基于化学动力学的甲烷燃烧性能数值模拟

熊晶晶，杨胜兵，钟绍华

(1.武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北 武汉430070;2.汽车零部件技术湖北省协同创新中心，湖北武汉430070)

环境污染和汽车保有量的双重压力迫切要求找到合理的替代能源。天然气不仅具有很高的能量密度和抗爆性，还具有节能减排的特点，因此在替代能源中受到重视。但天然气在均质压燃的过程中会出现相应的缺点和不足，在此背景下笔者对天然气中的主要成分甲烷的燃烧性能进行了研究。

天然气的主要成分为甲烷。其主要优点有：燃烧产生的污染物少、使用特性好、抗爆性好、与空气混合气着火界限宽、经济性好。

天然气燃烧缓慢，不易压燃，因此很多学者致力于改善天然气燃烧的不足。文献［1 -2］利用多区模型研究了不同的进气温度、压缩比和进气压力等参数对天然气燃烧的影响;文献［3］和文献［4］分别以敏感度分析和最优简化法为基础，对GRI-MECH3.0 机理进行简化，并与原有机理进行了对比，得到了简化后的甲烷反应机理;文献［5］利用三维CFD 软件对甲烷的燃烧和排放进行了研究，得出了各排放物在缸内的分布情况;文献［6］针对甲烷燃烧过程中的碳氢排放，提出了一种快速有效的测试碳氢排放量的方法;文献［7］对天然气在压燃式内燃机中的使用做了系统的研究，研究了燃烧室几何形状对燃烧特性和气体流动的影响，以及扩大天然气发动机运行范围的方法等;文献［8］研究了甲烷在不同水油混合比下的燃烧特性;文献［9］致力于掺氢来改善天然气发动机的运行特性，研究了不同掺氢比例下甲烷燃烧的变化状况。

笔者在甲烷燃烧的化学动力学过程的基础上，提出了改善燃烧的方法，即在甲烷中掺入正庚烷，通过压缩比、进气温度和过量空气系数等来控制甲烷的着火时刻和对初始进气温度的要求，分析其对燃料燃烧性能的影响。

根据甲烷的燃烧特性可知［10］，在HCCI 燃烧条件或压燃条件下，以正常的进气温度使用甲烷几乎是不可能的，因此必须采取加热措施或加入引燃燃料来降低其对进气温度的要求。

1 甲烷燃烧与正庚烷燃烧的对比

从表1 可以看出，甲烷和正庚烷在引燃温度、分子量和热值方面完全不同，属于两种完全不同的燃料。

正庚烷具有与柴油相当的十六烷值(均为56)，容易在压燃式内燃机中使用，笔者将正庚烷作为甲烷的引燃燃料以降低甲烷燃烧的使用条件。正庚烷的氧化机理来自于美国Lawrence Livermore 国家实验室，其包含29 个组分和52 个基元反应。

1.1 不同压缩比条件下的对比

为对比不同压缩比条件下两种燃料的燃烧性能，设定进气温度为500 K、转速为1 600 r/min、进气压力为1 bar 和过量空气系数为1，在不同压缩比下模拟计算两种燃料的燃烧温度。图1 为模拟得到的正庚烷和甲烷的燃烧温度随曲轴转角的变化曲线。

表1 甲烷和正庚烷物化性质对比

图1 不同压缩比下正庚烷和甲烷燃烧温度随曲轴转角的变化曲线

从图1 可知，随着压缩比的增加，两种燃料的着火提前，缸内温度也有所升高。在该模型和模拟条件下，正庚烷和甲烷的不同在于前者对压缩比的要求较低。为了突出正庚烷的特点，设定较小的压缩比(实际发动机的压缩比要高得多)，可以看出，在压缩比为6 时正庚烷已可以正常燃烧，即在上止点之前达到全面燃烧，压缩比为8 时正庚烷燃烧的着火提前角约为20°CA，过于提前燃烧不利于发动机的功率和燃油经济性。从图1 可以看出，甲烷在压缩比为17 时的燃烧温度曲线几乎与正庚烷在压缩比为6 时的温度曲线重合，说明在同等条件下要实现两种燃料的合理燃烧，甲烷所要求的压缩比几乎是正庚烷的3 倍。

1.2 不同进气温度条件下的对比

设定压缩比为17、转速为1 600 r/min、进气温度为500 K、进气压力为1 bar 和过量空气系数为1。随着进气温度的升高，两种燃料的着火提前，缸内温度也有所升高。在该模型和模拟条件下，正庚烷和甲烷的不同在于前者对进气温度的要求较低。从图2 中可以看出在进气温度为290 K(正常进气温度)时正庚烷已可正常燃烧，甲烷在进气温度为500 K时才能正常燃烧，着火提前时刻只比正庚烷在进气温度为290 K 时早3°CA 左右。由此可知，在相同的模拟条件下，甲烷所需的进气温度比正庚烷高约200 K。

图2 不同进气温度下正庚烷和甲烷燃烧温度随曲轴转角的变化曲线

1.3 不同过量空气系数条件下的对比

图3 设定压缩比为17、转速为1 600 r/min、进气压力为1 bar 和进气温度为500 K。由图3可知，随着过量空气系数的升高，两种燃料的着火提前，缸内温度也有所降低。在该模型和模拟条件下，正庚烷和甲烷的不同在于前者对过量空气系数的要求较低，由图3 可知在混合气很浓的情况下(为了突出问题，取过量空气系数为0.2)正庚烷可正常燃烧，即在上止点之前达到全面燃烧，并且有很低的缸内最高燃烧温度。图3 对比了甲烷在过量空气系数为0.5 时的缸内温度随曲轴转角的变化，可以看出甲烷在混合气较浓的条件下不能在内燃机缸内正常燃烧，缸内燃烧温度没有明显的变化。因此可以得出，在相同的模拟条件下，甲烷所需要的空气量要比正庚烷多很多。

图3 不同过量空气系数下正庚烷和甲烷燃烧温度随曲轴转角的变化曲线

2 甲烷HCCI 燃烧的改进措施

2.1 混燃对压缩比要求的变化

图4 ～图6 进气压力为1 bar、转速为1 600 r/min、进气温度为450 K，计算不同压缩比下的缸内温度随曲轴转角的变化曲线。

图4 掺入5%正庚烷后不同压缩比下甲烷燃烧温度随曲轴转角的变化曲线

图5 掺入10%正庚烷后不同压缩比下甲烷燃烧温度随曲轴转角的变化曲线

图6 掺入20%正庚烷后不同压缩比下甲烷燃烧温度随曲轴转角的变化曲线

由以上研究可知，进气温度为450 K，压缩比为17 时甲烷不能够在缸内全面燃烧。当加入5%的正庚烷之后，混合燃料对压缩比的要求骤降，在压缩比为11 时混合燃料可以在缸内产生燃烧，但燃烧相位比较差，全面燃烧发生在上止点之后约10°CA;当压缩比提高到13 时，混合燃料有较好的着火相位，能够在上止点之前着火;当压缩比增加到17 时，混合燃料的燃烧过于提前，不利于发动机的功率。当加入10%的正庚烷之后，在压缩比为11 时混合燃料可以在缸内较好地着火燃烧，并且有较好的着火相位，全面燃烧发生在上止点之后约8°CA;当继续提高压缩比后，混合燃料的燃烧过于提前，不利于发动机的功率。当混合燃料中正庚烷的比例达到20%后，压缩比为7时混合燃料已经可以在缸内着火;压缩比为9 时具有好的着火相位。由此可知，加入正庚烷之后，甲烷对压缩比的要求降低了35%左右;在进气温度为450 K 时，加入适量的正庚烷就可以使甲烷很好地燃烧，并且对缸内的最高燃烧温度没有太大的影响。

根据混合燃料在缸内消耗10%作为燃烧的始点，表2 计算出了加入不同比例的正庚烷后混合燃料的着火相位变化。

表2 混合燃料在不同压缩比下燃烧的着火相位

通过表2 可明确在固定进气温度为450 K 时不同正庚烷/甲烷比例的混合燃料对压缩比的要求，为发动机压缩比的选择提供了一定的依据。

2.2 混燃对进气温度要求的变化

图7 ～图9 压缩比为17、选取进气压力为1 bar、转速为1 600 r/min，针对掺入正庚烷比例5%、10%和20%这3 种情况，分别计算不同进气温度下的缸内温度随曲轴转角的变化曲线。

图7 掺入5%正庚烷后不同进气温度下甲烷燃烧温度随曲轴转角的变化曲线

由图可知，在正常的压缩比下，进气温度为450 K 时仍不能启动着火，需很高的进气温度才能使甲烷在缸内正常燃烧。当加入5%的正庚烷之后，混合燃料对进气温度的要求降低很多，进气温度为300 K 时不能启动着火;在进气温度为350 K 时混合燃料可在缸内产生燃烧，但燃烧相位比较差，全面燃烧发生在上止点之后约6°CA;进气温度达到380 K 后，混合燃料有好的着火相位，着火时刻约为上止点前3°CA;当进气温度达到400 K 时，着火相位约为上止点前7°CA;进气温度达到450 K 后，着火时刻偏离上止点，不利于燃料燃烧的热效率。加入10%的正庚烷之后，混合燃料的燃烧温度变化如图8 所示。从图8 可以看出，在进气温度为300 K 时虽然燃烧相位不好，但已经能够在缸内产生燃烧;当进气温度达到350 K 时，燃烧时刻约为前7°CA;进气温度为450 K 时，着火过于提前;相比正庚烷比例为5%时，对进气温度的要求降低了约50 K。当加入20%正庚烷时，进气温度为300 K 和320 K 时的着火相位分别为4°CA 和8°CA。由此可知，加入5%正庚烷可使甲烷对进气温度的要求降低约130 K;加入10%正庚烷可使甲烷对进气温度的要求降低180 K;加入20%正庚烷可使甲烷能够在接近正常温度下使用。

图8 掺入10%正庚烷后不同进气温度下甲烷燃烧温度随曲轴转角的变化曲线

图9 掺入20%正庚烷后不同进气温度下甲烷燃烧温度随曲轴转角的变化曲线

同样根据混合燃料在缸内消耗10%作为燃烧的始点，计算出加入不同比例的正庚烷后混合燃料的着火相位变化，如表3 所示。

根据表3 可以明确在固定压缩比为17 时不同正庚烷/甲烷比例的混合燃料燃烧相位的优劣。

表3 混合燃料在不同进气温度下燃烧的着火相位

3 结论

(1)对比正庚烷和甲烷的燃烧性能，可以得岀以下几方面的结论：在压缩比方面，在相同的条件下要实现两种燃料的合理燃烧，甲烷所要求的压缩比几乎是正庚烷的3 倍;在进气温度方面，在相同的模拟条件下，甲烷所需要的进气温度要比正庚烷高200 K 左右;在过量空气系数方面，在相同的模拟条件下，甲烷所需要的空气量要比正庚烷多很多。因此可知相比于正庚烷，在内燃机缸内甲烷不能在正常条件下燃烧使用。

(2)在固定的进气温度下，掺入5%的正庚烷可使甲烷对压缩比的要求降低35%左右，且对加入正庚烷温度要求的变化研究中，得出在固定的压缩比下，正庚烷的加入可以迅速降低甲烷对进气温度的要求，纯甲烷则需要在进气温度为480 K下才能燃烧，加入5% 正庚烷使进气温度降低130 K;加入10%正庚烷时，进气温度的要求降低180 K;加入20%正庚烷可使甲烷在常温下压燃。

［1］陈志方，常耀红.基于Chemkin 的甲烷HCCI 燃烧模拟研究［J］.北京汽车，2011(5)：10 -13.

［2］董刚，蒋勇，陈义良，等.大型气相化学动力学软件包Chemkin 及其在燃烧中的应用［J］. 火灾科学，2000，9(1)：27 -33.

［3］刘欣，蒋炎坤，张建平，等.甲烷HCCI 燃烧反应机理简化与分析［J］.武汉理工大学学报，2012(1)：71-74.

［4］乔瑜，徐明厚，姚洪.基于敏感性分析的甲烷反应机理优化简化［J］.华中科技大学学报：自然科学版，2007(5)：85 -87.

［5］韩健，郎静.天然气HCCI 发动机燃烧和排放的CFD 研究［J］.拖拉机与农用运输车，2006，33(5)：24-27.

［6］裴毅强，宋崇林，吕刚，等.天然气发动机甲烷和总碳氢排放测量技术的研究［J］. 小型内燃机与摩托车，2009(5)：9 -12.

［7］郑清平.压燃式天然气发动机燃烧过程模拟计算和试验研究［D］.天津：天津大学图书馆，2006.

［8］肖尤明，徐烈，邓东泉，等.一种理想甲烷化模式燃油内燃机［J］.内燃机工程，2004(3)：21 -23.

［9］高宏达.掺氢天然气HCCI 发动机燃烧特性模拟研究［D］.大连：大连理工大学图书馆，2013.

［10］解茂昭.内燃机计算燃烧学［M］.大连：大连理工大学出版社，2005：243 -246.