楊大勇　胡以懷　馮是全

(上海海事大學商船學院，上海 201306)

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利用余熱制氫的乙醇發(fā)動機模擬計算

楊大勇胡以懷馮是全

(上海海事大學商船學院，上海 201306)

本文研究了一種利用發(fā)動機余熱制取氫氣的裝置，并將該裝置應用在乙醇發(fā)動機上，通過chemkin-pro軟件中的激波管模型計算該裝置生成的重整氣加入發(fā)動機以后對發(fā)動機燃燒的影響，采用乙醇燃燒反應機理，研究了壓力升高、溫度升高、熱量釋放、各組分的含量變化等情況，比較了純乙醇燃燒和乙醇混合重整氣燃燒的特性，結果表明重整氣中的氫氣可有效促使點火延遲時間變短，有利于發(fā)動機性能改進。

乙醇發(fā)動機；chemkin-pro軟件；激波管；點火延遲

乙醇作為燃料，是一種清潔、安全的能源。乙醇的來源廣泛，與汽油具有一定的互換性，可以直接在汽油中摻燒一定比例的乙醇。但是乙醇的汽化潛熱大于常規(guī)汽油，導致發(fā)動機冷啟動性能下降。作為發(fā)動機燃料，氫氣具有優(yōu)良的性能，點火能量低，著火范圍寬，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，但儲運較為困難，為氫氣在發(fā)動機上的應用帶來了挑戰(zhàn)。本文研究了余熱制氫發(fā)動機，該發(fā)動機利用余熱使乙醇經(jīng)過催化重整生成氫氣和一氧化碳，在充分利用發(fā)動機余熱的同時，利用氫氣的優(yōu)良燃燒性能改善乙醇發(fā)動機的性能，并對此進行了燃燒模擬計算。模擬計算是利用chemkin-pro軟件中的激波管模型，化學反應機理采用美國加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LawrenceLivermoreNationalLaboratory)的NickM.Marinov所發(fā)表的乙醇高溫燃燒化學反應動力學模型。

1　發(fā)動機余熱制氫系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)原理

乙醇泵將乙醇和水的混合液從醇水箱中泵入到氫發(fā)生器，氫發(fā)生器中的電磁加熱線圈由蓄電池供電，達到合適溫度后，乙醇和水開始反應產(chǎn)生氫氣，產(chǎn)生的氫氣依次經(jīng)過冷卻器、緩沖器、穩(wěn)壓器，最后由噴射泵噴入氣缸，燃燒做功。發(fā)動機產(chǎn)生的高溫尾氣流過氫發(fā)生器，為乙醇和水的反應提供了足夠的熱量。同時，發(fā)動機給蓄電池充電，這樣，完成了乙醇余熱制氫及發(fā)動機缸內(nèi)燃燒的整個循環(huán)。

利用發(fā)動機余熱制氫系統(tǒng)如圖1所示。

1.2反應原理

水蒸氣重整是目前最常用的乙醇制氫方法[1-3]。目前全世界一半以上的氫氣是通過水蒸氣重整制得的。該方法制得的氫氣純度較高，該反應機理一般有如下兩種主要反應：

(1)乙醇脫氫生成乙醛和氫氣，其中部分乙醛會繼續(xù)和表面氧作用生成乙酸鹽，然后分解生成CH4和CO2，部分乙醛會直接生成CH4和CO。CH4發(fā)生重整反應生成碳的氧化物和H2。

圖1　利用發(fā)動機余熱制氫系統(tǒng)Figure 1　Hydrogen production system using engine waste heat

(1)

(2)

(3)

(4)

(2)乙醇脫水生成乙烯，其中部分乙烯再分解生成氫氣和焦炭，部分乙烯快速發(fā)生重整反應生成CO和H2,還有部分直接脫附存在于產(chǎn)物中。CO發(fā)生水煤氣變換反應生成CO2和H2。

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(6)

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通過實驗發(fā)現(xiàn)，減少系統(tǒng)壓力有利于乙醇和水的轉化，使氫氣生產(chǎn)率提高[4]，因此反應應在負壓或常壓下進行，最佳反應溫度在850K～900K，水和乙醇的最佳體積比是8～9，乙醇水蒸氣重整是一個吸熱反應，需要由外部供熱。

上述反應只是簡單的概述，具體的反應機理采用美國加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LawrenceLivermoreNationalLaboratory)的NickM.Marinov所發(fā)表的乙醇高溫燃燒化學反應動力學模型[5]。武漢理工大學的游伏兵[6]利用色譜法測量了乙醇重整反應生成的重整氣的組分含量，成分含量見表1。

表1　乙醇重整氣組分含量Table 1　Ethanol reforming gas components contents

2　激波管的實驗原理

激波管實驗原理如圖2[7-8]所示。

圖2　激波管實驗原理Figure 2　Principle of shock tube test

典型激波管由兩根等截面管構成，高壓區(qū)充裝驅動氣體，低壓區(qū)充裝被驅動(實驗)氣體，高壓區(qū)和低壓區(qū)隔離開，當高壓區(qū)和低壓區(qū)的隔離物破裂時，高壓氣體膨脹，在低壓區(qū)產(chǎn)生向右傳播的激波，低壓區(qū)受到激波的作用，溫度和壓力迅速升高，低壓區(qū)氣體的初始狀態(tài)如圖2所示(1區(qū))，在激波前峰面掃過低壓區(qū)后，1區(qū)氣體的溫度和壓力有一個升高量，用2區(qū)表示。當激波前峰面到達激波管最右端，激波將產(chǎn)生發(fā)射，反射激波繼續(xù)對2區(qū)氣體進行壓縮，這樣，2區(qū)氣體狀態(tài)變?yōu)?區(qū)所示。因為激波的速度很快，而5區(qū)的氣體經(jīng)過了入射激波和反射激波的兩次作用，溫度、壓力迅速升高，一般可以利用5區(qū)氣體做實驗研究用，chemkin-pro軟件中的激波反射可以直接設定入射激波速度、反射激波速度、入射激波作用以后的溫度、反射激波作用以后的溫度、入射激波作用以后的壓力、反射激波作用以后的壓力，以及入射激波和反射激波作用以后物質(zhì)密度的變化情況。輸入化學反應動力學數(shù)據(jù)和熱力學數(shù)據(jù)以后，就可以直接模擬物質(zhì)的化學反應情況。

3　模擬計算

NickM.Marinov的乙醇高溫燃燒化學反應動力學模型經(jīng)過了不同實驗方法和不同實驗項目的檢驗，這些檢驗包括：定容彈實驗裝置和逆流雙生火焰裝置對層流火焰速度數(shù)據(jù)的研究、反射激波對點火延遲時間的研究、噴射攪動反應器和湍流反應器對乙醇氧化產(chǎn)物的研究。該化學動力學模型與上述5個實驗數(shù)據(jù)很好地吻合，證明了該模型的準確性。

首先進行單獨使用乙醇的燃燒模擬，選用激波反射模型，乙醇的空燃比約為9，根據(jù)空燃比設定C2H5OH:O2:N2=1:3:12(摩爾比)，設定反射激波后的溫度為1 000K，反射激波后的壓強為1atm(1atm=101.325kPa)，給定反應時間為0.05s，模擬計算結果如圖3所示。

計算中若保持乙醇和空氣的摩爾比不變，輸入乙醇摩爾當量的重整氣，并且忽略重整氣中含量為0.2的其它成分，即各組分的摩爾比為：C2H5OH:O2:N2:H2:CO:CH4:CO2:C2H4:C2H6=1:3:12:0.582:0.203:0.108:0.052:0.032:0.021。用激波管進行模擬，選擇激波反射模型，設定反射激波后的溫度為1 000K，反射激波后的壓強為101.325kPa，給定反應時間為0.05s，模擬計算結果如圖4所示。

圖3　純乙醇燃燒后激波管內(nèi)的變化Figure 3　The changes of shock tube after the combustion of pure ethanol

圖4　乙醇重整氣燃燒后激波管內(nèi)的變化Figure 4　The changes of shock tube after the combustion of ethanol reforming gas

從乙醇燃燒和乙醇重整氣燃燒模擬計算，得出如下結論：

(1)對比圖3(a)和圖4(a)，可以看到，激波管中壓力和溫度迅速上升，為可燃物著火提供了快速均勻的加熱、加壓環(huán)境，有效排除了發(fā)動機燃燒過程中各種附加過程(如燃料噴射、空氣運輸?shù)?對燃燒過程的影響，使燃料反應動力學機理得到更充分的體現(xiàn)。

(2)對比圖3(d)和圖4(d),可以看出，燃燒放熱時間急劇縮短，這與本文介紹的發(fā)動機尾氣余熱制氫的目的是吻合的，充分體現(xiàn)了氫氣的優(yōu)良燃燒性能，由于燃料的放熱時間短，可以采用較小的點火提前角，有利于改善發(fā)動機的性能。

(3)對比圖3(e、f)和圖4(e、f)，可以看到，CO2和CO生成迅速，但是，CO2摩爾分數(shù)持續(xù)增加，直至燃燒過程結束，CO生成以后又略有衰減，說明有一部分CO與O2繼續(xù)反應，生成CO2。

(4)對比圖3(h)和圖4(h)，可以看到，OH

摩爾分數(shù)發(fā)生劇烈變化的起始時間由0.033s變?yōu)?.028s，反應出燃料的自點火延遲時間變短，說明重整氣的加入可以有效縮短發(fā)動機的滯燃期，對提高發(fā)動機的性能十分有利。

(5)對比圖3(h)和圖4(h)，可以看到，OH自由基都迅速生成，稍后略有衰減，說明OH自由基對于純乙醇燃燒、乙醇混合重整氣燃燒的整個鏈式反應都具有非常重要的作用。

4　結論

利用勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的乙醇反應機理對乙醇和乙醇重整氣的燃燒進行了模擬，利用激波管的瞬間加熱作用模擬了重整氣的加入對乙醇燃燒性能的改進，模擬結果與預期結果吻合較好，證明余熱制氫裝置在改善發(fā)動機燃燒性能方面具有很明顯的作用。

重整氣中的氫氣有效地促使了點火延遲時間變短，有利于發(fā)動機性能的改進。具體應用到發(fā)動機上時，要根據(jù)實際情況確定采用多大的摻燒比例，并需要通過實驗驗證。

余熱制氫裝置在充分利用發(fā)動機廢氣余熱的同時，制取的混合氣能很好地提高發(fā)動機的性能，并且制取的混合氣可在常壓下運行，對于發(fā)動機的結構改造是十分方便的。

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編輯陳秀娟

Simulation Calculation of Ethanol Engine to Produce Hydrogen by Waste Heat

Yang Dayong, Hu Yihuai, Feng Shiquan

Adevicetoproducehydrogenbywasteheatofenginehasbeenresearchedinthepaperanditisappliedtotheethanolengine.Shocktubemodelinchemkin-prosoftwarecanbeusedtocalculatetheinfluenceofreforminggasgeneratedbythedeviceoncombustioninengineafterthegaswasaddedintotheengine.Thesituationsofpressurerising,temperaturerising,heatreleasingandcomponentscontentschanginghavebeenresearchedbyethanolcombustionreactionmechanism,andthefeaturesofpureethanolcombustionandethanolmixedreforminggascombustionhavebeencompared.Theresultsshowthatthehydrogeninreforminggascaneffectivelyshortentheignitiondelaytime,whichisbeneficialtotheimprovementoftheperformanceoftheengine.

ethanolengine;chemkin-prosoftware;shocktube;ignitiondelay

2016—02—29

楊大勇(1992—)，碩士研究生，從事新能源發(fā)動機相關的研究。電話：15800707112，E-mail：Yangday0729@163.com

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