异辛烷掺混乙醇在高温下层流预混燃烧特性的研究

张烨苗, 李倩倩, 闫治宇, 黄佐华

(西安交通大学动力工程多相流重点国家实验室, 西安, 710049)

交通运输行业对石油基能源的严重依赖,不仅带来了能源紧缺的问题,而且造成了严重的环境污染。目前,优化传统燃料燃烧过程和寻找可再生清洁替代燃料已经成为最有效的解决途径。乙醇作为氧含量和辛烷值较高的低碳醇,将其添加进汽油中使用,不仅可降低碳烟、CO、苯的排放[1-2],还可增强汽油的抗爆性从而提高发动机的压缩比。另外,乙醇的火焰传播速度快、着火界限广,非常有利于发动机的稀薄燃烧和高EGR率燃烧[3-5]。然而,乙醇的亲水性强、燃烧热值较低,目前主要与汽油等传统燃料掺混进行使用,异辛烷(iC8H16)常常和正庚烷被用作汽油的基础替代物[6]。

层流燃烧速度是研究湍流燃烧的基础,可用来验证化学反应机理和优化发动机设计。已有学者对乙醇掺混异辛烷在层流燃烧特性方面的研究开展了相关工作。Broustail等测量了常压下初始温度为393 K,掺混比包含0、25%、50%、75%、100%的乙醇-异辛烷混合燃料的层流燃烧速率[7];Lipzig等利用热流量法分别测量了常压下初始温度为298、338 K异辛烷/正庚烷-乙醇固定掺混比下的层流燃烧速率[8],与冲火焰法等测量到的数据做了对比,分析了误差;Varea等研究了初始压力对异辛烷和乙醇单质的层流特性影响[9],包括速率和马克斯坦长度,并且着重分析了当量比和掺混比对压力指数因子的影响,但并未涉及到掺混在高压下的情况;化学反应机理方面,Frassoldati等发展了乙醇与汽油替代燃料的混合模型,并用乙醇氧化反应过程中的物种浓度、着火延迟等多组数据进行了验证[10],然而层流燃烧速度进行验证时主要集中在常压下,高压下该机理对燃烧宏观特性的预测准确性并不能完全保证;郑东等发展了相关混合燃料高温氧化的反应模型[11-13],但模型机理的完整性和各个工况下的准确性都需进一步验证。

综上分析,关于乙醇掺混异辛烷在层流燃烧特性方面的研究虽有很多,但在实验测量工况上主要在常压下进行,高压下的测量不多。本文补充了宽掺混比范围下的高压数据,在保证数据可靠性的情况下,利用层流燃烧速率对已有的两个模型进行了验证。前人研究中关于乙醇掺入对混合气层流特性的影响只对实验现象进行了描述,本研究结合化学反应动力学对实验现象做了具体的分析和解释。

1 实验装置和测量

定容燃烧弹实验装置由定容燃烧弹、加热系统、点火系统、数据采集系统和高速纹影摄像系统组成,如图1所示。其中定容燃烧弹的内径为180 mm,体积为5.8 L,两侧装有对称的石英玻璃,直径为80 mm。容弹的加热依赖于缠绕在容弹外表面的加热带,其功率为1 500 W,容弹中心装有K型的热电偶用来监控容弹内混合物的温度,精确度在1 K左右。

图1 定容燃烧弹实验装置图

实验中由高速摄像机记录火焰从火核形成到发展至视窗边缘的全部过程,数据处理则借助于Matlab程序对拍摄到的火焰图像进行降噪、膨胀和腐蚀处理,将图像的灰度梯度最大值像素点作为球形火焰的圆弧边界,最后利用面积法得到火焰传播过程中各个时刻的半径。通过对时间微分,得到已燃混合气的拉伸传播速度

(1)

式中:Sb为拉伸火焰传播速率;Rf为火焰半径。

由拉伸传播速度推导无拉伸已燃混合气层流火焰传播速度,Kelly等已做了细致的研究,推导出了非线性数据处理方法的相关模型[14-15]。本文选取文献[15]的非线性外推法,具体公式为

(2)

(3)

实验均在433 K的初始温度下展开,分别测量了0.1和0.5 MPa两个初始压力下实验数据,乙醇的液体体积掺混比fve分别为0、0.2、0.5、0.8、1.0,燃料与空气混合的当量比φ为0.8、1.0、1.2。为去除点火和容弹壁面对火焰传播的影响,本文进行数据处理选取的火焰半径范围为8～22 cm。

2 数值模拟

利用文献[16]中的两个模型进行模拟计算:对于基础替代燃料(PRF)、芳香烃类、醇类和醚类等多种混合燃料构建的包括225个反应物、7 645个基元反应的CRECK模型;对于乙醇、正丁醇和异辛烷混合燃料构建的包括228个反应物、1 737个基元反应的Dagaut模型。计算采用混合物平均的输运方程,并考虑了Soret扩散效应。

3 结果与讨论

(a)φ=0.8

(b)φ=1.0

(c)φ=1.2图随乙醇体积掺混比的变化

3.1 乙醇掺混对层流燃烧速率影响的原因

根据一步总反应假设,可得关系式

(4)

式中:Eg为总体活化能;R0为通用气体常数;Tad为绝热火焰温度;Le为路易斯数;α=λ/(cpρu)为层流火焰速率与表征输运特性的扩散系数。

(a)路易斯数Le

(b)扩散系数α

(c)绝热火焰温度Tad图3 与有关的3个参数随乙醇体积掺混比的变化

3.2 模型选择

(a)φ=0.8

(b)φ=1.0

(c)φ=1.2图4 Tu=433 K时不同当量比下模拟值与实验值对比

图4为CRECK和Dagaut模型的预测效果图。由图4可知,无论在常压还是高压下,Dagaut模型的预测效果都要优于CRECK模型,Dagaut模型在变化趋势和具体数值上都与实验结果吻合,而CRECK模型的预测结果则出现了较大的偏差。

利用两个模型对乙醇的具体反应做了详细分析,如图5所示,箭头所指为乙醇的反应路径及后续中间产物的生成途径,百分数表示该反应物在此路径中的消耗占比。由图5可知,Dagaut模型中乙醇的初始脱氢反应主要发生在3个不同位置的碳原子上,并且乙醇脱氢后产物之一的消耗反应存在3条路径,而在CRECK模型中缺少了此类重要路径。在后期模拟计算中,本文将缺失的反应补全至CRECK模型中,发现预测效果要较之前有极大改善,证实了反应路径的缺失是CRECK模型预测不准的重要原因。

带下划线的值表示Dagaut模型中占比;无下划线的值表示CRECK模型中占比图5 Dagaut与CRECK模型中乙醇的反应路径对比(Pu=0.1 MPa,Tu=433 K,fve=0.2,φ=1.0)

3.3 火焰结构分析

(a)IC4H8

(b)IC4H7

(c)C3H6

(d)C2H4

(e)CH3

(f)H

(g)OH图6 重要中间物种的摩尔分数曲线(Pu=0.1 MPa,Tu=433 K,φ=1.0)

Li等利用完善的异辛烷/甲醇混合燃料模型进行路径分析时发现,异辛烷在反应过程中会产生大量的IC4H8、IC4H7、C3H6等相对稳定的中间物种,这些物种在反应过程中会消耗H、OH等对反应活性起关键作用的自由基,从而导致最终的反应速率下降[17]。文献[13]利用JSR装置,得到了异辛烷掺混正丁醇氧化过程中中间物种的分布,CH3、C3H6等参与抑制反应的物种浓度随着正丁醇体积掺混比的增加而减少,活性中间物种浓度上升,从而解释了实验现象。基于文献[13]的模型,对乙醇体积掺混比fve=0.2,0.5,0.8的异辛烷/乙醇混合气进行了火焰结构分析,重要中间物种的摩尔分数变化如图6所示。由图6可知,随着乙醇体积掺混比的逐渐增加,异辛烷的占比下降,对火焰总体反应活性起抑制作用的中间物种IC4H7、C3H6、IC4H8和CH3的摩尔浓度减小,而对于火焰总体反应活性起促进作用的自由基C2H4的摩尔浓度增加。由于混合气火焰中不活跃中间产物含量减少,而活跃中间产物含量增多,使得控制火焰活性最重要的H和OH自由基的含量也相应增加,从而影响了混合气层流燃烧速率的增加。

3.4 反应路径分析

不同乙醇体积掺混比下混合燃料中乙醇的消耗反应路径如图7所示。由图7可知,在乙醇的反应过程中既存在诸如HCO+M=H+CO+M产生活性自由基的链分支反应,又存在CH3转化为CH4和C2H6的链终止反应。并且对比不同掺混比下的乙醇反应路径可知,随着乙醇体积掺混比的逐渐增大,链分支反应所占的比例逐渐下降,而链终止反应的占比上升。综合反应过程中中间物种的浓度变化分析可知,影响异辛烷/乙醇混合燃料层流燃烧速率上升的原因并不是乙醇添加带来的具体反应机理活性上的增强,而是乙醇的替代作用,即随着乙醇添加的增多,异辛烷的占比下降,反应速度更为迅速的乙醇对混合燃料的层流火焰速率起到了决定性作用。

无下划线、带下划线和加括号值分别为fve=0.2,0.5,0.8条件下的值图7 不同乙醇体积掺混比下乙醇的反应路径对比图

4 结 论

(3)利用实验数据对现有的CRECK和Dagaut两个模型进行了验证,发现Dagaut模型的机理预测效果优于CRECK模型的。