異辛烷/正庚烷/乙醇三組分燃料著火的化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型

鄭 東 鐘北京

(清華大學(xué)航天航空學(xué)院,北京100084)

異辛烷/正庚烷/乙醇三組分燃料著火的化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型

鄭 東 鐘北京*

(清華大學(xué)航天航空學(xué)院,北京100084)

提出一個(gè)包括異辛烷、正庚烷和乙醇的三組分燃料的著火動(dòng)力學(xué)模型,該機(jī)理包括50個(gè)組分和193個(gè)反應(yīng).通過(guò)路徑分析和靈敏度分析,給出了基礎(chǔ)燃料在高低溫條件下的不同反應(yīng)路徑和影響氧化過(guò)程的重要基元反應(yīng).該機(jī)理預(yù)測(cè)的單組分(異辛烷、正庚烷、乙醇)燃料、雙組分基礎(chǔ)燃料和三組分燃料的點(diǎn)火延遲時(shí)間與實(shí)驗(yàn)值有很高一致性.本文機(jī)理包含較少的組分?jǐn)?shù)與反應(yīng)數(shù),因而可適用汽油摻燒乙醇的多維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬.

替代燃料;基礎(chǔ)燃料;著火延遲時(shí)間;機(jī)理;乙醇

1 引言

隨著化石燃料的日漸匱乏和環(huán)境問(wèn)題的日益尖銳,替代燃料和新型的燃燒方式成為能源動(dòng)力領(lǐng)域研究的主流.乙醇作為一種可再生的含氧生物替代燃料,以其良好的燃燒和排放性能備受青睞.其中汽油摻燒乙醇廣受關(guān)注,表1為乙醇和汽油特性的對(duì)比.1可以看出乙醇含氧量較高,有利于降低CO、未燃燒碳?xì)浠锖吞紵煹任廴疚锏呐欧?許多研究表明,2-6汽油添加乙醇燃燒能夠改善其污染物排放特性.Lemaire等4的實(shí)驗(yàn)表明,汽油添加10%-30%的乙醇可以使碳煙前驅(qū)物和碳煙總量減少25%-81%.宋崇林等5的研究顯示,汽油摻燒乙醇后苯排放降低,并且隨著添加比例的增大,苯排放改善更明顯,摻燒體積分?jǐn)?shù)為9.8%的乙醇對(duì)苯排放的改善程度達(dá)50%.乙醇的辛烷值較高,汽油內(nèi)燃機(jī)添加乙醇后可以進(jìn)一步提高壓縮比,使得熱效率提高.要實(shí)現(xiàn)汽油摻燒乙醇的數(shù)值模擬,就需要提出包含汽油和乙醇的多組分燃料機(jī)理.由于汽油是包含上千種燃料的混合物,且其成分也因產(chǎn)地不同而有所差異,因此需要找到一種或者幾種純組分燃料替代汽油,并且能夠很好地再現(xiàn)汽油的燃燒特性.基礎(chǔ)燃料(PRF),即異辛烷和正庚烷兩組分的混合燃料,普遍用來(lái)代替不同辛烷值的汽油,在內(nèi)燃機(jī)數(shù)值模擬中得到廣泛的應(yīng)用.7目前常用的基礎(chǔ)燃料的反應(yīng)機(jī)理概況如表2所示.8-13

表1 乙醇和汽油特性的對(duì)比Table 1 Comparison of gasoline and ethanol properties

Shell8和Cox9等經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭荒苊枋鲋鹎半A段的情況,無(wú)法反映中間產(chǎn)物變化和整個(gè)燃燒過(guò)程. Tanaka簡(jiǎn)化模型10雖然基本上可以描述整個(gè)燃燒過(guò)程,但是高溫反應(yīng)用4個(gè)總包反應(yīng)直接生成CO、H2O、H2O2和HO2,忽略了大分子的高溫裂解過(guò)程,難以預(yù)測(cè)燃燒過(guò)程的排放特性.Tsurushima11給出了一個(gè)骨架機(jī)理,其低溫反應(yīng)來(lái)自于Tanaka簡(jiǎn)化模型,并添加和修正了部分反應(yīng),這樣在一定程度上考慮了大分子高溫裂解.Ra簡(jiǎn)化模型12是在Curran詳細(xì)機(jī)理13基礎(chǔ)上分析簡(jiǎn)化得到的,此模型能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算著火延遲時(shí)間、缸壓、釋熱率.Curran等13給出了一個(gè)非常詳細(xì)的機(jī)理,能夠很好地描述著火燃燒過(guò)程.

描述汽油燃燒的多組分反應(yīng)機(jī)理也有少量研究,如Andrae14提出的包括異辛烷、正庚烷、乙醇、甲苯、二異丁烯五組分混合燃料的詳細(xì)機(jī)理(1121組分、4961反應(yīng))和簡(jiǎn)化機(jī)理15(142組分、672反應(yīng)).包括異辛烷、正庚烷、甲苯的三組分燃料(TRF)也常作為汽油替代燃料.目前常用的TRF機(jī)理有Andrae等提出的詳細(xì)機(jī)理16和簡(jiǎn)化機(jī)理17,Anderlohr等發(fā)展的模型,18Sakai等提出的模型19和張等人提出的模型.20其中張等人提出的TRF模型20較小,包括70組分、196反應(yīng).由于五組分機(jī)理組分?jǐn)?shù)和反應(yīng)數(shù)都比較大,不太適用于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的耦合計(jì)算,而TRF機(jī)理不包含乙醇.因此,本文在考慮汽油摻燒乙醇時(shí),在上述基礎(chǔ)燃料的基礎(chǔ)上通過(guò)增加乙醇的反應(yīng),首先提出了包含較少組分和反應(yīng)的三組分反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理,然后通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較對(duì)該機(jī)理進(jìn)行了驗(yàn)證.

2 三組分燃料機(jī)理的構(gòu)建

2.1 三組分燃料機(jī)理的初步構(gòu)建

在構(gòu)建異辛烷/正庚烷/乙醇三組分燃料機(jī)理時(shí),首先確定基礎(chǔ)燃料的反應(yīng)機(jī)理.在基礎(chǔ)燃料選擇時(shí),不僅要考慮機(jī)理的準(zhǔn)確性,還要考慮機(jī)理規(guī)模的大小.雖然Curran詳細(xì)機(jī)理13能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)燃燒特性和中間產(chǎn)物,但是由于機(jī)理過(guò)于龐大,難以用于CFD耦合計(jì)算.Ra機(jī)理12雖然規(guī)模較小,僅包含41組分和130反應(yīng),但該機(jī)理能較為準(zhǔn)確地計(jì)算著火延遲時(shí)間、缸壓、釋熱率,而且包含較多的C2

-C4反應(yīng),能夠反映燃燒過(guò)程中小碳分子的變化.因此,本文初步選擇Ra的反應(yīng)機(jī)理作為基礎(chǔ)燃料的機(jī)理.本文的基礎(chǔ)燃料命名按照常用PRF加辛烷值的方式,例如PRF60,指基礎(chǔ)燃料中異辛烷和正庚烷體積分?jǐn)?shù)分別是60%和40%.

其次,我們通過(guò)對(duì)Marinov詳細(xì)乙醇機(jī)理21進(jìn)行反應(yīng)路徑分析,如圖1所示,取節(jié)點(diǎn)上組分的相關(guān)反應(yīng),構(gòu)成了乙醇部分反應(yīng)機(jī)理.由于在Ra機(jī)理中包含了C2H4、CH3、CH2CO等小分子反應(yīng),所以在乙醇部分機(jī)理中就不用再包含這些反應(yīng)了.這樣將提出的乙醇部分反應(yīng)機(jī)理與Ra機(jī)理整合,初步得到三組分燃料的著火反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理.

表2 基礎(chǔ)燃料(PRF)機(jī)理Table 2 Primary reference fuel(PRF)mechanisms

圖1 乙醇氧化部分反應(yīng)路徑Fig.1 Major reaction branches of ethanol oxidation

2.2 三組分燃料機(jī)理的修正

圖2 未修正三組分機(jī)理在不同初始溫度下計(jì)算的著火延遲時(shí)間與實(shí)驗(yàn)結(jié)果22,23比較Fig.2 Comparison of experimental22,23and calculated ignition delay time using uncorrected three-component mechanism at different initial temperatures(a)PRF,conditions:equivalence ratio=1(in air);p=4.0 MPa. (b)ethanol,conditions:p=0.35 MPa; volume fractions,C2H5OH 1.25%,O23.75%,Ar 95%

使用上述構(gòu)建的三組分燃料機(jī)理分別對(duì)異辛烷、正庚烷和乙醇純組分燃料的著火延遲時(shí)間進(jìn)行了初步計(jì)算,計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果22,23對(duì)比如圖2所示.由圖可見(jiàn),計(jì)算得到的異辛烷、正庚烷和乙醇著火延遲時(shí)間在高溫區(qū)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好,但在低溫區(qū)存在較大的差別,尤其是正庚烷和乙醇.這說(shuō)明無(wú)論是基礎(chǔ)燃料機(jī)理,還是乙醇機(jī)理都存在一定的缺陷,因此需要對(duì)上述三組分燃料機(jī)理進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚c調(diào)整.

機(jī)理修正的基本原則就是調(diào)整對(duì)低溫著火過(guò)程有較大影響,而對(duì)高溫過(guò)程影響甚微的基元反應(yīng).通常是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)的靈敏度分析和路徑分析來(lái)找到這些基元反應(yīng).對(duì)燃料著火時(shí)刻進(jìn)行溫度的靈敏度分析,分別取靈敏度系數(shù)最大的前10個(gè)反應(yīng).靈敏度系數(shù)為正的反應(yīng)對(duì)燃料氧化過(guò)程起促進(jìn)作用,靈敏度系數(shù)為負(fù)的反應(yīng)對(duì)燃料氧化過(guò)程起抑制作用.

首先分析三組分燃料機(jī)理中異辛烷和正庚烷氧化反應(yīng)路徑.圖3為異辛烷氧化反應(yīng)的主要路徑.在低溫區(qū)異辛烷的主要反應(yīng)途徑如圖3(a)所示.異辛烷分子中的氫原子首先被OH基奪走生成異辛烷基(R2、R3),接著異辛烷基與氧氣加成產(chǎn)生過(guò)氧烷基(R5),然后過(guò)氧烷基與氧氣加成產(chǎn)生過(guò)氧化氫酮和OH基(R6),R6生成的OH基又參與R2反應(yīng),從而形成由R2、R3、R5、R6構(gòu)成的一個(gè)放出大量熱量的低溫反應(yīng)循環(huán).隨著溫度的升高,過(guò)氧化氫酮又會(huì)發(fā)生分解,生成OH基(R7),此時(shí)反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)入快速反應(yīng)階段.當(dāng)系統(tǒng)溫度進(jìn)一步升高,支鏈反應(yīng)R45 (H2O2+M=OH+OH+M)迅速加快,發(fā)生熱爆炸反應(yīng),此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入了如圖3(b)所示的高溫反應(yīng)階段,因此溫度迅速升高.分析這個(gè)反應(yīng)過(guò)程,可以得到影響異辛烷低溫氧化過(guò)程的主要基元反應(yīng)為R2、R5、R6和R7.

圖3 異辛烷氧化反應(yīng)路徑Fig.3 Major reaction branches of iso-octane oxidation(a)low temperature,(b)high temperature

圖4 正庚烷氧化反應(yīng)路徑Fig.4 Major reaction branches of n-heptane oxidation(a)low temperature,(b)high temperature

圖4給出了正庚烷氧化反應(yīng)的主要路徑.正庚烷氧化反應(yīng)的主要路徑與異辛烷極其相似,這里就不再重復(fù)描述了.分析反應(yīng)過(guò)程,同樣可以得到影響正庚烷低溫氧化過(guò)程的主要基元反應(yīng)為R13、R16、R17和R18.

在反應(yīng)途徑分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)異辛烷和正庚烷在低溫(700 K)和高溫(1250 K)區(qū)的反應(yīng)進(jìn)行溫度的靈敏度分析.圖5給出了異辛烷在高、低溫條件下的溫度靈敏度分析結(jié)果.可以看出,反應(yīng)R5、R7、R52對(duì)異辛烷低溫氧化過(guò)程有較大影響,而對(duì)高溫過(guò)程影響甚微.

圖6給出了正庚烷在高、低溫條件下的溫度靈敏度分析結(jié)果.由圖不難看出,反應(yīng)R17、R18對(duì)正庚烷低溫氧化過(guò)程有較大影響,而對(duì)高溫過(guò)程的影響較小.

綜合上述反應(yīng)路徑分析和溫度的靈敏度分析可得,對(duì)異辛烷而言基元反應(yīng)R5不僅對(duì)低溫氧化速度有較大影響,而且對(duì)低溫區(qū)系統(tǒng)溫升也有較大影響.對(duì)正庚烷而言基元反應(yīng)R17、R18對(duì)低溫氧化過(guò)程影響較大.基元反應(yīng)R52對(duì)異辛烷和正庚烷低溫氧化都有很大的負(fù)影響.因此,對(duì)上述四個(gè)基元反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)指前因子A進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整.

圖5 不同初始溫度下異辛烷溫度靈敏度系數(shù)Fig.5 iso-Octane sensitivity coefficients at different initial temperatures (a)low temperature,(b)high temperature

圖6 正庚烷高、低溫溫度靈敏度分析Fig.6 n-Heptane sensitivity coefficients at different initial temperatures(a)low temperature,(b)high temperature

基元反應(yīng)指前因子的調(diào)整需要考慮調(diào)整方向(即增大/減小)和調(diào)整量.根據(jù)上述分析,R5和R52指前因子的調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)是調(diào)整后的機(jī)理能夠準(zhǔn)確計(jì)算異辛烷著火延遲時(shí)間.R5和R52指前因子調(diào)整方向分別是增大和減小,至于調(diào)整量需要經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn),才能找到合適調(diào)整量.R17和R18指前因子調(diào)整的標(biāo)準(zhǔn)是調(diào)整后的機(jī)理能夠準(zhǔn)確計(jì)算正庚烷著火延遲時(shí)間.R17和R18指前因子調(diào)整方向都是增大,調(diào)整量同樣需要經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn),才能找到合適調(diào)整量.

乙醇機(jī)理的調(diào)整方法與上述基礎(chǔ)燃料機(jī)理調(diào)整方法一致,通過(guò)路徑分析和靈敏度分析找出對(duì)低溫著火過(guò)程有較大影響而對(duì)高溫過(guò)程影響甚微的基元反應(yīng).同時(shí)為了不影響已經(jīng)修正的基礎(chǔ)燃料機(jī)理,需選擇乙醇氧化為C2H4、CH3、CH2CO等小分子的反應(yīng),并對(duì)其動(dòng)力學(xué)參數(shù)指前因子進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整.對(duì)異辛烷、正庚烷以及乙醇反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行修正的基元反應(yīng)及其動(dòng)力學(xué)參數(shù)指前因子如表3所示.

經(jīng)過(guò)上述調(diào)整與修改,三組分燃料反應(yīng)機(jī)理包含50組分和193個(gè)基元反應(yīng)(見(jiàn)Supporing Information).該機(jī)理能夠描述異辛烷、正庚烷和乙醇三組分燃料的著火過(guò)程.使用修正后的機(jī)理對(duì)異辛烷、正庚烷和乙醇的著火延遲時(shí)間進(jìn)行了重新計(jì)算,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖7所示,顯然調(diào)整之后的機(jī)理能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)燃料的著火延遲時(shí)間.

3 三組分燃料機(jī)理的驗(yàn)證

驗(yàn)證一個(gè)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理有效性的重要標(biāo)志就是對(duì)著火延遲時(shí)間的準(zhǔn)確預(yù)測(cè),本文詳細(xì)地比較了單組分、PRF、三組分的著火延遲時(shí)間.計(jì)算使用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)程序CHEMKIN,24為著重研究反應(yīng)機(jī)理,計(jì)算中均采用零維絕熱模型,忽略流動(dòng)換熱等因素影響.用于對(duì)比著火延遲時(shí)間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均來(lái)自激波管實(shí)驗(yàn),在激波管模擬計(jì)算中,假定激波過(guò)后激波管內(nèi)氣體反應(yīng)在定容、勻質(zhì)絕熱的條件下進(jìn)行.

表3 修正的基元反應(yīng)及其動(dòng)力學(xué)參數(shù)指前因子ATable 3 Modified elementary reaction and kinetic parameter pre-exponential factorsA

圖7 修正后三組分機(jī)理在不同初始溫度下計(jì)算的著火延遲時(shí)間與實(shí)驗(yàn)結(jié)果22,23比較Fig.7 Comparison of experimental22,23and calculated ignition delay time using modified three-component mechanism at different initial temperatures(a)PRF,conditions:equivalence ratio=1(in air);p=4.0 MPa. (b)ethanol,conditions:p=0.35 MPa;volume fractions, C2H5OH 1.25%,O23.75%,Ar 95%

圖8為初始?jí)毫? MPa、化學(xué)計(jì)量比為1.0、溫度范圍700-1250 K時(shí)四種基礎(chǔ)燃料(異辛烷、正庚烷、PRF60、PRF80)的著火延遲時(shí)間隨溫度的變化關(guān)系.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)自Fieweger等22的激波管測(cè)量結(jié)果.圖中同時(shí)給出了使用Curran機(jī)理13和Ra機(jī)理12計(jì)算的結(jié)果.

圖8(a)給出了不同溫度下三種機(jī)理預(yù)測(cè)的單組分異辛烷的著火延遲時(shí)間.可以看出本文的三組分燃料機(jī)理、Ra機(jī)理和Curran機(jī)理在高溫(T>1000 K)條件下的預(yù)報(bào)值均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較高的一致性,但在低溫(T<1000 K)條件下,Ra機(jī)理和Curran機(jī)理的預(yù)報(bào)值明顯地高于實(shí)驗(yàn)值,而本文的機(jī)理與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合.這說(shuō)明本文的機(jī)理在高、低溫區(qū)間都能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)異辛烷著火延遲時(shí)間.

圖8 不同初始溫度下計(jì)算的基礎(chǔ)燃料著火延遲時(shí)間與實(shí)驗(yàn)結(jié)果22比較Fig.8 Comparison of experimental22and calculated PRF ignition delay time at different initial temperatures conditions:equivalence ratio=1(in air);p=4 MPa

圖8(b)給出了不同的溫度下三種機(jī)理預(yù)測(cè)單組分正庚烷的著火延遲時(shí)間.由圖可見(jiàn),Curran機(jī)理在整個(gè)溫度范圍內(nèi)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果都有較大偏差.Ra機(jī)理和本文機(jī)理在高溫(T>1050 K)區(qū)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性,但在低溫(T<1050 K)區(qū)Ra機(jī)理明顯高估了實(shí)驗(yàn)結(jié)果,而本文機(jī)理在整個(gè)溫度區(qū)間都能較好地預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了770-950 K溫度范圍內(nèi)的負(fù)溫度效應(yīng)(NTC).

圖8(c,d)給出了不同溫度下三種機(jī)理預(yù)測(cè)PRF的著火延遲時(shí)間.由圖可以看出,本文機(jī)理的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很好的一致性,而Ra機(jī)理和Curran機(jī)理的預(yù)測(cè)值在低溫時(shí)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大偏差.比較圖8(c,d)可以得出,PRF的著火延遲時(shí)間隨著異辛烷比例增大而增加,負(fù)溫度效應(yīng)隨著異辛烷比例增大而減小.

圖9為乙醇著火延遲時(shí)間與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比.其中,圖9(a)給出了三個(gè)不同乙醇機(jī)理的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的著火延遲時(shí)間隨溫度的變化關(guān)系,圖9(b)給出了本文機(jī)理在不同化學(xué)計(jì)量比下計(jì)算得到的乙醇著火延遲時(shí)間與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比.圖中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自于Dunphy和Simmie23在激波管中的測(cè)量結(jié)果.在計(jì)算乙醇著火延遲時(shí)間時(shí),由于初始溫度較高,乙醇絕熱燃燒溫度在2000 K左右,如果還以溫度升高400 K來(lái)計(jì)算著火延遲時(shí)間,必然會(huì)帶來(lái)較大的計(jì)算誤差.因此本文將乙醇著火延遲時(shí)間定義為OH基濃度達(dá)到最大值所經(jīng)過(guò)的時(shí)間.由圖9(a)可以看出,本文機(jī)理和Marinov詳細(xì)機(jī)理21計(jì)算的乙醇著火延遲與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較接近,而Andrae機(jī)理15在1250-1550 K溫度范圍內(nèi)低于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),過(guò)早著火.圖9(b)表明不同當(dāng)量比下本文機(jī)理仍然能較好地預(yù)測(cè)乙醇著火延遲時(shí)間.

圖10給出了壓力分別為1、3和5 MPa,化學(xué)計(jì)量比為1,液態(tài)體積分?jǐn)?shù)為20%乙醇、62%異辛烷、18%正庚烷三組分燃料在670-1250 K溫度范圍內(nèi)的著火延遲時(shí)間隨溫度的變化關(guān)系.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自Fikri等25在激波管的測(cè)量結(jié)果.由圖可見(jiàn),壓力為1 MPa時(shí),本文機(jī)理比Andrae機(jī)理更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果.壓力增大到3和5 MPa,本文機(jī)理和Andrae機(jī)理總體上均能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,但在高溫段Andrae機(jī)理的計(jì)算結(jié)果略低于實(shí)驗(yàn)結(jié)果,而本文機(jī)理無(wú)論在高溫段還是低溫段都比Andrae機(jī)理更準(zhǔn)確一些.

圖9 不同初始溫度下計(jì)算的乙醇著火延遲與實(shí)驗(yàn)結(jié)果23比較Fig.9 Comparison of experimental23and calculated ethanol ignition delay time at different temperatures(a)using various mechanisms,conditions:p=0.35 MPa;volume fractions,C2H5OH 1.25%,O23.75%,Ar 95%;(b)at different equivalence ratios,conditions:(case1)p=0.34 MPa,volume fractions,C2H5OH 1.25%,O27.5%,Ar 91.25%, (case2)p=0.34 MPa,volume fractions,C2H5OH 2.5%,O23.75%,Ar 93.75%

圖10 不同初始溫度下計(jì)算的三組分燃料著火延遲時(shí)間與實(shí)驗(yàn)結(jié)果25比較Fig.10 Comparison of experimental25and calculated tertiary mixtures ignition delay time at different initial temperatures

4 結(jié)論

通過(guò)反應(yīng)路徑分析和靈敏度分析,在Ra基礎(chǔ)燃料機(jī)理和Marinov乙醇機(jī)理的基礎(chǔ)上,合理地修正和補(bǔ)充重要的低溫反應(yīng),構(gòu)建了一個(gè)能夠準(zhǔn)確描述異辛烷/正庚烷/乙醇三組分燃料著火過(guò)程的、包含50組分和193個(gè)基元反應(yīng)的著火化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理.

使用本文提出的三組分燃料機(jī)理計(jì)算單組分(異辛烷、正庚烷、乙醇)燃料、雙組分、PRF燃料和三組分燃料的著火延遲時(shí)間與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有更好的一致性.表明該機(jī)理能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)異辛烷/正庚烷/乙醇三組分燃料的著火延遲時(shí)間.

提出三組分燃料機(jī)理包含較少的組分?jǐn)?shù)與反應(yīng)數(shù),因而可適用汽油摻燒乙醇的多維數(shù)值模擬.

Supporting Information Available: Reaction mechanisms of three-component fuel have been included.This information is available free of charge via the internet at http://www.whxb. pku.edu.cn.

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May 2,2012;Revised:July 4,2012;Published on Web:July 4,2012.

Chemical Kinetic Model for Ignition of Three-Component Fuel Comprising iso-Octane/n-Heptane/Ethanol

ZHENG Dong ZHONG Bei-Jing*
(School of Aerospace,Tsinghua University,Beijing 100084,P.R.China)

A reduced chemical kinetic mechanism for the oxidation of three-component fuel comprising iso-octane/n-heptane/ethanol has been developed.The mechanism consists of 50 species and 193 elementary reactions and emphasizes the ignition process.Using path and sensitivity analyses,the path of primary reference fuel(PRF)oxidation and major elementary reactions at high and low temperatures are given.The validated results show that the present mechanism gives good agreement with experimental data for ignition delay time predictions.Because of the few species and reactions presenting in the chemical kinetic model,the mechanism is applicable to multidimensional computational fluid dynamic (CFD)simulation of the co-combustion of gasoline with ethanol.

Surrogate fuel; Primary reference fuel;Ignition delay time;Mechanism;Ethanol

10.3866/PKU.WHXB201207042

O643

?Corresponding author.Email:zhongbj@tsinghua.edu.cn;Tel:+86-10-62772928.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(51036004).

國(guó)家自然科學(xué)基金(51036004)資助項(xiàng)目