第6期世界科技研究與發(fā)展Vol, 352013年12月683-685頁WORLD SCI-TECH R&DDec 2013乙醇燃料改質(zhì)對(duì)HCCI燃燒特性的影響潘江如2張春化劉家利(1.長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院,西安710064;2.新疆工程學(xué)院,烏魯木齊830091)摘要:為研究乙醉經(jīng)過改質(zhì)后,改質(zhì)氣濃度和改質(zhì)氣進(jìn)入氣缸相位對(duì)♂醇HCCⅠ燃燒特性的影響,以一臺(tái)改造的實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上為模型,用 CHEMKIN4.0軟件進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果表明,乙醇經(jīng)過改質(zhì)后,改質(zhì)氣的主要組分為H2、CO、H2O和OH基;隨著改質(zhì)氣濃度的增加,缸內(nèi)壓力升高,燃燒始點(diǎn)提前,缸內(nèi)最高壓力升高;隨著改質(zhì)氣進(jìn)入氣缸相位逐漸接近上止點(diǎn),HCC燃燒始點(diǎn)逐漸推后,缸內(nèi)的最高壓力出現(xiàn)變化,改質(zhì)氣在上止點(diǎn)前14°CA進(jìn)入氣缸,缸內(nèi)最高壓力減小,改質(zhì)氣在上止點(diǎn)前12°CA進(jìn)入氣缸,缸內(nèi)壓力達(dá)到最大,隨著改質(zhì)氣進(jìn)入氣缸相位逐漸減小,缸內(nèi)最高壓力逐漸減小。因此,在上止點(diǎn)前12°CA進(jìn)入氣缸是較優(yōu)的相位。關(guān)鍵詞:均質(zhì)壓燃、乙醇、燃料改質(zhì)、改質(zhì)氣濃度、燃燒特性中圖分類號(hào):TK421文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:Adoi:10.3969/jisn.1006-6055.2013.06.002Effect of Ethanol Reforming on Combustion Characteristic of Ethanol HCCIPaN J iangru. ZHANG Chunhu(1. School of Automobile, Chang'an University, Xi'an 710064; 2. Xinjiang Institute of Engineering, Urumchi 830091)Abstract: Based on a modified direct injection diesel engine fuelled with ethanol, CHEMKIN4 0 is used to simulate the concentration of etha-I reforming gas and combustion characteristic of ethanol HCCI under the influence of the angle of reforming gas entering into cylinder.Theresults indicate that H, CO, H, O and OH radical are the main radical of the reformed ethanol With the increase of concentration of ethanolreforming gas, the pressure of cylinder and the maximum pressure of cylinder are increased, with ignition timing of HCCI advancing. When theangle of reforming gas entering into cylinder moves to the top dead center(TDC), the ignition timing of HCCI postpones the maximum pres-ure of cylinder varies. When the angle of reforming gas entering into cylinder is 14 CA before TDC, the maximum pressure of cylinder is re-duced. But when the angle of reforming gas entering into cylinder is 12 CA before TDC, the peak pressure of cylinder is maximum. With thedecrease of the angle of reforming gas entering into cylinder, the maximum pressure of cylinder becomes smaller and smaller, So 12CA be-fore TDC is a better angle for the angle of reforming gas entering into cylinder.Key words: homogennition; ethanol; fuel reforming; concentration of ethanol reforming gas; combustion characteris燒中涉及到的化學(xué)動(dòng)力學(xué)問題。本文使用的是“ Closed internal Combustion Engine simulator”,又稱為“ IC Engine”,使用的隨著我國(guó)汽車保有量的增加,汽車成為城市大氣環(huán)境的反應(yīng)機(jī)理為美國(guó) Lawrence livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室公布的乙醇主要污染源,今年北京等城市出現(xiàn)的霧霾等極端天氣現(xiàn)象,詳細(xì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理,在這個(gè)機(jī)理的基礎(chǔ)上,對(duì)原有機(jī)理進(jìn)都說明要嚴(yán)格控制汽車的尾氣排放,從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排,HC-行修改和完善,用于乙醇燃料在線改質(zhì)的模擬計(jì)算CI(均質(zhì)壓燃)燃燒技術(shù)由于具有柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為進(jìn)行乙醇燃料的在線改質(zhì)模擬,建立了本模擬的基本的優(yōu)勢(shì),采用預(yù)混合均質(zhì)混合氣、壓縮自燃著火的燃燒方模型。模擬所用的發(fā)動(dòng)機(jī)是江蘇常通高科重工股份有限公式",因此,它可以實(shí)現(xiàn)高熱效率(高壓縮比、減少泵氣損司生產(chǎn)的CT2100Q型雙缸發(fā)動(dòng)機(jī),基本參數(shù)見表1。燃料在失)和超低的碳煙和NOx排放(稀混合氣),并成為內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)線改質(zhì)的方法就是通過改質(zhì)燃料的噴入引起量的變化,上域研究的熱點(diǎn)。但是這種燃燒方式也面臨著一些技術(shù)難點(diǎn),循環(huán)缸內(nèi)氣體的獲得實(shí)現(xiàn)壓力、溫度和不同活性反應(yīng)物的如冷啟動(dòng)困難、燃燒相位難以控制、運(yùn)行范圍過窄等技術(shù)難基,通過精確控制噴λ燃料,改變不同時(shí)刻(即不同相位)捕點(diǎn)問題。均質(zhì)壓燃的燃燒過程主要受化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制,獲上一循環(huán)的缸內(nèi)氣體,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)乙醇氧化反應(yīng)機(jī)理的前因此本文提岀用燃料改質(zhì)對(duì)均質(zhì)壓燃的燃燒過程進(jìn)行控制,兩個(gè)階段的直接控制,即反應(yīng)鏈引發(fā)階段和活性基積累階就是希望通過改變?nèi)剂系牧亢蜏囟鹊葏?shù),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒段。乙醇和缸內(nèi)氣體在高溫和高壓的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)部分氧化相位的控制,改變?nèi)紵匦院团欧?7。改質(zhì)、改質(zhì)室內(nèi)改質(zhì)和自熱重整。獲得改質(zhì)氣以后,再在合2模型和初始條件適的時(shí)刻將改質(zhì)室內(nèi)的氣體送入到氣缸內(nèi),由于改質(zhì)后的氣體組分發(fā)生相應(yīng)的變化,從而引起氣缸內(nèi)的氣體組分發(fā)生變本文計(jì)算軟件為美國(guó) Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室所開發(fā)的大型化,對(duì)乙醇高溫氧化反應(yīng)機(jī)理的三個(gè)過程實(shí)現(xiàn)影響,達(dá)到對(duì)氣相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)( Chemical Kinetics)軟件 CHEMKIN4.0表1發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)是燃燒領(lǐng)域使用較為廣泛的一個(gè)模擬計(jì)算工具,主要計(jì)算燃Table 1 parameter of test engine參數(shù)名稱參數(shù)名稱值發(fā)動(dòng)機(jī)類型直立、四沖程、水冷參中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(2013G1502063),陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2012J0Q7031),新疆工程學(xué)院博土科研啟動(dòng)基金缸徑(72,0(2013BQJ091607),新疆工業(yè)高等?？茖W(xué)?？蒲谢?2010xg071112)沖程(資助E-mailgchzz2@126.com單缸排量(cm3)中國(guó)煤化工www.globesci.comCNMHG第683頁能源與動(dòng)力工程世界科技研究與發(fā)展2013年12月著火燃燒階段的有限精確控制,從根本上將化學(xué)控制手段和件作為改質(zhì)室氣體的初始溫度、壓力及組分,設(shè)定質(zhì)燃料乙機(jī)械控制手段相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)對(duì)HCC燃燒的控制8。醇與改質(zhì)室截留的氣缸排氣的摩爾比B=0.12,改質(zhì)氣各主3模擬計(jì)算結(jié)果要組分及其濃度如表5所示3.3改質(zhì)氣對(duì)乙醇HCCⅠ燃燒的影響3.1改質(zhì)氣的組分計(jì)算H2、CO、H2O和OH基是改質(zhì)氣的主要組分,由乙醇的反表2所示為n=1200r/min,過量空氣系數(shù)=3.33,初始應(yīng)機(jī)理可知,OH、CO、H和O基在乙醇的燃燒過程中都扮演進(jìn)氣溫度T=392K時(shí),乙醇HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)在上止點(diǎn)后30°CA著重要的角色,對(duì)反應(yīng)速率和燃燒速度有著重要的影響。利缸內(nèi)溫度,壓力及各主要組分摩爾比濃度的情況。以表2中用改變改質(zhì)氣的組分及其進(jìn)入氣缸的比例及相位,便可控制的數(shù)據(jù)作為改質(zhì)過程的模擬初始條件,定義改質(zhì)燃料(乙醇)HCCI的燃燒與改質(zhì)室截留的氣缸排氣的摩爾比為β,為了節(jié)省計(jì)算資3.3.1改質(zhì)氣比例對(duì)HCCI燃燒的影響源,提高計(jì)算速度,忽略一些次要因素的影響,在實(shí)際的改質(zhì)選取模擬工況為:n=1200r/min,A=3.5,改質(zhì)氣進(jìn)入氣組分中只取體積濃度大于10數(shù)量級(jí)以上的產(chǎn)物(實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的相位為上止點(diǎn)前10°CA。圖1、圖2所示為不產(chǎn)物共61種)見表3同改質(zhì)氣比例對(duì)缸內(nèi)燃燒壓力的影響。模擬結(jié)果表明,加入3.2改質(zhì)室截留氣缸排氣相位對(duì)改質(zhì)氣組分及濃度的影響改質(zhì)氣后,乙醇HCCI燃燒明顯改善。在此工況下,與原機(jī)相改質(zhì)氣的生成過程中除了受改質(zhì)燃料濃度的影響外,還比,隨著改質(zhì)氣比例增加,HC燃燒時(shí)刻提前,燃燒速度加受到改質(zhì)室初始溫度、壓力的影響。改質(zhì)室初始溫度和壓力快,燃燒始點(diǎn)提前,缸內(nèi)的壓力瞬間升高。隨著改質(zhì)氣比例主要取決與改質(zhì)室截留氣缸排氣的相位。表4所示為過量的增加最高壓力增加,其對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也逐漸接近上止空氣系數(shù)=3.33、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=1200r/min初始進(jìn)氣溫度點(diǎn),如圖2所示。這是因?yàn)殡S著改質(zhì)氣的引入,缸內(nèi)的溫度7=392K時(shí),乙醇HCC發(fā)動(dòng)機(jī)在上止點(diǎn)后不同時(shí)刻缸內(nèi)溫壓力和物質(zhì)的量都發(fā)生改變,使得基元反應(yīng)的反應(yīng)速度變度,壓力及各主要組分摩爾比濃度的情況。以表4中5種條快,燃燒速率提高,等容度變大表2上止點(diǎn)后30°CA時(shí)氣缸內(nèi)溫度、壓力及各組分摩爾比Table2 Mole ratio of components, temperature and pressure in cylinder 30 CA after BDC溫度/K壓力/atmHa O28.0522.685930.040399790.14019450.060594250.7587955表3改質(zhì)氣主要產(chǎn)物及濃度(%)Table 3 Main product and concentration of its in reformed gas( %)體積濃度47.132919740.01420.00010.00012.40691873690.00111.9647表4上止點(diǎn)后各點(diǎn)的缸內(nèi)溫度、壓力及各組分(改質(zhì)前)摩爾比Table 4 Mole ratio ofnts, temperature and pressure of selected crank angle in cylinder after BDC20°CA1542.3539.240.040399290.14018640.0605800.75879001328.0522.680.040399790.10.06059440°CA0.040399890.14019620.0605970.75879670°CA1051.919.210.04039990.14019680.0605980.7587972CA0.0403990.1401970°CA0.040399940.14019710.0605990.7587974表5不同初始條件下改質(zhì)氣(改質(zhì)后)主要組分及濃度(%)Table 5 Main components and Mole ratio of its in reformed gas on different initial conditions( %)20°CA30°CA60°CA14,7714.5814.4214.285.71314.480.070133.48751.970.02010.0067210.0026530.0012280.0006120.00000.090580.0410.02110.012190073790.00000.00000.0025250.0001830.00000.00000.00000.0000C3 Hs OH0.00000.00000.0000.027990.00000.00000.00000.00000.0001920.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.002336CH, O0.1535中國(guó)煤化工第684頁CNMH Gobesci com2013年12月世界科技研究與發(fā)展能源與動(dòng)力工程6°CA25%純壓縮線純壓縮線曲軸轉(zhuǎn)角/°CA圖3氣缸壓力對(duì)比圖曲軸轉(zhuǎn)角/°CAFigure 3 Contrast figure of pressure圖1氣缸壓力對(duì)比圖一最高壓力一最高壓力對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角圖4最高壓力對(duì)比圖)改質(zhì)氣進(jìn)人氣缸相位對(duì)HCCⅠ燃燒也有一定的影響,圖2最高壓力對(duì)比圖改質(zhì)氣進(jìn)入氣缸過早,壓縮負(fù)功增加(如上止點(diǎn)前14°CA)上止點(diǎn)前12°CA是較好的進(jìn)氣相位。隨著改質(zhì)氣進(jìn)氣氣缸3.3.2改質(zhì)氣進(jìn)入氣缸相位對(duì)HCCⅠ燃燒的影響相位的提前,燃燒始點(diǎn)相應(yīng)的提前,缸內(nèi)的壓力升高較快。選取模擬工況為:n=1200r/min,A=3.5。圖3、圖4所示為改質(zhì)氣以不同相位進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壓力對(duì)比圖。由圖參考文獻(xiàn)可以看出,在圖中選取的6個(gè)進(jìn)氣相位中,隨著改質(zhì)氣進(jìn)入1]堯命發(fā),劉海峰均質(zhì)壓燃與低溫燃燒的燃燒技術(shù)研究進(jìn)展與展氣缸相位逐漸接近上止點(diǎn),HCCI燃燒始點(diǎn)逐漸推后,這是由望[J].汽車工程學(xué)報(bào),2012,2(2):7990于改質(zhì)氣進(jìn)入時(shí)刻不同,缸內(nèi)氣體的組分濃度不同,改質(zhì)氣[2]趙偉,張春化,佟娟娟,等,ECR對(duì)甲醇HC發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放加入后對(duì)燃燒過程的基元反應(yīng)的反應(yīng)速率影響不同。改質(zhì)的影響[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,32(4):88-92氣在上止點(diǎn)前14CA進(jìn)入燃燒室時(shí)燃燒時(shí)刻最早,這是因?yàn)?]吳晗,張春化,佟娟娟,等ECR對(duì)甲醇HCC發(fā)動(dòng)機(jī)性能和運(yùn)范圍的影響[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,32(5):102改質(zhì)氣在上止點(diǎn)前14°CA進(jìn)人發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸時(shí),由于改質(zhì)氣帶有的熱量和各種基團(tuán)使混合氣的反應(yīng)速率加快,從而燃燒效[4]謝輝,孫艷輝,吳召明基于離子電流的汽油HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒相率增加,溫度升高,使得混合氣的在活塞沒有到達(dá)上止點(diǎn)前位傳感方法[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2007,40(9):1089-1093就發(fā)生部分燃燒,壓縮負(fù)功增加,進(jìn)而抑止了峰值壓力的增5謝輝,吳召明,孫艷輝基于內(nèi)部殘余廢氣的汽油HCCI燃燒過程加;而改質(zhì)氣在上止點(diǎn)前12°CA進(jìn)入氣缸時(shí)峰值壓力最大離子電流特性[J.天津大學(xué)學(xué)報(bào),2008,41(5):547-552其原因?yàn)樵谶@時(shí)刻,改質(zhì)氣進(jìn)入氣缸后,與缸內(nèi)已有的各種6 JOGAWA H, MIYAMOTO N, KANEKO N,etal. Combustion control基進(jìn)行反應(yīng),基元反應(yīng)速率迅速增加,缸內(nèi)壓力迅速升高,此and operating range expansion with direct injection of reaction sup-pressors in a premixed DME HCCI engine[C]. SAE Paper,2003-01時(shí)活塞開始下行,這也說明改質(zhì)氣在上止點(diǎn)前12°CA進(jìn)入氣0746.2003缸是較好的相位。[7] MARTINEZ-FRIAS J, ACEVES SM, FLOWERS D, et al. equivalence4結(jié)論EGR control of HCCI engine operation and potential for transitionto spark-ignited operation[C]. SAE Paper, 2001-01-3613,20011)燃料經(jīng)過改質(zhì)后的主要組分為H2、CO、H2O和OH[8]劉家利乙醇均質(zhì)壓燃及燃料改質(zhì)的模擬研究D].西安:長(zhǎng)安大,2009基,根據(jù)乙醇的反應(yīng)機(jī)理可知,OH、CO、H和O基在乙醇的燃[9 ALLENBY S, CHANG W C, MEGARITIS A, et al Hydrogen enrich燒過程中都扮演著重要的角色。ment: A way to maintain combustion stability in a natural gas fuelled2)改質(zhì)氣濃度不同對(duì)HCCI燃燒的氣缸壓力和最高壓engine with exhaust gas recirculation, the potential of fuel reforming力的影響不同,隨著改質(zhì)氣濃度的增加,燃燒始點(diǎn)提前,最高[JJ. Proceedings of the IMECHE, Part D: Journal of Automobile Engi-壓力增大,等容度也增大。neering,2001,215H中國(guó)煤化工www.globesci.comCNMHG第685頁