[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究通过在30 bar和化学计量比当量比下使用快速压缩机实验研究了二甲醚（DME）与甲醇二元混合物在高压自燃行为。结果表明，随着甲醇含量增加，点火延迟呈现非线性趋势；且不包含交叉反应路径的合并化学动力学模型能良好预测实验数据，表明反应性受共享自由基池而非特定DME–MeOH相互作用的控制。

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.

研究动机与目标

• 为了理解在发动机相关条件下DME-甲醇二元混合物的自燃特性，以用于反应性控制压燃（RCCI）发动机。
• 量化混合比例对高压、高温环境下点火延迟的影响。
• 评估将DME和甲醇的化学动力学机制合并后、不包含显式交叉反应路径的模型对实验数据的预测能力。
• 评估常见自由基（如OH）在DME–甲醇混合物中反应性中介作用。
• 支持开发具有改进燃烧控制和排放性能的先进双燃料RCCI发动机。

提出的方法

• 在30 bar和化学计量比当量比下，于加热的快速压缩机（RCM）中进行实验。
• 通过压力曲线分析使用UConnRCMPy软件测量点火延迟，将点火定义为压缩结束至压力一阶导数首次峰值之间的时间。
• 通过非反应性实验利用等熵压缩关系确定压缩结束（EOC）温度。
• 通过合并经过验证的独立DME和甲醇机制构建化学动力学模型，去除重复物种且不包含交叉反应路径。
• 在恒定体积、绝热条件下进行模拟，以与不同EOC温度下的实验点火延迟进行比较。
• 数据分析聚焦于点火延迟随倒温度（1000/T_C）和混合比例的变化，与模型预测结果进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在30 bar和化学计量比当量比下，DME–甲醇混合物的自燃延迟如何随混合比例变化？
• RQ2 高反应性DME与低反应性甲醇在二元混合物中的反应性相互作用本质是什么？
• RQ3 DME和甲醇的合并动力学机制在不包含显式交叉反应项的情况下，能在多大程度上预测实验点火延迟？
• RQ4 点火延迟的温度依赖性在DME–甲醇组成范围内如何变化？
• RQ5 在缺乏直接交叉反应路径的情况下，常见自由基（如OH）在中介混合物反应性方面发挥何种作用？

主要发现

• 纯DME（100% DME）表现出最短的点火延迟，而纯甲醇（100% MeOH）则表现出最长的点火延迟，证实DME具有更高的反应性。
• 随着甲醇分数增加，点火延迟的变化呈非线性：当DME含量从50%降至0%时，点火延迟增加得比从100%降至50%时更急剧。
• 在目标点火延迟约20 ms时，所需压缩结束温度从100% DME时的约600 K上升至0% DME时的约850 K。
• 尽管未包含显式的DME–MeOH交叉反应，合并的动力学模型在全部组成和温度范围内与实验数据具有良好的一致性。
• 在低温下模型低估点火延迟，高温下则高估点火延迟，可能由于模拟中忽略了压缩后热损失及压缩阶段自由基的累积。
• 结果支持如下假设：DME–甲醇混合物的反应性主要受共享自由基池（如OH）控制，而非DME与甲醇之间的特定双分子反应。