不同初始溫度和水蒸氣稀釋比對(duì)乙醇/異辛烷層流火焰特性的影響

余自洋，孟 順，錢葉劍，唐 飛，邊 順，莊 遠(yuǎn)

(合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，合肥 230009)

0 概述

清潔替代燃料一直是發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。乙醇具有易溶于汽油、含氧、汽化潛熱高等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的清潔替代燃料。乙醇與汽油混合燃用不僅可以增強(qiáng)汽油機(jī)的抗爆震能力，還能提升燃燒效率，降低排放[1-4]。但乙醇親水，無水乙醇的制備工藝復(fù)雜且成本高，保存難度大，因此汽油機(jī)燃用含水乙醇/汽油混合燃料的研究越來越受到關(guān)注。

文獻(xiàn)[5]中對(duì)比研究了含水乙醇/汽油和乙醇/汽油對(duì)汽油機(jī)燃燒和排放特性的影響，發(fā)現(xiàn)含水乙醇會(huì)提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?，縮短燃燒持續(xù)期。文獻(xiàn)[6]中認(rèn)為含水量在0～30%時(shí)含水乙醇/汽油可以改善缸內(nèi)燃燒過程，超過30%則會(huì)對(duì)汽油機(jī)性能產(chǎn)生不利影響。由此可見，不同含水量對(duì)含水乙醇/汽油燃燒過程的影響規(guī)律不同，有必要深入研究水對(duì)乙醇/汽油混合燃料燃燒特性的影響機(jī)制。

汽油機(jī)缸內(nèi)預(yù)混燃燒過程包含預(yù)混層流燃燒和湍流燃燒特征，層流燃燒是湍流燃燒的基礎(chǔ)。掌握燃料的層流火焰特性可為汽油機(jī)燃燒過程的優(yōu)化提供重要的理論依據(jù)。層流火焰速度是表征燃料層流燃燒特性的重要參數(shù)，可以用來驗(yàn)證化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理的準(zhǔn)確性，還可以用于湍流火焰速度的數(shù)值仿真[7]。文獻(xiàn)[8]中利用定容燃燒彈試驗(yàn)測量了含水乙醇的層流火焰速度，發(fā)現(xiàn)隨著含水量增加，層流火焰速度和無量綱層流火焰速度均線性降低，無量綱層流火焰速度的變化趨勢與當(dāng)量比無關(guān)。文獻(xiàn)[9]中試驗(yàn)和理論研究了水對(duì)汽油燃燒速度的影響，發(fā)現(xiàn)火焰速度隨著摻水量的增加而降低，但沒有深入分析水對(duì)層流火焰速度的影響機(jī)理。文獻(xiàn)[10]中利用定容燃燒彈研究了不同當(dāng)量比下乙醇摻混比對(duì)乙醇/異辛烷層流火焰速度的影響，擬合得到一個(gè)誤差不超過2%的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，用來預(yù)測乙醇/異辛烷層流燃燒速度。文獻(xiàn)[11]中利用熱通量燃燒器研究了初始溫度對(duì)乙醇/異辛烷層流火焰速度的影響，指出層流火焰速度具有明顯的溫度依賴性。

綜上可以看出，水/乙醇、水/汽油及乙醇/異辛烷等混合物的基礎(chǔ)燃燒特性研究較多，但還未見到水/乙醇/異辛烷混合燃料層流火焰特性的研究報(bào)道。中國車用乙醇汽油一般指乙醇體積分?jǐn)?shù)為10%的乙醇/汽油混合燃料，本研究中利用定容燃燒彈系統(tǒng)結(jié)合高速紋影攝像技術(shù)，分析研究了不同水蒸氣稀釋比和初始溫度下乙醇體積分?jǐn)?shù)為10%的乙醇/異辛烷混合燃料(E10)基礎(chǔ)燃燒特性，理論分析了水蒸氣對(duì)E10層流燃燒速度的作用機(jī)理。

1 試驗(yàn)裝置和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置示意如圖1所示，包括燃燒彈主體、點(diǎn)火裝置、配氣系統(tǒng)、液體燃料定量蒸發(fā)系統(tǒng)、溫控加熱系統(tǒng)、紋影測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。彈體為圓柱形容器，直徑150 mm，體積為5.35 L，兩端安裝有直徑為80 mm的石英玻璃視窗，中心布置有兩根直徑為0.5 mm的鎢質(zhì)點(diǎn)火電極。彈體外表面和液體燃料注射管分別纏繞一條1 kW伴熱帶并包裹上保溫棉，用于加熱和保溫。利用精度為±1 K的K型熱電偶來監(jiān)測和控制試驗(yàn)溫度。把配置好的液體燃料E10和水通過微量注射器依次注射進(jìn)燃料定量蒸發(fā)系統(tǒng)并加熱至預(yù)熱溫度，完全蒸發(fā)后通入定容彈內(nèi)。利用高精度天平(分辨率0.001 g)稱量注射前后注射器的質(zhì)量變化，確保燃料量的精確。采用直徑為100 mm的 Z字型紋影系統(tǒng)拍攝燃燒過程，高速攝像機(jī)為Photron公司生產(chǎn)的FASTCAM-ultima 512，最高拍攝速度為32 000幀/s，本研究中設(shè)定拍攝速度為4 000幀/s。

圖1 定容彈裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

本文中主要研究不同當(dāng)量比、水蒸氣稀釋比和起始溫度下E10的基礎(chǔ)燃燒特性，水蒸氣稀釋比x定義為：

(1)

式中，VW為水蒸氣體積；VA為空氣體積；VI為E10蒸氣體積。

當(dāng)量比φ定義為完全燃燒理論所需空氣量與實(shí)際供給空氣量之比。

球形火焰是典型的拉伸火焰，若t時(shí)刻球形火焰半徑為Rf，則拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣萐b與火焰拉伸率K為：

Sb=dRf/dt

(2)

K=2Sb/Rf

(3)

在早期火焰?zhèn)鞑ルA段，K與Sb存在線性或非線性關(guān)系[12]。線性關(guān)系可以表示為：

Sb=Sb0-LbK

(4)

非線性關(guān)系可以表示為：

Sb=Sb0-2Sb0Lb/Rf

(5)

聯(lián)立式(4)和式(5)得到：

(6)

式中，Sb0為無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣?；Lb為已燃?xì)怏w的馬克斯坦長度，表征層流燃燒速度對(duì)拉伸的敏感程度。

層流火焰速度為：

SL=ρbSb0/ρu

(7)

式中，ρb和ρu分別為已燃?xì)怏w和未燃預(yù)混氣體的密度，可由CHEMKIN化學(xué)平衡計(jì)算模型得到。

數(shù)據(jù)處理方法對(duì)拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣扔兄匾绊憽D2對(duì)比了不同處理方法獲得的乙醇燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣?。由圖2(a)可知，當(dāng)量比在0.8～1.2區(qū)間時(shí)，兩種方法的擬合結(jié)果相差不大。當(dāng)量比為1.4時(shí)(圖2(b))非線性方法的擬合結(jié)果較差，這是因?yàn)長b接近于零時(shí)Sb幾乎不隨K變化，因此該工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)適宜采用線性處理方法。

圖2 乙醇的拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣萐b隨拉伸率K的變化

圖3列出了不同當(dāng)量比下根據(jù)兩種處理方法獲得的SL和Lb。從圖3可以看出，SL結(jié)果非常接近，Lb結(jié)果相差較大。不過，對(duì)于液體燃料來說，即使在同一工況下不同課題組也會(huì)得到不同的Lb值，且相差較大[13]。綜上，本文中選擇線性方法處理數(shù)據(jù)。

圖3 線性方法與非線性方法計(jì)算Lb和SL的比較(T=400 K,p=101.3 kPa,x=0)

式(8)給出了不確定度計(jì)算方法[14]。

(8)

式中，xi為決定SL不確定性的各個(gè)因素；ni為每個(gè)因素xi的固定誤差值。考慮到系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，本試驗(yàn)的不確定度為5%，文中圖片的試驗(yàn)數(shù)據(jù)都給出了帶有誤差條的不確定度。

2 數(shù)值方法

本文中采用兩種汽油替代燃料模型開展含水乙醇/汽油混合物燃燒特性的理論研究。一種是文獻(xiàn)[15]中發(fā)展的包括59個(gè)物種和270步反應(yīng)的汽油替代燃料模型(簡稱Li機(jī)理)，另一種是文獻(xiàn)[16]中發(fā)展的包括335個(gè)物種和1 610步反應(yīng)的汽油替代燃料優(yōu)化模型(簡稱Pitsch機(jī)理)。

模擬計(jì)算時(shí)，選擇CHEMKIN中PREMIX模塊，采用混合物平均輸運(yùn)方程，考慮Soret 擴(kuò)散作用。計(jì)算網(wǎng)格梯度和曲率分別設(shè)定為0.02和0.03，最大允許網(wǎng)格數(shù)為1 200，模擬在3 cm的一維區(qū)域展開，確保計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)無關(guān)，保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

為了驗(yàn)證試驗(yàn)裝置的可靠性和試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文中測量了溫度為400 K、壓力為101.3 kPa、當(dāng)量比為0.8～1.4時(shí)乙醇/空氣的層流火焰速度，并與文獻(xiàn)[10, 17-20]進(jìn)行了對(duì)比分析，見圖4。從圖4中可以看出，本研究中測量結(jié)果與其他文獻(xiàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較接近，處在中間位置，說明本文中采用的試驗(yàn)裝置和數(shù)據(jù)處理方法可靠性好，試驗(yàn)結(jié)果可信度高。圖4還對(duì)比了Li機(jī)理和Pitsch機(jī)理的層流火焰速度計(jì)算值。從圖可以看出，低當(dāng)量比時(shí)Li機(jī)理的計(jì)算值偏低，高當(dāng)量比時(shí)則偏高；Pitsch機(jī)理的計(jì)算值與試驗(yàn)值的一致性好。本文中選用Pitsch機(jī)理進(jìn)行理論研究。

圖4 不同當(dāng)量比時(shí)乙醇/空氣層流火焰速度(T=400 K, p=101.3 kPa, x=0)

3 結(jié)果和討論

3.1 水蒸氣稀釋對(duì)E10/空氣層流火焰速度的影響

預(yù)混氣體在點(diǎn)火電極中心點(diǎn)燃后，火焰以穩(wěn)定球狀向外擴(kuò)散，由已燃區(qū)向未燃區(qū)傳播。圖5是當(dāng)量比為1.4、初始溫度為400 K時(shí)，不同水蒸氣稀釋比下E10/空氣火焰?zhèn)鞑D像。可以看出，隨著水蒸氣稀釋比的增加，火焰擴(kuò)散速度明顯減慢。從圖5還可以看出，當(dāng)量比為1.4時(shí)，球狀火焰前沿有裂紋，說明此時(shí)火焰?zhèn)鞑ゲ环€(wěn)定，馬克斯坦長度變小，接近負(fù)值。這與圖2分析相對(duì)應(yīng)，也證實(shí)非線性處理方法不適合處理當(dāng)量比為1.4時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖5 E10/空氣火焰?zhèn)鞑ゼy影圖(T=400 K, p=101.3 kPa,φ=1.4)

圖6為不同當(dāng)量比下E10層流火焰速度和絕熱火焰溫度與水蒸氣稀釋比的關(guān)系。從圖可以看出，若當(dāng)量比保持不變，隨著水蒸氣稀釋比的增加，層流火焰速度SL線性下降，說明水蒸氣抑制了E10/空氣的燃燒過程。從圖還可以看出，SL模擬計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果的一致性較好。不過當(dāng)量比為0.8時(shí)，高水蒸氣稀釋比的計(jì)算值要高于試驗(yàn)結(jié)果，可能是因?yàn)樵摴r下混合氣的燃燒不完全，導(dǎo)致測量結(jié)果偏低。絕熱火焰溫度Tf是影響反應(yīng)物放熱能力的重要參數(shù)，與層流火焰速度密切相關(guān)。絕熱火焰溫度Tf可由CHEMKIN的EQUILIBRIUM模塊計(jì)算得到。由圖6可知，Tf與SL變化趨勢基本一致。這是因?yàn)樗魵獾募尤胂♂屃祟A(yù)混氣，增大了混合氣比熱容，降低了混合氣的絕熱火焰溫度，進(jìn)而降低了層流火焰速度。

圖6 E10/空氣在不同水稀釋比下的SL和Tf(T=400 K, p=101.3 kPa)

無量綱層流火焰速度S可以表示為：

S=SLx/SL0

(9)

式中，SLx為摻水混合燃料的層流火焰速度；SL0為未摻水混合燃料的層流火焰速度。圖7顯示了無量綱層流火焰速度隨水蒸氣稀釋比的變化關(guān)系。可以看出，無量綱層流火焰速度隨水蒸氣稀釋比的增加而下降，受當(dāng)量比的影響不大。圖7中數(shù)據(jù)經(jīng)擬合可得：

S=-0.035 43x+1.012 37

(10)

根據(jù)式(10)，若SL0已知，可對(duì)初始溫度400 K試驗(yàn)工況下SLx進(jìn)行預(yù)測。

3.2 初始溫度對(duì)E10/空氣層流火焰速度的影響

初始溫度對(duì)層流火焰速度的影響可以通過式(11)進(jìn)行描述[21]。

(11)

式中，α為預(yù)混氣體的擴(kuò)散系數(shù)；ρu為未燃?xì)怏w的密度；E為活化能；TRZ為化學(xué)反應(yīng)區(qū)的溫度。

圖8顯示了不同水稀釋比下初始溫度T對(duì)E10/空氣層流火焰速度的影響。試驗(yàn)工況的當(dāng)量比為1.0，初始溫度范圍為400～500 K。試驗(yàn)結(jié)果表明：初始溫度T對(duì)SL有顯著影響，隨著T的增加，SL增大。不同水稀釋比下SL變化趨勢接近。利用CHEMKIN對(duì)層流火焰速度進(jìn)行預(yù)測，發(fā)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果一致性好，層流火焰速度隨溫度呈指數(shù)增加。

圖8 不同初始溫度下E10/空氣層流火焰速度(p=101.3 kPa, φ=1.0)

3.3 敏感性分析

利用CHEMKIN軟件對(duì)當(dāng)量比為1.0的E10/空氣層流火焰速度進(jìn)行敏感性分析。圖9給出了E10/空氣層流火焰速度的敏感性系數(shù)變化，表1列出了圖9中相關(guān)基元反應(yīng)與其所對(duì)應(yīng)反應(yīng)機(jī)理中的編號(hào)。

圖9 層流火焰速度的敏感性分析(T=400 K, p=101.3 kPa,φ=1.0)

表1 基元反應(yīng)及其編號(hào)

由圖9可知，影響層流火焰速度的重要反應(yīng)都涉及H、O、OH等自由基，說明層流火焰速度與這些自由基有強(qiáng)相關(guān)性。R1反應(yīng)是最主要的鏈?zhǔn)椒种Х磻?yīng)，可以生成大量自由基，對(duì)燃燒進(jìn)程的影響最大，因此R1反應(yīng)有最大的正敏感性系數(shù)，是提高SL最重要的反應(yīng)。R29反應(yīng)是最主要的CO2消耗反應(yīng)，敏感性系數(shù)也為正，對(duì)SL同樣重要。R15反應(yīng)和R89為鏈?zhǔn)浇K端反應(yīng)，與R1為競爭反應(yīng)，會(huì)消耗大量的H，降低燃燒過程中自由基濃度，敏感性系數(shù)為負(fù)，對(duì)SL起抑制作用。

隨著水蒸氣稀釋比的增加，基元反應(yīng)R1、R14的敏感性系數(shù)增大，說明在高水蒸氣稀釋比條件下，這些反應(yīng)的影響將更明顯。水蒸氣的三體系數(shù)較大，隨著水蒸氣稀釋比的增加，三體作用越明顯，基元反應(yīng)R15和R89的反應(yīng)速率有所提高，敏感性系數(shù)變大。不過，R37和R33反應(yīng)的敏感性系數(shù)基本不變，說明它們對(duì)水蒸氣濃度變化不敏感。

為了進(jìn)一步理解H2O對(duì)基元反應(yīng)的作用，圖10給出了x=0和x=10%時(shí)主要自由基的物質(zhì)的量濃度和火焰溫度分布。由圖10可知，在燃燒的初始階段有大量自由基生成，隨后趨于穩(wěn)定，OH、H、O的濃度峰值遠(yuǎn)大于CH3和HO2的濃度峰值?；鹧鏈囟仍诳焖偕仙笠糙呌诜€(wěn)定。從圖中還可以看出，水稀釋會(huì)顯著降低火焰中H、O、OH自由基的濃度，CH3和HO2濃度略有降低，火焰溫度有所下降。這說明水稀釋會(huì)降低反應(yīng)區(qū)溫度，抑制自由基的生成，進(jìn)而影響基元反應(yīng)。

圖10 E10/空氣火焰中自由基物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)與溫度分布(T=400 K, p=101.3 kPa,φ=1.0)

3.4 水蒸氣的不同作用

在燃燒過程中，水蒸氣的作用可分為物理作用和化學(xué)作用。物理作用分為稀釋作用和熱力學(xué)作用兩類。水蒸氣會(huì)稀釋混合物，降低混合物中氧化劑和燃料的比例。水蒸氣還會(huì)改變預(yù)混氣體熱力學(xué)和輸運(yùn)性質(zhì)。化學(xué)作用也分為兩類：直接反應(yīng)作用，即水蒸氣直接參與化學(xué)反應(yīng)；三體作用，水蒸氣參與三體反應(yīng)。

為了明確和區(qū)分水蒸氣對(duì)燃燒過程的作用機(jī)理，設(shè)置了兩種虛擬組分FH2O和FH2O(M)。FH2O和 H2O 具有相同的三體增強(qiáng)系數(shù)、熱力學(xué)數(shù)據(jù)和輸運(yùn)數(shù)據(jù)，但不直接參與化學(xué)反應(yīng)，因此通過比較H2O和FH2O的計(jì)算結(jié)果，可以明確H2O的直接反應(yīng)作用。FH2O(M)既不直接參與化學(xué)反應(yīng)，也不作為第三體參與三體反應(yīng)，因此通過對(duì)比FH2O和FH2O(M)的計(jì)算結(jié)果，可以明確H2O的三體作用。另外，文獻(xiàn)[22]中指出氮?dú)?N2)作稀釋劑時(shí)，稀釋作用會(huì)顯著抑制層流火焰速度，可以忽略其熱力學(xué)和化學(xué)作用。因此，本文中利用N2來區(qū)分水蒸氣的稀釋和熱力學(xué)作用，通過比較N2和FH2O的計(jì)算結(jié)果，可以明確H2O的熱力學(xué)作用。

圖11顯示了當(dāng)量比1.0時(shí)不同稀釋組分下E10層流火焰速度，對(duì)比了水蒸氣不同作用對(duì)層流火焰速度的影響程度，圖中均為模擬值，輔助線條表示未稀釋時(shí)E10的層流火焰速度。從圖可以看出，水蒸氣的物理作用和化學(xué)作用都會(huì)造成層流火焰速度下降。其中，水蒸氣的物理作用(稀釋作用和熱力學(xué)作用)是抑制層流燃燒速度的主要因素，化學(xué)作用(直接反應(yīng)作用和三體作用)的影響較小。隨著水蒸氣稀釋比的增加，水蒸氣的物理和化學(xué)作用的影響都呈線性增加。

圖11 H2O對(duì)E10/空氣層流火焰速度的不同作用(T=400 K, p=101.3 kPa,φ=1.0)

為定量描述水蒸氣的4種作用影響SL的程度大小，定義相對(duì)稀釋作用、相對(duì)熱力學(xué)作用、相對(duì)直接反應(yīng)作用、相對(duì)三體作用分別如式(12)～式(15)所示。

r1=SL,0-SL,N2/SL,0-SL,H2O

(12)

r2=SL,N2-SL,FH2O(M)/SL,0-SL,H2O

(13)

r3=SL,FH2O-SL,H2O/SL,0-SL,H2O

(14)

r4=SL,FH2O-SL,FH2O(M)/SL,0-SL,H2O

(15)

式中SL,0、SL,N2、SL,H2O、SL,FH2O、SL,FH2O(M)分別表示無水稀釋、N2稀釋、H2O稀釋、FH2O稀釋和FH2O(M)稀釋時(shí)E10/空氣的層流火焰速度，4種相對(duì)作用之和為100%。

圖12給出了水蒸氣4種相對(duì)作用隨稀釋比的變化關(guān)系?？梢钥闯?，水蒸氣的稀釋作用是造成層流火焰速度降低的主要原因。從圖12中還可以看出，隨著水稀釋比的增加，相對(duì)稀釋作用和相對(duì)三體作用幾乎不變，相對(duì)熱力學(xué)作用減少，相對(duì)直接反應(yīng)作用增加，因此化學(xué)作用隨著水蒸氣稀釋比的提高而增加。

圖12 H2O的相對(duì)作用(T=400 K,p=101.3 kPa,φ=1.0)

4 結(jié)論

(1)水蒸氣稀釋比和初始溫度對(duì)E10層流火焰速度的影響大。層流火焰速度和絕熱火焰溫度都隨著水蒸氣稀釋比的增加而線性降低。無量綱層流火焰速度隨水蒸氣稀釋比的增加而下降，受當(dāng)量比的影響不大。提高初始溫度，層流火焰速度指數(shù)增加。

(3)水蒸氣的稀釋作用、熱力學(xué)作用、直接反應(yīng)作用和三體作用都會(huì)降低E10層流火焰速度，其中稀釋作用的影響最大。隨著水蒸氣稀釋比的增加，相對(duì)稀釋作用和相對(duì)三體作用幾乎不變，相對(duì)熱力學(xué)作用減少，相對(duì)直接反應(yīng)作用增加。