关于由聚氧甲基二甲醚3（PODE 3）和柴油引燃的氢气扩散燃烧特性的数值研究

《Fuel》：Numerical investigation on the diffusion combustion characteristics of hydrogen ignited by polyoxymethylene dimethyl ethers 3 (PODE 3) and diesel

氢燃料双直接喷射扩散燃烧特性及排放研究

　　
本研究聚焦于氢气双直接喷射发动机中不同主燃料（PODE3与柴油）对扩散燃烧特性的影响及排放行为分析。研究基于常体积燃烧室（CVCC）模型，通过三维计算流体动力学（CFD）模拟软件CONVERGE进行数值仿真，重点考察了燃料配比、喷射角度与燃烧策略对热释放规律及污染物生成的综合作用机制。

在燃料体系对比方面，实验组采用柴油与氢气双燃料配置，对照组则替换柴油为聚醚醚酮三甲醚（PODE3）。研究结果显示两种燃料体系在燃烧控制机制上存在显著差异：柴油体系通过优化燃料混合比（主燃料能量占比6%-12%）可实现热释放率的精准调控，其峰值热释放率较PODE3体系高出约35%。但柴油体系存在明显局限性，当主燃料能量占比超过8%时，氮氧化物（NOx）排放量呈现指数级增长，主要源于碳氢燃料燃烧过程中高温还原性气体的积累。

PODE3作为新型主燃料展现出独特优势。其分子结构中丰富的醚氧基团（占比达38%）显著提升了燃料的蒸汽压（PODE3在800K时的饱和蒸汽压达到2.1kPa，柴油仅0.3kPa），这种高挥发性特性导致PODE3体系在6%能量占比时即能形成均匀的三维混合场。研究特别指出，PODE3的燃烧放热速率较柴油体系降低42%，但NOx排放量下降67%，这与其独特的化学动力学特性密切相关——PODE3的燃烧反应涉及更多自由基中间体（如HO2、HOCO），这些活性物质能及时消耗燃烧生成的NO前体物。

喷射参数的优化对燃烧过程具有关键调控作用。当主燃料喷射角度从30°CA BTDC提升至90°CA BTDC时，柴油体系的主点火延迟缩短至1.2ms，但氢气扩散火焰的传播速度降低28%。相比之下，PODE3体系在相同喷射角度变化范围内，主点火延迟稳定在1.8ms，这得益于PODE3独特的表面活性分子结构，其分子间作用力较弱（范德华力占比仅19%），有利于形成更细小的雾滴（平均直径18μm，较柴油体系降低34%）。研究同时发现，在120°CA BTDC的喷射角度下，PODE3/氢气体系的燃烧持续期比柴油/氢气体系延长15%，但碳烟排放量降低至对照组的12%。

燃烧策略的对比分析揭示重要规律：采用主- pilot喷射策略时，PODE3体系通过其快速燃烧特性（主阶段燃烧时间缩短至0.5ms）有效抑制了氢气在燃烧前的积累，使峰值热释放率降低至柴油体系的63%。而在pilot-主喷射策略下，PODE3的挥发性优势（蒸汽压比柴油高6倍）使得燃料混合均匀性提升52%，但燃烧阶段延长了8%。值得注意的是，当主燃料能量占比达到12%时，两种体系的热释放曲线均出现双峰现象，这可能与燃料间界面反应的复杂性有关。

排放性能的对比研究显示，PODE3体系在三项主要污染物排放指标上均优于柴油体系。具体而言：1）碳烟排放量降低至柴油体系的18%，主要归因于PODE3分子结构中不存在C-C键（断裂能达423kJ/mol），其燃烧产物中多环芳烃生成量减少87%；2）NOx排放量降低67%，这得益于PODE3燃烧过程中释放的活性氧物种（如超氧自由基O2^-）可有效捕获NO前体物；3）碳氢化合物排放量下降至柴油体系的29%，得益于PODE3燃烧时释放的氧原子（浓度达8.2×10^18 m^-3）对未燃氢气的氧化作用。

实验参数设置方面，研究采用830K环境温度（较常规发动机工况提高15%）和4.7MPa燃烧压力（接近柴油发动机峰值压力）。喷射间隔时间设置为15°CA，主燃料喷射相位固定在-210°CA BTDC，而PODE3体系通过优化分子排列（密度达0.95g/cm3）实现了更高效的雾化效果。特别值得注意的是，当主燃料能量占比超过8%时，柴油体系会出现明显的热解预燃现象（温度超过2200K的时间延长至0.3ms），而PODE3体系通过其分子间氢键作用（结合能约17kJ/mol）有效抑制了预燃反应。

该研究在工程应用层面提出了创新性解决方案：通过PODE3与氢气的协同作用，在实现热释放率可控（波动范围±8%）的前提下，将发动机平均有效压力提升至12.5bar，同时将排放指标控制在国六B标准的1.3倍以内。研究还发现，当PODE3主燃料能量占比达到12%时，燃烧过程可稳定维持多阶段点火特性（主阶段点火间隔1.8ms，次阶段间隔2.3ms），这种多点火机制使总燃烧时间延长12%但NOx排放降低至0.8g/kWh以下。

该成果为氢燃料发动机的工程化提供了重要理论支撑：首先证实了PODE3作为主燃料在燃烧稳定性方面的优势（最大温度波动范围缩小至±120℃）；其次揭示了燃料配比与喷射策略的协同优化机制，当主燃料能量占比为9%-10%时，系统在燃烧效率（热值利用率达92%）与排放控制（NOx<50ppm）之间实现最佳平衡。研究同时指出，未来需进一步优化PODE3的分子结构（当前研究采用PODE3，分子量2850），探索更小分子量的PODEn（n=2-5）体系，以在保持燃烧稳定性的同时提升热效率。

该研究在方法论层面进行了创新尝试：开发的三维燃烧模型将湍流混合强度（涡量耗散率）与化学反应速率进行耦合，成功模拟出氢气/柴油与氢气/PODE3体系的燃烧过程差异。模型特别考虑了PODE3分子中醚基团（-O-）的解离特性，当温度超过1600K时，醚基团解离产生的氧自由基（O·）和甲基自由基（CH3·）能有效促进燃烧反应的链式反应过程。

研究的应用价值体现在三个方面：1）为氢燃料发动机的喷射系统设计提供参数优化方向，建议主燃料喷射角度控制在75°-105°CA BTDC范围；2）提出"分段式燃烧调控"策略，通过主燃料能量占比调节（8%-12%）实现热释放曲线的平滑过渡；3）为新型清洁燃料的开发提供理论依据，特别在碳基燃料（如柴油）向氧基燃料（如PODE3）的替代路径上具有重要参考价值。

该研究在学术创新方面主要体现在：首次系统揭示PODE3作为主燃料时，其分子结构特征（醚氧基团占比38%、表面张力0.18N/m）对氢气扩散燃烧的影响机制。通过分子动力学模拟发现，PODE3分子在气相中的排列方式会影响氢气/空气混合物的扩散系数（当PODE3浓度超过15%时，混合系数下降42%）。这种分子级相互作用解释了为何在相同能量占比下，PODE3体系的热释放率比柴油体系低28%。

研究还发现环境参数对燃烧过程具有显著影响：当环境温度从800K提升至830K时，柴油体系的主点火延迟增加0.4ms，而PODE3体系因分子振动能级提升（平均动能增加23%）反而缩短点火延迟0.2ms。这种反常现象源于PODE3分子间的氢键作用（结合能约17kJ/mol），在高温下更易形成稳定的燃烧核，从而抵消环境温度升高带来的负面影响。

在工程应用层面，研究提出了"双阶段喷射控制"策略：主燃料在-210°CA BTDC实施预喷射，而PODE3主燃料在-180°CA BTDC完成二次喷射。这种喷射时序优化可使燃烧持续期缩短19%，同时将NOx排放降低至35ppm以下。研究还建议采用多孔陶瓷载体（孔隙率45%、孔径0.2-0.5μm）作为PODE3的储存介质，可提升储氢密度至4.2wt%，并实现快速响应（充氢时间<8s）。

该研究在后续工程验证中需重点关注：1）PODE3燃料的储存稳定性，其分子结构中的醚基团在长期储存（>6个月）后可能出现分子重排；2）实际发动机工况下的燃烧噪声控制，仿真显示PODE3体系燃烧噪声降低8dB(A)，但需验证在发动机加速工况下的表现；3）催化剂的选择优化，实验采用Pt-Ru/Al2O3催化剂，但在PODE3体系下需重新评估催化剂活性中心的匹配度。

研究同时揭示了氢气/PODE3体系特有的燃烧现象：在主燃料能量占比为10%时，燃烧过程会出现"三阶段热释放"特征，即快速燃烧阶段（占热释放总量35%）、稳定燃烧阶段（40%）和余量燃烧阶段（25%）。这种多阶段燃烧特性不仅提升了燃烧效率（热效率达42.7%），还显著降低了局部过热风险。通过高速摄影技术（帧率12000fps）观察到，PODE3/氢气混合物的火焰前锋呈"波浪状"传播（波幅约0.8mm），这种非均匀火焰结构可有效抑制NOx生成。

在排放控制方面，研究发现了PODE3的"双重减排机制"：一方面通过其分子结构抑制碳烟生成（C-C键断裂能提高至423kJ/mol），另一方面通过燃烧产物中的氧自由基（O·浓度达8.2×10^18 m^-3）实现NOx的再生成转化。特别在负荷较低（BMEP=3.4bar）时，PODE3体系通过延长燃烧相位（比柴油体系多出0.5ms）实现更充分的后处理，使颗粒物排放降低至0.25g/kWh以下。

该研究的工程应用前景体现在：通过优化PODE3与氢气的能量配比（建议8%-12%），配合120°CA BTDC的喷射角度，可在满足国六B排放标准（NOx<50ppm）的同时实现12.5bar的平均有效压力，较传统氢燃料发动机提升37%。研究还建议采用分层喷射技术，将主燃料分为"预燃层"（50%能量）和"主燃层"（50%能量），这种喷射策略可使燃烧稳定性提升42%，点火延迟缩短至1.1ms。

研究在理论机制方面取得重要突破：首次阐明PODE3分子中醚基团（-O-）对氢气燃烧的催化作用机理。通过拉曼光谱分析发现，PODE3分子在高温下（>1600K）会解离产生大量氧自由基（O·浓度达8.2×10^18 m^-3），这些自由基可有效促进氢气与氧气的反应（活化能降低0.8eV）。分子动力学模拟显示，PODE3分子在气相中的排列方式会形成"氧核"效应，使局部氧浓度提高至22.3%，从而显著提升燃烧速率。

该研究对燃料替代策略具有重要指导意义：PODE3作为主燃料时，其碳氧比（COOH/CO）从柴油的1.2优化至0.85，这种调整使得燃烧产物中CO比例降低至0.3%，同时将CO2生成量提升至98.7%。通过优化燃料的碳氧比，可在保持燃烧稳定性的同时实现碳捕获效率的提升。

在后续研究方向上，建议重点探索：1）PODE3燃料在宽温域（500-1200K）下的热化学稳定性；2）多组分PODEn（n=2-5）的协同燃烧效应；3）实际发动机工况下的燃烧噪声控制策略。研究同时指出，未来需建立更精细的燃烧模型，特别是考虑分子间作用力（如氢键、范德华力）对燃烧过程的影响，这将是提升仿真精度的关键。

总之，本研究通过理论建模与实验验证相结合的方法，系统揭示了PODE3作为主燃料在氢燃料发动机中的燃烧控制机制，为清洁能源技术的工程化应用提供了重要的理论支撑和技术路径。研究提出的"双阶段喷射控制"策略和"氧核催化"理论，不仅解决了氢燃料发动机的燃烧稳定性难题，还为后续开发新型低碳燃料奠定了基础。