基于化學(xué)動(dòng)力學(xué)的甲烷燃燒性能數(shù)值模擬

熊晶晶，楊勝兵，鐘紹華

(1.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430070;2.汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北武漢430070)

環(huán)境污染和汽車保有量的雙重壓力迫切要求找到合理的替代能源。天然氣不僅具有很高的能量密度和抗爆性，還具有節(jié)能減排的特點(diǎn)，因此在替代能源中受到重視。但天然氣在均質(zhì)壓燃的過程中會出現(xiàn)相應(yīng)的缺點(diǎn)和不足，在此背景下筆者對天然氣中的主要成分甲烷的燃燒性能進(jìn)行了研究。

天然氣的主要成分為甲烷。其主要優(yōu)點(diǎn)有：燃燒產(chǎn)生的污染物少、使用特性好、抗爆性好、與空氣混合氣著火界限寬、經(jīng)濟(jì)性好。

天然氣燃燒緩慢，不易壓燃，因此很多學(xué)者致力于改善天然氣燃燒的不足。文獻(xiàn)［1 -2］利用多區(qū)模型研究了不同的進(jìn)氣溫度、壓縮比和進(jìn)氣壓力等參數(shù)對天然氣燃燒的影響;文獻(xiàn)［3］和文獻(xiàn)［4］分別以敏感度分析和最優(yōu)簡化法為基礎(chǔ)，對GRI-MECH3.0 機(jī)理進(jìn)行簡化，并與原有機(jī)理進(jìn)行了對比，得到了簡化后的甲烷反應(yīng)機(jī)理;文獻(xiàn)［5］利用三維CFD 軟件對甲烷的燃燒和排放進(jìn)行了研究，得出了各排放物在缸內(nèi)的分布情況;文獻(xiàn)［6］針對甲烷燃燒過程中的碳?xì)渑欧牛岢隽艘环N快速有效的測試碳?xì)渑欧帕康姆椒?文獻(xiàn)［7］對天然氣在壓燃式內(nèi)燃機(jī)中的使用做了系統(tǒng)的研究，研究了燃燒室?guī)缀涡螤顚θ紵匦院蜌怏w流動(dòng)的影響，以及擴(kuò)大天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍的方法等;文獻(xiàn)［8］研究了甲烷在不同水油混合比下的燃燒特性;文獻(xiàn)［9］致力于摻氫來改善天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性，研究了不同摻氫比例下甲烷燃燒的變化狀況。

筆者在甲烷燃燒的化學(xué)動(dòng)力學(xué)過程的基礎(chǔ)上，提出了改善燃燒的方法，即在甲烷中摻入正庚烷，通過壓縮比、進(jìn)氣溫度和過量空氣系數(shù)等來控制甲烷的著火時(shí)刻和對初始進(jìn)氣溫度的要求，分析其對燃料燃燒性能的影響。

根據(jù)甲烷的燃燒特性可知［10］，在HCCI 燃燒條件或壓燃條件下，以正常的進(jìn)氣溫度使用甲烷幾乎是不可能的，因此必須采取加熱措施或加入引燃燃料來降低其對進(jìn)氣溫度的要求。

1 甲烷燃燒與正庚烷燃燒的對比

從表1 可以看出，甲烷和正庚烷在引燃溫度、分子量和熱值方面完全不同，屬于兩種完全不同的燃料。

正庚烷具有與柴油相當(dāng)?shù)氖橹?均為56)，容易在壓燃式內(nèi)燃機(jī)中使用，筆者將正庚烷作為甲烷的引燃燃料以降低甲烷燃燒的使用條件。正庚烷的氧化機(jī)理來自于美國Lawrence Livermore 國家實(shí)驗(yàn)室，其包含29 個(gè)組分和52 個(gè)基元反應(yīng)。

1.1 不同壓縮比條件下的對比

為對比不同壓縮比條件下兩種燃料的燃燒性能，設(shè)定進(jìn)氣溫度為500 K、轉(zhuǎn)速為1 600 r/min、進(jìn)氣壓力為1 bar 和過量空氣系數(shù)為1，在不同壓縮比下模擬計(jì)算兩種燃料的燃燒溫度。圖1 為模擬得到的正庚烷和甲烷的燃燒溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。

表1 甲烷和正庚烷物化性質(zhì)對比

圖1 不同壓縮比下正庚烷和甲烷燃燒溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線

從圖1 可知，隨著壓縮比的增加，兩種燃料的著火提前，缸內(nèi)溫度也有所升高。在該模型和模擬條件下，正庚烷和甲烷的不同在于前者對壓縮比的要求較低。為了突出正庚烷的特點(diǎn)，設(shè)定較小的壓縮比(實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比要高得多)，可以看出，在壓縮比為6 時(shí)正庚烷已可以正常燃燒，即在上止點(diǎn)之前達(dá)到全面燃燒，壓縮比為8 時(shí)正庚烷燃燒的著火提前角約為20°CA，過于提前燃燒不利于發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和燃油經(jīng)濟(jì)性。從圖1 可以看出，甲烷在壓縮比為17 時(shí)的燃燒溫度曲線幾乎與正庚烷在壓縮比為6 時(shí)的溫度曲線重合，說明在同等條件下要實(shí)現(xiàn)兩種燃料的合理燃燒，甲烷所要求的壓縮比幾乎是正庚烷的3 倍。

1.2 不同進(jìn)氣溫度條件下的對比

設(shè)定壓縮比為17、轉(zhuǎn)速為1 600 r/min、進(jìn)氣溫度為500 K、進(jìn)氣壓力為1 bar 和過量空氣系數(shù)為1。隨著進(jìn)氣溫度的升高，兩種燃料的著火提前，缸內(nèi)溫度也有所升高。在該模型和模擬條件下，正庚烷和甲烷的不同在于前者對進(jìn)氣溫度的要求較低。從圖2 中可以看出在進(jìn)氣溫度為290 K(正常進(jìn)氣溫度)時(shí)正庚烷已可正常燃燒，甲烷在進(jìn)氣溫度為500 K時(shí)才能正常燃燒，著火提前時(shí)刻只比正庚烷在進(jìn)氣溫度為290 K 時(shí)早3°CA 左右。由此可知，在相同的模擬條件下，甲烷所需的進(jìn)氣溫度比正庚烷高約200 K。

圖2 不同進(jìn)氣溫度下正庚烷和甲烷燃燒溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線

1.3 不同過量空氣系數(shù)條件下的對比

圖3 設(shè)定壓縮比為17、轉(zhuǎn)速為1 600 r/min、進(jìn)氣壓力為1 bar 和進(jìn)氣溫度為500 K。由圖3可知，隨著過量空氣系數(shù)的升高，兩種燃料的著火提前，缸內(nèi)溫度也有所降低。在該模型和模擬條件下，正庚烷和甲烷的不同在于前者對過量空氣系數(shù)的要求較低，由圖3 可知在混合氣很濃的情況下(為了突出問題，取過量空氣系數(shù)為0.2)正庚烷可正常燃燒，即在上止點(diǎn)之前達(dá)到全面燃燒，并且有很低的缸內(nèi)最高燃燒溫度。圖3 對比了甲烷在過量空氣系數(shù)為0.5 時(shí)的缸內(nèi)溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化，可以看出甲烷在混合氣較濃的條件下不能在內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)正常燃燒，缸內(nèi)燃燒溫度沒有明顯的變化。因此可以得出，在相同的模擬條件下，甲烷所需要的空氣量要比正庚烷多很多。

圖3 不同過量空氣系數(shù)下正庚烷和甲烷燃燒溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線

2 甲烷HCCI 燃燒的改進(jìn)措施

2.1 混燃對壓縮比要求的變化

圖4 ～圖6 進(jìn)氣壓力為1 bar、轉(zhuǎn)速為1 600 r/min、進(jìn)氣溫度為450 K，計(jì)算不同壓縮比下的缸內(nèi)溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。

圖4 摻入5%正庚烷后不同壓縮比下甲烷燃燒溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線

圖5 摻入10%正庚烷后不同壓縮比下甲烷燃燒溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線

圖6 摻入20%正庚烷后不同壓縮比下甲烷燃燒溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線

由以上研究可知，進(jìn)氣溫度為450 K，壓縮比為17 時(shí)甲烷不能夠在缸內(nèi)全面燃燒。當(dāng)加入5%的正庚烷之后，混合燃料對壓縮比的要求驟降，在壓縮比為11 時(shí)混合燃料可以在缸內(nèi)產(chǎn)生燃燒，但燃燒相位比較差，全面燃燒發(fā)生在上止點(diǎn)之后約10°CA;當(dāng)壓縮比提高到13 時(shí)，混合燃料有較好的著火相位，能夠在上止點(diǎn)之前著火;當(dāng)壓縮比增加到17 時(shí)，混合燃料的燃燒過于提前，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。當(dāng)加入10%的正庚烷之后，在壓縮比為11 時(shí)混合燃料可以在缸內(nèi)較好地著火燃燒，并且有較好的著火相位，全面燃燒發(fā)生在上止點(diǎn)之后約8°CA;當(dāng)繼續(xù)提高壓縮比后，混合燃料的燃燒過于提前，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。當(dāng)混合燃料中正庚烷的比例達(dá)到20%后，壓縮比為7時(shí)混合燃料已經(jīng)可以在缸內(nèi)著火;壓縮比為9 時(shí)具有好的著火相位。由此可知，加入正庚烷之后，甲烷對壓縮比的要求降低了35%左右;在進(jìn)氣溫度為450 K 時(shí)，加入適量的正庚烷就可以使甲烷很好地燃燒，并且對缸內(nèi)的最高燃燒溫度沒有太大的影響。

根據(jù)混合燃料在缸內(nèi)消耗10%作為燃燒的始點(diǎn)，表2 計(jì)算出了加入不同比例的正庚烷后混合燃料的著火相位變化。

表2 混合燃料在不同壓縮比下燃燒的著火相位

通過表2 可明確在固定進(jìn)氣溫度為450 K 時(shí)不同正庚烷/甲烷比例的混合燃料對壓縮比的要求，為發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比的選擇提供了一定的依據(jù)。

2.2 混燃對進(jìn)氣溫度要求的變化

圖7 ～圖9 壓縮比為17、選取進(jìn)氣壓力為1 bar、轉(zhuǎn)速為1 600 r/min，針對摻入正庚烷比例5%、10%和20%這3 種情況，分別計(jì)算不同進(jìn)氣溫度下的缸內(nèi)溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。

圖7 摻入5%正庚烷后不同進(jìn)氣溫度下甲烷燃燒溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線

由圖可知，在正常的壓縮比下，進(jìn)氣溫度為450 K 時(shí)仍不能啟動(dòng)著火，需很高的進(jìn)氣溫度才能使甲烷在缸內(nèi)正常燃燒。當(dāng)加入5%的正庚烷之后，混合燃料對進(jìn)氣溫度的要求降低很多，進(jìn)氣溫度為300 K 時(shí)不能啟動(dòng)著火;在進(jìn)氣溫度為350 K 時(shí)混合燃料可在缸內(nèi)產(chǎn)生燃燒，但燃燒相位比較差，全面燃燒發(fā)生在上止點(diǎn)之后約6°CA;進(jìn)氣溫度達(dá)到380 K 后，混合燃料有好的著火相位，著火時(shí)刻約為上止點(diǎn)前3°CA;當(dāng)進(jìn)氣溫度達(dá)到400 K 時(shí)，著火相位約為上止點(diǎn)前7°CA;進(jìn)氣溫度達(dá)到450 K 后，著火時(shí)刻偏離上止點(diǎn)，不利于燃料燃燒的熱效率。加入10%的正庚烷之后，混合燃料的燃燒溫度變化如圖8 所示。從圖8 可以看出，在進(jìn)氣溫度為300 K 時(shí)雖然燃燒相位不好，但已經(jīng)能夠在缸內(nèi)產(chǎn)生燃燒;當(dāng)進(jìn)氣溫度達(dá)到350 K 時(shí)，燃燒時(shí)刻約為前7°CA;進(jìn)氣溫度為450 K 時(shí)，著火過于提前;相比正庚烷比例為5%時(shí)，對進(jìn)氣溫度的要求降低了約50 K。當(dāng)加入20%正庚烷時(shí)，進(jìn)氣溫度為300 K 和320 K 時(shí)的著火相位分別為4°CA 和8°CA。由此可知，加入5%正庚烷可使甲烷對進(jìn)氣溫度的要求降低約130 K;加入10%正庚烷可使甲烷對進(jìn)氣溫度的要求降低180 K;加入20%正庚烷可使甲烷能夠在接近正常溫度下使用。

圖8 摻入10%正庚烷后不同進(jìn)氣溫度下甲烷燃燒溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線

圖9 摻入20%正庚烷后不同進(jìn)氣溫度下甲烷燃燒溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線

同樣根據(jù)混合燃料在缸內(nèi)消耗10%作為燃燒的始點(diǎn)，計(jì)算出加入不同比例的正庚烷后混合燃料的著火相位變化，如表3 所示。

根據(jù)表3 可以明確在固定壓縮比為17 時(shí)不同正庚烷/甲烷比例的混合燃料燃燒相位的優(yōu)劣。

表3 混合燃料在不同進(jìn)氣溫度下燃燒的著火相位

3 結(jié)論

(1)對比正庚烷和甲烷的燃燒性能，可以得岀以下幾方面的結(jié)論：在壓縮比方面，在相同的條件下要實(shí)現(xiàn)兩種燃料的合理燃燒，甲烷所要求的壓縮比幾乎是正庚烷的3 倍;在進(jìn)氣溫度方面，在相同的模擬條件下，甲烷所需要的進(jìn)氣溫度要比正庚烷高200 K 左右;在過量空氣系數(shù)方面，在相同的模擬條件下，甲烷所需要的空氣量要比正庚烷多很多。因此可知相比于正庚烷，在內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)甲烷不能在正常條件下燃燒使用。

(2)在固定的進(jìn)氣溫度下，摻入5%的正庚烷可使甲烷對壓縮比的要求降低35%左右，且對加入正庚烷溫度要求的變化研究中，得出在固定的壓縮比下，正庚烷的加入可以迅速降低甲烷對進(jìn)氣溫度的要求，純甲烷則需要在進(jìn)氣溫度為480 K下才能燃燒，加入5% 正庚烷使進(jìn)氣溫度降低130 K;加入10%正庚烷時(shí)，進(jìn)氣溫度的要求降低180 K;加入20%正庚烷可使甲烷在常溫下壓燃。

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