前言：随着计算机的发展，计算流体力学(CFD)在模拟内燃机缸内燃烧过程起到了重要作用，目前为止还没有关于DME/DMM3混合燃料的内燃机数值模拟研究，并且使用详细机理进行三维数值模拟计算需要高配硬件设备和漫长的计算时间，因而有必要开发DME/DMM3混合燃料的简化机理，为今后通过CFD模拟DME/DMM3混合燃料对柴油机燃烧及排放的影响打下基础
机理的简化研究基于对DME/DMM3混合燃料的详细机理进行简化，所选取的工况是：当量比φ为0.5、1.0、1.5和2.0，压力p为1.0MPa、1.5MPa，燃烧温度设置为600～1600K，使用DRGEP、敏感性分析和同分异构体法进行简化，并验证DME、DMM3的试验值和详细机理与简化机理的着火延迟，着火延迟的阈值设置为25%
首先使用DRGEP方法剔除多余的组分及反应，并标记H2O、N2、O2、CO2和燃料(DME和DMM3)为重要的组成成分，计算全部反应物对重要反应物的整体相互作用系数(OIC)，当反应物的OIC高于所设阈值(反应物对目标反应物依赖性的量化)时，立刻被移除并计算简化后机理对详细机理的着火延迟
再基于简化结果采用敏感性分析法(SA)进一步简化，筛选出所有不确定性组分(OIC高于DRGEP阈值，且低于SA阈值)，并对着火延迟进行敏感性分析，计算不确定性组分的敏感性系数为（1）式中：θij(s)为简化机理中第j个工况下删除不确定组分中的第i个组分所得到的机理的着火延迟时间；θj(d)为在第j个工况下的详细机理的着火延迟时间
将计算出的敏感性系数，逐一剔除敏感性低的相应组分，剔除后对比着火延迟，当误差超过25%，停止简化，获得简化机理，接下来用同分异构体法进行简化，大多数同分异构体具有非常相似的热物理化学性，可以将同分异构体归纳为同种物质
基于DRGEP简化后的机理进行同分异构体归纳，剔除同分异构体中多余的组分，最终的简化结果为65个组分和308个反应方程．简化流程示意如图1所示
简化机理和层流火焰的验证2.1简化机理验证经DRGEP、DRGEPSA和同分异构法将DME/DMM3混合燃料从223个组分、1128个反应方程使得最终简化结果为65个组分和308个反应方程式
对简化后DME/DMM3机理中部分基元反应的指前因子A进行适当调整见表1．使其更好地预测详细机理的着火特性
为验证简化机理的有效性，与详细机理在不同压力和不同当量比下对比着火延迟时间
图2对比了DME的试验与DME/DMM3简化机理的着火延迟时间数据，试验数据来自Pan等的试验，最大误差出现在φ＝2.0、压力p为1.1MPa和2.5MPa以及温度在800K左右的工况下
表1调整DME/DMM3反应指前因子A其次，简化机理的着火延迟时间与试验数据在φ＝0.5、压力p为1.1MPa和2.5MPa工况下吻合较好，两者整体的着火延迟随时间的变化趋势模拟较好，误差都控制在25%以内，可以较好重现详细机理的着火特性
图3对比了DMM3的试验与DME/DMM3简化机理的着火延迟时间数据及He等的DMM3详细机理数据，试验数据来自Ren等的试验，最大误差出现在φ＝1.0、p＝1.0MPa以及温度在1200K左右的工况下
简化机理的着火延迟时间与试验数据在φ＝1.5、p为1.0MPa和1.5MPa工况下吻合较好，两者整体的着火延迟随时间的变化趋势模拟较好，误差都控制在25%以内，可以重现详细机理的着火特性
2.2层流火焰验证除了验证着火延迟时间外，层流火焰燃烧速度也是比较重要的燃烧特性参数，选择CHEMKIN中预混层流火焰燃烧速度模块，采用DME/DMM3简化机理分别计算模拟DME/空气和DMM3/空气的层流燃烧速度，并分别与DME和DMM3试验结果比较分析，并对DME/DMM3简化机理进行验证
首先对DME/DMM3的简化机理与DME的试验数据进行对比见图4a，研究的试验数据来自于Varghese等的试验
在标准大气压(0.1MPa)下，初始温度分别设为300、400、500、600和650K及不同的当量比φ(0.7～1.4)下DME的层流火焰燃烧速度，层流火焰燃烧速度随混合温度的增加而增大，在不同的混合温度下，都可以看到钟形曲线，即使在较高的温度下，混合燃料也始终保持最大的燃烧速度
在φ＝1.1时层流火焰燃烧速度达到峰值，然后层流火焰燃烧速度随着当量比的增加而降低，与简化机理相比，在温度为300、400、500和600K下，简化机理较为准确地预测了层流燃烧速度，对于温度在650K的条件下，简化机理过高地估计了层流燃烧速度，最大的误差在φ＝1.4，但整体趋势较为精准，误差在可接受的范围内
接下来对DME/DMM3的简化机理与DMM3的试验数据进行对比见图4b，研究的试验数据来自于Sun等的试验，初始温度设为408K和不同的当量比φ(0.7～1.6)下DMM3的层流火焰燃烧速度
层流火焰燃烧速度随着当量比增加而增大，在φ＝1.2时层流火焰燃烧速度达到峰值，然后层流火焰燃烧速度随着当量比的增加而降低，与试验相比最大误差在φ＝1.4左右，过高地估计了层流火焰燃烧速度，而与Lin等和Ren等的简化机理相比，过低地估计了层流火焰燃烧速度，但总体较为精准．总的来说，整体的模拟趋势符合要求，误差在可接受的范围内
组分摩尔分数和反应路径分析3.1组分摩尔分数分析除了点火延迟和层流火焰燃烧速度验证外，对组分摩尔分数的验证也是简化机理主要验证的方面，对DME/DMM3简化机理数据与DME和DMM3的试验数据进行各自的组分摩尔分数燃烧过程验证
DME试验数据来自于Liu等的试验，DMM3试验数据来自于Lin等的试验，使用CHEMKINPRO软件包并导入DME/DMM3简化机理，首先对DME/O2/Ar预混火焰中主要物种摩尔分数分布进行仿真，设定恒定压力为5kPa，当量比为1.0，再对DMM3/O2/Ar预混火焰中主要物种摩尔分数分布进行仿真，设定恒定压力为3.33kPa、当量比为1.0
图5为DME和DMM3的组分摩尔分数随距燃烧器上方高度的变化
简化后的反应机理能够较为准确地预测DME和DMM3燃料的燃烧状况，预测了预混火焰中反应物DME、DMM3及O2、生成物CO、CO2及H2O和其他关键组分摩尔分数的变化
考虑到试验中探头扰动和温度测量误差会引起关键组分摩尔分数的测量偏差，因而图中在距离预混火焰中心小于3mm的火焰区，DME/DMM3简化机理对各重要组分摩尔分数的计算误差可以忽略
由图5a所示DME组分中Ar和H2O与图5b所示DMM3组分中CO有些误差，但整体的趋势较为精准，简化机理可以被用于该混合燃料的燃烧模拟
3.2反应路径分析通过不同温度条件下的敏感性分析，确定了DME/DMM3的主要路径，如图6所示，图中的实线箭头代表低温燃烧过程，虚线箭头代表高温燃烧过程
在高温条件下，脱氢和热解反应占主导作用
首先，在多种自由基的进攻下，DMM3中的甲氧基(CH3O—)或者分子主链甲醛(CH2O)脱氢形成同分异构体自由基DMM3A、DMM3B和DMM3C，紧接着DMM3A经历一系列O—CH2O键的断裂反应，先后生成DMM2A、二甲氧基甲基(CH3OCH2OCH2)和CH3OCH2．DMM3B热解为CH3OCH2OCH2和甲酸甲酯(CH3OCHO)
随后，CH3OCH2OCH2分解为CH3和CH2O，而CH3OCHO与活性基反应生成甲氧羰基(CH3OCO)
最后CH3OCO分解成CH3和CO2．DMM3B和DMM3C在消耗过程中分别生成酯类中间体COCOCOCO[CH3O(CH2O)2CHO]和COCOCO—(CH3OCH2OCHO)
紧接着，COCOCOCO和COCOCO在OH、H和O等活性基的攻击下脱氢分别生成COCOCOCjO(CH3OCH2OCH2OCO)和COCOCjO—(CH3OCH2OCO)，再进一步分解为更小的醛类和自由基
在低温条件下，DMM3A、DMM3B和DMM3C通过一次加氧反应相应生成过氧烷基DMM3AO2、DMM3BO2和DMM3CO2，紧接着通过异构化分别形成DMM3–OOH1-5、DMM3-OOH3-5和DMM3-OOH5-OO3
再通过释放OH自由基生成或氧化氢酮DMM3-KET15、DMM3-KET35和DMM3-KET53
接下来，通过分解生成碳酸甲酯自由基(CH3OCOO)、甲氧基甲酸甲酯(COCOCO)和OH
最后，CH3OCOO进一步分解为CO2和甲氧基，而COCOC分解为CH3O、CH2O、CO和过氧氢自由基(HO2)
DMM2与DMM1(CH3OCH2OCH3)的低温氧化过程类似于DMM3，由于DMM2在低温下的消耗路径在整个DMM1-3综合反应机理中的温度敏感系数较低，所以未在图中表示
DME的氧化过程是通过与CH3、O2、H、O、HO2、CH3O和OH的脱氢反应，生成CH3OCH2(二甲醚基)，低温情况下CH3OCH2会直接分解成CH2O和CH3，高温情况下CH3OCH2生成CH3OCH2O2，然后H2O和CH3再进行加氧反应生成OH，接下来CH2OCH2O2H通过一系列的低温反应生成OCH2OCHO，最后OCH2OCHO通过高温反应生成CH2O、OCHO
DME的氧化反应产生了自身的消耗，其后续反应生成的HO2、OH为以后的氧化反应提供自由基，更加促进燃料的消耗，并且释放大量热量
内燃机的缸内压力和放热率分析除了对点火延迟时间、层流火焰燃烧速度和组分摩尔分数基本燃烧过程的验证外，研究使用内燃机软件KIVA对构建的DME/DMM3简化机理进行进一步验证
Wang等在一台单缸柴油机上研究了不同EGR率和燃油当量比对均质充量压燃(HCCI)柴油机DMM燃料燃烧及排放特性的影响，该试验作为DMM燃料的首次HCCI研究，He等进行了HCCI的PODE3燃料的燃烧试验，分别进行了EGR率为0的工况下，当量比为0.19、0.27和0.34试验与仿真的对比，结果表明：其研发出的机制具有良好的可靠性，为DMM化学反应机理的发展提供了燃烧特性的基础数据
为进一步的研究DME/DMM3简化机理的可靠性，利用CHEMKIN-REO中的零维HCCI柴油机模型对本机理模型进行计算分析，气缸内的湍流作用和燃料的化学动力学对传统内燃机的燃烧过程和排放性能有着重要影响，而零维HCCI柴油机模型是对传统内燃机的简化，忽略了湍流作用，因而燃料的化学动力学是着火时刻、放热率等燃料参数的决定性因素，使用HCCI柴油机中的试验数据来验证DME/DMM3简化机理，使用试验装置的参数见表2
DME/DMM3简化机理在HCCI柴油机的缸内压力以及放热率的验证结果如图7所示
可以看出，图7a中缸内压力和放热率的仿真值与试验值吻合得较好；图7b的数据表明，在缸内压力方面试验值与仿真值趋势误差较小，但是放热率的仿真值与试验值有些许差异
由于DME/DMM3混合燃料中DMM3占90%，可以观察到类似DMM3独特的三级着火现象，简化机理的仿真值在第一阶段放出的热量早于试验值，表明在低温化学还原模型中拥有较高的反应活性
这种现象类似He等对DMM3燃料详细机理研究中观察到对低温反应部分的过高估计．在第二峰值误差较大，仿真最大值相比试验最大值高出35.2%
表2柴油机技术参数在不同的当量比下，利用排气分析仪对简化机理仿真得出的CO、CO2、NOx和HC的排放进行了验证，如图8所示
使用简化机理可以很好地预测CO2排放量，虽然预测的CO和NOx值与实测值存在一定的差异，但总体趋势保持一致，预测值低估了HC物种生成，根据污染物排放的对比结果来看，各污染物的排放量随当量比变化的总体趋势得到了较好控制
由于当前机理相对简洁且许多反应凝聚，因而可能会出现这种差异，但是总体来说DME/DMM3简化机理在HCCI内燃机中的模拟结果是可以被接受的
结论(1)DME试验数据和DMM3详细机理及试验数据与DME/DMM3简化机理的着火延迟时间数据对比显示，两者整体的着火延迟随时间的变化趋势模拟较好，误差都控制在25%以内，可以较好地重现详细机理的着火特性
(2)与DME层流火焰燃烧速度试验数据对比表明，在当量比φ＝1.1时层流火焰燃烧速度达到峰值，然后随当量比的增加而降低，最大误差出现在初始温度为650K、φ＝1.4的条件下，总体模拟吻合较好，与DMM3层流火焰燃烧速度试验数据对比表明，在φ＝1.2时层流火焰燃烧速度达到峰值，最大的误差在φ＝1.4，误差均在25%以内，总体模拟吻合较好
(3)在物质摩尔分数验证中，模拟数据与试验数据对比显示，DME中的Ar和H2O以及DMM3、CO摩尔分数的误差稍大，但在可接受的范围内，整体趋势较为精准
(4)在不同的当量比下，放热率的仿真值与试验值略有差异，在当量比为0.18时放热率吻合较好，放热率为0.34时的第二峰误差为35.2%，误差略大，但整体来说可以被接受；简化机理很好地预测了CO2的排放，虽然在CO、NOx和HC上存在一些误差，误差较小可以被忽略，DME/DMM3简化机理可用于柴油机的仿真研究