[論文レビュー] High-Pressure Autoignition of Binary Blends of Methanol and Dimethyl Ether

Hong‐Fu Wang, Bryan W. Weber+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2017

Advanced Combustion Engine Technologies参考文献 8被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、30 barおよびストイキオメトリックな当量比の条件下で、急速圧縮機（RCM）を用いて、ジメチルエーテル（DME）とメタノールの二成分混合燃料の高圧自己着火挙動を実験的に調査した。結果は、メタノール含有率の増加に伴い非線形な着火遅れの傾向を示し、相互作用経路を含まない統合化学速度モデルが実験データをよく再現した。これは、反応性が特定のDME–メタノール相互作用ではなく、共有ラジカルプールによって支配されていることを示している。

ABSTRACT

Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI) is a new advanced engine concept that uses a dual fuel mode of operation to achieve significant improvements in fuel economy and emissions output. The fuels that are typically used in this mode include a low- and a high-reactivity fuel in varying proportions to control ignition timing. As such, understanding the interaction effects during autoignition of binary fuel blends is critical to optimizing these RCCI engines. In this work, we measure the autoignition delays of binary blends of dimethyl ether (C$_2$H$_6$O, DME) and methanol (CH$_4$O, MeOH) in a rapid compression machine. In these experiments, dimethyl ether and methanol function as the high- and low-reactivity fuels, respectively. We considered five fuel blends at varying blending ratios (by mole), including 100% DME-0% MeOH, 75% DME-25% MeOH, 0% DME-0% MeOH, 25% DME-75% MeOH, and 0% DME-100% MeOH. Experiments are conducted at an engine-relevant pressure of 30 bar, for the stoichiometric equivalence ratio. In addition, the experimental results are compared with simulations using a chemical kinetic model for DME/MeOH combustion generated by merging independent, well-validated models for DME and MeOH.

研究の動機と目的

• 反応性制御圧縮着火（RCCI）エンジンへの応用を想定し、エンジンに実用的な条件下におけるDME–メタノール二成分混合燃料の自己着火特性を理解すること。
• 高圧・高温環境下におけるブレンド比が着火遅れに与える影響を定量すること。
• DMEおよびメタノールの化学速度機構を統合し、明示的な相互反応経路を含まないモデルの実験的着火遅れ予測能力を評価すること。
• 共通ラジカル（例：OH）がDME–メタノール混合燃料の反応性をどのように媒介しているかを評価すること。
• より優れた燃焼制御および排出性能を実現する高度な二燃料RCCIエンジンの開発を支援すること。

提案手法

• 30 barおよびストイキオメトリックな当量比の条件下で、加熱された急速圧縮機（RCM）を用いた実験。
• UConnRCMPyソフトウェアを用いた圧力トレース解析により着火遅れを測定し、圧力の一次微分の最初のピークに達した時点（圧縮終了時から）を着火時刻として定義した。
• 圧縮終了温度（EOC）を求めるために、非反応系実験を実施し、断熱圧縮関係を用いた。
• DMEおよびメタノールの妥当性が確認された独立した機構を統合し、重複する種を除去し、相互反応経路を含めない形で化学速度モデルを構築した。
• 一定体積・断熱条件の下でシミュレーションを実施し、さまざまなEOC温度における実験的着火遅れと比較した。
• データ解析は、逆温度（1000/T_C）およびブレンド比に関する着火遅れに焦点を当て、モデル予測と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 30 barおよびストイキオメトリックな当量比の下で、DME–メタノール混合燃料の自己着火遅れは、ブレンド比の変化にどのように応じるか？
• RQ2 高反応性のDMEと低反応性のメタノールの間で、反応性の相互作用の性質は何か？
• RQ3 DMEおよびメタノールの統合速度モデルが、明示的な相互反応項を含まない状況でも、実験的着火遅れをどの程度正確に予測できるか？
• RQ4 DME–メタノール組成範囲全域において、着火遅れの温度依存性はどのように変化するか？
• RQ5 直接的な相互反応経路が存在しない状況下で、共通ラジカル（例：OH）は混合燃料の反応性をどのように媒介しているか？

主な発見

• 純DME（100% DME）は最短の着火遅れを示し、純メタノール（100% MeOH）は最長の着火遅れを示した。これはDMEの高い反応性を裏付けている。
• DME含有率の増加に伴う着火遅れの変化は非線形的である。DME含有率が50%から0%に低下する際の遅れ増加は、100%から50%に低下する際よりも著しく急激である。
• 目標着火遅れが約20 msである場合、圧縮終了温度は100% DMEでは約600 K、0% DMEでは約850 Kに上昇する必要がある。
• 統合速度モデルは、明示的なDME–MeOH相互反応を含まないにもかかわらず、全組成および温度範囲において実験データと良好な一致を示した。
• 低温度域ではモデルが着火遅れを低予測し、高温度域では高予測する傾向を示した。これは、シミュレーションで圧縮後の熱損失や圧縮段階におけるラジカル蓄積が無視されているためと推定される。
• 結果は、DME–メタノール混合燃料の反応性が、特定の双分子反応ではなく、主に共有ラジカルプール（例：OH）によって支配されているという仮説を支持している。