基于相似因子分析法的均质预混压燃内燃机着火特性分析*

范玮卫,徐 珂,白云天

(河南工学院 车辆与交通工程学院,河南 新乡 453003)

0 引言

世界90%以上的一次能源由燃料燃烧提供[1],但这种能源供应对环境的负面影响极大。近年来,各国学者为了在严格的环境标准下满足不断增长的使用化石和可再生燃料的可持续能源生产的需求,开展了大量研究以探索清洁和有效的燃烧技术[1]。新的燃烧技术开发离不开对燃料燃烧特性的分析,多数燃料的燃烧特性都受其物理和化学动力学特性的支配[2]。真实的燃料成分复杂,很难有效进行建模分析。在研发过程中,研究者认识到可以用有限的、相对简单的替代燃料来模拟真实燃料的燃烧行为,从而使对燃料燃烧过程进行建模进而研究定量排放和性能预测具有实际意义[3]。采用适当的替代燃料可以很好地模拟真实燃料的热物理、热化学和化学动力学性质,以更好地理解燃料燃烧特性,并进行有效实验和化学动力学研究[2]。

从化学动力学机理方面对燃料着火特性进行分析有助于燃烧装置设计[4],从而提高内燃机节能减排潜力。目前,化学反应动力学机理的数值模拟结果与广泛的实验数据对比验证才能证明其预测能力[5]。为了了解各种燃料的着火特性,目前的验证实验主要包括激波管(ST)、速压机(RCM)、定容弹(CVB)、搅拌反应器(JSR)等方法,可验证着火延迟(ID)、层流火焰速度(LFS)、物质浓度等基础数据。而可采用的分析方法主要有灵敏度分析、反应途径和产率分析、峰值浓度分析以及ID相关性分析等。目前主流的化学反应动力学机理有详细机理、简化机理及极致简化的骨架机理。将计算时间纳入建模实际需求时,简化机理替代详细机理是可行且必要的[6]。而更精简的骨架机理因整体性能好、数值稳定性强及计算时间短等优势,非常适合大型燃烧模拟计算[7]。

不论何种机理结构,随着实验数据的更新,更精确的热力学和反应速率参数都要求化学动力学机理的修正和更新[5]。而不同参数在不同反应中的作用也不尽相同。就目前而言,ST+RCM是验证ID的主要方式[8]。但是只有匹配实际内燃机需求的机理,才能为提高内燃机燃烧效率和降低污染物排放指明方向[9]。在各类型内燃机中,均质预混压燃内燃机(HCCI)在低温环境下,以较低的传热损失提供更高的热效率和更佳的燃油经济性[10,11],并且减少了氮氧化物和颗粒物的排放[12]。本研究将着重探讨适用于均质预混压燃内燃机的化学反应动力学机理构建问题。

通常燃料的着火特性包括:自燃温度、着火延迟和低/中/高温着火。而化学反应动力学机理是研究后两者的关键所在。但是针对同一燃料的同一特性,如ID,不同文献的化学反应动力学机理预测结果可能存在差异[13]。因为不同机理在选择速率等常数时,主要是依据实验和理论数据评估得出[14]。这就导致两方面问题:一方面,随着新实验结果的出现,旧的机理必须进行更新和调整,并进行预测比较,才能提高模型预测能力[8];另一方面,如果缺乏合适的实验数据,化学反应动力学机理也很难被建立和发展[15]。而且,基于ST+RCM的ID数据验证完善的机理,识别范围同样有限制条件[4]。基于实际内燃机燃料燃烧数据得出的机理相对稀少,而直接用上述机理表述内燃机中燃料着火特性,通常结果并不理想[16]。这说明不同机理在不同条件下预测性能不同且变化很大,需要根据实际应用环境不断调整[17]。由于各研究小组有各自的调整方法,方法侧重不同也会导致预测结果出现差异。

由于燃料着火和燃烧过程受其化学动力学特性影响较大[18],因此,在机理构建之初,就需要深入了解相关化学反应作用机制[19]。同时,反应条件也对ID等着火特性预测有着显著影响。结合以上研究,在不同条件下,不同反应器中,不同机理对不同预测目标的预测存在差异。不论是传统调整更新还是自动优化都是后端改善,而前端优化措施研究则刚刚兴起。

如何制定有效策略来筛选合适的实验数据[4]是构建机理的基础问题。课题组在前期研究中基于灵敏度和反应途径分析构建了相似因子分析法,它是深入了解燃料着火和热解动力学过程的关键,有利于机理建模,也是比较分析和改进优化机理的有效方法[20]。同时,根据Konnov等人[21]的建议,对不同燃料在特定工况下进行聚焦测量,由所得实验条件构建的机理更具精确性。而对组合数据采用一致性分析以及相关性分析,可以突出参数修改和机理改进的可能方向[22]。Cheng等人.()[23]在研究燃料在内燃机中的排放特性时,也基于敏感性和路径分析方法进行了对比研究,并用Φ-T图研究了不同燃料的ID预测差异。

本研究基于课题组前期提出的相似因子分析方法[20],来评价模型与实验数据的一致性,从而为构建适用于均质预混压燃内燃机的机理提供更有效的指导信息。鉴于不同方法的构建核心思路不同,本研究优先就“解耦法”.()[24]进行有针对性的分析。根据“解耦法”特点,尝试推导出能用于验证同时适用ST和均质预混压燃内燃机中着火特性分析的合理工况。

1 模型描述及验证

基于燃料在均质预混压燃内燃机中的着火延迟分析,本研究视缸内工况符合均质预混压燃条件,计算单元内参数均匀,且忽略流体因素,最终利用相对高效的单区模型结合着火时刻预测模型来完成数值模拟计算工作。

1.1 单区模型

单区模型将整个缸体内的温度、压力和组分等参数视为完全均匀的,并以此代表燃烧的核心区域,从而求出均质预混压燃的着火定时、放热率等参数。采用单区模型还需要将燃烧室内气体视为理想气体,忽略动能和势能,并保持质量恒定。单区模型由控制方程和传热模型组成。

1.1.1 控制方程

Q=ΔU+W

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

1.1.2 传热模型

Q=hAs(T-Tm)

(12)

h=129.8B-0.2P0.8T-0.55w0.8

(13)

(14)

1.1.3 相似因子分析法

本研究基于课题组前期研究…[20],通过相似因子分析法(公式组如下)来定量评估大分子反应影响着火特性程度,以及不同反应器内燃料着火特性相似度。

(15)

(16)

Similarity Factor

(17)

其中，Seni是反应i的敏感系数，τi,+和τi,-为反应i的指前因子倍调后的着火延迟数据，而k+和k-分别取为2.0和0.5的倍调系数，Senmax是绝对最大敏感系数。反应i在Tj下，ST标准敏感系数为SST,Tk,i；均质预混压燃内燃机标准敏感系数为SHCCI,Tj,i；N是参与对比分析的反应数。

1.2 计算网格

研究采用KIVA-3V模型模拟均质预混压燃过程,耦合Chemkin Pro实现机理计算。研究聚焦放热率、温度、当量比、压力等参数变化对着火特性影响,故采用如图1所示的1/7气缸网格进行模拟研究,利用合理的网格数,在保持预测精度和控制计算成本基础上,提高计算效率。

图1 本研究所采用的计算网格

1.3 机理筛选及均质预混压燃验证

本研究首先利用刘耀东等人[26]的PRF骨架机理,在Dempsey等人[25]实验工况(如表1)下模拟分析压力和放热率的变化趋势。模拟预测与实验数据比对部分结果如图2所示(实线为实验数据[25],虚线为采用刘耀东等人[26]机理的预测结果)。从图2可以看出,尽管该机理已经过严格的基础反应器验证,具备良好的预测精度,但仍难以得到很好的实际内燃机燃烧特性预测精度。因为在数值模拟中,各参数调整仅可改变压力变化趋势,即可以拟合压力曲线较准,但数值模拟的放热率数据会出现偏差。根据图中结果可得出该机理适配温度区域低于385℃,适配的进气提前角也有限。

表1 均质预混压燃实验参数和运行工况[25]

本研究经过反复筛选,最终利用常亚超等人[27]的PRF骨架机理,较为准确地预测了Dempsey等人[25]的测量结果(如图3)。如图3所示(实线为实验值[25],虚线为Chang等人机理[27]预测值),通过耦合CFD模型及上述机理计算所得压力曲线与实验结果基本吻合。不过在预测放热率时,模拟数值略有偏差。该现象是基于两种数据对放热率定义偏差造成的:模拟计算时采用由放热量减去壁面热交换量求出放热率;而实验通常根据压力测量信号导出放热率数据,且压力取均值忽略局部差异。尽管存在少量偏差,不过本研究基于CA10着火时刻的预测精度符合后续分析要求。

图2 不同工况下压力和放热率变化图

图3 不同工况下压力和放热率变化图

2 均质预混压燃内燃机与激波管共性分析

根据上述工作拟定的计算模型,本节研究基于相似因子分析法,利用PRF机理在基础反应器和内燃机中的敏感性数据,研究化学反应动力学对均质预混压燃过程的影响。

2.1 敏感性分析

本节研究首先定义上止点后-132°为进气门关闭时刻,定义CA10放热率时刻为内燃机着火时刻。同时,出于优化算力目的,结合解耦法特性以大分子子机理(如表2)作为研究核心。以不同反应器内化学反应敏感性系数作为分析基础。由于实际化学反应动力学影响内燃机和激波管程度相差较大,故引入归一公式(16)对数据进行归一处理,以消除量级差、统一影响度。

表2 PRF大分子子机理

异辛烷子机理 R14. C8H18+H=>C8H17+H23.341E+062.7688147 R15. C8H18+OH<=>C8H17+H2O5.63E+061.81431 R16. C8H18+HO2=C8H17+H2O21.00E+14016010 R17. C8H18+O2<=>C8H17+HO22.00E+16046000 R18. C8H17=>IC4H8+IC4H92.00E+14026780 R19. C8H17+O2<=>C8H17OO4.52E+1200 R20. C8H17OO<=>C8H16OOH7.50E+11024000 R21. C8H16OOH+O2<=>OOC8H16OOH4.52E+1200 R22. OOC8H16OOH<=>C8KET+OH5.50E+11021000 R23. C8KET=>CH2O+C6H13CO+OH1.784E+15039100 R24. C6H13CO+O2=C3H7+C3H5+CO+HO23.16E+13010000 R25. C8H17+O2=C8H16+HO23.16E+1106000 R26. C8H16+OH=> IC4H8+IC4H7+H2O4.743E+071.893 R27. C8H16=> IC4H9+IC4H72.50E+16071000

图4为不同条件下、不同反应器中PRF骨架机理归一化敏感性系数比较结果。计算基于内燃机放热起始点工况分别计算激波管着火延迟和均质预混压燃着火时刻受化学反应影响数据。PRF比例影响正庚烷和异辛烷大分子子机理作用。如图所示,反应式(R4)、(R5)、(R8)、(R11)和(R13)对着火特性影响程度较高,且经过归一处理后,化学反应式在两反应器中的影响程度具备可比性,这是相似因子分析法的基础。

图4 PRF骨架机理归一化敏感性系数图

2.2 相似度分析

利用课题组提出的相似因子分析法大分子机理影响两种反应器着火特性的敏感系数对比,将由相似度计算(公式17)所得数据以色度区分于图5中。如图所示,以红色度集中区域为主,将高相似度数据归纳于表3,基本描述了在温度、压力、当量比三种基本参数影响下,两反应器中着火特性相似因子分布特性。

图5 均质预混压燃内燃机与激波管敏感性系数相似因子分布图

根据图5和表3所示数据,低当量比情况下,在宽温度区域均具备高相似度。而化学当量比的高相似度温区略有集中,但基本符合NTC工况,这与前期研究一致[20]。同时,压力≥15 atm区间的相似因子数值较高。基于ST模拟参数对比分析,对化学反应动力学的影响程度:温度>当量比>压力,且压力随温度下降而下降。总之,基于本研究所用大分子子机理测算的相似因子在ID的NTC区间数值较高,且偏向高压侧,符合均质预混压燃内燃机高压特性。在NTC区间,偏高压工况下,本文所用PRF骨架机理对ID和均质预混压燃内燃机着火时刻影响趋势一致,说明该反应条件是构建符合均质预混压燃内燃机预测着火特性的化学反应动力学机理基准工况。

根据上述研究,筛选部分高相似因子工况测算机理影响着火特性数据,并对比于图6。可以看出,每个反应在两反应器中的影响程度经过归一处理后基本吻合。由此可知,基于相似因子分析法筛选出的基准工况,是验证适用于多工况下不同反应器的化学反应动力学机理的关键。

图6 高相似因子对比图

3 结论

本研究经过筛选,采用由Chang等人[27]构建的PRF骨架机理准确预测了Dempsey等人[25]的实验结果,并确定了相似因子分析所需机理。利用该PRF骨架机理对比不同反应器的归一化敏感性系数,确定影响明显的反应式为:(R4)、(R5)、(R8)、(R11)和(R13)。然后用相似因子分析法,确认该PRF机理在NTC区间、偏高压工况下,分别对激波燃烧和均质预混压燃过程的着火特性影响高度相似。这与前期研究结果一致。同时,认为ST验证条件中,相似度受压力影响最小,当量比次之,温度是主要影响因素,且压力的影响程度随温度下降而降低。在相似因子筛选出的反应条件下,经过激波管着火延迟验证的机理对均质预混压燃内燃机中着火时刻的数值模拟具备更高的参考价值。