汽油層流燃燒速度的測(cè)量及其替代物模型研究

徐昭華,胡二江,黃佐華

(西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)峻,汽油機(jī)朝著高效率和低排放方向發(fā)展,對(duì)汽油基礎(chǔ)燃燒特性的了解對(duì)高效低污染汽油機(jī)設(shè)計(jì)十分重要。由于汽油組分的復(fù)雜性,使得直接對(duì)汽油的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究十分困難[1]。為了對(duì)汽油進(jìn)行數(shù)值模擬研究,需要構(gòu)建合理的汽油替代物模型,這不僅可以代表實(shí)際汽油中存在的重要有機(jī)化合物類別,還能夠體現(xiàn)實(shí)際汽油的燃燒特性。

在構(gòu)建汽油替代物模型時(shí),需要先確定目標(biāo)特性,同時(shí)了解如何影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性。由于每種特性都會(huì)影響燃燒過程,因此必須考慮目標(biāo)特性和燃燒性能的關(guān)系。目標(biāo)特性分為物理和化學(xué)特性:物理特性如燃料揮發(fā)性會(huì)影響噴霧霧化,進(jìn)而影響燃燒性能;化學(xué)特性如辛烷值會(huì)影響爆震。汽油在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒過程是一個(gè)復(fù)雜的湍流燃燒過程,而層流燃燒速度是研究湍流燃燒的基礎(chǔ),且層流燃燒速度、馬克斯坦長(zhǎng)度等表征層流燃燒特性的參量是湍流燃燒模型計(jì)算時(shí)的輸入?yún)?shù),因此本文針對(duì)層流燃燒特性構(gòu)建適合國(guó)產(chǎn)汽油的替代物模型。

目前,甲苯、異辛烷和正庚烷已成為國(guó)際上公認(rèn)的汽油替代物燃料必須包含的組分[2]。Pera等使用辛烷值與體積分?jǐn)?shù)和為1作為約束確定了甲苯/異辛烷/正庚烷混合燃料(TRF替代燃料)的組分比例,并對(duì)歐洲實(shí)際汽油ULG95進(jìn)行模擬,最終得到正庚烷、異辛烷、甲苯體積分?jǐn)?shù)分別為13.7%、42.8%、43.5%的汽油替代物模型[3]。Sarathy等在預(yù)測(cè)實(shí)際汽油的著火延遲期時(shí),要求替代燃料的辛烷值、H/C與實(shí)際汽油相匹配[4]。根據(jù)Morgan等提出的二階線性模型[5],Mannaa等確定了辛烷值為75、85、95的TRF汽油替代燃料,提出的TRF-85-1替代物燃料與實(shí)際汽油的層流燃燒速度吻合較好,替代燃料的辛烷值與實(shí)際汽油的辛烷值相匹配[6]。Jerzembeck等在定容燃燒彈上測(cè)量了初始溫度為373 K、當(dāng)量比為0.7～1.2、初始?jí)毫?.01～2.53 MPa下正庚烷、異辛烷、正庚烷/異辛烷兩組分汽油替代燃料PRF87和商用汽油的層流燃燒速度[7]。Sileghem等利用平面火焰絕熱燃燒器測(cè)量了商業(yè)汽油在溫度為298～358 K、當(dāng)量比為0.7～1.3的層流燃燒速度,同時(shí)根據(jù)甲苯、異辛烷、正庚烷單質(zhì)以及汽油在不同溫度下的層流燃燒速度來確定甲苯/異辛烷/正庚烷混合燃料(TRF替代燃料)中甲苯、異辛烷和正庚烷的含量[8]。姚春德等利用定容燃燒彈對(duì)標(biāo)準(zhǔn)汽油以及與標(biāo)準(zhǔn)汽油相同辛烷值的異辛烷/正庚烷混合燃料(PRF替代燃料)的層流火焰進(jìn)行測(cè)量,比較了兩種燃料在火焰?zhèn)鞑ニ俾省⒗炻始榜R克斯坦長(zhǎng)度等方面的差異[9]。

針對(duì)國(guó)內(nèi)實(shí)際汽油的層流燃燒特性和汽油替代物模型的研究十分缺乏、利用汽油替代物模型來模擬國(guó)產(chǎn)汽油燃燒特性的研究十分有限的現(xiàn)狀,本文采用球形火焰法,在定容燃燒彈上對(duì)我國(guó)實(shí)際汽油的層流燃燒速度進(jìn)行了測(cè)量,分析了初始溫度、壓力和當(dāng)量比對(duì)汽油層流燃燒速度的影響。此外,由于我國(guó)汽油與國(guó)外汽油的組分差異,基于國(guó)外汽油層流燃燒速度獲得的汽油替代物模型無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)我國(guó)汽油的層流燃燒速度。本文基于國(guó)產(chǎn)汽油的層流燃燒速度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),構(gòu)建了適用于國(guó)產(chǎn)汽油的汽油替代物模型PRF和TRF,并選擇KAUST清潔燃燒研究中心最新發(fā)展的汽油替代物機(jī)理,對(duì)本研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)值仿真,該機(jī)理對(duì)本文研究工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了合理預(yù)測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和計(jì)算方法

1.1 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)研究在西安交通大學(xué)定容燃燒彈平臺(tái)上展開,實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)包括配氣系統(tǒng)、定容燃燒彈、溫度控制系統(tǒng)、點(diǎn)火設(shè)備、高速影像紋影系統(tǒng)和壓力采集系統(tǒng),其中定容燃燒彈內(nèi)徑為180 mm,長(zhǎng)為210 mm,材質(zhì)為不銹鋼,兩端面對(duì)稱開有直徑為80 mm的視窗,并安裝石英玻璃,用來觀測(cè)火焰發(fā)展過程。

實(shí)驗(yàn)過程:首先,對(duì)定容燃燒彈抽真空,通過定容燃燒彈頂部的液體燃料注入閥注入液體燃料,待燃料完全蒸發(fā)和充分混合后,再依次利用配氣系統(tǒng)通入相應(yīng)分壓的氧氣和氮?dú)?進(jìn)氣結(jié)束,混合氣靜置5 min左右,以確保氣體混合均勻;然后,通過點(diǎn)火系統(tǒng)使定容燃燒彈內(nèi)的中心電極產(chǎn)生電火花來點(diǎn)燃混合氣,此時(shí)由于點(diǎn)火系統(tǒng)和高速攝像機(jī)的同步控制,點(diǎn)火的同時(shí)觸發(fā)高速攝像機(jī)的拍攝(高速攝像機(jī)的拍攝頻率為10 000幀/s),從而記錄下火焰?zhèn)鞑サ倪^程;燃燒結(jié)束后打開排氣閥門,排出燃燒廢氣,并對(duì)容彈內(nèi)腔進(jìn)行反復(fù)的高壓空氣沖洗,確保沒有殘余廢氣后即可進(jìn)入下一個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。

本文的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖茄芯慨?dāng)量比、初始溫度和初始?jí)毫?duì)火焰特性的影響。初始溫度為358～448 K,初始?jí)毫?.1～0.5 MPa,常壓下當(dāng)量比為0.8～1.5,壓力升高后,濃混合火焰不穩(wěn)定性明顯增加,加大了層流燃燒速度測(cè)量的困難,因此可測(cè)量的最大當(dāng)量比變小。每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況重復(fù)3次,經(jīng)過誤差分析計(jì)算,層流燃燒速度的誤差在5%以內(nèi)。

1.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)文獻(xiàn)[10],火焰半徑為6～25 mm時(shí),點(diǎn)火能量對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊懣珊雎圆挥?jì)?？紤]到點(diǎn)火和壓力升高的影響,選擇火焰半徑為8～18 mm之間的紋影照片,通過對(duì)高速攝像機(jī)拍下的紋影圖片的處理,可得球形火焰的火焰半徑隨時(shí)間的變化率,即已燃?xì)饫旎鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣?/p>

(1)

式中:Sn為拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣?cm·s-1;ru為火焰半徑,cm;t為點(diǎn)火后時(shí)間,s。

考慮到火焰拉伸的影響,Frankel等提出了已燃?xì)鉄o拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣萐b和拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n的非線性關(guān)系[11-12]

(2)

式中:Sb為已燃?xì)鉄o拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣?cm·s-1;Lb為已燃?xì)怦R克斯坦長(zhǎng)度,cm。

Williams等將火焰拉伸率α定義為火焰表面積A的對(duì)數(shù)對(duì)時(shí)間t的導(dǎo)數(shù)[13]

(3)

對(duì)于球形火焰有

(4)

由火焰前鋒面處的反應(yīng)物和生成物質(zhì)量守恒,可得Sb與層流燃燒速度Su的關(guān)系式

(5)

式中:ρb為未燃?xì)饷芏?kg·m-3;ρu為已燃?xì)饷芏?kg·m-3。

1.3 數(shù)值模擬驗(yàn)證

為了對(duì)本研究所提出的汽油替代燃料的層流燃燒速度進(jìn)行驗(yàn)證,利用CHEMKIN-PRO中的Premix程序[14]模擬計(jì)算了汽油替代燃料的層流燃燒速度,并將其與實(shí)測(cè)得到的層流燃燒速度進(jìn)行對(duì)比。數(shù)值模擬選用的機(jī)理為KAUST清潔燃燒研究中心最新發(fā)展的汽油替代物機(jī)理[15],包含574個(gè)組分和3 379個(gè)反應(yīng),可用于模擬異辛烷、正庚烷、甲苯及其混合物的燃燒特性。為了確保數(shù)值仿真結(jié)果的精度,計(jì)算過程中考慮了多組分輸運(yùn)模型和Soret擴(kuò)散,網(wǎng)格參數(shù)GRAD和CURV的值設(shè)置為0.02,網(wǎng)格數(shù)設(shè)置為1 000。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 定容燃燒彈的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性,測(cè)量了異辛烷/空氣在初始溫度為358 K、初始?jí)毫?.1 MPa、當(dāng)量比為0.8～1.5下的層流燃燒速度,并與文獻(xiàn)[6,16-17]進(jìn)行對(duì)比,如圖2所示。本文實(shí)驗(yàn)值與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)值一致,表明本文的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測(cè)量火焰?zhèn)鞑ニ俣?具有高可靠性和穩(wěn)定性。

圖2 異辛烷/空氣的層流燃燒速度

2.2 汽油的層流燃燒速度

由于實(shí)際汽油的組分復(fù)雜,通常包含幾百種物質(zhì),加上類型、產(chǎn)地造成的差異,所以對(duì)實(shí)際汽油燃燒性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究變得十分困難。實(shí)際汽油的組分主要有直鏈烷烴、異構(gòu)烷烴、環(huán)烷烴、烯烴、芳烴和含氧化合物,表1給出了本文選取的國(guó)產(chǎn)汽油與國(guó)外汽油的組分信息對(duì)比。由表1可知,不同類型汽油的組分差異十分明顯,其中國(guó)外汽油中異構(gòu)烷烴的含量要比國(guó)產(chǎn)汽油含量高10%以上,直鏈烷烴和烯烴的含量也有明顯的差異,且國(guó)外汽油中沒有含氧組分,而國(guó)產(chǎn)汽油中有較多的含氧組分。

表1 汽油組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖3給出了初始溫度為358 K、初始?jí)毫?.1 MPa時(shí)國(guó)產(chǎn)汽油與國(guó)外汽油的層流燃燒速度對(duì)比,其中FACE C汽油來自沙特阿拉伯國(guó)家石油公司,Exxon 708629-60、TAE7000汽油來自美國(guó)和歐洲。由圖3可知,與國(guó)外汽油相比,我國(guó)汽油的層流燃燒速度在低當(dāng)量比時(shí)偏小,在高當(dāng)量比時(shí)偏大,表明汽油的層流燃燒速度與汽油的產(chǎn)地、組分有很大關(guān)系。因此,適用于國(guó)外汽油的汽油替代物模型并不能適用于我國(guó)汽油,需構(gòu)建適用于我國(guó)汽油的替代物模型。

圖3 國(guó)產(chǎn)汽油與國(guó)外汽油的層流燃燒速度對(duì)比

圖4給出了我國(guó)汽油的層流燃燒速度在不同初始?jí)毫?0.1、0.2、0.5 MPa)與不同初始溫度(358、403、448 K)下隨當(dāng)量比的變化。由圖4可知:在相同初始溫度下,汽油的層流燃燒速度隨著初始?jí)毫Φ纳叨手饾u降低的趨勢(shì);在相同初始?jí)毫l件下,汽油的層流燃燒速度隨著初始溫度的升高而逐漸增大。然而,初始溫度和初始?jí)毫Φ母淖?并沒有影響其層流燃燒速度在當(dāng)量比1.1處達(dá)到最大,隨著壓力升高和當(dāng)量比增大,火焰穩(wěn)定性變差。球形火焰表面在發(fā)展過程中會(huì)出現(xiàn)細(xì)胞狀結(jié)構(gòu),而對(duì)表面出現(xiàn)細(xì)胞狀結(jié)構(gòu)的火焰圖片進(jìn)行處理得到的火焰?zhèn)鞑ニ俣扔休^大的誤差,因此,初始?jí)毫?.5 MPa條件下的層流燃燒速度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)只取到當(dāng)量比為1.2時(shí)。

(a)初始溫度為403 K

(b)初始?jí)毫?.1 MPa圖4 汽油的層流燃燒速度隨當(dāng)量比的變化

2.3 汽油替代物模型的構(gòu)建

分別構(gòu)建替代燃料PRF和TRF來預(yù)測(cè)國(guó)產(chǎn)汽油的層流燃燒特性,所構(gòu)建的PRF為異辛烷和正庚烷的混合燃料,通過一定的體積比例混合來匹配汽油的辛烷值。替代燃料TRF為異辛烷、正庚烷和甲苯的混合燃料,需選取3個(gè)約束條件來確定這三組分的比例。首先考慮各組分的體積比之和為1,由于辛烷值是衡量汽油抗爆性的重要指標(biāo),且國(guó)產(chǎn)汽油的標(biāo)號(hào)是由研究法辛烷值(RON)表征,故將RON作為替代物的模擬目標(biāo)值之一;替代燃料應(yīng)對(duì)實(shí)際汽油的相對(duì)分子質(zhì)量進(jìn)行一定的匹配模擬,所選取的最后一個(gè)約束方程為相對(duì)分子質(zhì)量的約束方程。在利用研究法辛烷值作為模擬目標(biāo)時(shí),本文采用三階TOM模型[19]來確定TRF組分比例,該模型考慮3個(gè)變量間的相互作用,預(yù)測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)優(yōu)于一階和二階模型,分析表明TOM模型比MLbV模型[6]的誤差要小。本文提出的汽油替代燃料模型中各組分及其體積分?jǐn)?shù)如表2所示,實(shí)驗(yàn)選用的汽油和汽油替代物燃料的部分理化特性如表3所示。

表2 汽油替代燃料的組分及含量

表3 汽油及替代物的部分理化特性

為了驗(yàn)證本文所提汽油替代物模型的可靠性,測(cè)量了初始溫度為358 K、初始?jí)毫?.1 MPa、當(dāng)量比為0.8～1.5下異辛烷、正庚烷、甲苯、PRF-92替代燃料和TRF-92替代燃料的層流燃燒速度,并與實(shí)際汽油的層流燃燒速度進(jìn)行比較,如圖5所示。由圖5a可知,異辛烷、正庚烷、甲苯3種燃料中,正庚烷的層流燃燒速度最大,異辛烷的最小,而甲苯和汽油的層流燃燒速度在異辛烷和正庚烷兩者之間,因此選用甲苯、正庚烷、異辛烷作為汽油替代物組分來預(yù)測(cè)汽油的層流燃燒特性。由圖5b可知,PRF-92替代燃料與汽油的層流燃燒速度在貧燃料混合物時(shí)吻合較好,而在富燃料混合物時(shí),汽油的層流燃燒速度明顯比PRF-92替代燃料高,這與文獻(xiàn)[7]測(cè)量的結(jié)果相一致。由圖5b、5c可知,TRF-92替代燃料與汽油在初始溫度為358、403 K和初始?jí)毫?.1、0.2 MPa的條件下,二者的層流燃燒速度在實(shí)驗(yàn)測(cè)量的當(dāng)量比下均吻合較好,表明本文所提TRF-92替代物模型可以用來預(yù)測(cè)國(guó)產(chǎn)汽油的層流燃燒速度。

(a) 初始溫度為358 K、初始?jí)毫?.1 MPa工況下汽油與替代物單質(zhì)燃燒速度對(duì)比

(b) 初始溫度為358 K、初始?jí)毫?.1 MPa工況下汽油與替代物燃燒速度對(duì)比

(c) 初始溫度為403 K時(shí),汽油與替代物燃燒速度對(duì)比圖5 異辛烷、正庚烷、甲苯、PRF-92替代燃料、TRF-92替代燃料和汽油的層流燃燒速度對(duì)比

TRF-92替代燃料的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,在較低當(dāng)量比時(shí)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果吻合較好,在較高當(dāng)量比時(shí),模擬結(jié)果比實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果偏高,數(shù)值模擬結(jié)果能夠在不同初始溫度、壓力的情況下對(duì)本研究所提汽油替代燃料TRF-92的層流燃燒速度做出合理預(yù)測(cè)。因此,結(jié)合本研究提出的汽油替代物模型和KAUST提出的汽油替代物機(jī)理,可對(duì)實(shí)際汽油的層流燃燒速度進(jìn)行合理預(yù)測(cè)。

(a)p=0.1 MPa

(b)p=0.2 MPa圖6 TRF-92替代燃料層流燃燒速度的實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比

3 結(jié) 論

本文在定容燃燒彈上對(duì)初始溫度分別為358、403、448 K,初始?jí)毫Ψ謩e為0.1、0.2、0.5 MPa,當(dāng)量比為0.8～1.5條件下的國(guó)產(chǎn)汽油的層流燃燒速度進(jìn)行了測(cè)量,分析了初始溫度、壓力以及當(dāng)量比對(duì)汽油層流燃燒特性的影響,并提出了適用于國(guó)產(chǎn)汽油的替代物模型,主要結(jié)論如下。

(1)本文獲得了不同初始條件下國(guó)產(chǎn)汽油的層流燃燒速度,表明汽油的層流燃燒速度隨著壓力的升高而減小,隨著當(dāng)量比的增大呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),隨著溫度的升高而增大。

(2)基于實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果,構(gòu)建了適合我國(guó)汽油的雙組分(PRF-92)和三組分(TRF-92)汽油替代物模型。通過對(duì)比實(shí)際汽油和汽油替代燃料的層流燃燒速度,表明替代燃料速度能夠在本研究實(shí)驗(yàn)工況范圍較好地預(yù)測(cè)實(shí)際汽油的層流燃燒速度,而替代燃料PRF-92僅在低當(dāng)量比時(shí)與實(shí)際汽油的層流燃燒速度吻合較好。

(3)利用汽油替代燃料的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬分析并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較,可知機(jī)理能夠在整個(gè)實(shí)驗(yàn)工況對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出合理預(yù)測(cè)。因此,結(jié)合本研究提出的汽油替代物模型和汽油替代物機(jī)理,可對(duì)實(shí)際汽油的層流燃燒速度進(jìn)行合理預(yù)測(cè)。