基于相似因子分析法的均質預混壓燃內燃機著火特性分析*

范瑋衛,徐 珂,白云天

(河南工學院 車輛與交通工程學院,河南 新鄉 453003)

0 引言

世界90%以上的一次能源由燃料燃燒提供[1],但這種能源供應對環境的負面影響極大。近年來,各國學者為了在嚴格的環境標準下滿足不斷增長的使用化石和可再生燃料的可持續能源生產的需求,開展了大量研究以探索清潔和有效的燃燒技術[1]。新的燃燒技術開發離不開對燃料燃燒特性的分析,多數燃料的燃燒特性都受其物理和化學動力學特性的支配[2]。真實的燃料成分復雜,很難有效進行建模分析。在研發過程中,研究者認識到可以用有限的、相對簡單的替代燃料來模擬真實燃料的燃燒行為,從而使對燃料燃燒過程進行建模進而研究定量排放和性能預測具有實際意義[3]。采用適當的替代燃料可以很好地模擬真實燃料的熱物理、熱化學和化學動力學性質,以更好地理解燃料燃燒特性,并進行有效實驗和化學動力學研究[2]。

從化學動力學機理方面對燃料著火特性進行分析有助于燃燒裝置設計[4],從而提高內燃機節能減排潛力。目前,化學反應動力學機理的數值模擬結果與廣泛的實驗數據對比驗證才能證明其預測能力[5]。為了了解各種燃料的著火特性,目前的驗證實驗主要包括激波管(ST)、速壓機(RCM)、定容彈(CVB)、攪拌反應器(JSR)等方法,可驗證著火延遲(ID)、層流火焰速度(LFS)、物質濃度等基礎數據。而可采用的分析方法主要有靈敏度分析、反應途徑和產率分析、峰值濃度分析以及ID相關性分析等。目前主流的化學反應動力學機理有詳細機理、簡化機理及極致簡化的骨架機理。將計算時間納入建模實際需求時,簡化機理替代詳細機理是可行且必要的[6]。而更精簡的骨架機理因整體性能好、數值穩定性強及計算時間短等優勢,非常適合大型燃燒模擬計算[7]。

不論何種機理結構,隨著實驗數據的更新,更精確的熱力學和反應速率參數都要求化學動力學機理的修正和更新[5]。而不同參數在不同反應中的作用也不盡相同。就目前而言,ST+RCM是驗證ID的主要方式[8]。但是只有匹配實際內燃機需求的機理,才能為提高內燃機燃燒效率和降低污染物排放指明方向[9]。在各類型內燃機中,均質預混壓燃內燃機(HCCI)在低溫環境下,以較低的傳熱損失提供更高的熱效率和更佳的燃油經濟性[10,11],并且減少了氮氧化物和顆粒物的排放[12]。本研究將著重探討適用于均質預混壓燃內燃機的化學反應動力學機理構建問題。

通常燃料的著火特性包括:自燃溫度、著火延遲和低/中/高溫著火。而化學反應動力學機理是研究后兩者的關鍵所在。但是針對同一燃料的同一特性,如ID,不同文獻的化學反應動力學機理預測結果可能存在差異[13]。因為不同機理在選擇速率等常數時,主要是依據實驗和理論數據評估得出[14]。這就導致兩方面問題:一方面,隨著新實驗結果的出現,舊的機理必須進行更新和調整,并進行預測比較,才能提高模型預測能力[8];另一方面,如果缺乏合適的實驗數據,化學反應動力學機理也很難被建立和發展[15]。而且,基于ST+RCM的ID數據驗證完善的機理,識別范圍同樣有限制條件[4]?；趯嶋H內燃機燃料燃燒數據得出的機理相對稀少,而直接用上述機理表述內燃機中燃料著火特性,通常結果并不理想[16]。這說明不同機理在不同條件下預測性能不同且變化很大,需要根據實際應用環境不斷調整[17]。由于各研究小組有各自的調整方法,方法側重不同也會導致預測結果出現差異。

由于燃料著火和燃燒過程受其化學動力學特性影響較大[18],因此,在機理構建之初,就需要深入了解相關化學反應作用機制[19]。同時,反應條件也對ID等著火特性預測有著顯著影響。結合以上研究,在不同條件下,不同反應器中,不同機理對不同預測目標的預測存在差異。不論是傳統調整更新還是自動優化都是后端改善,而前端優化措施研究則剛剛興起。

如何制定有效策略來篩選合適的實驗數據[4]是構建機理的基礎問題。課題組在前期研究中基于靈敏度和反應途徑分析構建了相似因子分析法,它是深入了解燃料著火和熱解動力學過程的關鍵,有利于機理建模,也是比較分析和改進優化機理的有效方法[20]。同時,根據Konnov等人[21]的建議,對不同燃料在特定工況下進行聚焦測量,由所得實驗條件構建的機理更具精確性。而對組合數據采用一致性分析以及相關性分析,可以突出參數修改和機理改進的可能方向[22]。Cheng等人.()[23]在研究燃料在內燃機中的排放特性時,也基于敏感性和路徑分析方法進行了對比研究,并用Φ-T圖研究了不同燃料的ID預測差異。

本研究基于課題組前期提出的相似因子分析方法[20],來評價模型與實驗數據的一致性,從而為構建適用于均質預混壓燃內燃機的機理提供更有效的指導信息。鑒于不同方法的構建核心思路不同,本研究優先就“解耦法”.()[24]進行有針對性的分析。根據“解耦法”特點,嘗試推導出能用于驗證同時適用ST和均質預混壓燃內燃機中著火特性分析的合理工況。

1 模型描述及驗證

基于燃料在均質預混壓燃內燃機中的著火延遲分析,本研究視缸內工況符合均質預混壓燃條件,計算單元內參數均勻,且忽略流體因素,最終利用相對高效的單區模型結合著火時刻預測模型來完成數值模擬計算工作。

1.1 單區模型

單區模型將整個缸體內的溫度、壓力和組分等參數視為完全均勻的,并以此代表燃燒的核心區域,從而求出均質預混壓燃的著火定時、放熱率等參數。采用單區模型還需要將燃燒室內氣體視為理想氣體,忽略動能和勢能,并保持質量恒定。單區模型由控制方程和傳熱模型組成。

1.1.1 控制方程

Q=ΔU+W

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

1.1.2 傳熱模型

Q=hAs(T-Tm)

(12)

h=129.8B-0.2P0.8T-0.55w0.8

(13)

(14)

1.1.3 相似因子分析法

本研究基于課題組前期研究…[20],通過相似因子分析法(公式組如下)來定量評估大分子反應影響著火特性程度,以及不同反應器內燃料著火特性相似度。

(15)

(16)

Similarity Factor

(17)

其中，Seni是反應i的敏感系數，τi,+和τi,-為反應i的指前因子倍調后的著火延遲數據，而k+和k-分別取為2.0和0.5的倍調系數，Senmax是絕對最大敏感系數。反應i在Tj下，ST標準敏感系數為SST,Tk,i；均質預混壓燃內燃機標準敏感系數為SHCCI,Tj,i；N是參與對比分析的反應數。

1.2 計算網格

研究采用KIVA-3V模型模擬均質預混壓燃過程,耦合Chemkin Pro實現機理計算。研究聚焦放熱率、溫度、當量比、壓力等參數變化對著火特性影響,故采用如圖1所示的1/7氣缸網格進行模擬研究,利用合理的網格數,在保持預測精度和控制計算成本基礎上,提高計算效率。

圖1 本研究所采用的計算網格

1.3 機理篩選及均質預混壓燃驗證

本研究首先利用劉耀東等人[26]的PRF骨架機理,在Dempsey等人[25]實驗工況(如表1)下模擬分析壓力和放熱率的變化趨勢。模擬預測與實驗數據比對部分結果如圖2所示(實線為實驗數據[25],虛線為采用劉耀東等人[26]機理的預測結果)。從圖2可以看出,盡管該機理已經過嚴格的基礎反應器驗證,具備良好的預測精度,但仍難以得到很好的實際內燃機燃燒特性預測精度。因為在數值模擬中,各參數調整僅可改變壓力變化趨勢,即可以擬合壓力曲線較準,但數值模擬的放熱率數據會出現偏差。根據圖中結果可得出該機理適配溫度區域低于385℃,適配的進氣提前角也有限。

表1 均質預混壓燃實驗參數和運行工況[25]

本研究經過反復篩選,最終利用常亞超等人[27]的PRF骨架機理,較為準確地預測了Dempsey等人[25]的測量結果(如圖3)。如圖3所示(實線為實驗值[25],虛線為Chang等人機理[27]預測值),通過耦合CFD模型及上述機理計算所得壓力曲線與實驗結果基本吻合。不過在預測放熱率時,模擬數值略有偏差。該現象是基于兩種數據對放熱率定義偏差造成的:模擬計算時采用由放熱量減去壁面熱交換量求出放熱率;而實驗通常根據壓力測量信號導出放熱率數據,且壓力取均值忽略局部差異。盡管存在少量偏差,不過本研究基于CA10著火時刻的預測精度符合后續分析要求。

圖2 不同工況下壓力和放熱率變化圖

圖3 不同工況下壓力和放熱率變化圖

2 均質預混壓燃內燃機與激波管共性分析

根據上述工作擬定的計算模型,本節研究基于相似因子分析法,利用PRF機理在基礎反應器和內燃機中的敏感性數據,研究化學反應動力學對均質預混壓燃過程的影響。

2.1 敏感性分析

本節研究首先定義上止點后-132°為進氣門關閉時刻,定義CA10放熱率時刻為內燃機著火時刻。同時,出于優化算力目的,結合解耦法特性以大分子子機理(如表2)作為研究核心。以不同反應器內化學反應敏感性系數作為分析基礎。由于實際化學反應動力學影響內燃機和激波管程度相差較大,故引入歸一公式(16)對數據進行歸一處理,以消除量級差、統一影響度。

表2 PRF大分子子機理

異辛烷子機理 R14. C8H18+H=>C8H17+H23.341E+062.7688147 R15. C8H18+OH<=>C8H17+H2O5.63E+061.81431 R16. C8H18+HO2=C8H17+H2O21.00E+14016010 R17. C8H18+O2<=>C8H17+HO22.00E+16046000 R18. C8H17=>IC4H8+IC4H92.00E+14026780 R19. C8H17+O2<=>C8H17OO4.52E+1200 R20. C8H17OO<=>C8H16OOH7.50E+11024000 R21. C8H16OOH+O2<=>OOC8H16OOH4.52E+1200 R22. OOC8H16OOH<=>C8KET+OH5.50E+11021000 R23. C8KET=>CH2O+C6H13CO+OH1.784E+15039100 R24. C6H13CO+O2=C3H7+C3H5+CO+HO23.16E+13010000 R25. C8H17+O2=C8H16+HO23.16E+1106000 R26. C8H16+OH=> IC4H8+IC4H7+H2O4.743E+071.893 R27. C8H16=> IC4H9+IC4H72.50E+16071000

圖4為不同條件下、不同反應器中PRF骨架機理歸一化敏感性系數比較結果。計算基于內燃機放熱起始點工況分別計算激波管著火延遲和均質預混壓燃著火時刻受化學反應影響數據。PRF比例影響正庚烷和異辛烷大分子子機理作用。如圖所示,反應式(R4)、(R5)、(R8)、(R11)和(R13)對著火特性影響程度較高,且經過歸一處理后,化學反應式在兩反應器中的影響程度具備可比性,這是相似因子分析法的基礎。

圖4 PRF骨架機理歸一化敏感性系數圖

2.2 相似度分析

利用課題組提出的相似因子分析法大分子機理影響兩種反應器著火特性的敏感系數對比,將由相似度計算(公式17)所得數據以色度區分于圖5中。如圖所示,以紅色度集中區域為主,將高相似度數據歸納于表3,基本描述了在溫度、壓力、當量比三種基本參數影響下,兩反應器中著火特性相似因子分布特性。

圖5 均質預混壓燃內燃機與激波管敏感性系數相似因子分布圖

根據圖5和表3所示數據,低當量比情況下,在寬溫度區域均具備高相似度。而化學當量比的高相似度溫區略有集中,但基本符合NTC工況,這與前期研究一致[20]。同時,壓力≥15 atm區間的相似因子數值較高?；赟T模擬參數對比分析,對化學反應動力學的影響程度:溫度>當量比>壓力,且壓力隨溫度下降而下降?？傊?基于本研究所用大分子子機理測算的相似因子在ID的NTC區間數值較高,且偏向高壓側,符合均質預混壓燃內燃機高壓特性。在NTC區間,偏高壓工況下,本文所用PRF骨架機理對ID和均質預混壓燃內燃機著火時刻影響趨勢一致,說明該反應條件是構建符合均質預混壓燃內燃機預測著火特性的化學反應動力學機理基準工況。

根據上述研究,篩選部分高相似因子工況測算機理影響著火特性數據,并對比于圖6?？梢钥闯?每個反應在兩反應器中的影響程度經過歸一處理后基本吻合。由此可知,基于相似因子分析法篩選出的基準工況,是驗證適用于多工況下不同反應器的化學反應動力學機理的關鍵。

圖6 高相似因子對比圖

3 結論

本研究經過篩選,采用由Chang等人[27]構建的PRF骨架機理準確預測了Dempsey等人[25]的實驗結果,并確定了相似因子分析所需機理。利用該PRF骨架機理對比不同反應器的歸一化敏感性系數,確定影響明顯的反應式為:(R4)、(R5)、(R8)、(R11)和(R13)。然后用相似因子分析法,確認該PRF機理在NTC區間、偏高壓工況下,分別對激波燃燒和均質預混壓燃過程的著火特性影響高度相似。這與前期研究結果一致。同時,認為ST驗證條件中,相似度受壓力影響最小,當量比次之,溫度是主要影響因素,且壓力的影響程度隨溫度下降而降低。在相似因子篩選出的反應條件下,經過激波管著火延遲驗證的機理對均質預混壓燃內燃機中著火時刻的數值模擬具備更高的參考價值。