不同初始溫度和水蒸氣稀釋比對乙醇/異辛烷層流火焰特性的影響

余自洋，孟 順，錢葉劍，唐 飛，邊 順，莊 遠

(合肥工業大學 汽車與交通工程學院，合肥 230009)

0 概述

清潔替代燃料一直是發動機領域的研究熱點。乙醇具有易溶于汽油、含氧、汽化潛熱高等優點，是目前應用最廣泛的清潔替代燃料。乙醇與汽油混合燃用不僅可以增強汽油機的抗爆震能力，還能提升燃燒效率，降低排放[1-4]。但乙醇親水，無水乙醇的制備工藝復雜且成本高，保存難度大，因此汽油機燃用含水乙醇/汽油混合燃料的研究越來越受到關注。

文獻[5]中對比研究了含水乙醇/汽油和乙醇/汽油對汽油機燃燒和排放特性的影響，發現含水乙醇會提高火焰傳播速度，縮短燃燒持續期。文獻[6]中認為含水量在0～30%時含水乙醇/汽油可以改善缸內燃燒過程，超過30%則會對汽油機性能產生不利影響。由此可見，不同含水量對含水乙醇/汽油燃燒過程的影響規律不同，有必要深入研究水對乙醇/汽油混合燃料燃燒特性的影響機制。

汽油機缸內預混燃燒過程包含預混層流燃燒和湍流燃燒特征，層流燃燒是湍流燃燒的基礎。掌握燃料的層流火焰特性可為汽油機燃燒過程的優化提供重要的理論依據。層流火焰速度是表征燃料層流燃燒特性的重要參數，可以用來驗證化學反應動力學機理的準確性，還可以用于湍流火焰速度的數值仿真[7]。文獻[8]中利用定容燃燒彈試驗測量了含水乙醇的層流火焰速度，發現隨著含水量增加，層流火焰速度和無量綱層流火焰速度均線性降低，無量綱層流火焰速度的變化趨勢與當量比無關。文獻[9]中試驗和理論研究了水對汽油燃燒速度的影響，發現火焰速度隨著摻水量的增加而降低，但沒有深入分析水對層流火焰速度的影響機理。文獻[10]中利用定容燃燒彈研究了不同當量比下乙醇摻混比對乙醇/異辛烷層流火焰速度的影響，擬合得到一個誤差不超過2%的經驗關系式，用來預測乙醇/異辛烷層流燃燒速度。文獻[11]中利用熱通量燃燒器研究了初始溫度對乙醇/異辛烷層流火焰速度的影響，指出層流火焰速度具有明顯的溫度依賴性。

綜上可以看出，水/乙醇、水/汽油及乙醇/異辛烷等混合物的基礎燃燒特性研究較多，但還未見到水/乙醇/異辛烷混合燃料層流火焰特性的研究報道。中國車用乙醇汽油一般指乙醇體積分數為10%的乙醇/汽油混合燃料，本研究中利用定容燃燒彈系統結合高速紋影攝像技術，分析研究了不同水蒸氣稀釋比和初始溫度下乙醇體積分數為10%的乙醇/異辛烷混合燃料(E10)基礎燃燒特性，理論分析了水蒸氣對E10層流燃燒速度的作用機理。

1 試驗裝置和方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置示意如圖1所示，包括燃燒彈主體、點火裝置、配氣系統、液體燃料定量蒸發系統、溫控加熱系統、紋影測量系統和數據采集系統等。彈體為圓柱形容器，直徑150 mm，體積為5.35 L，兩端安裝有直徑為80 mm的石英玻璃視窗，中心布置有兩根直徑為0.5 mm的鎢質點火電極。彈體外表面和液體燃料注射管分別纏繞一條1 kW伴熱帶并包裹上保溫棉，用于加熱和保溫。利用精度為±1 K的K型熱電偶來監測和控制試驗溫度。把配置好的液體燃料E10和水通過微量注射器依次注射進燃料定量蒸發系統并加熱至預熱溫度，完全蒸發后通入定容彈內。利用高精度天平(分辨率0.001 g)稱量注射前后注射器的質量變化，確保燃料量的精確。采用直徑為100 mm的 Z字型紋影系統拍攝燃燒過程，高速攝像機為Photron公司生產的FASTCAM-ultima 512，最高拍攝速度為32 000幀/s，本研究中設定拍攝速度為4 000幀/s。

圖1 定容彈裝置示意圖

1.2 試驗方法

本文中主要研究不同當量比、水蒸氣稀釋比和起始溫度下E10的基礎燃燒特性，水蒸氣稀釋比x定義為：

(1)

式中，VW為水蒸氣體積；VA為空氣體積；VI為E10蒸氣體積。

當量比φ定義為完全燃燒理論所需空氣量與實際供給空氣量之比。

球形火焰是典型的拉伸火焰，若t時刻球形火焰半徑為Rf，則拉伸火焰傳播速度Sb與火焰拉伸率K為：

Sb=dRf/dt

(2)

K=2Sb/Rf

(3)

在早期火焰傳播階段，K與Sb存在線性或非線性關系[12]。線性關系可以表示為：

Sb=Sb0-LbK

(4)

非線性關系可以表示為：

Sb=Sb0-2Sb0Lb/Rf

(5)

聯立式(4)和式(5)得到：

(6)

式中，Sb0為無拉伸火焰傳播速度；Lb為已燃氣體的馬克斯坦長度，表征層流燃燒速度對拉伸的敏感程度。

層流火焰速度為：

SL=ρbSb0/ρu

(7)

式中，ρb和ρu分別為已燃氣體和未燃預混氣體的密度，可由CHEMKIN化學平衡計算模型得到。

數據處理方法對拉伸火焰傳播速度有著重要影響。圖2對比了不同處理方法獲得的乙醇燃燒火焰傳播速度。由圖2(a)可知，當量比在0.8～1.2區間時，兩種方法的擬合結果相差不大。當量比為1.4時(圖2(b))非線性方法的擬合結果較差，這是因為Lb接近于零時Sb幾乎不隨K變化，因此該工況的試驗數據適宜采用線性處理方法。

圖2 乙醇的拉伸火焰傳播速度Sb隨拉伸率K的變化

圖3列出了不同當量比下根據兩種處理方法獲得的SL和Lb。從圖3可以看出，SL結果非常接近，Lb結果相差較大。不過，對于液體燃料來說，即使在同一工況下不同課題組也會得到不同的Lb值，且相差較大[13]。綜上，本文中選擇線性方法處理數據。

圖3 線性方法與非線性方法計算Lb和SL的比較(T=400 K,p=101.3 kPa,x=0)

式(8)給出了不確定度計算方法[14]。

(8)

式中，xi為決定SL不確定性的各個因素；ni為每個因素xi的固定誤差值。考慮到系統誤差和隨機誤差，本試驗的不確定度為5%，文中圖片的試驗數據都給出了帶有誤差條的不確定度。

2 數值方法

本文中采用兩種汽油替代燃料模型開展含水乙醇/汽油混合物燃燒特性的理論研究。一種是文獻[15]中發展的包括59個物種和270步反應的汽油替代燃料模型(簡稱Li機理)，另一種是文獻[16]中發展的包括335個物種和1 610步反應的汽油替代燃料優化模型(簡稱Pitsch機理)。

模擬計算時，選擇CHEMKIN中PREMIX模塊，采用混合物平均輸運方程，考慮Soret 擴散作用。計算網格梯度和曲率分別設定為0.02和0.03，最大允許網格數為1 200，模擬在3 cm的一維區域展開，確保計算結果與網格數無關，保證計算結果的準確性。

為了驗證試驗裝置的可靠性和試驗結果的準確性，本文中測量了溫度為400 K、壓力為101.3 kPa、當量比為0.8～1.4時乙醇/空氣的層流火焰速度，并與文獻[10, 17-20]進行了對比分析，見圖4。從圖4中可以看出，本研究中測量結果與其他文獻的試驗數據比較接近，處在中間位置，說明本文中采用的試驗裝置和數據處理方法可靠性好，試驗結果可信度高。圖4還對比了Li機理和Pitsch機理的層流火焰速度計算值。從圖可以看出，低當量比時Li機理的計算值偏低，高當量比時則偏高；Pitsch機理的計算值與試驗值的一致性好。本文中選用Pitsch機理進行理論研究。

圖4 不同當量比時乙醇/空氣層流火焰速度(T=400 K, p=101.3 kPa, x=0)

3 結果和討論

3.1 水蒸氣稀釋對E10/空氣層流火焰速度的影響

預混氣體在點火電極中心點燃后，火焰以穩定球狀向外擴散，由已燃區向未燃區傳播。圖5是當量比為1.4、初始溫度為400 K時，不同水蒸氣稀釋比下E10/空氣火焰傳播圖像。可以看出，隨著水蒸氣稀釋比的增加，火焰擴散速度明顯減慢。從圖5還可以看出，當量比為1.4時，球狀火焰前沿有裂紋，說明此時火焰傳播不穩定，馬克斯坦長度變小，接近負值。這與圖2分析相對應，也證實非線性處理方法不適合處理當量比為1.4時試驗數據。

圖5 E10/空氣火焰傳播紋影圖(T=400 K, p=101.3 kPa,φ=1.4)

圖6為不同當量比下E10層流火焰速度和絕熱火焰溫度與水蒸氣稀釋比的關系。從圖可以看出，若當量比保持不變，隨著水蒸氣稀釋比的增加，層流火焰速度SL線性下降，說明水蒸氣抑制了E10/空氣的燃燒過程。從圖還可以看出，SL模擬計算值與試驗結果的一致性較好。不過當量比為0.8時，高水蒸氣稀釋比的計算值要高于試驗結果，可能是因為該工況下混合氣的燃燒不完全，導致測量結果偏低。絕熱火焰溫度Tf是影響反應物放熱能力的重要參數，與層流火焰速度密切相關。絕熱火焰溫度Tf可由CHEMKIN的EQUILIBRIUM模塊計算得到。由圖6可知，Tf與SL變化趨勢基本一致。這是因為水蒸氣的加入稀釋了預混氣，增大了混合氣比熱容，降低了混合氣的絕熱火焰溫度，進而降低了層流火焰速度。

圖6 E10/空氣在不同水稀釋比下的SL和Tf(T=400 K, p=101.3 kPa)

無量綱層流火焰速度S可以表示為：

S=SLx/SL0

(9)

式中，SLx為摻水混合燃料的層流火焰速度；SL0為未摻水混合燃料的層流火焰速度。圖7顯示了無量綱層流火焰速度隨水蒸氣稀釋比的變化關系。可以看出，無量綱層流火焰速度隨水蒸氣稀釋比的增加而下降，受當量比的影響不大。圖7中數據經擬合可得：

S=-0.035 43x+1.012 37

(10)

根據式(10)，若SL0已知，可對初始溫度400 K試驗工況下SLx進行預測。

3.2 初始溫度對E10/空氣層流火焰速度的影響

初始溫度對層流火焰速度的影響可以通過式(11)進行描述[21]。

(11)

式中，α為預混氣體的擴散系數；ρu為未燃氣體的密度；E為活化能；TRZ為化學反應區的溫度。

圖8顯示了不同水稀釋比下初始溫度T對E10/空氣層流火焰速度的影響。試驗工況的當量比為1.0，初始溫度范圍為400～500 K。試驗結果表明：初始溫度T對SL有顯著影響，隨著T的增加，SL增大。不同水稀釋比下SL變化趨勢接近。利用CHEMKIN對層流火焰速度進行預測，發現數值計算與試驗結果一致性好，層流火焰速度隨溫度呈指數增加。

圖8 不同初始溫度下E10/空氣層流火焰速度(p=101.3 kPa, φ=1.0)

3.3 敏感性分析

利用CHEMKIN軟件對當量比為1.0的E10/空氣層流火焰速度進行敏感性分析。圖9給出了E10/空氣層流火焰速度的敏感性系數變化，表1列出了圖9中相關基元反應與其所對應反應機理中的編號。

圖9 層流火焰速度的敏感性分析(T=400 K, p=101.3 kPa,φ=1.0)

表1 基元反應及其編號

由圖9可知，影響層流火焰速度的重要反應都涉及H、O、OH等自由基，說明層流火焰速度與這些自由基有強相關性。R1反應是最主要的鏈式分支反應，可以生成大量自由基，對燃燒進程的影響最大，因此R1反應有最大的正敏感性系數，是提高SL最重要的反應。R29反應是最主要的CO2消耗反應，敏感性系數也為正，對SL同樣重要。R15反應和R89為鏈式終端反應，與R1為競爭反應，會消耗大量的H，降低燃燒過程中自由基濃度，敏感性系數為負，對SL起抑制作用。

隨著水蒸氣稀釋比的增加，基元反應R1、R14的敏感性系數增大，說明在高水蒸氣稀釋比條件下，這些反應的影響將更明顯。水蒸氣的三體系數較大，隨著水蒸氣稀釋比的增加，三體作用越明顯，基元反應R15和R89的反應速率有所提高，敏感性系數變大。不過，R37和R33反應的敏感性系數基本不變，說明它們對水蒸氣濃度變化不敏感。

為了進一步理解H2O對基元反應的作用，圖10給出了x=0和x=10%時主要自由基的物質的量濃度和火焰溫度分布。由圖10可知，在燃燒的初始階段有大量自由基生成，隨后趨于穩定，OH、H、O的濃度峰值遠大于CH3和HO2的濃度峰值。火焰溫度在快速上升后也趨于穩定。從圖中還可以看出，水稀釋會顯著降低火焰中H、O、OH自由基的濃度，CH3和HO2濃度略有降低，火焰溫度有所下降。這說明水稀釋會降低反應區溫度，抑制自由基的生成，進而影響基元反應。

圖10 E10/空氣火焰中自由基物質的量分數與溫度分布(T=400 K, p=101.3 kPa,φ=1.0)

3.4 水蒸氣的不同作用

在燃燒過程中，水蒸氣的作用可分為物理作用和化學作用。物理作用分為稀釋作用和熱力學作用兩類。水蒸氣會稀釋混合物，降低混合物中氧化劑和燃料的比例。水蒸氣還會改變預混氣體熱力學和輸運性質。化學作用也分為兩類：直接反應作用，即水蒸氣直接參與化學反應；三體作用，水蒸氣參與三體反應。

為了明確和區分水蒸氣對燃燒過程的作用機理，設置了兩種虛擬組分FH2O和FH2O(M)。FH2O和 H2O 具有相同的三體增強系數、熱力學數據和輸運數據，但不直接參與化學反應，因此通過比較H2O和FH2O的計算結果，可以明確H2O的直接反應作用。FH2O(M)既不直接參與化學反應，也不作為第三體參與三體反應，因此通過對比FH2O和FH2O(M)的計算結果，可以明確H2O的三體作用。另外，文獻[22]中指出氮氣(N2)作稀釋劑時，稀釋作用會顯著抑制層流火焰速度，可以忽略其熱力學和化學作用。因此，本文中利用N2來區分水蒸氣的稀釋和熱力學作用，通過比較N2和FH2O的計算結果，可以明確H2O的熱力學作用。

圖11顯示了當量比1.0時不同稀釋組分下E10層流火焰速度，對比了水蒸氣不同作用對層流火焰速度的影響程度，圖中均為模擬值，輔助線條表示未稀釋時E10的層流火焰速度。從圖可以看出，水蒸氣的物理作用和化學作用都會造成層流火焰速度下降。其中，水蒸氣的物理作用(稀釋作用和熱力學作用)是抑制層流燃燒速度的主要因素，化學作用(直接反應作用和三體作用)的影響較小。隨著水蒸氣稀釋比的增加，水蒸氣的物理和化學作用的影響都呈線性增加。

圖11 H2O對E10/空氣層流火焰速度的不同作用(T=400 K, p=101.3 kPa,φ=1.0)

為定量描述水蒸氣的4種作用影響SL的程度大小，定義相對稀釋作用、相對熱力學作用、相對直接反應作用、相對三體作用分別如式(12)～式(15)所示。

r1=SL,0-SL,N2/SL,0-SL,H2O

(12)

r2=SL,N2-SL,FH2O(M)/SL,0-SL,H2O

(13)

r3=SL,FH2O-SL,H2O/SL,0-SL,H2O

(14)

r4=SL,FH2O-SL,FH2O(M)/SL,0-SL,H2O

(15)

式中SL,0、SL,N2、SL,H2O、SL,FH2O、SL,FH2O(M)分別表示無水稀釋、N2稀釋、H2O稀釋、FH2O稀釋和FH2O(M)稀釋時E10/空氣的層流火焰速度，4種相對作用之和為100%。

圖12給出了水蒸氣4種相對作用隨稀釋比的變化關系。可以看出，水蒸氣的稀釋作用是造成層流火焰速度降低的主要原因。從圖12中還可以看出，隨著水稀釋比的增加，相對稀釋作用和相對三體作用幾乎不變，相對熱力學作用減少，相對直接反應作用增加，因此化學作用隨著水蒸氣稀釋比的提高而增加。

圖12 H2O的相對作用(T=400 K,p=101.3 kPa,φ=1.0)

4 結論

(1)水蒸氣稀釋比和初始溫度對E10層流火焰速度的影響大。層流火焰速度和絕熱火焰溫度都隨著水蒸氣稀釋比的增加而線性降低。無量綱層流火焰速度隨水蒸氣稀釋比的增加而下降，受當量比的影響不大。提高初始溫度，層流火焰速度指數增加。

(3)水蒸氣的稀釋作用、熱力學作用、直接反應作用和三體作用都會降低E10層流火焰速度，其中稀釋作用的影響最大。隨著水蒸氣稀釋比的增加，相對稀釋作用和相對三體作用幾乎不變，相對熱力學作用減少，相對直接反應作用增加。