徐昭华,胡二江,黄佐华

(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安)

随着排放法规的日益严峻,汽油机朝着高效率和低排放方向发展,对汽油基础燃烧特性的了解对高效低污染汽油机设计十分重要。由于汽油组分的复杂性,使得直接对汽油的实验和数值研究十分困难[1]。为了对汽油进行数值模拟研究,需要构建合理的汽油替代物模型,这不仅可以代表实际汽油中存在的重要有机化合物类别,还能够体现实际汽油的燃烧特性。

在构建汽油替代物模型时,需要先确定目标特性,同时了解如何影响发动机的燃烧特性。由于每种特性都会影响燃烧过程,因此必须考虑目标特性和燃烧性能的关系。目标特性分为物理和化学特性:物理特性如燃料挥发性会影响喷雾雾化,进而影响燃烧性能;化学特性如辛烷值会影响爆震。汽油在发动机内的燃烧过程是一个复杂的湍流燃烧过程,而层流燃烧速度是研究湍流燃烧的基础,且层流燃烧速度、马克斯坦长度等表征层流燃烧特性的参量是湍流燃烧模型计算时的输入参数,因此本文针对层流燃烧特性构建适合国产汽油的替代物模型。

目前,甲苯、异辛烷和正庚烷已成为国际上公认的汽油替代物燃料必须包含的组分[2]。Pera等使用辛烷值与体积分数和为1作为约束确定了甲苯/异辛烷/正庚烷混合燃料(TRF替代燃料)的组分比例,并对欧洲实际汽油ULG95进行模拟,最终得到正庚烷、异辛烷、甲苯体积分数分别为13.7%、42.8%、43.5%的汽油替代物模型[3]。Sarathy等在预测实际汽油的着火延迟期时,要求替代燃料的辛烷值、H/C与实际汽油相匹配[4]。根据Morgan等提出的二阶线性模型[5],Mannaa等确定了辛烷值为75、85、95的TRF汽油替代燃料,提出的TRF-85-1替代物燃料与实际汽油的层流燃烧速度吻合较好,替代燃料的辛烷值与实际汽油的辛烷值相匹配[6]。Jerzembeck等在定容燃烧弹上测量了初始温度为373 K、当量比为0.7～1.2、初始压力为1.01～2.53 MPa下正庚烷、异辛烷、正庚烷/异辛烷两组分汽油替代燃料PRF87和商用汽油的层流燃烧速度[7]。Sileghem等利用平面火焰绝热燃烧器测量了商业汽油在温度为298～358 K、当量比为0.7～1.3的层流燃烧速度,同时根据甲苯、异辛烷、正庚烷单质以及汽油在不同温度下的层流燃烧速度来确定甲苯/异辛烷/正庚烷混合燃料(TRF替代燃料)中甲苯、异辛烷和正庚烷的含量[8]。姚春德等利用定容燃烧弹对标准汽油以及与标准汽油相同辛烷值的异辛烷/正庚烷混合燃料(PRF替代燃料)的层流火焰进行测量,比较了两种燃料在火焰传播速率、拉伸率及马克斯坦长度等方面的差异[9]。

针对国内实际汽油的层流燃烧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来模拟国产汽油燃烧特性的研究十分有限的现状,本文采用球形火焰法,在定容燃烧弹上对我国实际汽油的层流燃烧速度进行了测量,分析了初始温度、压力和当量比对汽油层流燃烧速度的影响。此外,由于我国汽油与国外汽油的组分差异,基于国外汽油层流燃烧速度获得的汽油替代物模型无法准确预测我国汽油的层流燃烧速度。本文基于国产汽油的层流燃烧速度实验数据,构建了适用于国产汽油的汽油替代物模型PRF和TRF,并选择KAUST清洁燃烧研究中心最新发展的汽油替代物机理,对本研究实验数据进行了数值仿真,该机理对本文研究工况下的实验结果给出了合理预测。

1 实验装置和计算方法

1.1 实验过程

实验研究在西安交通大学定容燃烧弹平台上展开,实验装置系统如图1所示。实验装置系统包括配气系统、定容燃烧弹、温度控制系统、点火设备、高速影像纹影系统和压力采集系统,其中定容燃烧弹内径为180 mm,长为210 mm,材质为不锈钢,两端面对称开有直径为80 mm的视窗,并安装石英玻璃,用来观测火焰发展过程。

实验过程:首先,对定容燃烧弹抽真空,通过定容燃烧弹顶部的液体燃料注入阀注入液体燃料,待燃料完全蒸发和充分混合后,再依次利用配气系统通入相应分压的氧气和氮气,进气结束,混合气静置5 min左右,以确保气体混合均匀;然后,通过点火系统使定容燃烧弹内的中心电极产生电火花来点燃混合气,此时由于点火系统和高速摄像机的同步控制,点火的同时触发高速摄像机的拍摄(高速摄像机的拍摄频率为10 000帧/s),从而记录下火焰传播的过程;燃烧结束后打开排气阀门,排出燃烧废气,并对容弹内腔进行反复的高压空气冲洗,确保没有残余废气后即可进入下一个实验点。

本文的实验目的是研究当量比、初始温度和初始压力对火焰特性的影响。初始温度为358～448 K,初始压力为0.1～0.5 MPa,常压下当量比为0.8～1.5,压力升高后,浓混合火焰不稳定性明显增加,加大了层流燃烧速度测量的困难,因此可测量的最大当量比变小。每个实验工况重复3次,经过误差分析计算,层流燃烧速度的误差在5%以内。

1.2 数据处理

根据文献[10],火焰半径为6～25 mm时,点火能量对火焰传播的影响可忽略不计。考虑到点火和压力升高的影响,选择火焰半径为8～18 mm之间的纹影照片,通过对高速摄像机拍下的纹影图片的处理,可得球形火焰的火焰半径随时间的变化率,即已燃气拉伸火焰传播速度

(1)

式中:Sn为拉伸火焰传播速度,cm·s-1;ru为火焰半径,cm;t为点火后时间,s。

考虑到火焰拉伸的影响,Frankel等提出了已燃气无拉伸火焰传播速度Sb和拉伸火焰传播速度Sn的非线性关系[11-12]

(2)

式中:Sb为已燃气无拉伸火焰传播速度,cm·s-1;Lb为已燃气马克斯坦长度,cm。

Williams等将火焰拉伸率α定义为火焰表面积A的对数对时间t的导数[13]

(3)

对于球形火焰有

(4)

由火焰前锋面处的反应物和生成物质量守恒,可得Sb与层流燃烧速度Su的关系式

(5)

式中:ρb为未燃气密度,kg·m-3;ρu为已燃气密度,kg·m-3。

1.3 数值模拟验证

为了对本研究所提出的汽油替代燃料的层流燃烧速度进行验证,利用CHEMKIN-PRO中的Premix程序[14]模拟计算了汽油替代燃料的层流燃烧速度,并将其与实测得到的层流燃烧速度进行对比。数值模拟选用的机理为KAUST清洁燃烧研究中心最新发展的汽油替代物机理[15],包含574个组分和3 379个反应,可用于模拟异辛烷、正庚烷、甲苯及其混合物的燃烧特性。为了确保数值仿真结果的精度,计算过程中考虑了多组分输运模型和Soret扩散,网格参数GRAD和CURV的值设置为0.02,网格数设置为1 000。

2 实验结果与分析

2.1 定容燃烧弹的验证

为了验证实验系统的可靠性,测量了异辛烷/空气在初始温度为358 K、初始压力为0.1 MPa、当量比为0.8～1.5下的层流燃烧速度,并与文献[6,16-17]进行对比,如图2所示。本文实验值与文献实验值一致,表明本文的实验系统能够准确测量火焰传播速度,具有高可靠性和稳定性。

图2 异辛烷/空气的层流燃烧速度

2.2 汽油的层流燃烧速度

由于实际汽油的组分复杂,通常包含几百种物质,加上类型、产地造成的差异,所以对实际汽油燃烧性质的实验和数值模拟研究变得十分困难。实际汽油的组分主要有直链烷烃、异构烷烃、环烷烃、烯烃、芳烃和含氧化合物,表1给出了本文选取的国产汽油与国外汽油的组分信息对比。由表1可知,不同类型汽油的组分差异十分明显,其中国外汽油中异构烷烃的含量要比国产汽油含量高10%以上,直链烷烃和烯烃的含量也有明显的差异,且国外汽油中没有含氧组分,而国产汽油中有较多的含氧组分。

表1 汽油组分的质量分数

图3给出了初始温度为358 K、初始压力为0.1 MPa时国产汽油与国外汽油的层流燃烧速度对比,其中FACE C汽油来自沙特阿拉伯国家石油公司,Exxon 708629-60、TAE7000汽油来自美国和欧洲。由图3可知,与国外汽油相比,我国汽油的层流燃烧速度在低当量比时偏小,在高当量比时偏大,表明汽油的层流燃烧速度与汽油的产地、组分有很大关系。因此,适用于国外汽油的汽油替代物模型并不能适用于我国汽油,需构建适用于我国汽油的替代物模型。

图3 国产汽油与国外汽油的层流燃烧速度对比

图4给出了我国汽油的层流燃烧速度在不同初始压力(0.1、0.2、0.5 MPa)与不同初始温度(358、403、448 K)下随当量比的变化。由图4可知:在相同初始温度下,汽油的层流燃烧速度随着初始压力的升高而呈逐渐降低的趋势;在相同初始压力条件下,汽油的层流燃烧速度随着初始温度的升高而逐渐增大。然而,初始温度和初始压力的改变,并没有影响其层流燃烧速度在当量比1.1处达到最大,随着压力升高和当量比增大,火焰稳定性变差。球形火焰表面在发展过程中会出现细胞状结构,而对表面出现细胞状结构的火焰图片进行处理得到的火焰传播速度有较大的误差,因此,初始压力为0.5 MPa条件下的层流燃烧速度实验数据只取到当量比为1.2时。

(a)初始温度为403 K

(b)初始压力为0.1 MPa图4 汽油的层流燃烧速度随当量比的变化

2.3 汽油替代物模型的构建

分别构建替代燃料PRF和TRF来预测国产汽油的层流燃烧特性,所构建的PRF为异辛烷和正庚烷的混合燃料,通过一定的体积比例混合来匹配汽油的辛烷值。替代燃料TRF为异辛烷、正庚烷和甲苯的混合燃料,需选取3个约束条件来确定这三组分的比例。首先考虑各组分的体积比之和为1,由于辛烷值是衡量汽油抗爆性的重要指标,且国产汽油的标号是由研究法辛烷值(RON)表征,故将RON作为替代物的模拟目标值之一;替代燃料应对实际汽油的相对分子质量进行一定的匹配模拟,所选取的最后一个约束方程为相对分子质量的约束方程。在利用研究法辛烷值作为模拟目标时,本文采用三阶TOM模型[19]来确定TRF组分比例,该模型考虑3个变量间的相互作用,预测结果远优于一阶和二阶模型,分析表明TOM模型比MLbV模型[6]的误差要小。本文提出的汽油替代燃料模型中各组分及其体积分数如表2所示,实验选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 汽油替代燃料的组分及含量

表3 汽油及替代物的部分理化特性

为了验证本文所提汽油替代物模型的可靠性,测量了初始温度为358 K、初始压力为0.1 MPa、当量比为0.8～1.5下异辛烷、正庚烷、甲苯、PRF-92替代燃料和TRF-92替代燃料的层流燃烧速度,并与实际汽油的层流燃烧速度进行比较,如图5所示。由图5a可知,异辛烷、正庚烷、甲苯3种燃料中,正庚烷的层流燃烧速度最大,异辛烷的最小,而甲苯和汽油的层流燃烧速度在异辛烷和正庚烷两者之间,因此选用甲苯、正庚烷、异辛烷作为汽油替代物组分来预测汽油的层流燃烧特性。由图5b可知,PRF-92替代燃料与汽油的层流燃烧速度在贫燃料混合物时吻合较好,而在富燃料混合物时,汽油的层流燃烧速度明显比PRF-92替代燃料高,这与文献[7]测量的结果相一致。由图5b、5c可知,TRF-92替代燃料与汽油在初始温度为358、403 K和初始压力为0.1、0.2 MPa的条件下,二者的层流燃烧速度在实验测量的当量比下均吻合较好,表明本文所提TRF-92替代物模型可以用来预测国产汽油的层流燃烧速度。

(a) 初始温度为358 K、初始压力为0.1 MPa工况下汽油与替代物单质燃烧速度对比

(b) 初始温度为358 K、初始压力为0.1 MPa工况下汽油与替代物燃烧速度对比

(c) 初始温度为403 K时,汽油与替代物燃烧速度对比图5 异辛烷、正庚烷、甲苯、PRF-92替代燃料、TRF-92替代燃料和汽油的层流燃烧速度对比

TRF-92替代燃料的数值模拟与实验数据的对比结果如图6所示。由图6可知,在较低当量比时模拟结果与实验测量结果吻合较好,在较高当量比时,模拟结果比实验测量结果偏高,数值模拟结果能够在不同初始温度、压力的情况下对本研究所提汽油替代燃料TRF-92的层流燃烧速度做出合理预测。因此,结合本研究提出的汽油替代物模型和KAUST提出的汽油替代物机理,可对实际汽油的层流燃烧速度进行合理预测。

(a)p=0.1 MPa

(b)p=0.2 MPa图6 TRF-92替代燃料层流燃烧速度的实验值与模拟值对比

3 结 论

本文在定容燃烧弹上对初始温度分别为358、403、448 K,初始压力分别为0.1、0.2、0.5 MPa,当量比为0.8～1.5条件下的国产汽油的层流燃烧速度进行了测量,分析了初始温度、压力以及当量比对汽油层流燃烧特性的影响,并提出了适用于国产汽油的替代物模型,主要结论如下。

(1)本文获得了不同初始条件下国产汽油的层流燃烧速度,表明汽油的层流燃烧速度随着压力的升高而减小,随着当量比的增大呈现先升高后降低的趋势,随着温度的升高而增大。

(2)基于实验测量结果,构建了适合我国汽油的双组分(PRF-92)和三组分(TRF-92)汽油替代物模型。通过对比实际汽油和汽油替代燃料的层流燃烧速度,表明替代燃料速度能够在本研究实验工况范围较好地预测实际汽油的层流燃烧速度,而替代燃料PRF-92仅在低当量比时与实际汽油的层流燃烧速度吻合较好。

(3)利用汽油替代燃料的反应动力学机理进行数值模拟分析并与实验值进行比较,可知机理能够在整个实验工况对实验数据给出合理预测。因此,结合本研究提出的汽油替代物模型和汽油替代物机理,可对实际汽油的层流燃烧速度进行合理预测。