基于3D-CFD的活塞几何形状、喷油嘴设计及喷射策略优化，适用于替代柴油燃料——氧甲基醚（OME）

《Fuel》：3D-CFD-Based optimization of piston Geometry, injector nozzle Design, and injection strategy for the alternative diesel fuel Oxymethylene ether (OME)

本文通过三维计算流体动力学模拟优化氧化烯烃甲醇醚（OME）发动机的活塞几何、喷嘴设计和喷射策略，发现宽燃烧室活塞提高指示效率，大喷嘴直径改善燃烧效率，小喷嘴角度降低NOx排放，同时取消预喷射可简化系统设计。这些优化有效平衡了发动机效率与减排需求，为OME在柴油发动机中的实际应用提供理论支撑。

　　随着全球对气候变化问题的关注不断加深，寻找替代传统化石燃料的解决方案已成为科研和技术开发的重要方向。在这一背景下，氧化甲撑醚（Oxymethylene Ethers, OMEs）作为一种碳中性燃料，因其在压缩点火发动机中的优异燃烧特性而受到广泛关注。OMEs不仅能够实现无碳排放的移动方式，还具备无积碳燃烧的特点，这使得其在减少温室气体排放和提高发动机效率方面展现出巨大潜力。本研究通过系统分析发动机关键部件的设计参数，探索如何优化这些部件以充分发挥OMEs的特性，为未来低排放运输系统的发展提供理论支持和技术指导。

OMEs是一种由有机化合物组成的系列燃料，其分子结构主要由交替的甲撑（–CH?–）和氧（–O–）单元构成，形成一个长链结构。其中，“n”代表重复单元的数量，形成了不同链长的OMEn（如OME3、OME4、OME5和OME6）。这种独特的分子结构赋予了OMEs较高的氧含量，使其在燃烧过程中表现出优于传统柴油燃料的特性。例如，由于缺乏碳-碳键，OMEs在燃烧过程中不会形成多环芳烃等积碳前体物质，从而避免了传统柴油燃料中常见的积碳与氮氧（NO?）排放之间的权衡问题。此外，OMEs的高点火性能使其能够在不依赖预燃喷射的情况下实现高效燃烧，这不仅降低了NO?排放，还减少了对复杂喷射系统的依赖。

然而，尽管OMEs在燃烧方面表现出色，其在实际应用中仍然面临一些挑战。例如，OMEs的热值较低，仅为19 MJ/kg，而传统柴油燃料的热值约为42.5 MJ/kg，这意味着在相同时间内需要注入更多的燃料质量以维持相同的输出功率。因此，提高燃料喷射速率成为关键问题之一。通常有两种方法可以实现这一目标：一是提高喷射压力，二是增大喷油器喷嘴孔径。这两种方法在优化喷射策略时均被考虑，并结合不同的喷嘴设计参数进行评估。

喷嘴孔径的大小直接影响燃料喷射的均匀性和燃烧效率。研究发现，较大的喷嘴孔径能够提高燃烧效率，因为这有助于减少燃烧时间，从而优化燃烧过程。然而，较大的喷嘴孔径也可能导致喷油雾化不均，进而影响燃料在气缸内的分布。相比之下，较小的喷嘴孔径能够提供更精细的喷油控制，但可能会限制喷油量，影响发动机输出功率。因此，喷嘴孔径的优化需要在燃烧效率和燃料喷射量之间找到最佳平衡点。

喷油器喷嘴的角度同样对燃烧过程产生重要影响。较小的喷嘴喷射角度能够实现更集中的喷油分布，有助于提高燃烧效率，但同时也可能增加气缸壁的湿润程度，导致局部温度升高，从而增加NO?的生成。较大的喷嘴喷射角度则能够减少气缸壁的湿润，降低局部温度峰值，但可能影响喷油的均匀性，导致燃烧不完全。因此，喷嘴喷射角度的优化需要在燃烧均匀性和壁面温度控制之间进行权衡。

此外，研究还发现，对于OMEs的燃烧过程，预燃喷射并不是必要的。这意味着在优化喷射策略时，可以省略预燃喷射步骤，从而简化喷油系统的设计。这一发现对于降低系统复杂性和提高燃油经济性具有重要意义。同时，研究还指出，OMEs的燃烧特性允许其在接近化学计量比的条件下运行，这为使用传统的三元催化转化器进行尾气排放控制提供了可能性。

为了进一步优化这些参数，本研究采用三维计算流体力学（3D-CFD）模拟工具CONVERGE，对不同喷嘴设计和活塞结构进行了系统分析。通过模拟，研究人员能够评估喷嘴孔径、喷射角度和活塞凹腔形状对发动机效率和排放的影响。研究结果表明，较宽的活塞凹腔结构能够提高指示效率，而较大的喷嘴孔径则有助于提高燃烧效率，减少燃烧时间。然而，较小的喷嘴喷射角度虽然能够有效降低NO?排放，但也可能带来气缸壁湿润和局部温度峰值的问题。因此，在设计喷油系统和活塞结构时，需要综合考虑这些因素，以实现最佳的燃烧效果。

活塞凹腔的形状和尺寸对燃料混合和燃烧过程中空气-燃料分布起到关键作用。研究表明，较宽的活塞凹腔能够促进燃料与空气的充分混合，减少壁面湿润，从而提高燃烧效率。然而，如果凹腔过于宽大，可能会导致燃料分布不均，影响燃烧的均匀性。因此，活塞凹腔的优化需要在提高燃烧效率和保证燃料均匀分布之间找到平衡点。

在喷油器设计方面，不同的喷嘴孔径和喷射角度对燃烧过程的影响也有所不同。较大的喷嘴孔径能够提高燃料喷射的均匀性，从而优化燃烧效率，但可能会增加喷油器的制造成本。较小的喷嘴孔径虽然成本较低，但可能影响燃料的分布和燃烧的均匀性。因此，在设计喷油器时，需要综合考虑喷油量、喷油均匀性和制造成本等因素，以实现最佳的喷射效果。

此外，研究还发现，OMEs的燃烧特性使其能够更好地适应排气再循环（EGR）策略。EGR是一种通过将部分废气重新引入气缸以降低燃烧温度和NO?排放的技术。由于OMEs的高点火性能，其在EGR条件下的燃烧稳定性优于传统柴油燃料。因此，OMEs在应用EGR策略时，能够有效降低NO?排放，同时保持较高的燃烧效率。

综上所述，本研究通过系统分析活塞结构、喷油器设计和喷射参数，探索如何优化这些关键部件以充分发挥OMEs的特性。研究结果表明，OMEs的燃烧特性要求定制化的发动机设计和操作策略，以实现最佳的燃烧效果和最低的排放。通过优化活塞凹腔形状、喷嘴孔径、喷射角度和喷射策略，可以有效提高发动机效率，减少NO?排放，从而为未来低排放运输系统的发展提供技术支持。

在实际应用中，OMEs的推广和使用还需要克服一些技术障碍。例如，其长期储存稳定性和可能的降解问题需要进一步研究，以确保其在实际运输环境中的适用性和可靠性。此外，OMEs的化学特性可能与某些密封材料不兼容，这可能需要对密封材料进行适应性改进，以延长其使用寿命。因此，在推进OMEs的应用过程中，需要综合考虑这些因素，以确保其在实际操作中的可行性和稳定性。

此外，研究还强调了在优化喷射策略和发动机设计时，需要采用系统的方法进行分析。通过三维计算流体力学模拟，研究人员能够更精确地预测燃料喷射和燃烧过程的行为，从而优化设计参数。这种方法不仅提高了研究的准确性，还为未来的实验验证和实际应用提供了坚实的基础。

总的来说，本研究通过系统分析和优化，为OMEs在压缩点火发动机中的应用提供了重要的理论和技术支持。通过优化活塞结构、喷油器设计和喷射参数，可以有效提高发动机效率，减少NO?排放，从而为实现全球低排放运输系统的转型做出贡献。这些研究成果不仅有助于推动可持续燃料的发展，也为未来的发动机设计和优化提供了新的思路和技术方向。