異辛烷摻混乙醇在高溫下層流預混燃燒特性的研究

張燁苗, 李倩倩, 閆治宇, 黃佐華

(西安交通大學動力工程多相流重點國家實驗室, 西安, 710049)

交通運輸行業對石油基能源的嚴重依賴,不僅帶來了能源緊缺的問題,而且造成了嚴重的環境污染。目前,優化傳統燃料燃燒過程和尋找可再生清潔替代燃料已經成為最有效的解決途徑。乙醇作為氧含量和辛烷值較高的低碳醇,將其添加進汽油中使用,不僅可降低碳煙、CO、苯的排放[1-2],還可增強汽油的抗爆性從而提高發動機的壓縮比。另外,乙醇的火焰傳播速度快、著火界限廣,非常有利于發動機的稀薄燃燒和高EGR率燃燒[3-5]。然而,乙醇的親水性強、燃燒熱值較低,目前主要與汽油等傳統燃料摻混進行使用,異辛烷(iC8H16)常常和正庚烷被用作汽油的基礎替代物[6]。

層流燃燒速度是研究湍流燃燒的基礎,可用來驗證化學反應機理和優化發動機設計。已有學者對乙醇摻混異辛烷在層流燃燒特性方面的研究開展了相關工作。Broustail等測量了常壓下初始溫度為393 K,摻混比包含0、25%、50%、75%、100%的乙醇-異辛烷混合燃料的層流燃燒速率[7];Lipzig等利用熱流量法分別測量了常壓下初始溫度為298、338 K異辛烷/正庚烷-乙醇固定摻混比下的層流燃燒速率[8],與沖火焰法等測量到的數據做了對比,分析了誤差;Varea等研究了初始壓力對異辛烷和乙醇單質的層流特性影響[9],包括速率和馬克斯坦長度,并且著重分析了當量比和摻混比對壓力指數因子的影響,但并未涉及到摻混在高壓下的情況;化學反應機理方面,Frassoldati等發展了乙醇與汽油替代燃料的混合模型,并用乙醇氧化反應過程中的物種濃度、著火延遲等多組數據進行了驗證[10],然而層流燃燒速度進行驗證時主要集中在常壓下,高壓下該機理對燃燒宏觀特性的預測準確性并不能完全保證;鄭東等發展了相關混合燃料高溫氧化的反應模型[11-13],但模型機理的完整性和各個工況下的準確性都需進一步驗證。

綜上分析,關于乙醇摻混異辛烷在層流燃燒特性方面的研究雖有很多,但在實驗測量工況上主要在常壓下進行,高壓下的測量不多。本文補充了寬摻混比范圍下的高壓數據,在保證數據可靠性的情況下,利用層流燃燒速率對已有的兩個模型進行了驗證。前人研究中關于乙醇摻入對混合氣層流特性的影響只對實驗現象進行了描述,本研究結合化學反應動力學對實驗現象做了具體的分析和解釋。

1 實驗裝置和測量

定容燃燒彈實驗裝置由定容燃燒彈、加熱系統、點火系統、數據采集系統和高速紋影攝像系統組成,如圖1所示。其中定容燃燒彈的內徑為180 mm,體積為5.8 L,兩側裝有對稱的石英玻璃,直徑為80 mm。容彈的加熱依賴于纏繞在容彈外表面的加熱帶,其功率為1 500 W,容彈中心裝有K型的熱電偶用來監控容彈內混合物的溫度,精確度在1 K左右。

圖1 定容燃燒彈實驗裝置圖

實驗中由高速攝像機記錄火焰從火核形成到發展至視窗邊緣的全部過程,數據處理則借助于Matlab程序對拍攝到的火焰圖像進行降噪、膨脹和腐蝕處理,將圖像的灰度梯度最大值像素點作為球形火焰的圓弧邊界,最后利用面積法得到火焰傳播過程中各個時刻的半徑。通過對時間微分,得到已燃混合氣的拉伸傳播速度

(1)

式中:Sb為拉伸火焰傳播速率;Rf為火焰半徑。

由拉伸傳播速度推導無拉伸已燃混合氣層流火焰傳播速度,Kelly等已做了細致的研究,推導出了非線性數據處理方法的相關模型[14-15]。本文選取文獻[15]的非線性外推法,具體公式為

(2)

(3)

實驗均在433 K的初始溫度下展開,分別測量了0.1和0.5 MPa兩個初始壓力下實驗數據,乙醇的液體體積摻混比fve分別為0、0.2、0.5、0.8、1.0,燃料與空氣混合的當量比φ為0.8、1.0、1.2。為去除點火和容彈壁面對火焰傳播的影響,本文進行數據處理選取的火焰半徑范圍為8～22 cm。

2 數值模擬

利用文獻[16]中的兩個模型進行模擬計算:對于基礎替代燃料(PRF)、芳香烴類、醇類和醚類等多種混合燃料構建的包括225個反應物、7 645個基元反應的CRECK模型;對于乙醇、正丁醇和異辛烷混合燃料構建的包括228個反應物、1 737個基元反應的Dagaut模型。計算采用混合物平均的輸運方程,并考慮了Soret擴散效應。

3 結果與討論

(a)φ=0.8

(b)φ=1.0

(c)φ=1.2圖隨乙醇體積摻混比的變化

3.1 乙醇摻混對層流燃燒速率影響的原因

根據一步總反應假設,可得關系式

(4)

式中:Eg為總體活化能;R0為通用氣體常數;Tad為絕熱火焰溫度;Le為路易斯數;α=λ/(cpρu)為層流火焰速率與表征輸運特性的擴散系數。

(a)路易斯數Le

(b)擴散系數α

(c)絕熱火焰溫度Tad圖3 與有關的3個參數隨乙醇體積摻混比的變化

3.2 模型選擇

(a)φ=0.8

(b)φ=1.0

(c)φ=1.2圖4 Tu=433 K時不同當量比下模擬值與實驗值對比

圖4為CRECK和Dagaut模型的預測效果圖。由圖4可知,無論在常壓還是高壓下,Dagaut模型的預測效果都要優于CRECK模型,Dagaut模型在變化趨勢和具體數值上都與實驗結果吻合,而CRECK模型的預測結果則出現了較大的偏差。

利用兩個模型對乙醇的具體反應做了詳細分析,如圖5所示,箭頭所指為乙醇的反應路徑及后續中間產物的生成途徑,百分數表示該反應物在此路徑中的消耗占比。由圖5可知,Dagaut模型中乙醇的初始脫氫反應主要發生在3個不同位置的碳原子上,并且乙醇脫氫后產物之一的消耗反應存在3條路徑,而在CRECK模型中缺少了此類重要路徑。在后期模擬計算中,本文將缺失的反應補全至CRECK模型中,發現預測效果要較之前有極大改善,證實了反應路徑的缺失是CRECK模型預測不準的重要原因。

帶下劃線的值表示Dagaut模型中占比;無下劃線的值表示CRECK模型中占比圖5 Dagaut與CRECK模型中乙醇的反應路徑對比(Pu=0.1 MPa,Tu=433 K,fve=0.2,φ=1.0)

3.3 火焰結構分析

(a)IC4H8

(b)IC4H7

(c)C3H6

(d)C2H4

(e)CH3

(f)H

(g)OH圖6 重要中間物種的摩爾分數曲線(Pu=0.1 MPa,Tu=433 K,φ=1.0)

Li等利用完善的異辛烷/甲醇混合燃料模型進行路徑分析時發現,異辛烷在反應過程中會產生大量的IC4H8、IC4H7、C3H6等相對穩定的中間物種,這些物種在反應過程中會消耗H、OH等對反應活性起關鍵作用的自由基,從而導致最終的反應速率下降[17]。文獻[13]利用JSR裝置,得到了異辛烷摻混正丁醇氧化過程中中間物種的分布,CH3、C3H6等參與抑制反應的物種濃度隨著正丁醇體積摻混比的增加而減少,活性中間物種濃度上升,從而解釋了實驗現象?；谖墨I[13]的模型,對乙醇體積摻混比fve=0.2,0.5,0.8的異辛烷/乙醇混合氣進行了火焰結構分析,重要中間物種的摩爾分數變化如圖6所示。由圖6可知,隨著乙醇體積摻混比的逐漸增加,異辛烷的占比下降,對火焰總體反應活性起抑制作用的中間物種IC4H7、C3H6、IC4H8和CH3的摩爾濃度減小,而對于火焰總體反應活性起促進作用的自由基C2H4的摩爾濃度增加。由于混合氣火焰中不活躍中間產物含量減少,而活躍中間產物含量增多,使得控制火焰活性最重要的H和OH自由基的含量也相應增加,從而影響了混合氣層流燃燒速率的增加。

3.4 反應路徑分析

不同乙醇體積摻混比下混合燃料中乙醇的消耗反應路徑如圖7所示。由圖7可知,在乙醇的反應過程中既存在諸如HCO+M=H+CO+M產生活性自由基的鏈分支反應,又存在CH3轉化為CH4和C2H6的鏈終止反應。并且對比不同摻混比下的乙醇反應路徑可知,隨著乙醇體積摻混比的逐漸增大,鏈分支反應所占的比例逐漸下降,而鏈終止反應的占比上升。綜合反應過程中中間物種的濃度變化分析可知,影響異辛烷/乙醇混合燃料層流燃燒速率上升的原因并不是乙醇添加帶來的具體反應機理活性上的增強,而是乙醇的替代作用,即隨著乙醇添加的增多,異辛烷的占比下降,反應速度更為迅速的乙醇對混合燃料的層流火焰速率起到了決定性作用。

無下劃線、帶下劃線和加括號值分別為fve=0.2,0.5,0.8條件下的值圖7 不同乙醇體積摻混比下乙醇的反應路徑對比圖

4 結 論

(3)利用實驗數據對現有的CRECK和Dagaut兩個模型進行了驗證,發現Dagaut模型的機理預測效果優于CRECK模型的。