尾氣余熱制氫汽油機的燃燒機理構(gòu)建與簡化

馮是全， 胡以懷

(上海海事大學商船學院， 上海 200120)

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尾氣余熱制氫汽油機的燃燒機理構(gòu)建與簡化

馮是全， 胡以懷

(上海海事大學商船學院， 上海 200120)

為了對尾氣余熱制氫汽油機的缸內(nèi)燃燒進行仿真，發(fā)展了適合這一燃燒形式的反應機理. 分析了重整氣的組分，選用甲烷機理GRI 3.0和汽油替代燃料機理，構(gòu)建了包含334種組分和1 672步反應的可用于汽油/重整氣燃燒仿真的詳細機理，并通過直接關(guān)系圖法對構(gòu)建的詳細機理進行了簡化，最后得到了包含40種組分和171步反應的簡化機理. 通過一維汽油機模型對該簡化機理進行了驗證，驗證內(nèi)容包括缸內(nèi)平均壓力、壓力誤差、缸內(nèi)平均溫度、溫度誤差、放熱率、放熱率誤差以及OH的摩爾分數(shù)，驗證了簡化機理的有效性.

汽油機；重整氣；甲烷；汽油；直接關(guān)系圖

國內(nèi)外很多學者開展了發(fā)動機替代燃料的研究工作，液化天然氣、液化石油氣、甲醇、乙醇、二甲醚等作為發(fā)動機的替代燃料已經(jīng)有了較為深入的研究，并已經(jīng)開始實際應用，氫氣相比傳統(tǒng)燃料具有很大優(yōu)勢，但是氫氣在發(fā)動機上的應用一直進展緩慢. 究其原因，最主要的還是氫氣的高度易燃性和存儲困難. 醇類燃料富含氫，如果能將醇類燃料中的氫分離出來，并供給發(fā)動機燃燒做功，能較好地解決氫氣難以儲存的問題，可在一定程度上回收發(fā)動機余熱和提高發(fā)動機效率. 國外很多學者進行了這方面的工作，瑞士的Sj?str?m在汽油機上進行了尾氣余熱重整甲醇的相關(guān)實驗[1]，以色列的Sher、瑞士的Conte等在汽油機上進行了富氫氣體燃燒的相關(guān)實驗[2-3]. 我國也有很多學者進行了余熱制氫發(fā)動機的研究，如中國科學院的潘立衛(wèi)、武漢理工大學的李格升、北京工業(yè)大學的紀常偉、 上海大學的徐元利、上海交通大學的蔣淇忠、中北大學的楊勝明等[4-9]. 但是在汽油機上進行余熱制氫將導致汽油機燃料的變化，需要發(fā)展適合這一燃燒模式的化學反應機理，在已經(jīng)發(fā)表的文獻中對這一燃燒模式的化學反應機理研究較少，為了仿真余熱制氫汽油機的缸內(nèi)燃燒，本文發(fā)展了能用于這種燃燒方式的化學反應機理.

本文基于甲烷機理GRI 3.0和汽油替代燃料機理[10]構(gòu)建了適用于尾氣余熱制氫汽油機缸內(nèi)燃燒的詳細機理. 采用的甲烷機理GRI 3.0包含53種組分和325步反應；采用的汽油機理由美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的Marco Mehl等開發(fā)，包含312種組分和1 488步反應. 將這2個機理整合，構(gòu)建了334種組分和1 672步反應的詳細機理，并利用直接關(guān)系圖法對該詳細機理進行了簡化，得到了包含40種組分和171步反應的簡化機理. 最后，利用chemkin軟件中的點火發(fā)動機模型對詳細機理和簡化機理進行了比較.

1 燃燒機理構(gòu)建與簡化

汽油機尾氣余熱制氫的總體布置如圖1所示.

系統(tǒng)原理：發(fā)動機工作以后，產(chǎn)生的高溫廢氣流過氫發(fā)生器，為氫發(fā)生器內(nèi)的醇和水的反應提供足夠的熱量，泵從醇水箱中將醇和水的混合液泵入氫發(fā)生器，達到合適溫度后，醇和水開始反應產(chǎn)生富含氫氣重整氣，產(chǎn)生的重整氣依次經(jīng)過冷卻器、緩沖器、穩(wěn)壓器，最后由噴射泵噴入發(fā)動機進氣道，與空氣混合后一起進入發(fā)動機氣缸做功. 不同的催化劑、發(fā)動機工況不同、醇水比變化等都會影響重整氣的成分[11]. 圖2是通過氣相色譜儀測得的在汽油機不同廢氣溫度下重整氣中各組分的摩爾分數(shù)，醇水體積比約為1. 從圖2可以看到，重整氣各組分的平均摩爾分數(shù)大致為：氫氣(H2)60.1%、一氧化碳(CO)20.5%、甲烷(CH4)10.8%、二氧化碳(CO2)5.4%. 在chemkin仿真模型中也使用了該成分重整氣.

可見，重整氣主要包含4種主要組分H2、CO、CH4、CO2，其中：H2、CO、CO2在甲烷機理和汽油機理中均已包括；CH4在汽油機理中也已經(jīng)部分包括. 為了詳細描述CH4作為輸入燃料的燃燒情況，用甲烷機理GRI 3.0表示CH4，占體積比例3.2%左右的其他組分主要是乙烯、乙烷和殘余的乙醇和水等成分，這一部分成分所占體積較小，對汽油機缸內(nèi)燃燒的影響較小，并且可以通過進一步優(yōu)化余熱制氫設(shè)備的設(shè)計來減小這一部分所占體積. 為了簡化計算和仿真，在構(gòu)建機理時忽略了其他組分，這樣，重整氣的4種組分及其摩爾分數(shù)分別為：H260%、CO 21%、CH411%、CO28%.

美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的Marco Mehl等開發(fā)的汽油機理包含多種組分，該機理采用3種成分混合來模擬汽油，這3種組分的摩爾分數(shù)分別為：異辛烷(iC8H18)50%、甲苯(C6H5CH3)35%、1- 己烯(C6H12- 1)15%.

通過上面敘述，可以看到，本文構(gòu)建的汽油機余熱制氫機理應包含7種燃料組分，分別為：H2、CO、CH4、CO2、iC8H18、C6H5CH3、C6H12- 1.

1.1 詳細機理的構(gòu)建

詳細機理的構(gòu)建思想是將甲烷機理GRI 3.0和汽油替代燃料機理合并，在合并過程中可能涉及的問題有：1) 機理中的某些基元反應參數(shù)不一致；2) 基元反應重復；3) 基元表達式不一致. 甲烷機理GRI 3.0經(jīng)過了長期的發(fā)展和完善，以甲烷機理作為主要機理，如果汽油機理中有數(shù)據(jù)和甲烷機理中不一致，則以甲烷機理為準，并刪除汽油機理中的不一致數(shù)據(jù)；對于重復的基元反應應刪除表達式不一致的基元，則以甲烷機理為主. 甲烷機理包含53種組分和325步反應，汽油機理包含312種組分和1 488步反應，經(jīng)過合并，所得到的詳細機理包含334種組分和1 672步反應. 可以看到，刪除的重復組分為31種，刪除的重復反應為141步.

1.2 簡化機理的詳細內(nèi)容

簡化機理的構(gòu)建是通過利用直接關(guān)系圖法[12]將詳細機理的總體規(guī)?？s小. 國內(nèi)學者在直接關(guān)系圖法簡化反應機理方面做了很多工作，比如中國科學院的蔣勇、華中科技大學的郎靜、中航集團的劉建文等[13-15]. 直接關(guān)系圖法通過計算任意2組分間的關(guān)聯(lián)系數(shù)，確定整個反應機理中各組分關(guān)聯(lián)的強弱程度，通過設(shè)定閥值和設(shè)定初始輸入組分，可以計算出與初始輸入組分關(guān)聯(lián)最弱的成分，刪除關(guān)聯(lián)系數(shù)小于閥值的較弱組分及相應反應方程，這樣，反應機理的整體規(guī)模就變小了，而與初始輸入組分高度相關(guān)的組分與反應方程被保留下來. 假定A為輸入組分，B為機理文件中的其他組分，直接關(guān)系圖法中組分A、B的關(guān)聯(lián)系數(shù)計算方程為

(1)式中：rAB為組分A和B的關(guān)聯(lián)系數(shù)；i為第i步反應；I為總反應數(shù)目；vAi為第i個反應中組分A的系數(shù)；ωi為第i個方程中組分A的凈生產(chǎn)率；如果第i個方程中出現(xiàn)了組分B，則δBi=1，否則，δBi=0. 通過應用直接關(guān)系圖法，設(shè)定輸入7種燃料組分：H2、CO、CH4、CO2、iC8H18、C6H5CH3、C6H12- 1，并設(shè)定輸入氣體為O2和N2，最后所獲得的40種組分為H2、H、O、O2、OH、H2O、HO2、CH2、CH2(S)、CH3、CH4、CO、CO2、HCO、 CH2O、CH3O、C2H4、C2H5、N2O、N2、IC3H7、NC3H7、C3H6、C3H5- A、C3H4- A、C3H3、NC3H7O2、C4H7- 4、IC4H9、IC4H8、C6H12- 1、YC7H15、YC7H14、NEOC5H11、IC8H18、DC8H17、C6H5CH3、 C6H5CH2J、C6H5OJ、C6H5.

2 機理仿真與比較

利用chemkin軟件的火花塞點火發(fā)動機模型來仿真尾氣余熱制氫汽油機，chemkin軟件的火花塞點火發(fā)動機模型是基于日本尼桑汽車公司的Toru Noda等[16]發(fā)展的汽油機缸內(nèi)零維模型，該模型將整個氣缸分為2部分：一部分為已燃區(qū)，另一部分為未燃區(qū)，火花塞點火產(chǎn)生的火焰面呈現(xiàn)出球面的形狀，隨著缸內(nèi)燃料的燃燒和活塞的運動，未燃區(qū)的壓力和溫度也不斷受到影響. 圖3為chemkin軟件零維汽油機模型的示意圖. 其中：m為缸內(nèi)物質(zhì)質(zhì)量；x為質(zhì)量分數(shù)；V為體積；T為溫度；u為內(nèi)能；rf為球形火焰面的半徑；下標b為已燃區(qū)；下標u為未燃區(qū).

以東風EQ6100- 1型電噴汽油機為原型機，chemkin軟件仿真所用的發(fā)動機主要參數(shù)如表1所示.

表1 發(fā)動機參數(shù)

仿真起點為上止點前120.2°CA，仿真終點為上止點后139.8°CA， 點火提前角設(shè)定為上止點前14.5°CA，設(shè)定各組分的摩爾比為n(汽油)∶n(重整氣)∶n(空氣)=1∶0.1∶50，設(shè)定進氣溫度為300 K，進氣壓力為0.1 MPa. 考慮發(fā)動機的熱量損失，熱量損失模型為chemkin軟件自帶的Woschni傳熱模型. 通過計算，缸內(nèi)壓力曲線如圖4所示. 圖5表示了通過詳細機理和簡化機理計算所得的缸內(nèi)壓力的數(shù)值差. 可以看到，利用詳細機理和簡化機理計算所得的缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)有較好的一致性，詳細機理計算得到的缸內(nèi)壓力比簡化機理計算得到的壓力略微小一些，它們的數(shù)值差在0.03 MPa左右，與缸內(nèi)整體壓力情況對比，這一數(shù)值差是比較小的，由此可以認為簡化機理可以有效、合理地計算尾氣余熱制氫汽油機的缸內(nèi)壓力變化.

圖6為由詳細機理和簡化機理計算所得的溫度曲線，圖7為利用詳細機理計算得到的溫度值減去簡化機理計算得到的溫度值. 可以看到，由詳細機理和簡化機理計算所得數(shù)據(jù)的一致性也非常好，它們的溫度差在18 K左右，相對缸內(nèi)整體溫度情況來說，這一變化范圍較為微弱，可見本文所發(fā)展的簡化機理對缸內(nèi)溫度的預測也是較為合理和準確的.

圖8為通過詳細機理和簡化機理計算得到的放熱率曲線. 可以看到，每度曲柄轉(zhuǎn)角對應的放熱率的一致性較好. 圖9為放熱率的差值，該差值最大值為3.22 J/(°CA)，對應位置為上止點后7°CA，該位置每度曲柄轉(zhuǎn)角的放熱率為213.5 J/(°CA)，可以看到，與放熱率數(shù)值相比，詳細機理和簡化機理計算得到的數(shù)值差也較小.

最后比較了詳細機理和簡化機理對OH的摩爾分數(shù)的模擬情況，如圖10所示. 可以看到，OH的摩爾分數(shù)的一致性也較好，簡化機理計算得到的OH的摩爾分數(shù)峰值比詳細機理計算得到的數(shù)值要大一些，偏差值小于0.000 5.

3 結(jié)論

1) 尾氣余熱制氫是一種較為高效和清潔的能源利用方式，這一技術(shù)可以利用甲醇、乙醇等醇類燃料作為發(fā)動機的輔助能源，基于對這一發(fā)動機燃燒方式仿真的需要，構(gòu)建了適合這一燃燒方式的化學反應機理. 基于甲烷機理GRI 3.0和汽油替代機理構(gòu)建了包含334種組分和1 672步反應的可用于汽油/重整氣燃燒仿真用的詳細機理，并利用直接關(guān)系圖法對該詳細機理進行了簡化，構(gòu)建了包含40種組分和171步反應的簡化機理.

2) 本文通過火花塞點火發(fā)動機模型對簡化機理進行了驗證，模型仿真結(jié)果證明了簡化機理在模擬缸內(nèi)壓力、缸內(nèi)溫度、放熱率和OH的摩爾分數(shù)時的準確性.

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(責任編輯 梁 潔)

Construction and Simplification of the Combustion Mechanism of Gasoline Engine With Steam Reforming With the Heat of Exhaust Gas

FENG Shiquan, HU Yihuai

(Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 200120, China)

To simulate the combustion in the cylinder of gasoline engine with steam reforming, a detailed mechanism was developed. The mechanism of GRI 3.0 and gasoline surrogate were used for the construction of the detailed mechanism according to the components in syngas. The detailed mechanism, with 334 species and 1 672 reactions, was reduced with direct relation graph method to form a reduced mechanism with 40 species and 171 reactions. The reduced mechanism was verified by the one dimensional gasoline engine model by the test of the average temperature, the temperature error, the heat release rate, the heat release rate error and the difference between OH concentration. Results show good agreement of the validation of detailed mechanism and reduced mechanism.

gasoline engine；syngas；methane；gasoline；directed relation graph

2016- 03- 08

上海市科學技術(shù)委員會資助項目(08210511800)；上海海事大學創(chuàng)新基金資助項目(2015ycx079)

馮是全(1983—)， 男， 博士研究生， 主要從事船舶新能源方面的研究，E-mail:fengshiquan@outlook.com

TK 46

A

0254-0037(2016)12-1901-06

10.11936/bjutxb2016030018