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本文通过数值模拟和1D模型研究二甲醚（DME）作为压燃发动机替代燃料的性能及排放。分析DME的物理化学特性对喷雾形成、燃烧及排放的影响，优化燃油喷射系统和运行参数。讨论DME的生产挑战、经济性及环保优势，提出改进发动机部件和工艺的解决方案。
阿维纳什·库马尔·阿加瓦尔（Avinash Kumar Agarwal）| 阿卡什·雷（Akash Rai）| 维克拉姆·库马尔（Vikram Kumar）| P.A. 拉克什米纳拉亚南（P.A. Lakshminarayanan）
印度理工学院坎普尔分校机械工程系发动机研究实验室，印度坎普尔208016
摘要
二甲醚（DME）是一种优秀的压缩点火（CI）发动机替代燃料，它可以减少对化石燃料的依赖，并在排放最少的情况下提高CI发动机的性能。DME的物理和化学性质与矿物柴油有显著差异。DME较低的粘度和润滑性会导致燃料泄漏频繁和发动机磨损增加等问题。了解空气-燃料混合物的形成对于探索DME燃烧所带来的优势至关重要。因此，必须在类似发动机的条件下全面研究喷雾发展、燃料雾化、燃烧、排放和性能特性。为了提高发动机性能，还需要优化各种组件和操作参数。然而，将DME作为发动机燃料使用需要对发动机部件进行重大修改，并将其调整到最佳状态。使用数值建模技术研究DME燃料发动机的燃烧情况比实验更有优势。本文简要讨论了DME的热力学性质，并强调了通过仿真研究准确预测性能和排放的重要性。本文还详细讨论了在类似实际发动机条件下DME燃烧的化学动力学反应，以理解燃烧产物和排放物的形成过程。同时，还利用建模和仿真工具研究了DME发动机部件设计和燃料喷射系统的优化。柴油发动机的一维模型成功应用于DME，以预测喷雾穿透力、喷雾面积和喷射速率，并建立了在先进喷射时机下的最佳喷射角度。
引言
预计到2050年，亚洲国家的能源利用量将增加近50%[1]。预计到2050年，交通运输领域的全球能源和液体燃料消耗量将分别增加40%和20%[1]。由于柴油发动机具有较高的热效率和稀薄燃烧能力，因此被广泛应用于农业、建筑和交通运输领域。尽管CI发动机有许多优点，但其有害的尾气排放对健康和环境造成了影响。为了控制NOx和烟尘的平衡，CI发动机需要安装昂贵的再生后处理装置，如柴油颗粒过滤器（DPF）和选择性催化反应器（SCR）[2]。反应性控制压缩点火（RCCI）、预混燃烧压缩点火（PCCI）、均匀混合压缩点火（HCCI）和汽油压缩点火（GCI）等各种低温燃烧技术被证明可以提高发动机性能并减少尾气排放。这些技术是近年来内燃机领域的最新发展[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。然而，使用先进燃烧策略升级现有CI发动机需要对燃料喷射系统（FIS）进行重大修改。在全球范围内，使用基于电池的电动汽车（EV）作为交通工具被视为一项消除尾气排放的综合性解决方案。然而，电动汽车面临行驶距离短、充电时间长、环境危害以及依赖电力（大多数国家依赖燃煤电厂供电）等问题[8]。因此，探索替代技术/EV技术以取代CI发动机并开发高效的燃烧策略至关重要。在这方面，必须探索无需对发动机进行重大修改即可使用的替代燃料，以实现更高的效率并符合严格的排放标准。在这方面，正在研究生物柴油、氢气、甲醇、气制液（GTL）、乙醚和二甲醚（DME）等替代燃料在内燃机中的应用[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。在这些替代燃料中，DME（CH3-O-CH3）是一种适合CI发动机的含氧燃料。DME可以通过直接和间接合成方法从多种原料生产。在直接合成方法中，天然气、生物质、煤炭、有机废物或环境中的CO2通过合成气生成途径转化为DME[14]。
相比之下，间接合成方法利用甲醇脱水（从各种原料）来获得DME[15]。DME的生产需要大量的初始资本投资，因为所有DME生成策略都需要专门的处理和转化技术。生物DME的原料是一个地区性挑战，需要专门的基础设施来进行DME的生产和复杂的分销。然而，最具经济可行性的DME是通过天然气合成气直接合成的[14]。DME的普及需要燃料政策法规、公众意识和新的市场开发。DME作为一种有前景的燃料，用于减少交通运输领域的碳排放，需要研究机构、政府和行业之间的合作，以解决原料供应、生产成本和地区基础设施发展方面的物流和经济挑战。
DME在常压条件下是一种无色气体，比空气重[16]，碳-碳键之间的氧原子促进了无烟尘的燃烧[17]。DME含有34.8%的氧，允许大量废气再循环（EGR）来控制NOx排放[18]。因此，DME在燃烧过程中表现出更好的NOx-烟尘平衡。由于DME的十六烷值较高和自燃温度较低，其冷启动性能优于柴油。除了作为柴油的清洁且有前景的替代品外，DME还具有独特的物理化学性质，因此需要研究燃料雾化、燃烧和发动机性能。燃料喷雾雾化取决于物理性质，而燃烧和排放则取决于物理化学性质。DME的粘度和体积模量低于矿物柴油，这可能导致燃料供应系统、进料泵和燃油泵柱塞组件的泄漏。DME的沸点较低，会导致基于橡胶的密封件组件因弹性丧失而退化（脆性失效），从而加剧燃料泄漏问题并可能导致燃油泵故障。DME的高压缩性会导致不理想的燃料喷射压力和波动[16]。为了弥补DME作为柴油燃料时的低粘度（润滑性差）和高压缩性问题，需要对燃料处理系统进行修改。
本文的主要目的是总结DME在CI发动机中的仿真建模应用及各种参数的优化。本文还比较了DME和柴油的性质，以了解喷雾雾化、发动机燃烧、排放和发动机性能。此外，本文还回顾了各种DME添加剂和与DME兼容的材料。本文同时利用发动机建模和仿真工具设计和优化发动机组件、喷射策略和发动机操作参数。本文还涵盖了仿真模型和DME在车辆中应用的基本方程、概念和理论，以及其对健康的影响。
章节摘录
DME作为CI发动机中的替代燃料
DME在标准大气压和室温条件下（0.1 MPa，298 K）为气体，在0.51 MPa以上的压力下于293 K液化。LPG和DME具有相似的物理性质；因此，LPG储罐和供应线路的设计可以用于DME的应用[16]。DME的能量密度比LPG低约75-80%，这意味着DME需要更大的储罐[19]。由于这些原因，DME的最大燃烧温度和总体NOx生成量低于柴油
建模和反应机制
在CI发动机中，燃料在压缩冲程接近上止点（TDC）时注入，由于压缩空气-燃料混合物的高温，燃料会自燃。CI发动机涉及复杂的混合过程，包括气缸流动、喷雾破碎、液滴形成、碰撞、燃料液滴蒸发和空气-燃料混合物的形成[42]。计算建模对于复杂的设计、开发和发动机过程的优化至关重要
DME喷射器的喷嘴流动模型
DME在298 K时的密度（657 kg/m3）和热值（28 MJ/kg）低于矿物柴油。因此，相同的发动机功率输出需要更多的DME喷射量；使用相同的燃油泵和喷射器时，DME的喷射时间需要增加约37%[54]，这会增加未燃烧碳氢化合物的排放并影响发动机性能。因此，应增加DME的流速，并通过增大喷嘴孔径来修改喷嘴座面积
DME的喷雾雾化特性
通过小直径喷嘴孔喷射高压液态燃料时，液滴会破碎成较大的液束，进一步雾化形成细小液滴。小液滴的快速蒸发和混合减少了发动机气缸内空气-燃料混合物的形成时间，从而影响燃料燃烧和发动机排放。因此，全面了解喷雾演变、燃料雾化和液滴
DME燃料发动机的燃烧和排放
为了准确预测燃烧和排放的数值建模结果与实验结果，必须实施明确的边界条件。必须选择一种与网格尺寸无关的仿真工具来模拟类似发动机的条件，这种工具比细网格尺寸消耗更少的计算时间。适当选择喷雾破碎、湍流、化学动力学、燃烧和壁面热传递模型也是必不可少的。此外，导入精确的数据
废气再循环（EGR）
废气再循环（EGR）是减少发动机尾气NOx排放的最佳策略之一。NOx的形成发生在2200 K以上的高火焰温度下，在有过量的氧气和足够的反应时间的情况下[94]。由于预混燃烧阶段燃料燃烧较少，DME燃料发动机产生的NOx排放量低于柴油燃料发动机[[77]、[78]、[94]、[95]]。如图24所示，使用EGR（最高20%）可以一维建模
回顾和呈现的DME数据和模型包括开创性的工作[80]、[72]、[81]、[71]，以及其他研究人员提供的关于柴油和DME的数据[63]、[73]、[74]。虽然使用计算流体动力学进行详细的3D分析对于理解流动和燃烧现象的细微细节非常重要，有助于设计师和实际工程师的工作，但在以下段落中，大量数据以简洁的公式形式呈现。此外，发现的关系
DME燃料车辆
1994年，阿莫科（Amoco）与纳维斯塔（Navistar）和AVL合作，首次将DME作为替代燃料用于世界范围内，标志着DME作为柴油发动机替代燃料使用的里程碑[116]。丹麦技术大学开发了DME燃料车辆[[117]、[118]]。这吸引了沃尔沃（Volvo）、日产（Nissan）、五十铃（Isuzu）、AVL和日野（Hino）等汽车公司研究和开发DME燃料车辆。随着纳维斯塔和卡特彼勒（Caterpillar）的合作健康和环境影响及安全性
采用DME作为新的燃料必须符合现有的健康、环境和安全指南和规则。DME燃料发动机不会排放有害物质，是一种更环保的燃料。由于DME的高度挥发性，它对土壤和水的影响可以忽略不计。如果DME泄漏到大气中，不会导致臭氧层耗竭。如果DME暴露在限值范围内，没有显著的人类健康危害和毒性报告总结
本文总结了发动机建模和仿真研究，展示了DME作为CI发动机燃料的潜在替代品。DME独特的化学和物理性质，如较低的沸点、较低的粘度和氧的存在，使其在喷雾（更宽的锥角和更短的穿透长度）、雾化以及空气-燃料混合方面优于柴油。这些特性有助于通过显著减少HC、CO等物质来实现更清洁的燃烧
作者贡献声明
阿维纳什·库马尔·阿加瓦尔（Avinash Kumar Agarwal）： 负责撰写——原始草稿，调查。阿卡什·雷（Akash Rai）： 负责撰写——原始草稿，调查。维克拉姆·库马尔（Vikram Kumar）： 负责撰写——原始草稿，调查。P.A. 拉克什米纳拉亚南（P.A. Lakshminarayanan）： 负责撰写——审稿与编辑，方法论，调查。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
