馮是全， 胡以懷

(上海海事大學(xué)商船學(xué)院， 上海 200120)

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尾氣余熱制氫汽油機(jī)的燃燒機(jī)理構(gòu)建與簡(jiǎn)化

馮是全， 胡以懷

(上海海事大學(xué)商船學(xué)院， 上海 200120)

為了對(duì)尾氣余熱制氫汽油機(jī)的缸內(nèi)燃燒進(jìn)行仿真，發(fā)展了適合這一燃燒形式的反應(yīng)機(jī)理. 分析了重整氣的組分，選用甲烷機(jī)理GRI 3.0和汽油替代燃料機(jī)理，構(gòu)建了包含334種組分和1 672步反應(yīng)的可用于汽油/重整氣燃燒仿真的詳細(xì)機(jī)理，并通過(guò)直接關(guān)系圖法對(duì)構(gòu)建的詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行了簡(jiǎn)化，最后得到了包含40種組分和171步反應(yīng)的簡(jiǎn)化機(jī)理. 通過(guò)一維汽油機(jī)模型對(duì)該簡(jiǎn)化機(jī)理進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證內(nèi)容包括缸內(nèi)平均壓力、壓力誤差、缸內(nèi)平均溫度、溫度誤差、放熱率、放熱率誤差以及OH的摩爾分?jǐn)?shù)，驗(yàn)證了簡(jiǎn)化機(jī)理的有效性.

汽油機(jī)；重整氣；甲烷；汽油；直接關(guān)系圖

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者開(kāi)展了發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料的研究工作，液化天然氣、液化石油氣、甲醇、乙醇、二甲醚等作為發(fā)動(dòng)機(jī)的替代燃料已經(jīng)有了較為深入的研究，并已經(jīng)開(kāi)始實(shí)際應(yīng)用，氫氣相比傳統(tǒng)燃料具有很大優(yōu)勢(shì)，但是氫氣在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用一直進(jìn)展緩慢. 究其原因，最主要的還是氫氣的高度易燃性和存儲(chǔ)困難. 醇類(lèi)燃料富含氫，如果能將醇類(lèi)燃料中的氫分離出來(lái)，并供給發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒做功，能較好地解決氫氣難以?xún)?chǔ)存的問(wèn)題，可在一定程度上回收發(fā)動(dòng)機(jī)余熱和提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率. 國(guó)外很多學(xué)者進(jìn)行了這方面的工作，瑞士的Sj?str?m在汽油機(jī)上進(jìn)行了尾氣余熱重整甲醇的相關(guān)實(shí)驗(yàn)[1]，以色列的Sher、瑞士的Conte等在汽油機(jī)上進(jìn)行了富氫氣體燃燒的相關(guān)實(shí)驗(yàn)[2-3]. 我國(guó)也有很多學(xué)者進(jìn)行了余熱制氫發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，如中國(guó)科學(xué)院的潘立衛(wèi)、武漢理工大學(xué)的李格升、北京工業(yè)大學(xué)的紀(jì)常偉、 上海大學(xué)的徐元利、上海交通大學(xué)的蔣淇忠、中北大學(xué)的楊勝明等[4-9]. 但是在汽油機(jī)上進(jìn)行余熱制氫將導(dǎo)致汽油機(jī)燃料的變化，需要發(fā)展適合這一燃燒模式的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，在已經(jīng)發(fā)表的文獻(xiàn)中對(duì)這一燃燒模式的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究較少，為了仿真余熱制氫汽油機(jī)的缸內(nèi)燃燒，本文發(fā)展了能用于這種燃燒方式的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理.

本文基于甲烷機(jī)理GRI 3.0和汽油替代燃料機(jī)理[10]構(gòu)建了適用于尾氣余熱制氫汽油機(jī)缸內(nèi)燃燒的詳細(xì)機(jī)理. 采用的甲烷機(jī)理GRI 3.0包含53種組分和325步反應(yīng)；采用的汽油機(jī)理由美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Marco Mehl等開(kāi)發(fā)，包含312種組分和1 488步反應(yīng). 將這2個(gè)機(jī)理整合，構(gòu)建了334種組分和1 672步反應(yīng)的詳細(xì)機(jī)理，并利用直接關(guān)系圖法對(duì)該詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行了簡(jiǎn)化，得到了包含40種組分和171步反應(yīng)的簡(jiǎn)化機(jī)理. 最后，利用chemkin軟件中的點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)模型對(duì)詳細(xì)機(jī)理和簡(jiǎn)化機(jī)理進(jìn)行了比較.

1 燃燒機(jī)理構(gòu)建與簡(jiǎn)化

汽油機(jī)尾氣余熱制氫的總體布置如圖1所示.

系統(tǒng)原理：發(fā)動(dòng)機(jī)工作以后，產(chǎn)生的高溫廢氣流過(guò)氫發(fā)生器，為氫發(fā)生器內(nèi)的醇和水的反應(yīng)提供足夠的熱量，泵從醇水箱中將醇和水的混合液泵入氫發(fā)生器，達(dá)到合適溫度后，醇和水開(kāi)始反應(yīng)產(chǎn)生富含氫氣重整氣，產(chǎn)生的重整氣依次經(jīng)過(guò)冷卻器、緩沖器、穩(wěn)壓器，最后由噴射泵噴入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道，與空氣混合后一起進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸做功. 不同的催化劑、發(fā)動(dòng)機(jī)工況不同、醇水比變化等都會(huì)影響重整氣的成分[11]. 圖2是通過(guò)氣相色譜儀測(cè)得的在汽油機(jī)不同廢氣溫度下重整氣中各組分的摩爾分?jǐn)?shù)，醇水體積比約為1. 從圖2可以看到，重整氣各組分的平均摩爾分?jǐn)?shù)大致為：氫氣(H2)60.1%、一氧化碳(CO)20.5%、甲烷(CH4)10.8%、二氧化碳(CO2)5.4%. 在chemkin仿真模型中也使用了該成分重整氣.

可見(jiàn)，重整氣主要包含4種主要組分H2、CO、CH4、CO2，其中：H2、CO、CO2在甲烷機(jī)理和汽油機(jī)理中均已包括；CH4在汽油機(jī)理中也已經(jīng)部分包括. 為了詳細(xì)描述CH4作為輸入燃料的燃燒情況，用甲烷機(jī)理GRI 3.0表示CH4，占體積比例3.2%左右的其他組分主要是乙烯、乙烷和殘余的乙醇和水等成分，這一部分成分所占體積較小，對(duì)汽油機(jī)缸內(nèi)燃燒的影響較小，并且可以通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化余熱制氫設(shè)備的設(shè)計(jì)來(lái)減小這一部分所占體積. 為了簡(jiǎn)化計(jì)算和仿真，在構(gòu)建機(jī)理時(shí)忽略了其他組分，這樣，重整氣的4種組分及其摩爾分?jǐn)?shù)分別為：H260%、CO 21%、CH411%、CO28%.

美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Marco Mehl等開(kāi)發(fā)的汽油機(jī)理包含多種組分，該機(jī)理采用3種成分混合來(lái)模擬汽油，這3種組分的摩爾分?jǐn)?shù)分別為：異辛烷(iC8H18)50%、甲苯(C6H5CH3)35%、1- 己烯(C6H12- 1)15%.

通過(guò)上面敘述，可以看到，本文構(gòu)建的汽油機(jī)余熱制氫機(jī)理應(yīng)包含7種燃料組分，分別為：H2、CO、CH4、CO2、iC8H18、C6H5CH3、C6H12- 1.

1.1 詳細(xì)機(jī)理的構(gòu)建

詳細(xì)機(jī)理的構(gòu)建思想是將甲烷機(jī)理GRI 3.0和汽油替代燃料機(jī)理合并，在合并過(guò)程中可能涉及的問(wèn)題有：1) 機(jī)理中的某些基元反應(yīng)參數(shù)不一致；2) 基元反應(yīng)重復(fù)；3) 基元表達(dá)式不一致. 甲烷機(jī)理GRI 3.0經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的發(fā)展和完善，以甲烷機(jī)理作為主要機(jī)理，如果汽油機(jī)理中有數(shù)據(jù)和甲烷機(jī)理中不一致，則以甲烷機(jī)理為準(zhǔn)，并刪除汽油機(jī)理中的不一致數(shù)據(jù)；對(duì)于重復(fù)的基元反應(yīng)應(yīng)刪除表達(dá)式不一致的基元，則以甲烷機(jī)理為主. 甲烷機(jī)理包含53種組分和325步反應(yīng)，汽油機(jī)理包含312種組分和1 488步反應(yīng)，經(jīng)過(guò)合并，所得到的詳細(xì)機(jī)理包含334種組分和1 672步反應(yīng). 可以看到，刪除的重復(fù)組分為31種，刪除的重復(fù)反應(yīng)為141步.

1.2 簡(jiǎn)化機(jī)理的詳細(xì)內(nèi)容

簡(jiǎn)化機(jī)理的構(gòu)建是通過(guò)利用直接關(guān)系圖法[12]將詳細(xì)機(jī)理的總體規(guī)模縮小. 國(guó)內(nèi)學(xué)者在直接關(guān)系圖法簡(jiǎn)化反應(yīng)機(jī)理方面做了很多工作，比如中國(guó)科學(xué)院的蔣勇、華中科技大學(xué)的郎靜、中航集團(tuán)的劉建文等[13-15]. 直接關(guān)系圖法通過(guò)計(jì)算任意2組分間的關(guān)聯(lián)系數(shù)，確定整個(gè)反應(yīng)機(jī)理中各組分關(guān)聯(lián)的強(qiáng)弱程度，通過(guò)設(shè)定閥值和設(shè)定初始輸入組分，可以計(jì)算出與初始輸入組分關(guān)聯(lián)最弱的成分，刪除關(guān)聯(lián)系數(shù)小于閥值的較弱組分及相應(yīng)反應(yīng)方程，這樣，反應(yīng)機(jī)理的整體規(guī)模就變小了，而與初始輸入組分高度相關(guān)的組分與反應(yīng)方程被保留下來(lái). 假定A為輸入組分，B為機(jī)理文件中的其他組分，直接關(guān)系圖法中組分A、B的關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算方程為

(1)式中：rAB為組分A和B的關(guān)聯(lián)系數(shù)；i為第i步反應(yīng)；I為總反應(yīng)數(shù)目；vAi為第i個(gè)反應(yīng)中組分A的系數(shù)；ωi為第i個(gè)方程中組分A的凈生產(chǎn)率；如果第i個(gè)方程中出現(xiàn)了組分B，則δBi=1，否則，δBi=0. 通過(guò)應(yīng)用直接關(guān)系圖法，設(shè)定輸入7種燃料組分：H2、CO、CH4、CO2、iC8H18、C6H5CH3、C6H12- 1，并設(shè)定輸入氣體為O2和N2，最后所獲得的40種組分為H2、H、O、O2、OH、H2O、HO2、CH2、CH2(S)、CH3、CH4、CO、CO2、HCO、 CH2O、CH3O、C2H4、C2H5、N2O、N2、IC3H7、NC3H7、C3H6、C3H5- A、C3H4- A、C3H3、NC3H7O2、C4H7- 4、IC4H9、IC4H8、C6H12- 1、YC7H15、YC7H14、NEOC5H11、IC8H18、DC8H17、C6H5CH3、 C6H5CH2J、C6H5OJ、C6H5.

2 機(jī)理仿真與比較

利用chemkin軟件的火花塞點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)模型來(lái)仿真尾氣余熱制氫汽油機(jī)，chemkin軟件的火花塞點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)模型是基于日本尼桑汽車(chē)公司的Toru Noda等[16]發(fā)展的汽油機(jī)缸內(nèi)零維模型，該模型將整個(gè)氣缸分為2部分：一部分為已燃區(qū)，另一部分為未燃區(qū)，火花塞點(diǎn)火產(chǎn)生的火焰面呈現(xiàn)出球面的形狀，隨著缸內(nèi)燃料的燃燒和活塞的運(yùn)動(dòng)，未燃區(qū)的壓力和溫度也不斷受到影響. 圖3為chemkin軟件零維汽油機(jī)模型的示意圖. 其中：m為缸內(nèi)物質(zhì)質(zhì)量；x為質(zhì)量分?jǐn)?shù)；V為體積；T為溫度；u為內(nèi)能；rf為球形火焰面的半徑；下標(biāo)b為已燃區(qū)；下標(biāo)u為未燃區(qū).

以東風(fēng)EQ6100- 1型電噴汽油機(jī)為原型機(jī)，chemkin軟件仿真所用的發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如表1所示.

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

仿真起點(diǎn)為上止點(diǎn)前120.2°CA，仿真終點(diǎn)為上止點(diǎn)后139.8°CA， 點(diǎn)火提前角設(shè)定為上止點(diǎn)前14.5°CA，設(shè)定各組分的摩爾比為n(汽油)∶n(重整氣)∶n(空氣)=1∶0.1∶50，設(shè)定進(jìn)氣溫度為300 K，進(jìn)氣壓力為0.1 MPa. 考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量損失，熱量損失模型為chemkin軟件自帶的Woschni傳熱模型. 通過(guò)計(jì)算，缸內(nèi)壓力曲線如圖4所示. 圖5表示了通過(guò)詳細(xì)機(jī)理和簡(jiǎn)化機(jī)理計(jì)算所得的缸內(nèi)壓力的數(shù)值差. 可以看到，利用詳細(xì)機(jī)理和簡(jiǎn)化機(jī)理計(jì)算所得的缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)有較好的一致性，詳細(xì)機(jī)理計(jì)算得到的缸內(nèi)壓力比簡(jiǎn)化機(jī)理計(jì)算得到的壓力略微小一些，它們的數(shù)值差在0.03 MPa左右，與缸內(nèi)整體壓力情況對(duì)比，這一數(shù)值差是比較小的，由此可以認(rèn)為簡(jiǎn)化機(jī)理可以有效、合理地計(jì)算尾氣余熱制氫汽油機(jī)的缸內(nèi)壓力變化.

圖6為由詳細(xì)機(jī)理和簡(jiǎn)化機(jī)理計(jì)算所得的溫度曲線，圖7為利用詳細(xì)機(jī)理計(jì)算得到的溫度值減去簡(jiǎn)化機(jī)理計(jì)算得到的溫度值. 可以看到，由詳細(xì)機(jī)理和簡(jiǎn)化機(jī)理計(jì)算所得數(shù)據(jù)的一致性也非常好，它們的溫度差在18 K左右，相對(duì)缸內(nèi)整體溫度情況來(lái)說(shuō)，這一變化范圍較為微弱，可見(jiàn)本文所發(fā)展的簡(jiǎn)化機(jī)理對(duì)缸內(nèi)溫度的預(yù)測(cè)也是較為合理和準(zhǔn)確的.

圖8為通過(guò)詳細(xì)機(jī)理和簡(jiǎn)化機(jī)理計(jì)算得到的放熱率曲線. 可以看到，每度曲柄轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的放熱率的一致性較好. 圖9為放熱率的差值，該差值最大值為3.22 J/(°CA)，對(duì)應(yīng)位置為上止點(diǎn)后7°CA，該位置每度曲柄轉(zhuǎn)角的放熱率為213.5 J/(°CA)，可以看到，與放熱率數(shù)值相比，詳細(xì)機(jī)理和簡(jiǎn)化機(jī)理計(jì)算得到的數(shù)值差也較小.

最后比較了詳細(xì)機(jī)理和簡(jiǎn)化機(jī)理對(duì)OH的摩爾分?jǐn)?shù)的模擬情況，如圖10所示. 可以看到，OH的摩爾分?jǐn)?shù)的一致性也較好，簡(jiǎn)化機(jī)理計(jì)算得到的OH的摩爾分?jǐn)?shù)峰值比詳細(xì)機(jī)理計(jì)算得到的數(shù)值要大一些，偏差值小于0.000 5.

3 結(jié)論

1) 尾氣余熱制氫是一種較為高效和清潔的能源利用方式，這一技術(shù)可以利用甲醇、乙醇等醇類(lèi)燃料作為發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助能源，基于對(duì)這一發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒方式仿真的需要，構(gòu)建了適合這一燃燒方式的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理. 基于甲烷機(jī)理GRI 3.0和汽油替代機(jī)理構(gòu)建了包含334種組分和1 672步反應(yīng)的可用于汽油/重整氣燃燒仿真用的詳細(xì)機(jī)理，并利用直接關(guān)系圖法對(duì)該詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行了簡(jiǎn)化，構(gòu)建了包含40種組分和171步反應(yīng)的簡(jiǎn)化機(jī)理.

2) 本文通過(guò)火花塞點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)模型對(duì)簡(jiǎn)化機(jī)理進(jìn)行了驗(yàn)證，模型仿真結(jié)果證明了簡(jiǎn)化機(jī)理在模擬缸內(nèi)壓力、缸內(nèi)溫度、放熱率和OH的摩爾分?jǐn)?shù)時(shí)的準(zhǔn)確性.

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(責(zé)任編輯 梁 潔)

Construction and Simplification of the Combustion Mechanism of Gasoline Engine With Steam Reforming With the Heat of Exhaust Gas

FENG Shiquan, HU Yihuai

(Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 200120, China)

To simulate the combustion in the cylinder of gasoline engine with steam reforming, a detailed mechanism was developed. The mechanism of GRI 3.0 and gasoline surrogate were used for the construction of the detailed mechanism according to the components in syngas. The detailed mechanism, with 334 species and 1 672 reactions, was reduced with direct relation graph method to form a reduced mechanism with 40 species and 171 reactions. The reduced mechanism was verified by the one dimensional gasoline engine model by the test of the average temperature, the temperature error, the heat release rate, the heat release rate error and the difference between OH concentration. Results show good agreement of the validation of detailed mechanism and reduced mechanism.

gasoline engine；syngas；methane；gasoline；directed relation graph

2016- 03- 08

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)資助項(xiàng)目(08210511800)；上海海事大學(xué)創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(2015ycx079)

馮是全(1983—)， 男， 博士研究生， 主要從事船舶新能源方面的研究，E-mail:fengshiquan@outlook.com

TK 46

A

0254-0037(2016)12-1901-06

10.11936/bjutxb2016030018