xiàn)象的溫度始點向低溫方向發(fā)展。

3）初始壓力一定，不同壓縮比下，隨氮氣稀釋率的增加，混合氣的最高燃燒壓力和第2階段著火延遲期呈相反的變化趨勢。

4）氮氣稀釋率一定時，不同初始壓力下，隨壓縮比的增加，混合氣的最高燃燒壓力和總著火延遲期呈相反的變化趨勢。而相同壓縮比下，隨初始壓力增加，最高燃燒壓力呈上升趨勢。

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［1］ 黃震，喬信起，張武高，等.二甲醚發(fā)動機與汽車研究［J］.內(nèi)燃機學報，2008，26（增刊）:115-125. HUANG Zhen，QIAO Xin-qi，ZHANG Wu-gao，et al.Research and development of a DME engine and vehicle［J］.Transactions of CSICE，2008，26（S）:115-125.（in Chinese）

［2］ 蔣德明，黃佐華.內(nèi)燃機替代燃料燃燒學［M］.西安:西安交通大學出版社，2007. JIANG De-ming，HUANG Zuo-hua.Study of internal combustion engine combustion of alternative fuels［M］.Xi'an:Xi'an Jiaotong University Press，2007.（in Chinese）

［3］ 李德綱，黃震，喬信起，等.二甲醚燃料均質壓燃燃燒研究［J］.內(nèi)燃機學報，2005，23（3）:193-198. LI De-gang，HUANG Zhen，QIAO Xin-qi，et al.Study on HCCI combustion fueled with DME［J］.Transactions of CSICE，2005，23（3）:193-198.（in Chinese）

［4］ 陳朝陽，黃佐華，苗海燕，等.二甲醚-空氣-N2/CO2混合氣燃燒特性研究［J］.內(nèi)燃機學報，2008，36（3）:207-213. CHEN Zhao-yang，HUANG Zuo-hua，MIAO Hai-yan，et al. Study on combustion characteristics of dimethyl ether-air-N2/CO2premixed mixtures［J］.Transactions of CSICE，2008，36（3）: 207-213.（in Chinese）

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Study of Combustion Characteristics of Dimethyl Ether Based on a Rapid Compression Machine

SHI Zhi-cheng，LIU Hao，ZHANG Hong-guang，LU Hai-tao
（College of Environmental and Energy Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

In order to investigate the combustion characteristics of dimethyl ether（DME），the experiments are conducted under the initial temperature of 293 K，the driving gas pressure of 0.6 MPa，the initial pressure of 0.04～0.08 MPa，the nitrogen dilution ratio of 47.29～60.81%and the compression ratio of 8.82～12.02.The effects of the initial pressures，nitrogen dilution ratio and compression ratio on the ignition delay time and peak combustion pressure of the DME-O2-N2mixtures are investigated using a rapid compression machine（RCM）.The two-stage heat release and two-stage ignition delay time are observed.The negative temperature coefficient（NTC）behavior of the mixtures is observed with the increase in compression ratio.The temperature in the presence of NTC increases with the increase in initial pressure.The temperature in the presence of NTC decreases with the increase in nitrogen dilution ratio. Under a certain initial pressure，with the increase in nitrogen dilution ratio，the peak combustion pressure and the second ignition delay time show the opposite trend under different compression ratios.Under a certain nitrogen dilution ratio，with the increase in compression ratio，the peak combustion pressure andoverall ignition delay time show the opposite trend under different initial pressures.

engineering thermophysics；rapid compression machine；ignition delay time；negative temperature coefficient

TK401

A

1000-1093（2015）07-1340-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.07.025

2014-10-29

國家自然科學基金項目（51376011）；北京工業(yè)大學第十三屆研究生科技基金項目（ykj-2014-11040）；北京市教育委員會科技計劃重點項目（KZ201410005003）

石智成（1990—），男，碩士研究生。E-mail:15933731855@163.com；張紅光（1970—），男，教授，博士生導師。E-mail:zhg5912@263.net