戴湘柱， 李岳林， 毛德智， 王重陽(yáng)

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 汽車與機(jī)械工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410076)

不同摻氫比對(duì)PRF燃料預(yù)混層流燃燒的影響

戴湘柱， 李岳林， 毛德智， 王重陽(yáng)

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 汽車與機(jī)械工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410076)

為了對(duì)摻氫汽油機(jī)缸內(nèi)預(yù)混湍流燃燒過(guò)程進(jìn)行更深入的研究，通過(guò)反應(yīng)系數(shù)變異分析，優(yōu)化了摻氫PRF燃料燃燒的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化機(jī)理，采用CHEMKIN 軟件的Premixed模塊，建立并驗(yàn)證了摻氫PRF燃料的預(yù)混層流燃燒模型，并在此基礎(chǔ)上研究了摻氫對(duì)PRF燃料預(yù)混層流燃燒過(guò)程的影響.研究結(jié)果表明，摻氫促進(jìn)了庚烷與異辛烷的脫氧反應(yīng)及自由基H、OH的鏈鎖反應(yīng)，加快了相同初始?jí)毫囟纫约盎瘜W(xué)當(dāng)量比條件下PRF燃料的層流燃燒速度；此外，摻氫增加了NO的排放，但可以有效減小CO2的排放.

預(yù)混層流；PRF燃料；反應(yīng)系數(shù)變異優(yōu)化；自由基

隨著石油資源的不斷枯竭和溫室效應(yīng)的日益嚴(yán)重，降低現(xiàn)有傳統(tǒng)汽油機(jī)的油耗和排放己成為內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[1].氫氣是一種可再生的綠色能源，同時(shí)具有較高的擴(kuò)散速度和燃燒速率，故將氫氣在汽油機(jī)中摻混燃燒可以有效地降低HC、CO 及 CO2等含碳排放物.

與此同時(shí)，預(yù)混層流燃燒也引起人們的極大關(guān)注.因?yàn)閷恿魅紵俣仁穷A(yù)混燃料燃燒的擴(kuò)散性、放熱能力以及化學(xué)反應(yīng)速率的綜合反映，同時(shí)也是作為湍流燃燒的量化基準(zhǔn)，所以用來(lái)表征湍流流動(dòng)對(duì)燃燒的促進(jìn)作用，對(duì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)驗(yàn)證、燃燒模型建立具有重要意義[2].然而，摻氫對(duì)汽油機(jī)預(yù)混層流火焰?zhèn)鞑ニ俾始盎鹧娣€(wěn)定性等燃燒特性的影響程度仍不太明確，相關(guān)研究相對(duì)較少[3].因此，本研究通過(guò)反應(yīng)系數(shù)變異，優(yōu)化了摻氫PRF燃料預(yù)混層流燃燒的化學(xué)反應(yīng)簡(jiǎn)化機(jī)理并在CHEMKIN軟件中進(jìn)行了數(shù)值仿真，對(duì)不同摻氫比下PRF燃料預(yù)混層流燃燒的燃燒傳播速率、活性基、反應(yīng)及生成物等進(jìn)行了深入分析，為今后對(duì)摻氫汽油機(jī)缸內(nèi)預(yù)混湍流燃燒過(guò)程進(jìn)行更深入的研究打下基礎(chǔ).

1 簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理

1.1 簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的構(gòu)建

汽油的主要成分為C4～C12脂肪烴和環(huán)烴類，由于其成分的復(fù)雜性，通常在數(shù)值仿真中用幾種主要摻比燃料(primary reference fuel，PRF)來(lái)代替汽油[4].摻氫PRF燃料簡(jiǎn)化機(jī)理構(gòu)建的依據(jù)主要來(lái)自相關(guān)文獻(xiàn)中比較被認(rèn)可的反應(yīng)過(guò)程，其中包括烷烴的小分子碳?xì)浞磻?yīng)、大分子低溫裂解反應(yīng)(如圖1所示)和氫氣氧化反應(yīng)3大部分.

異辛烷的低溫反應(yīng)及大分子裂解反應(yīng)來(lái)自Tsurushima[5]的PRF燃料簡(jiǎn)化機(jī)理，共包括13步反應(yīng).正庚烷的大分子裂解反應(yīng)來(lái)自于Ra[6]的PRF燃料簡(jiǎn)化機(jī)理，共包括9步基元反應(yīng).其中的小分子碳?xì)浞磻?yīng)主要來(lái)自于Ra簡(jiǎn)化機(jī)理，共包括110步基元反應(yīng).NOx生成機(jī)理來(lái)自于Jia[7]的異辛烷簡(jiǎn)化機(jī)理中的NOx子機(jī)理，共13步基元反應(yīng).氫氣氧化反應(yīng)主要來(lái)自Conaire[8]等人的簡(jiǎn)化機(jī)理，共10組分和21步基元反應(yīng).

圖1 烷烴裂解過(guò)程圖

1.2 反應(yīng)系數(shù)變異優(yōu)化

為了使簡(jiǎn)化機(jī)理在預(yù)測(cè)預(yù)混層流燃燒速度方面能更好地與文獻(xiàn)中的試驗(yàn)值吻合，先通過(guò)敏感性分析法找出氫氣對(duì)烷烴脫氧分解影響最大的幾個(gè)反應(yīng)，再采用“反應(yīng)系數(shù)變異法[9]”對(duì)部分化學(xué)反應(yīng)的Arrhenius常數(shù)(主要為指前因子)進(jìn)行了優(yōu)化.

(1)

式中:k為反應(yīng)速率常數(shù)；A為指前因子；T為反應(yīng)溫度；b為溫度指數(shù)；E為活化能；R為摩爾氣體常數(shù)，優(yōu)化后的化學(xué)反應(yīng)及反應(yīng)速率常數(shù)如表1所示.

綜上所述，最終得出共包括66個(gè)組分和162個(gè)基元反應(yīng)的摻氫PRF燃料燃燒的化學(xué)反應(yīng)簡(jiǎn)化機(jī)理.

表1 烷烴脫氧反應(yīng)速率常數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比

2 摻氫PRF燃料預(yù)混層流燃燒模型的建立

在CHEMKIN軟件中的Premix子程序中設(shè)置初始參數(shù)，其中初始?jí)毫χ禐?03 kPa，初始進(jìn)氣溫度為301 K.以氫氣與PRF燃料(辛烷值占93%，正庚烷占7%)建立混合燃料模型.考慮到PRF體積能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氫氣，這里采用氫氣占總?cè)剂系谋戎祦?lái)衡量?jī)煞N燃料的比例[10].

此時(shí)氫氣占總?cè)剂系谋戎郸翲2定義為

(2)

混合燃料的理論當(dāng)量比定義為:

(3)

式中：AFH2和AFPRF分別表示氫氣和PRF的空燃比，前者取34.3，后者根據(jù)PRF中正庚烷和異辛烷的比值定；nH2和nPRF表示氫氣和PRF的摩爾數(shù)，mol；MH2和MPRF分別表示氫氣和PRF的相對(duì)分子質(zhì)量，前者取2g/mol，后者根據(jù)PRF中正庚烷和異辛烷的比值定；LVHH2和LVHPRF分別表示H2和RPF的低熱值，kJ/kg；mair表示空氣的質(zhì)量，kg，假設(shè)空氣成分為氮?dú)夂脱鯕?，所占的體積分?jǐn)?shù)為79%和21%.

(4)

(5)

式中：AFC7H16和AFC8H18分別表示C7H16和C8H18在空氣下完全燃燒消耗的空氣質(zhì)量和燃料質(zhì)量的比值，均為15.13；MC7H16和MC8H18分別表示C7H16和C8H18的相對(duì)分子質(zhì)量，分別是100和114 ，g/mol；RON表示PRF的辛烷值，即異辛烷在PRF燃料中的比值.

3 預(yù)混層流燃燒模型與簡(jiǎn)化機(jī)理的驗(yàn)證

由于測(cè)量摻氫PRF燃料預(yù)混層流燃燒的基礎(chǔ)試驗(yàn)極少，Ji[11]等人在汽油和氫氣的層流火焰速度的基礎(chǔ)上，提出了經(jīng)耦合而成的摻氫汽油機(jī)層流燃燒速度經(jīng)驗(yàn)公式.

(6)

式中：SL,h+g表示汽油和氫氣混合燃料的層流火焰速度；αH2表示氫氣占燃料的摩爾分?jǐn)?shù)；φ表示氫氣和汽油混合燃料的當(dāng)量比；Tu表示混合燃料初始溫度；p表示混合燃料初始?jí)毫Γ籝dif表示殘余氣體分?jǐn)?shù)；SL,O表示參考溫度、參考?jí)毫ο碌膶恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俾?；pref和Tref分別表示參考?jí)毫?bar和參考溫度298K；α和β分別表示無(wú)量綱模型參數(shù).

圖2所示的是應(yīng)用了簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)機(jī)理優(yōu)化前后的摻氫PRF燃料預(yù)混層流燃燒速度模擬值與Ji[11]的耦合經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值(其中H2層流燃燒速率采用Wu[12]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，PRF層流燃燒速率試驗(yàn)值采用Huang[13]的試驗(yàn)數(shù)據(jù))進(jìn)行對(duì)比.與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值相比較，機(jī)理優(yōu)化后的燃燒模型可以較為正確地反映摻氫PRF燃料預(yù)混層流燃燒速度，且差值最大不超過(guò)5.71%.

圖2 不同摻氫比下PRF燃料層流燃燒速度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算值與機(jī)理優(yōu)化前后模擬值對(duì)比圖

4 數(shù)值模擬

4.1 預(yù)混層流燃燒速度

圖3所示的是在摻氫比分別為0、20%、40%時(shí)，PRF燃料預(yù)混層流燃燒速度隨著軸向傳播距離的變化規(guī)律.從圖3中可以看出，隨著摻入氫氣的不斷增多，PRF燃料預(yù)混層流火焰速度也在不斷增大.這說(shuō)明氫氣的摻入加快了PRF燃料的預(yù)混層流燃燒.

圖3 不同摻氫比下PRF燃料預(yù)混層流燃燒速度圖

4.2 預(yù)混層流燃燒活性自由基

圖4所示的是不同摻氫比下自由基H、O和OH的摩爾分?jǐn)?shù)和對(duì)應(yīng)的產(chǎn)率及主要參與反應(yīng)式隨軸向傳播距離的變化規(guī)律.從圖4(a)可以看出，不摻氫時(shí)反應(yīng)中自由基OH所占比重比自由基H要大，但是自由基H在反應(yīng)所占比重隨著氫氣的不斷摻入反而超越自由基OH.這說(shuō)明氫氣的不斷摻入破壞了PRF燃料燃燒時(shí)自由基H和OH之間的化學(xué)反應(yīng)平衡.從圖4中可以看出，自由基H、O和OH的總產(chǎn)率及其主要反應(yīng)的曲線隨著氫的摻入振動(dòng)幅度越來(lái)越大.這是因?yàn)闅錃獾膿饺胩岣吡薖RF燃料自由基的反應(yīng)活性且促進(jìn)了PRF燃料的預(yù)混燃燒.

圖4 不同摻氫比下自由基H、O和OH的產(chǎn)率及主要反應(yīng)式變化規(guī)律圖

4.3 預(yù)混層流燃燒反應(yīng)物

圖5所示的是不同摻氫比下正庚烷與異辛烷的產(chǎn)率及主要參與反應(yīng)式隨軸向傳播距離的變化規(guī)律.從圖5中可以看出，正庚烷與異辛烷的初始摩爾分?jǐn)?shù)隨著摻氫比的增加而不斷下降.這是因?yàn)樵诋?dāng)量比保持不變的條件下增大了摻氫比，導(dǎo)致PRF燃料中烷烴含量有所降低.從圖5(a)與5(b)中可以從看出，正庚烷與異辛烷主要參與的化學(xué)反應(yīng)式和總消耗率都隨著摻氫比的增加而不斷地增大.這表明氫氣的摻入促進(jìn)了PRF燃料中烷烴的脫氧分解.

圖5 不同摻氫比下異辛烷與正庚烷產(chǎn)率及主要反應(yīng)式變化規(guī)律圖

4.4 預(yù)混層流燃燒生成物

圖6所示的是不同摻氫比下CO、CO2和NO的產(chǎn)率隨軸向傳播距離的變化規(guī)律.從圖6(a)可以看出，CO和CO2的產(chǎn)率隨著摻入氫氣的增多反而不斷地降低.這是因?yàn)闅錃馐且环N不含碳的清潔能源，降低了PRF燃料中的含碳量.

從圖6(b)可以看出，隨著摻氫的不斷增大，NO的產(chǎn)率也相應(yīng)的增多.這是由于摻氫使得缸內(nèi)混合氣的燃燒速度變快，燃燒放熱等容度提高，缸內(nèi)的壓力和溫度都有所提高，而且NO的產(chǎn)生主要集中在高溫高壓的燃燒瞬間，所以NO的生成也就增多了.

圖6 不同摻氫比下CO 、CO2和NO的產(chǎn)率變化規(guī)律圖

5 結(jié) 論

1)通過(guò)反應(yīng)系數(shù)變異優(yōu)化，最終得出共包括66個(gè)組分和162個(gè)基元反應(yīng)的摻氫PRF燃料燃燒的化學(xué)反應(yīng)簡(jiǎn)化機(jī)理.與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值相比較，機(jī)理優(yōu)化后的燃燒模型可以較為正確地反映摻氫PRF燃料預(yù)混層流燃燒速度，且差值最大不超過(guò)5.71%.

2)摻氫增大了PRF燃料燃燒中自由基H、OH的反應(yīng)活性分?jǐn)?shù)，加快了正庚烷與異辛烷的脫氧反應(yīng)，因此氫氣的摻入有效地提高了PRF燃料預(yù)混層流燃燒速度.

3)氫氣的不斷摻入，加快了PRF燃料的燃燒速度，提高了缸內(nèi)的壓力與溫度，增大了NO的排放，但可以有效降低CO2的排放，

[1] 紀(jì)常偉，高彬彬，劉曉龍.摻氫汽油機(jī)燃燒過(guò)程的準(zhǔn)維模型構(gòu)建[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，40(12)：1863-1868.

[2] 胡二江，黃佐華.C1-C4烷烴預(yù)混層流燃燒與著火特性研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2013，34 (3)：558-562.

[3] 苗海燕，焦 琦，黃佐華[J].稀釋氣對(duì)摻氫天然氣層流預(yù)混燃燒燃燒速率的影響，2010，16(2)：104-110.

[4] 湯成龍，張旭輝，司占博.甲烷/乙烷-空氣預(yù)混層流燃燒特性試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2016， 37 (1)：83-88.

[5]TTsurushima.ANewSkeletalPRFKineticModelforHCCICombustion[C].ProceedingsoftheCombustionInstitute，2009，32(2)：2835-2841.

[6]YRa，RDReitz.AReducedChemicalKineticModelforICEngineCombustionSimulationswithPrimaryReferenceFuels[J].Combustion8cFlame，2008，155(4)：713-738.

[7]JiaMing，XieMaozhao.Achemicalkineticsmodelofiso-octaneoxidationforHCCIengines[J].Fuel，2006，85(17-18)：2593-2604.

[8]MarcusóConaire，HenryJCurran，JohnMSimmie，etal.AComprehensiveModelingStudyofHydrogenOxidati-on[J].InternationalJournalofChemicalKinetics.2004，36(11)：603-622.

[9] 凌鑫晨，吳 鋒，姚棟偉. 基于化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型的汽油機(jī)缸內(nèi)過(guò)程數(shù)值仿真[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2015，33 (2)：136-143.

[10]紀(jì)常偉,周小龍,王華超. 摻氫對(duì)高辛烷值燃料燃燒過(guò)程的影響[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，40(4)：613-618.

[11]JiChangwei，LiuXiaolong，WangShuofeng，etal.DevelopmentandvalidationofalaminarflamespeedcorrelationfortheCFDsimulationofhydrogen-enrichedgasolineengines[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy. 2013，38(4)：1997-2006.

[12]CKWu，CKLaw.Onthedeterminationoflaminarspeedsfromstretchedflames[J].Symposium(International)onCombustion. 1985，20(1)：1941-1949.

[13]Y Huang，CJ Sung，JA Eng. Laminar flame speeds of primary reference fuels and reformer gas mixtures [J]. Combustion 8c Flame，2004，139 (3)：239-251.

Effect of Different Hydrogen Content on PremixedLaminar Combustion of PRF fuel

DAI Xiang-zhu， LI Yue-lin， MAO De-zhi， WANG Chong-yang

(School of Automobile and Mechanical Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410076， China)

In order to further research on premixed turbulent combustion in the cylinder of hydrogen doped gasoline engine, the hydrogen PRF fuel combustion chemical kinetics mechanism was simplified and optimized through the analysis of the reaction coefficient, and the hydrogen PRF fuel premixed laminar combustion model was established and verified by CHEMKIN software Premixed module. On this basis, the hydrogen addition’s effect on PRF fuel premixed laminar combustion was studied. Research results show that hydrogen promotes the deoxidation reaction of heptane and isooctane as well as the chain reaction of free radical H, OH, and speeds up the laminar burning velocity of PRF fuel under the condition of the same initial pressure, temperature and stoichiometric ratio. In addition, the hydrogen addition increases the emissions of NO, but can effectively reduce the emissions of CO2.

premixed laminar flow；PRF fuel；optimization of reaction rate constants variation；free radical

1009-4687(2017)01-0001-05

2016-07-01.

湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2016JJ2003)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No5117 6014).

戴湘柱(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槠嚨墓?jié)能減排與新能源技術(shù).

TK411+.5

A