二甲醚发动机非常规排放物的测试与数值模拟研究

摘要

随着能源和环境问题的日益严峻，汽车代用燃料和新型发动机的研究越来越受到重视。含氧清洁燃料二甲醚以其广泛的来源、优越的燃烧经济性和排放性能，被认为是解决中国能源安全与环境保护的重要石油替代燃料。
　　 本文在广泛研读国内外相关文献的基础上，首先对二甲醚发动机的研究历史和现状、存在的问题及发展的趋势进行了综述。以195直喷式柴油机作为原型机，建立了二甲醚直喷和进气道喷射的试验专用台架。通过改变供油提前角、喷油器启喷压力、喷嘴伸出缸盖底面长度、喷孔直径，缸内压缩比、活塞缝隙容积以及进气温度等发动机结构和运行参数，测量了不同转速和负荷条件下二甲醚发动机的燃烧性能和排放，并利用气相色谱分析和傅立叶红外光谱分析技术对非常规排放物甲醛、甲酸和甲酸甲酯的排放量进行了重点测量分析。
　　 本研究在实机测试的基础上，开展了二甲醚发动机非常规排放物的数值模拟研究。针对多维数值模拟目前仍受限于计算机运算能力的实际情况，通过对DME燃烧化学反应机理的深入研究，建立了一个包含33种组分、76步基元反应的简化反应动力学模型。计算结果表明，该模型能够在较宽的运行范围内有效模拟HCCI发动机的工作过程，较好地预测甲醛、甲酸和甲酸甲酯等重要产物的变化历程。利用计算流体力学软件建立了试验发动机的二维轴对称计算模型，并将其与本文提出的简化化学动力学模型相耦合，通过改变燃空当量比、进气温度、压缩比和活塞缝隙容积等参数，对二甲醚HCCI发动机的燃烧和排放过程进行了模拟计算，验证和分析了上述参数对二甲醚HCCI发动机燃烧性能的影响，并就缸内组分随曲轴转角变化的历程进行了预测分析。