不同掺氢比对PRF燃料预混层流燃烧的影响

戴湘柱， 李岳林， 毛德智， 王重阳

(长沙理工大学 汽车与机械工程学院，长沙 410076)

不同掺氢比对PRF燃料预混层流燃烧的影响

戴湘柱， 李岳林， 毛德智， 王重阳

(长沙理工大学 汽车与机械工程学院，长沙 410076)

为了对掺氢汽油机缸内预混湍流燃烧过程进行更深入的研究，通过反应系数变异分析，优化了掺氢PRF燃料燃烧的化学反应动力学简化机理，采用CHEMKIN 软件的Premixed模块，建立并验证了掺氢PRF燃料的预混层流燃烧模型，并在此基础上研究了掺氢对PRF燃料预混层流燃烧过程的影响.研究结果表明，掺氢促进了庚烷与异辛烷的脱氧反应及自由基H、OH的链锁反应，加快了相同初始压力温度以及化学当量比条件下PRF燃料的层流燃烧速度；此外，掺氢增加了NO的排放，但可以有效减小CO2的排放.

预混层流；PRF燃料；反应系数变异优化；自由基

随着石油资源的不断枯竭和温室效应的日益严重，降低现有传统汽油机的油耗和排放己成为内燃机领域的研究重点[1].氢气是一种可再生的绿色能源，同时具有较高的扩散速度和燃烧速率，故将氢气在汽油机中掺混燃烧可以有效地降低HC、CO 及 CO2等含碳排放物.

与此同时，预混层流燃烧也引起人们的极大关注.因为层流燃烧速度是预混燃料燃烧的扩散性、放热能力以及化学反应速率的综合反映，同时也是作为湍流燃烧的量化基准，所以用来表征湍流流动对燃烧的促进作用，对化学反应动力学验证、燃烧模型建立具有重要意义[2].然而，掺氢对汽油机预混层流火焰传播速率及火焰稳定性等燃烧特性的影响程度仍不太明确，相关研究相对较少[3].因此，本研究通过反应系数变异，优化了掺氢PRF燃料预混层流燃烧的化学反应简化机理并在CHEMKIN软件中进行了数值仿真，对不同掺氢比下PRF燃料预混层流燃烧的燃烧传播速率、活性基、反应及生成物等进行了深入分析，为今后对掺氢汽油机缸内预混湍流燃烧过程进行更深入的研究打下基础.

1 简化化学反应动力学机理

1.1 简化化学反应机理的构建

汽油的主要成分为C4～C12脂肪烃和环烃类，由于其成分的复杂性，通常在数值仿真中用几种主要掺比燃料(primary reference fuel，PRF)来代替汽油[4].掺氢PRF燃料简化机理构建的依据主要来自相关文献中比较被认可的反应过程，其中包括烷烃的小分子碳氢反应、大分子低温裂解反应(如图1所示)和氢气氧化反应3大部分.

异辛烷的低温反应及大分子裂解反应来自Tsurushima[5]的PRF燃料简化机理，共包括13步反应.正庚烷的大分子裂解反应来自于Ra[6]的PRF燃料简化机理，共包括9步基元反应.其中的小分子碳氢反应主要来自于Ra简化机理，共包括110步基元反应.NOx生成机理来自于Jia[7]的异辛烷简化机理中的NOx子机理，共13步基元反应.氢气氧化反应主要来自Conaire[8]等人的简化机理，共10组分和21步基元反应.

图1 烷烃裂解过程图

1.2 反应系数变异优化

为了使简化机理在预测预混层流燃烧速度方面能更好地与文献中的试验值吻合，先通过敏感性分析法找出氢气对烷烃脱氧分解影响最大的几个反应，再采用“反应系数变异法[9]”对部分化学反应的Arrhenius常数(主要为指前因子)进行了优化.

(1)

式中:k为反应速率常数；A为指前因子；T为反应温度；b为温度指数；E为活化能；R为摩尔气体常数，优化后的化学反应及反应速率常数如表1所示.

综上所述，最终得出共包括66个组分和162个基元反应的掺氢PRF燃料燃烧的化学反应简化机理.

表1 烷烃脱氧反应速率常数优化前后对比

2 掺氢PRF燃料预混层流燃烧模型的建立

在CHEMKIN软件中的Premix子程序中设置初始参数，其中初始压力值为103 kPa，初始进气温度为301 K.以氢气与PRF燃料(辛烷值占93%，正庚烷占7%)建立混合燃料模型.考虑到PRF体积能量密度远远大于氢气，这里采用氢气占总燃料的比值来衡量两种燃料的比例[10].

此时氢气占总燃料的比值βH2定义为

(2)

混合燃料的理论当量比定义为:

(3)

式中：AFH2和AFPRF分别表示氢气和PRF的空燃比，前者取34.3，后者根据PRF中正庚烷和异辛烷的比值定；nH2和nPRF表示氢气和PRF的摩尔数，mol；MH2和MPRF分别表示氢气和PRF的相对分子质量，前者取2g/mol，后者根据PRF中正庚烷和异辛烷的比值定；LVHH2和LVHPRF分别表示H2和RPF的低热值，kJ/kg；mair表示空气的质量，kg，假设空气成分为氮气和氧气，所占的体积分数为79%和21%.

(4)

(5)

式中：AFC7H16和AFC8H18分别表示C7H16和C8H18在空气下完全燃烧消耗的空气质量和燃料质量的比值，均为15.13；MC7H16和MC8H18分别表示C7H16和C8H18的相对分子质量，分别是100和114 ，g/mol；RON表示PRF的辛烷值，即异辛烷在PRF燃料中的比值.

3 预混层流燃烧模型与简化机理的验证

由于测量掺氢PRF燃料预混层流燃烧的基础试验极少，Ji[11]等人在汽油和氢气的层流火焰速度的基础上，提出了经耦合而成的掺氢汽油机层流燃烧速度经验公式.

(6)

式中：SL,h+g表示汽油和氢气混合燃料的层流火焰速度；αH2表示氢气占燃料的摩尔分数；φ表示氢气和汽油混合燃料的当量比；Tu表示混合燃料初始温度；p表示混合燃料初始压力；Ydif表示残余气体分数；SL,O表示参考温度、参考压力下的层流火焰传播速率；pref和Tref分别表示参考压力1bar和参考温度298K；α和β分别表示无量纲模型参数.

图2所示的是应用了简化化学反应机理优化前后的掺氢PRF燃料预混层流燃烧速度模拟值与Ji[11]的耦合经验公式计算值(其中H2层流燃烧速率采用Wu[12]的试验数据，PRF层流燃烧速率试验值采用Huang[13]的试验数据)进行对比.与经验公式计算值相比较，机理优化后的燃烧模型可以较为正确地反映掺氢PRF燃料预混层流燃烧速度，且差值最大不超过5.71%.

图2 不同掺氢比下PRF燃料层流燃烧速度经验计算值与机理优化前后模拟值对比图

4 数值模拟

4.1 预混层流燃烧速度

图3所示的是在掺氢比分别为0、20%、40%时，PRF燃料预混层流燃烧速度随着轴向传播距离的变化规律.从图3中可以看出，随着掺入氢气的不断增多，PRF燃料预混层流火焰速度也在不断增大.这说明氢气的掺入加快了PRF燃料的预混层流燃烧.

图3 不同掺氢比下PRF燃料预混层流燃烧速度图

4.2 预混层流燃烧活性自由基

图4所示的是不同掺氢比下自由基H、O和OH的摩尔分数和对应的产率及主要参与反应式随轴向传播距离的变化规律.从图4(a)可以看出，不掺氢时反应中自由基OH所占比重比自由基H要大，但是自由基H在反应所占比重随着氢气的不断掺入反而超越自由基OH.这说明氢气的不断掺入破坏了PRF燃料燃烧时自由基H和OH之间的化学反应平衡.从图4中可以看出，自由基H、O和OH的总产率及其主要反应的曲线随着氢的掺入振动幅度越来越大.这是因为氢气的掺入提高了PRF燃料自由基的反应活性且促进了PRF燃料的预混燃烧.

图4 不同掺氢比下自由基H、O和OH的产率及主要反应式变化规律图

4.3 预混层流燃烧反应物

图5所示的是不同掺氢比下正庚烷与异辛烷的产率及主要参与反应式随轴向传播距离的变化规律.从图5中可以看出，正庚烷与异辛烷的初始摩尔分数随着掺氢比的增加而不断下降.这是因为在当量比保持不变的条件下增大了掺氢比，导致PRF燃料中烷烃含量有所降低.从图5(a)与5(b)中可以从看出，正庚烷与异辛烷主要参与的化学反应式和总消耗率都随着掺氢比的增加而不断地增大.这表明氢气的掺入促进了PRF燃料中烷烃的脱氧分解.

图5 不同掺氢比下异辛烷与正庚烷产率及主要反应式变化规律图

4.4 预混层流燃烧生成物

图6所示的是不同掺氢比下CO、CO2和NO的产率随轴向传播距离的变化规律.从图6(a)可以看出，CO和CO2的产率随着掺入氢气的增多反而不断地降低.这是因为氢气是一种不含碳的清洁能源，降低了PRF燃料中的含碳量.

从图6(b)可以看出，随着掺氢的不断增大，NO的产率也相应的增多.这是由于掺氢使得缸内混合气的燃烧速度变快，燃烧放热等容度提高，缸内的压力和温度都有所提高，而且NO的产生主要集中在高温高压的燃烧瞬间，所以NO的生成也就增多了.

图6 不同掺氢比下CO 、CO2和NO的产率变化规律图

5 结 论

1)通过反应系数变异优化，最终得出共包括66个组分和162个基元反应的掺氢PRF燃料燃烧的化学反应简化机理.与经验公式计算值相比较，机理优化后的燃烧模型可以较为正确地反映掺氢PRF燃料预混层流燃烧速度，且差值最大不超过5.71%.

2)掺氢增大了PRF燃料燃烧中自由基H、OH的反应活性分数，加快了正庚烷与异辛烷的脱氧反应，因此氢气的掺入有效地提高了PRF燃料预混层流燃烧速度.

3)氢气的不断掺入，加快了PRF燃料的燃烧速度，提高了缸内的压力与温度，增大了NO的排放，但可以有效降低CO2的排放，

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Effect of Different Hydrogen Content on PremixedLaminar Combustion of PRF fuel

DAI Xiang-zhu， LI Yue-lin， MAO De-zhi， WANG Chong-yang

(School of Automobile and Mechanical Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410076， China)

In order to further research on premixed turbulent combustion in the cylinder of hydrogen doped gasoline engine, the hydrogen PRF fuel combustion chemical kinetics mechanism was simplified and optimized through the analysis of the reaction coefficient, and the hydrogen PRF fuel premixed laminar combustion model was established and verified by CHEMKIN software Premixed module. On this basis, the hydrogen addition’s effect on PRF fuel premixed laminar combustion was studied. Research results show that hydrogen promotes the deoxidation reaction of heptane and isooctane as well as the chain reaction of free radical H, OH, and speeds up the laminar burning velocity of PRF fuel under the condition of the same initial pressure, temperature and stoichiometric ratio. In addition, the hydrogen addition increases the emissions of NO, but can effectively reduce the emissions of CO2.

premixed laminar flow；PRF fuel；optimization of reaction rate constants variation；free radical

1009-4687(2017)01-0001-05

2016-07-01.

湖南省自然科学基金项目(2016JJ2003)；国家自然科学基金项目(No5117 6014).

戴湘柱(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向为汽车的节能减排与新能源技术.

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