戴湘柱， 李岳林， 毛德智， 王重陽

(長沙理工大學(xué) 汽車與機械工程學(xué)院，長沙 410076)

不同摻氫比對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

(長沙理工大學(xué) 汽車與機械工程學(xué)院，長沙 410076)

為了對摻氫汽油機缸內(nèi)預(yù)混湍流燃燒過程進行更深入的研究，通過反應(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)動力學(xué)簡化機理，采用CHEMKIN 軟件的Premixed模塊，建立并驗證了摻氫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PRF燃料預(yù)混層流燃燒過程的影響.研究結(jié)果表明，摻氫促進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)，加快了相同初始壓力溫度以及化學(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)汽油機的油耗和排放己成為內(nèi)燃機領(lǐng)域的研究重點[1].氫氣是一種可再生的綠色能源，同時具有較高的擴散速度和燃燒速率，故將氫氣在汽油機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，預(yù)混層流燃燒也引起人們的極大關(guān)注.因為層流燃燒速度是預(yù)混燃料燃燒的擴散性、放熱能力以及化學(xué)反應(yīng)速率的綜合反映，同時也是作為湍流燃燒的量化基準(zhǔn)，所以用來表征湍流流動對燃燒的促進作用，對化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)驗證、燃燒模型建立具有重要意義[2].然而，摻氫對汽油機預(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)研究相對較少[3].因此，本研究通過反應(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)簡化機理并在CHEMKIN軟件中進行了數(shù)值仿真，對不同摻氫比下PRF燃料預(yù)混層流燃燒的燃燒傳播速率、活性基、反應(yīng)及生成物等進行了深入分析，為今后對摻氫汽油機缸內(nèi)預(yù)混湍流燃燒過程進行更深入的研究打下基礎(chǔ).

1 簡化化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機理

1.1 簡化化學(xué)反應(yīng)機理的構(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)來代替汽油[4].摻氫PRF燃料簡化機理構(gòu)建的依據(jù)主要來自相關(guān)文獻中比較被認(rèn)可的反應(yīng)過程，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)來自Tsurushima[5]的PRF燃料簡化機理，共包括13步反應(yīng).正庚烷的大分子裂解反應(yīng)來自于Ra[6]的PRF燃料簡化機理，共包括9步基元反應(yīng).其中的小分子碳?xì)浞磻?yīng)主要來自于Ra簡化機理，共包括110步基元反應(yīng).NOx生成機理來自于Jia[7]的異辛烷簡化機理中的NOx子機理，共13步基元反應(yīng).氫氣氧化反應(yīng)主要來自Conaire[8]等人的簡化機理，共10組分和21步基元反應(yīng).

圖1 烷烴裂解過程圖

1.2 反應(yīng)系數(shù)變異優(yōu)化

為了使簡化機理在預(yù)測預(yù)混層流燃燒速度方面能更好地與文獻中的試驗值吻合，先通過敏感性分析法找出氫氣對烷烴脫氧分解影響最大的幾個反應(yīng)，再采用“反應(yīng)系數(shù)變異法[9]”對部分化學(xué)反應(yīng)的Arrhenius常數(shù)(主要為指前因子)進行了優(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個組分和162個基元反應(yīng)的摻氫PRF燃料燃燒的化學(xué)反應(yīng)簡化機理.

表1 烷烴脫氧反應(yīng)速率常數(shù)優(yōu)化前后對比

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)，其中初始壓力值為103 kPa，初始進氣溫度為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)剂系谋戎祦砗饬績煞N燃料的比例[10].

此時氫氣占總?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)空氣成分為氮氣和氧氣，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化機理的驗證

由于測量摻氫PRF燃料預(yù)混層流燃燒的基礎(chǔ)試驗極少，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層流燃燒速度經(jīng)驗公式.

(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表示混合燃料初始壓力；Ydif表示殘余氣體分?jǐn)?shù)；SL,O表示參考溫度、參考壓力下的層流火焰?zhèn)鞑ニ俾?；pref和Tref分別表示參考壓力1bar和參考溫度298K；α和β分別表示無量綱模型參數(shù).

圖2所示的是應(yīng)用了簡化化學(xué)反應(yīng)機理優(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)驗公式計算值(其中H2層流燃燒速率采用Wu[12]的試驗數(shù)據(jù)，PRF層流燃燒速率試驗值采用Huang[13]的試驗數(shù)據(jù))進行對比.與經(jīng)驗公式計算值相比較，機理優(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5.71%.

圖2 不同摻氫比下PRF燃料層流燃燒速度經(jīng)驗計算值與機理優(yōu)化前后模擬值對比圖

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，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.這說明氫氣的不斷摻入破壞了PRF燃料燃燒時自由基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幅度越來越大.這是因為氫氣的摻入提高了PRF燃料自由基的反應(yīng)活性且促進了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.這是因為在當(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.這是因為氫氣是一種不含碳的清潔能源，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)通過反應(yīng)系數(shù)變異優(yōu)化，最終得出共包括66個組分和162個基元反應(yīng)的摻氫PRF燃料燃燒的化學(xué)反應(yīng)簡化機理.與經(jīng)驗公式計算值相比較，機理優(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，

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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)基金項目(2016JJ2003)；國家自然科學(xué)基金項目(No5117 6014).

戴湘柱(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向為汽車的節(jié)能減排與新能源技術(shù).

TK411+.5

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