發(fā)動機壓縮燃燒中二甲醚燃燒機理簡化研究

雷雄，趙玉偉，陶柳

（1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000；2.空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西 西安 710051）

前言

二甲醚（DME）作為被世界普遍看好的未來超清潔燃料之一，研究發(fā)現(xiàn)，二甲醚可以從煤、天然氣和生物質(zhì)中制得，進(jìn)氣道預(yù)混 DME可使發(fā)動機機獲得較好的動力性、燃燒和排放特性。因此，二甲醚被認(rèn)為是21世紀(jì)最有潛力的柴油機清潔替代燃料之一。

二甲醚化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機理研究的基礎(chǔ)是二甲醚氧化試驗研究[1,2]。基于二甲醚氧化試驗，許多研究團隊提出了不同的二甲醚氧化反應(yīng)的詳細(xì)機理。二甲醚的詳細(xì)機理的基元反應(yīng)都有幾百甚至上千步基元反應(yīng)，因此將詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機理直接應(yīng)用于三維數(shù)值模擬是很冗雜的，并且將耗費相當(dāng)多的精力及時間。因此簡化出一個盡可能少基元反應(yīng)的簡化機理，并盡可能的保持燃料的反應(yīng)特性，是很有必要的。

1 二甲醚簡化機理的構(gòu)建

1.1 二甲醚主要反應(yīng)路徑分析

基于Curran等提出的二甲醚詳細(xì)機理模型（該模型包含了79種組分和351步基元反應(yīng)），使用美國Sandia國家實驗室開發(fā)的CHEMKIN軟件中的反應(yīng)路徑分析（Reaction Path Analyzer，簡稱RPA），得到DME氧化反應(yīng)主要路徑。對二甲醚燃燒的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機理的研究發(fā)現(xiàn)，二甲醚燃燒放熱為典型的雙階段放熱[4,5]。圖1所示為當(dāng)二甲醚燃料消耗10%的時候，在壓力為23 bar，溫度為700 K、900 K、1200 K的條件下DME在空氣中氧化燃燒的主要反應(yīng)路徑。

圖1 DME詳細(xì)機理主要反應(yīng)路徑

通過對圖1進(jìn)行分析，二甲醚燃燒氧化反應(yīng)的主要途徑可以簡單的概括為：低溫反應(yīng)時，DME燃料分子首先通過脫氫反應(yīng)生成甲氧基甲基（ch3och2），甲氧基甲基經(jīng)過一次氧化生成甲氧基甲基過氧化物離子（ch3och2o2），再通過內(nèi)部異構(gòu)反應(yīng)生成過氧羥基甲基離子（ch2och2o2h），經(jīng)過第二次加氧反應(yīng)生成 o2ch2och2o2h，經(jīng)過異構(gòu)化及裂解反應(yīng)得到och2ocho，一部分分解得到甲醛，一部分分解得到甲酸。在高溫反應(yīng)時，主要包含兩部分，一是低溫反應(yīng)的生成物如甲醛、甲酸等的氧化分解反應(yīng)，二是燃料分子的高溫?zé)崃呀夥磻?yīng)。

1.2 反應(yīng)速率敏感性分析

通過將反應(yīng)式的正反應(yīng)及逆反應(yīng)的反應(yīng)速率提高一倍或是減小一倍來改變整個機理的反應(yīng)活性。將由于反應(yīng)速率常數(shù)的變化引起的著火滯燃期變化的百分率作為反應(yīng)速率敏感性系數(shù)[6]。敏感性系數(shù)定義如下：

式1中的Si代表第i步基元反應(yīng)的反應(yīng)速率敏感性系數(shù)；τ代表燃料的滯燃期； Ki代表第i步基元反應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)。因此正的反應(yīng)速率敏感性系數(shù)表示抑制整個系統(tǒng)的活性，而負(fù)的反應(yīng)速率敏感性系數(shù)表示增強了整個系統(tǒng)的活性。

圖2 主要反應(yīng)的反應(yīng)敏感性系數(shù)

圖2顯示的是壓力為40 bar時，在理論空燃比（即當(dāng)量比Ф=1.0）的條件下，三個典型初始溫度條件的部分重要基元反應(yīng)的反應(yīng)速率敏感性系數(shù)圖，初始溫度分別為低溫反應(yīng)區(qū)域（700 K），負(fù)溫度系數(shù)區(qū)（900 K），高溫反應(yīng)區(qū)域（1200 K）。

低溫反應(yīng)時對系統(tǒng)的反應(yīng)速率影響較大的反應(yīng)有：由oh、h、ho2、ch3o2和 o2與燃料分子（ch3och3）發(fā)生的脫氫反應(yīng)。ch2och2o2h與氧氣的反應(yīng)，以及緊接著的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。在低溫反應(yīng)時，ch3och2o2內(nèi)部異構(gòu)化反應(yīng)以及ho2ch2ocho的分解反應(yīng)的敏感性最大。

高溫反應(yīng)時對系統(tǒng)的反應(yīng)速率影響較大的反應(yīng)有：ch3，ch2o與ho2的反應(yīng)，h2o2的分解反應(yīng)，h離子與o2的反應(yīng)，ch3och3、ch3och2的分解反應(yīng)，以及二甲醚與 ho2、ch3o2和ch3的反應(yīng)。

2 二甲醚簡化機理的驗證

通過上述分析對詳細(xì)機理進(jìn)行簡化重組，得到一個包含29種組分，38步基元反應(yīng)的簡化機理。整個簡化機理包含低溫反應(yīng)模型、負(fù)溫度系數(shù)區(qū)模型以及高溫反應(yīng)模型。為了檢驗簡化模型對燃燒過程預(yù)測的準(zhǔn)確性，采用CHEMKIN軟件分別進(jìn)行了預(yù)混壓縮燃燒發(fā)動機模擬驗證，柴油機工況的著火滯燃期驗證，以及缸內(nèi)最高溫度與壓力的計算，并將計算結(jié)果與詳細(xì)模型計算的結(jié)果進(jìn)行對比驗證。

2.1 著火滯燃期的驗證

已經(jīng)有許多的國內(nèi)外學(xué)者對DME的化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行了試驗驗證，主要采用的試驗設(shè)備有激波管、流動反應(yīng)器、噴射攪拌反應(yīng)器（JSR）以及快速壓縮機（RCM）等。兩個比較典型激波管試驗如下：一個是 Pfahl等在定容、壓力為13 bar和40 bar的條件下研究了初始溫度在650 K到1250 K之間二甲醚/空氣混合氣的滯燃期變化，這個試驗非常有意義的原因在于上述的測量條件與實際的柴油機工作條件比較相近，并且其測量結(jié)果顯示DME燃燒有著很明顯的負(fù)溫度系數(shù)區(qū)（NTC）[7]；另一個是Daguat等在壓力為3.5 bar，溫度為1200 K—1600 K的高溫的條件下測量了二甲醚燃燒的滯燃期變化，同時還測量了在不同當(dāng)量比條件下（Ф=0.5、1.0、2.0）的二甲醚燃燒滯燃期[8]。

化學(xué)反應(yīng)動力機理模型通常可以用來模擬激波管的試驗結(jié)果。本文使用 CHEMKIN軟件中的 Closed Homogenous Batch Reactor模型，模擬激波管反射波后的均質(zhì)、定容、絕熱條件，并計算了二甲醚/空氣混合氣的滯燃期。由于 Pfahl等的試驗所覆蓋的溫度范圍更加廣泛，因此選用該試驗結(jié)果來對比二甲醚詳細(xì)機理（Curran等模型）與簡化機理（本模型）的計算結(jié)果。初始條件設(shè)置為：當(dāng)量比為Ф=1.0，壓力為13 bar與40 bar，溫度變化為從650 K到1250 K。如圖3所示。

圖3 試驗滯燃期與計算滯燃期比較

從圖 3可以看出簡化機理能夠準(zhǔn)確的計算出二甲醚/空氣混合氣的滯燃期，并且簡化機理與詳細(xì)機理的計算結(jié)果相差甚小。

從圖3中還可以比較明顯的看出二甲醚燃燒的低溫反應(yīng)區(qū)、負(fù)溫度系數(shù)區(qū)和高溫反應(yīng)區(qū)。從圖還可知壓力越大，負(fù)溫度系數(shù)區(qū)越不明顯，這是因為壓縮壓力是影響滯燃期的主要因素，壓力越大，燃料越容易著火，滯燃期也就越短，從而使得負(fù)溫度系數(shù)區(qū)影響減小。隨著壓縮初始溫度的逐漸增加，滯燃期也變得越來越短。從圖中還可以看出，隨著壓力的增大，簡化機理模型與詳細(xì)機理模型對著火延遲的預(yù)測更加的接近，但使用模型預(yù)測的滯燃期與試驗測得的滯燃期數(shù)據(jù)偏差越明顯。在壓力不變的情況下，在低溫反應(yīng)區(qū)域，簡化機理模型對滯燃期的預(yù)測與詳細(xì)機理模型比較接近，在高溫反應(yīng)區(qū)域與試驗數(shù)據(jù)比較接近。特別的當(dāng)壓力為40 bar的時候，模型預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果在負(fù)溫度系數(shù)區(qū)與高溫區(qū)域有較大的差異。

2.2 缸內(nèi)溫度壓力的驗證

為了驗證簡化模型在氣缸內(nèi)部的燃燒預(yù)測的準(zhǔn)確性，設(shè)置發(fā)動機初始條件為：計算步長為0.1oCA，單缸發(fā)動機，零維模型，發(fā)動機的缸徑為102 mm，沖程為115 mm，壓縮比為 16.5，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為 1400 rpm。當(dāng)量比為Ф=0.5，燃料/空氣混合氣進(jìn)入氣缸初始溫度為 350 K，初始壓力為 0.98 atm。

圖顯示的是本文簡化機理與 Curran等的詳細(xì)機理在發(fā)動機模型上計算的氣缸內(nèi)的壓力和溫度的比較。圖表明，簡化機理模型計算出的氣缸內(nèi)壓力曲線圖(a)和溫度曲線圖(b)與采用詳細(xì)機理計算的結(jié)果基本一致，初步驗證了本文提出的簡化機理可以用來模擬計算發(fā)動機缸內(nèi)的溫度壓力變化。該簡化機理能基本準(zhǔn)確的描述二甲醚燃燒的兩階放熱特性，但是不足之處是預(yù)測的缸內(nèi)最高燃燒壓力和溫度較詳細(xì)機理模型計算的低。因為該簡化機理沒有考慮ch3，c2h5等低碳烴基氧化所引起的支鏈反應(yīng)[9]。

圖4 簡化機理與詳細(xì)機理對比—壓力、溫度

2.3 重要組分的驗證

本文所提出的簡化機理最主要的簡化分析方法之一是基于二甲醚氧化燃燒反應(yīng)過程的主要中間組分的重要性的。因此為了驗證簡化機理對重要中間產(chǎn)物摩爾分?jǐn)?shù)的預(yù)測，選取ch3och3、ch3och2、ch2o、h2o2等重要組分作為驗證的對象。

圖 5為氧化反應(yīng)過程中較重要的組分的摩爾分?jǐn)?shù)曲線圖，從圖中可以觀察出簡化模型與詳細(xì)模型所計算的各組分的摩爾分?jǐn)?shù)曲線大體一致，特別是在曲線的拐角處也能與詳細(xì)模型計算的曲線較吻合。在低溫反應(yīng)區(qū)，簡化模型計算得到的各組分的摩爾分?jǐn)?shù)幾乎與詳細(xì)機理模型計算得到的數(shù)值一樣，但是在高溫反應(yīng)區(qū)，簡化模型所計算的摩爾分?jǐn)?shù)略高于詳細(xì)模型的計算值。

甲醛（ch2o）與h2o2是反應(yīng)中比較重要的中間產(chǎn)物。從圖5 (b)中可以看出兩者主要是在低溫反應(yīng)區(qū)域生成的，由于兩者在中低溫區(qū)域比較穩(wěn)定，所以整個系統(tǒng)的反應(yīng)速率逐漸降低，導(dǎo)致NTC區(qū)域的形成，但是當(dāng)缸內(nèi)的溫度較高時，ch2o與h2o2則迅速的被消耗掉。因此該簡化機理是可以用來模擬計算反應(yīng)過程中的中間組分的摩爾分?jǐn)?shù)變化的。

圖5 重要組分的詳簡模型摩爾分?jǐn)?shù)對比

3 結(jié)論

本文從理論上研究了二甲醚燃料壓燃燃燒的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機理。通過本文的研究可以得出以下結(jié)論：

（1）本文對Curran等的二甲醚詳細(xì)機理進(jìn)行了反應(yīng)路徑分析、反應(yīng)速率敏感性分析以及重要組分分析，得到了一個包含29種組分，38步基元反應(yīng)的二甲醚簡化機理。

（2）本文得到的二甲醚簡化機理模型所計算的滯燃期與Pfahl等的試驗結(jié)果比較一致，與詳細(xì)機理計算的滯燃期也有很好的一致性。