甲醇_二甲醚RCCI发动机燃烧性能数值研究.pdf

内燃机与配件w w w n r j p j c n甲醇/二甲醚R C C I发动机燃烧性能数值研究苗旭东,徐震,李明海(大连交通大学 机车车辆工程学院,辽宁 大连 )摘要:以甲醇和二甲醚分别为低、高反应活性燃料,甲醇能量比例和喷油时刻为变量,数值模拟了低负荷工况下反应活性控制压燃(R C C I)和逆向反应活性控制压燃(R R C C I)发动机的性能,并对两种燃烧方式进行了对比.仿真结果表明:在本文的研究工况下,R C C I燃烧放热速率快、缸压峰值高,而R R C C I高温氧化放热时刻早、放热速率平缓、燃烧持续期长.相较于R C C I燃烧,R R C C I燃烧的燃烧相位可灵活调节,等效指示燃油消耗率可达 g/kWh,而且允许的甲醇能量比例和喷油时刻范围更广.关键词:甲醇/二甲醚双燃料;反应活性控制压燃;逆向反应分层中图分类号:U 文献标识码:A文章编号:X()N u m e r i c a l S t u d yo nC o m b u s t i o nC h a r a c t e r i s t i c so fA M e t h a n o l/D i m e t h y lE t h e rR e a c t i v i t yC o n t r o l l e dC o m p r e s s i o nI g n i t i o n(R C C I)E n g i n eM i a oX u d o n g,X uZ h e n,L iM i n g h a i(S c h o o l o fL o c o m o t i v ea n dR o l l i n gS t o c kE n g i n e e r i n g,D a l i a nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,D a l i a n ,C h i n a)A b s t r a c t:T a k i n gt h em e t h a n o l e n e r g yr a t i oa n d i n j e c t i o nt i m ea sv a r i a b l e s,t h ep e r f o r m a n c eo f r e a c t i v i t yc o n t r o l l e dc o m p r e s s i o n i g n i t i o n(R C C I)a n dR C C Iw i t h r e v e r s e r e a c t i v i t y s t r a t i f i c a t i o n(R R C C I)f u e l e dm e t h a n o l a n dd i m e t h y l e t h e ru n d e r l o wl o a d c o n d i t i o n sw a s n u m e r i c a l l y s i m u l a t e d a n d t h e t w o c o m b u s t i o nm e t h o d sw e r e c o m p a r e d T h e s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tu n d e r t h e r e s e a r c hc o n d i t i o n s i nt h i sp a p e r,R C C Ih a sa f a s t c o m b u s t i o na n dr e l e a s e r a t ea n dh i g hp e a kc y l i n d e rp r e s s u r e,w h i l eR R C C Ih a s ag e n t l eh e a t r e l e a s e r a t e a n da l o n gc o m b u s t i o nd u r a t i o n C o m p a r e d t oR C C I c o m b u s t i o n,t h e c o m b u s t i o np h a s eo fR R C C I c o m b u s t i o nc a nb e f l e x i b l ya d j u s t e d,E I S F Cc a nr e a c h g/k W h,a n d t h ea l l o w a b l em e t h a n o l e n e r g yr a t i oa n d i n j e c t i o n t i m e r a n g e i sw i d e r K e yw o r d s:M e t h a n o l/d i m e t h y l e t h e r d u a l f u e l;R e a c t i v i t yc o n t r o l l e dc o m p r e s s i o n i g n i t i o n;R e v e r s e r e a c t i v i t ys t r a t i f i c a t i o n作者简介:苗旭东(),男,研究生在读,研究方向:替代燃料与先进燃烧方式.碳中和是人类为了自身长久生存和可持续发展达成的最大共识,其本质是一场能源革命,由化石能源向可再生能源转化.替代燃料与先进燃烧方式结合的内燃机是交通运输行业实现碳中和的一种有效路径.低温燃烧方式(L T C)采用预混压燃提高了热效率,同时在较低的燃烧温度和稀薄的混合气共同作用下有效避免了氮氧化物(N O x)和碳烟(s o o t)的生成.L T C因其良好的性能得到广泛的研究,并产生了各种概念:均质压燃(HC C I)、部分预混压燃(P P C)、反应活性控制压燃(R C C I)等等.R C C I燃烧采用两种不同反应活性燃料,低反应活性燃料从进气道引入缸内形成预混气,高反应活性燃料直接喷射形成燃料的反应性分层和浓度分层,由此实现着火时刻和燃烧相位的控制.R C C I可灵活使用不同的燃料组合,同时具有高负荷下应用的潜力.进年来,一些学者提出了另一种R C C I燃烧方式:逆向反应活性控制压燃(R R C C I),即传统R C C I不同反应活性燃料互换进入缸内的一种燃烧方式.C h o w d h u r y等人通过R R C C I燃烧方式解决了甲醇/添加助燃剂的甲醇R C C I燃烧时点火正时难以控制的问题.D u a n等人对汽油/P O D E双燃料的三种燃烧方式进行了实验对比利用轻型压燃式发动机,结果表明R R C C I有着介于P P C和R C C I的燃烧速度与燃烧效率.甲醇来源广泛,可由煤炭、天然气等资源制取,也能利用可再生能源生产.甲醇辛烷值高具有良好的抗爆性,可提高压缩比以改善热效率.火焰传播速度快,燃烧持续期短,更接近定容燃烧.甲醇在点燃式发动机(S I)上得到了广泛使用,当其应用于压燃式发动机(C I)时,通常需要采用先进燃烧方式或是与柴油、二甲醚等高十六烷值燃料配合使用.L T C的研究对象普遍以传统的汽油、柴油为燃料,本文以低碳含氧替代燃料甲醇和二甲醚为研究对象,利用数值模拟的方法对其应用于R C C I与R R C C I发动机的性能进行了探索,并分析了R C C I与R R C C I燃烧方式之间的差异.发动机模型及性能评价指标 仿真模型美国L o sA l a m o s国家实验室推出了用于发动机仿真模拟的K I VA程序,随着版本的更新与子模型的改进和丰富,其可靠性和准确程度逐渐提高.本文利用K I VA V程序结合改进的理化子模型对甲醇/二甲醚R C C I与R R C C I燃烧过程进行数值模拟.采用R N G 模型捕捉缸内湍流流动,采用KH R T模型和Z h a n g等人的喷雾碰壁模型、油膜模型 描述燃料在缸内的一系列变化,采用J i a等人改进的H a n与R e i t z的模型对璧面传热 年第 期进行预测.选取 长 城GW D 单 缸 发 动 机 作 为 模 拟 仿 真 机型,其结构参数如下:缸径行程为 mm mm;排量为 L;压缩比为 :;喷油器喷孔数目:个.为了节约计算成本取/模型,发动机仿真模型的计算网格如图所示.图仿真模型计算网格 模型验证本文的模型验证基于陈征的甲醇/二甲醚复合燃烧实验工作进行,实验中二甲醚随空气进入缸内预混,甲醇在上止点附近喷入缸内.验证发动机的结构参数如下:缸径行程为 mm mm;排量为 L;压缩比为 :.其计算网格如图所示.图为缸内压力和放热率曲线的实验数据与仿真结果对比.验证结果表明建立的甲醇/二甲醚R C C I发动机模型对燃烧产物的预测是合理的,下文的数值研究基于该模型展开.图仿真与实验的缸内压力与放热速率对比 性能评价指标本文从经济性、稳定性和排放性三个方面对发动机的性能进行评价.由于不同燃料之间的低热值存在差异,在双燃料发动机中通常采用等效指示燃油消耗率(E I S F C)来衡量其经济性能,通过低热值的对比将不同燃料的质量消耗转化为柴油质量消耗,计算公式为E I S F CMiHiMpHpHdE V OI V Cp d v式中:M、H分别表示燃料的质量和低热值,i、p、d分别代表了直喷燃料、预混燃料和柴油,缸内压力和体积在进气门关闭时刻(I V C)至排气门开启时刻(E V O)时刻的积分求得指示功.发动机运行中应避免敲缸问题平稳工作,通常以声响强度(R I)来衡量低温燃烧发动机的震动程度,计算公式为R i n g i n gI n t e n s i t y R Tm a x(d p/d t)m a xPm a x式中:为比热比,P、T分别为缸内压力和温度,R为理想气体常数.当燃料含氧量大于 时,发动机在任何工况下均不产生碳烟排放.本文所用的甲醇燃料和二甲醚燃料均满足这一条件且发动机在稀薄条件下燃烧,故以N O x排放量评价发动机的排放性能,而未考虑碳烟的排放.低负荷下发动机的性能对比本文设定发动机的转速为 r e v/m i n,每循环中输入发动机的燃料总能量(即甲醇与二甲醚能量之和)固定为 J.发动机的运行参数如下:进气温度 K;进气压力 b a r;无废气循环.在R C C I燃烧方式中,甲醇直接喷射到缸内,二甲醚随空气进入缸内;而对于R R C C I燃烧,二甲醚直接喷射到缸内,甲醇随空气进入缸内.甲醇能量比例为,喷油时刻为 A A T D C时,两种燃烧方式的经济性能如图所示,R C C I燃烧的E I S F C与燃烧相位密切相关.在中高甲醇能量比例与较晚的喷油时刻下,R C C I燃烧体现出较高的E I S F C,此时C A 位于 A A T D C附近,燃烧持续期约为 A.随着二甲醚能量比例增加和喷油时刻的提前,C A 提前于上止点,燃烧阻碍曲轴上升做负功导致经济性下降.R R C C I燃烧则在中低甲醇能量比例与较早的喷油时刻下体现出较高的E I S F C,其经济性能与燃烧相位密切相关:以C A 位于上止点附近为优,随燃烧相位的提前或延迟而恶化.当二甲醚能量比例高、喷油时刻晚时,燃烧温度高、换热时间长,C A 位于上止点前,传热损失的增加;当二甲醚能量比例减少、喷油时刻提前时,C A 位于上止点后时,燃料释放的能量很大一部分转化为排气的焓值而非输出功.R C C I相比于R R C C I燃烧而言,放热速率快、燃烧持续期短,接近于定容燃烧,经济性良好区域范围更大.图R C C I与R R C C I燃烧的经济性对比图显 示 了 两 种 燃 烧 方 式 的 声 响 强 度,R I小 于WM/m时认为发动机工作稳定无爆震.R I与燃烧持续期密切相关(C A C A ),与第一燃烧阶段(C A C A )联系更为紧密.在所有充分燃烧的算例中,R C C I的第一燃烧阶段集中于A,而R R C C I为A,过高的燃烧速率导致其需要精确控制运行参数才能满足R I要求平稳工作.甲醇的喷射时刻决定了不同的R R C C I燃烧方式:在 AA T D C之前喷射时,甲醇有足够的时间扩散,缸内燃料反应活性分层明显,以预混和分层燃烧为主;在 AA T D C附近喷射时,二甲醚已开始高温氧化放热,甲醇与二甲醚迅速放热导致R I剧烈增加,此时呈二甲醚低温放热、甲醇/二甲醚高温放热两阶段燃烧;在 AA T D C附近喷射时,二甲醚高温氧化放热基本结束,甲醇进入缸内扩散燃烧,呈二甲醚低温、高温放热和甲醇高温放热三阶段燃烧,R I得到缓解.内燃机与配件w w w n r j p j c n图R C C I与R R C C I燃烧的声响强度对比两种燃烧方式氮氧化物排放对比如图所示,欧V I排放法规要求N O x排放应小于 g/k W h.R C C I燃烧只有在中高甲醇能量比例、早喷油时刻下才能满足N O x排放标准,甲醇能量比例低时C A 过早于上止点使得缸内处于高温状态的时间较长,晚喷油时刻燃烧剧烈缸内温度较高.由于温度高、反应时间长,N O x排放超出欧V I标准.相比之下,R R C C I燃烧的N O x排放主要与喷油时刻有关,受甲醇能量比例影响小.甲醇喷射时刻较早可以缓和缸内温度的升高,故晚喷时较高的缸内温度促进了N O x生成.图R C C I与R R C C I燃烧的N O x排放对比结论本文利用K I VA V程序,对甲醇/二甲醚R C C I与R R C C I燃烧的发动机性能进行了数值模拟分析,得出如下结论:()在本文的研究工况下,R C C I燃烧放热速率快、缸压峰值高,而R R C C I高温氧化放热时刻早、放热速率平缓、燃烧持续期长.()R C C I燃烧方式为了获得良好的经济性和排放性能需要中高比例的甲醇燃料,其燃烧速率过快不易控制.甲醇能量比例为,喷油时刻为 A A T D C时,E I S F C可达 g/k W h,R I为 WM/m,N O x排放为 g/k W h.()R R C C I燃烧方式的经济性能受甲醇能量比例和喷油时刻的共同影响,而声响强度与N O x排放主要与喷油时刻有关,受甲醇能量比例影响小.甲醇能量比例为,喷油时刻为 A A T D C时,E I S F C可达 g/k W h,R I为 WM/m,N O x排放为 g/k W h.()相较于R C C I燃烧,R R C C I燃烧的C A 可灵活调节,在满足R I与N O x排放标准的前提下,允许的甲醇能量比例和喷油时刻范围更广.在本文的研究工况下,甲醇/二甲醚R R C C I发动机性能表现优于R C C I燃 烧 发动机.参考文献:帅石金,王志,马骁,e t a l 碳中和背景下内燃机低碳和零碳技术路径及关键技术J汽车安全与节能学报,():李耀鹏甲醇/柴油活性控制压燃式发动机的数值研究及热力学分析D大连:大连理工大学,徐震合成气反应活性控制压燃式发动机燃烧和优化的数值研究D大连:大连理工大学,C h o w d h u r y M,D e m p s e y A I n v e r t e dR e a c t i v i t yC o n t r o l l e dC o m p r e s s i o n I g n i t i o n(i R C C I)w i t hM e t h a n o lF u e l&R e a c t i v i t yE n h a n c e r sR S A ET e c h n i c a lP a p e r,D u a nH,J i aM,L iY,e ta l Ac o m p a r a t i v es t u d yo nt h e p e r f o r m a n c e o f p a r t i a l l y p r e m i x e d c o m b u s t i o n(P P C),r e a c t i v i t y c o n t r o l l e d c o m p r e s s i o n i g n i t i o n(R C C I),a n dR C C Iw i t hr e v e r s er e a c t i v i t ys t r a t i f i c a t i o n(R R C C I)f u e l e dw i t hg a s o l i n ea n dp o l y o x y m e t h y l e n ed i m e t h y l e t h e r s(P O D E n)J F u e l,:吴继盛,吴家正,刘洪运甲醇作柴油机替代燃料的研究现状与展望J节能技术,():W a n gB L,L e eC W,R e i t zRD,e ta l Ag e n e r a l i z e dr e n o r m a l i z a t i o ng r o u p t u r b u l e n c em o d e l a n d i t s a p p l i c a t i o nt oal i g h t d u t yd i e s e le n g i n eo p e r a t i n gi nal o w t e m p e r a t u r e c o m b u s t i o n r e g i m eJ I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fE n g i n eR e s e a r c h,():R i c a r tLM,R e l t zRD,D e c JE C o m p a r i s o n so f d i e s e ls p r a yl i q u i dp e n e t r a t i o na n dv a p o rf u e ld i s t r i b u t i o n sw i t h i n c y l i n d e r o p t i c a lm e a s u r e m e n t sJ J E n g G a sT u r b i n e sP o w e r,():Z h a n gY,J i aM,L i uH,e ta l D e v e l o p m e n to fan e ws p r a y/w a l l i n t e r a c t i o nm o d e l f o r d i e s e l s p r a yu n d e rP C C I e n g i n er e l e v a n tc o n d i t i o n sJA t o m i z a t i o n a n ds p r a y s,()Z h a n gY,J i aM,L i uH,e t a l D e v e l o p m e n t o f a n i m p r o v e dl i q u i df i l m m o d e lf o rs p r a y/w a l li n t e r a c t i o nu n d e re n g i n e r e l e v a n tc o n d i t i o n sJI n t e r n a t i o n a lJ o u r n a l o fM u l t i p h a s eF l o w,:C a o J,J i aM,N i uB,e t a l E s t a b l i s h m e n t o f a n i m p r o v e dh e a tt r a n s f e rm o d e lb a s e do na ne n h a n c e dt h e r m a lw a l lf u n c t i o nf o r i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e so p e r a t e du n d e rd i f f e r e n tc o m b u s t i o nm o d e sJ E n e r g yC o n v e r s i o na n dM a n a g e m e n t,:陈征甲醇高效清洁燃烧过程的基础理论研究D天津:天津大学,Y a oC,C h e u n gCS,C h e n gC,e ta l R e d u c t i o no fs m o k ea n dN Oxf r o md i e s e le n g i n e su s i n gad i e s e l/m e t h a n o lc o m p o u n dc o m b u s t i o ns y s t e mJE n e r g y&f u e l s,():E n gJ C h a r a c t e r i z a t i o no fp r e s s u r ew a v e si n HC C Ic o m b u s t i o nR S A ET e c h n i c a lP a p e r,蒋德明内燃机替代燃料燃烧学M 西安:西安交通大学出版社,