DME閃急沸騰噴霧特性及其在柴油HCCI發(fā)動機上的應用研究.pdf

1、能源危機的出現(xiàn)以及人們環(huán)保意識的加強，使得探索利用新能源以及清潔高效利用現(xiàn)有石油資源成為現(xiàn)代內(nèi)燃機創(chuàng)新技術(shù)研究的一個主攻方向。近年來，二甲醚（Dimethyl Ether，DME）作為一種柴油機代用燃料，其良好的噴霧特性和著火性能，已受到內(nèi)燃機研究者的高度重視。為了實現(xiàn)發(fā)動機高熱效率以及低排放性能，具有“均質(zhì)壓燃、低溫燃燒”特征的HCCI 燃燒模式正受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。
　　 發(fā)動機燃用DME/柴油混合燃料，既可克服純柴

2、油因其粘度高、飽和蒸汽壓低而難以制備HCCI 均質(zhì)可燃混合氣的問題，又能較好地解決發(fā)動機燃用純DME 存在的高壓供油系統(tǒng)磨損和燃油泄漏比較嚴重的弊端。因此，本文以燃油噴霧強化混合過程及其對低溫燃燒的影響為研究對象，著重研究柴油機代用燃料DME 閃急沸騰噴霧特性及DME/柴油混合燃料在新一代燃燒模式HCCI發(fā)動機上的應用。本文的研究內(nèi)容和研究成果主要有以下幾個方面：
　　 在廣泛閱讀國內(nèi)外相關(guān)文獻的基礎上，詳細闡釋了閃急沸騰噴霧的

3、特點，深入分析了閃急沸騰噴霧蒸發(fā)與霧化混合的機理，確立了利用閃急沸騰效應以實現(xiàn)發(fā)動機燃燒全時間歷程強化混合的技術(shù)思路，以便為HCCI發(fā)動機均質(zhì)混合氣的快速制備提供一條新的技術(shù)途徑。為了實現(xiàn)閃急沸騰噴霧多維數(shù)值模擬，在KH-RT 液滴破碎模型的基礎上，構(gòu)筑了適用于閃急沸騰噴霧的宏觀現(xiàn)象學模型，該模型著重考慮了過熱度對DME 閃急沸騰噴霧錐角、貫穿距等宏觀噴霧特性以及液滴蒸發(fā)速率和液滴溫度變化的影響，忽略了閃急沸騰噴霧過程中DME 液滴內(nèi)部

4、氣泡核的產(chǎn)生、氣泡的生長及破碎等微觀變化過程的影響，藉以在滿足工程應用精度的前提下，達到簡化計算過程、提高計算效率的目的。
　　 建立了閃急沸騰噴霧宏觀現(xiàn)象學模型與KIVA-3V2 程序的耦合模型，解決了原KIVA-3V2 程序不能預測分析閃急沸騰噴霧的局限。模型預測分析與驗證試驗表明，DME 閃急沸騰噴霧模擬計算與DPIV 實測結(jié)果基本吻合。在相同噴射條件下，DME閃急沸騰噴霧錐角明顯大于柴油普通噴霧，且DME 噴霧貫穿距在1

5、.0ms時基本達到其最大值，而此時的柴油噴霧貫穿距仍在繼續(xù)增加；與柴油普通噴霧相比，DME 閃急沸騰噴霧體前端存在明顯的渦環(huán)結(jié)構(gòu)，其具有促進湍流擴散和強化燃油霧化混合的作用，致使DME 噴霧的氣相濃度值遠高于柴油噴霧，且其SMD 遠較后者小得多。
　　 利用激光粒度測試儀以及高性能數(shù)碼相機試驗研究了柴油、DME 以及DME/柴油混合燃料噴霧的粒度分布特性以及噴霧體宏觀特征，并在KIVA-3V2 程序中添加了DME/柴油混合燃料熱

6、物性數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了DME/柴油混合燃料噴霧的多維數(shù)值模擬計算。模擬計算得到的燃油噴霧形態(tài)以及液滴SMD 值與試驗結(jié)果吻合較好。研究結(jié)果表明：燃油的噴霧特性與燃油的物理性質(zhì)緊密相關(guān)，當柴油中摻混液相DME時，燃油粘度和表面張力的降低以及噴霧過程中DME 強烈的閃急沸騰微爆效應有效地促進了燃油的霧化與破碎。在穩(wěn)態(tài)噴霧發(fā)展過程中，各種燃油液滴的SMD 在靠近噴孔的軸向位置處變化較快，隨著軸向距離的增加，其變化趨于平緩；與純柴油相比，DME/柴

7、油混合燃料噴霧錐角以及噴霧體寬度具有較大幅度的增加，且SMD 軸向分布明顯減小，噴霧場內(nèi)大滴徑液滴的分布概率大大降低，這些變化趨勢隨DME含量的增加而更加顯著。顯然，閃急沸騰微爆效應的確能夠強化燃油噴霧霧化，從而達到強化油氣混合，實現(xiàn)快速制備均質(zhì)混合氣的目的。
　　 在圍繞閃急沸騰微爆效應開展以技術(shù)創(chuàng)新為導向的基礎研究的背景下，進而開展了DME/柴油混合燃料HCCI 燃燒的試驗研究。采用進氣道噴射DME/柴油混合燃料的研究表明：

8、DME 閃急沸騰微爆效應能夠極大地促進燃油的破碎霧化和蒸發(fā)，在相同條件下，均質(zhì)混合氣制備率隨DME 摻混比例的增加而提高；適當提高燃油噴射壓力和進氣溫度有利于進一步提高混合氣制備率。兼顧DME/柴油混合燃料的均質(zhì)混合氣制備率及其對發(fā)動機的潤滑性能的DME50（DME與柴油的質(zhì)量比為50%的混合燃料），在噴油壓力為15.0MPa、進氣溫度為室溫25℃時，可獲得高達91.9%的混合氣制備率。同時，還開展了旨在拓展低溫燃燒運行范圍的試驗研究，

9、當進氣中CO2含量達30%時，可使發(fā)動機缸內(nèi)最大平均有效壓力由0.32MPa 提高到0.5MPa，并使較高負荷下的Nox 排放得到有效抑制，但會導致中小負荷工況下未燃HC和CO 較大幅度增加。
　　 基于DME/正庚烷混合燃料化學反應動力學機理和Nox 生成反應機理，構(gòu)建了DME/正庚烷燃燒反應化學動力學的模型，該模型適用于HCCI發(fā)動機燃燒與排放的性能預測研究，為HCCI 燃燒系統(tǒng)參數(shù)的選擇與匹配提供了分析工具。利用該模型進行