乙醇燃料改質(zhì)對HCCI燃燒特性的影響

第6期世界科技研究與發(fā)展Vol, 352013年12月683-685頁(yè)WORLD SCI-TECH R&DDec 2013乙醇燃料改質(zhì)對HCCI燃燒特性的影響潘江如2張春化劉家利(1.長(cháng)安大學(xué)汽車(chē)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(guò)改質(zhì)后,改質(zhì)氣濃度和改質(zhì)氣進(jìn)入氣缸相位對♂醇HCCⅠ燃燒特性的影響,以一臺改造的實(shí)驗發(fā)動(dòng)機上為模型,用 CHEMKIN4.0軟件進(jìn)行模擬。模擬結果表明,乙醇經(jīng)過(guò)改質(zhì)后,改質(zhì)氣的主要組分為H2、CO、H2O和OH基;隨著(zhù)改質(zhì)氣濃度的增加,缸內壓力升高,燃燒始點(diǎn)提前,缸內最高壓力升高;隨著(zhù)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,缸內的最高壓力出現變化,改質(zhì)氣在上止點(diǎn)前14°CA進(jìn)入氣缸,缸內最高壓力減小,改質(zhì)氣在上止點(diǎn)前12°CA進(jìn)入氣缸,缸內壓力達到最大,隨著(zhù)改質(zhì)氣進(jìn)入氣缸相位逐漸減小,缸內最高壓力逐漸減小。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(lèi)號:TK421文獻標識碼: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(wèn)題。本文使用的是“ Closed internal Combustion Engine simulator”,又稱(chēng)為“ IC Engine”,使用的隨著(zhù)我國汽車(chē)保有量的增加,汽車(chē)成為城市大氣環(huán)境的反應機理為美國 Lawrence livermore國家實(shí)驗室公布的乙醇主要污染源,今年北京等城市出現的霧霾等極端天氣現象,詳細化學(xué)動(dòng)力學(xué)機理,在這個(gè)機理的基礎上,對原有機理進(jìn)都說(shuō)明要嚴格控制汽車(chē)的尾氣排放,從而實(shí)現節能減排,HC-行修改和完善,用于乙醇燃料在線(xiàn)改質(zhì)的模擬計算CI(均質(zhì)壓燃)燃燒技術(shù)由于具有柴油發(fā)動(dòng)機和汽油發(fā)動(dòng)機為進(jìn)行乙醇燃料的在線(xiàn)改質(zhì)模擬,建立了本模擬的基本的優(yōu)勢,采用預混合均質(zhì)混合氣、壓縮自燃著(zhù)火的燃燒方模型。模擬所用的發(fā)動(dòng)機是江蘇常通高科重工股份有限公式",因此,它可以實(shí)現高熱效率(高壓縮比、減少泵氣損司生產(chǎn)的CT2100Q型雙缸發(fā)動(dòng)機,基本參數見(jiàn)表1。燃料在失)和超低的碳煙和NOx排放(稀混合氣),并成為內燃機領(lǐng)線(xiàn)改質(zhì)的方法就是通過(guò)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(zhù)一些技術(shù)難點(diǎn),循環(huán)缸內氣體的獲得實(shí)現壓力、溫度和不同活性反應物的如冷啟動(dòng)困難、燃燒相位難以控制、運行范圍過(guò)窄等技術(shù)難基,通過(guò)精確控制噴λ燃料,改變不同時(shí)刻(即不同相位)捕點(diǎn)問(wèn)題。均質(zhì)壓燃的燃燒過(guò)程主要受化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)控制,獲上一循環(huán)的缸內氣體,從而實(shí)現對乙醇氧化反應機理的前因此本文提岀用燃料改質(zhì)對均質(zhì)壓燃的燃燒過(guò)程進(jìn)行控制,兩個(gè)階段的直接控制,即反應鏈引發(fā)階段和活性基積累階就是希望通過(guò)改變燃料的量和溫度等參數,從而實(shí)現對燃燒段。乙醇和缸內氣體在高溫和高壓的環(huán)境下實(shí)現部分氧化相位的控制,改變燃燒特性和排放27。改質(zhì)、改質(zhì)室內改質(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)室內的氣體送入到氣缸內,由于改質(zhì)后的氣體組分發(fā)生相應的變化,從而引起氣缸內的氣體組分發(fā)生變本文計算軟件為美國 Sandia國家實(shí)驗室所開(kāi)發(fā)的大型化,對乙醇高溫氧化反應機理的三個(gè)過(guò)程實(shí)現影響,達到對氣相化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)( Chemical Kinetics)軟件 CHEMKIN4.0表1發(fā)動(dòng)機參數是燃燒領(lǐng)域使用較為廣泛的一個(gè)模擬計算工具,主要計算燃Table 1 parameter of test engine參數名稱(chēng)參數名稱(chēng)值發(fā)動(dòng)機類(lèi)型直立、四沖程、水冷參中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專(zhuān)項(2013G1502063),陜西省自然科學(xué)基礎研究計劃項目(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)高等專(zhuān)科學(xué)?？蒲谢?2010xg071112)沖程(資助E-mailgchzz2@126.com單缸排量(cm3)中國煤化工www.globesci.comCNMHG第683頁(yè)能源與動(dòng)力工程世界科技研究與發(fā)展2013年12月著(zhù)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,設定質(zhì)燃料乙機械控制手段相結合,實(shí)現對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模擬計算結果要組分及其濃度如表5所示3.3改質(zhì)氣對乙醇HCCⅠ燃燒的影響3.1改質(zhì)氣的組分計算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(guò)量空氣系數=3.33,初始應機理可知,OH、CO、H和O基在乙醇的燃燒過(guò)程中都扮演進(jìn)氣溫度T=392K時(shí),乙醇HCCI發(fā)動(dòng)機在上止點(diǎn)后30°CA著(zhù)重要的角色,對反應速率和燃燒速度有著(zhù)重要的影響。利缸內溫度,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,便可控制的數據作為改質(zhì)過(guò)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,為了節省計算資3.3.1改質(zhì)氣比例對HCCI燃燒的影響源,提高計算速度,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數量級以上的產(chǎn)物(實(shí)際發(fā)動(dòng)機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(jiàn)表3同改質(zhì)氣比例對缸內燃燒壓力的影響。模擬結果表明,加入3.2改質(zhì)室截留氣缸排氣相位對改質(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,與原機相改質(zhì)氣的生成過(guò)程中除了受改質(zhì)燃料濃度的影響外,還比,隨著(zhù)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,缸內的壓力瞬間升高。隨著(zhù)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(guò)量的增加最高壓力增加,其對應的曲軸轉角也逐漸接近上止空氣系數=3.33、發(fā)動(dòng)機轉速n=1200r/min初始進(jìn)氣溫度點(diǎn),如圖2所示。這是因為隨著(zhù)改質(zhì)氣的引入,缸內的溫度7=392K時(shí),乙醇HCC發(fā)動(dòng)機在上止點(diǎn)后不同時(shí)刻缸內溫壓力和物質(zhì)的量都發(fā)生改變,使得基元反應的反應速度變度,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中國煤化工第684頁(yè)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(xiàn)純壓縮線(xiàn)曲軸轉角/°CA圖3氣缸壓力對比圖曲軸轉角/°CAFigure 3 Contrast figure of pressure圖1氣缸壓力對比圖一最高壓力一最高壓力對應曲軸轉角圖4最高壓力對比圖)改質(zhì)氣進(jìn)人氣缸相位對HCCⅠ燃燒也有一定的影響,圖2最高壓力對比圖改質(zhì)氣進(jìn)入氣缸過(guò)早,壓縮負功增加(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(zhù)改質(zhì)氣進(jìn)氣氣缸3.3.2改質(zhì)氣進(jìn)入氣缸相位對HCCⅠ燃燒的影響相位的提前,燃燒始點(diǎn)相應的提前,缸內的壓力升高較快。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)機氣缸壓力對比圖。由圖參考文獻可以看出,在圖中選取的6個(gè)進(jìn)氣相位中,隨著(zhù)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(chē)工程學(xué)報,2012,2(2):7990于改質(zhì)氣進(jìn)入時(shí)刻不同,缸內氣體的組分濃度不同,改質(zhì)氣[2]趙偉,張春化,佟娟娟,等,ECR對甲醇HC發(fā)動(dòng)機燃燒與排放加入后對燃燒過(guò)程的基元反應的反應速率影響不同。改質(zhì)的影響[J].長(cháng)安大學(xué)學(xué)報(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,這是因為3]吳晗,張春化,佟娟娟,等ECR對甲醇HCC發(fā)動(dòng)機性能和運范圍的影響[J].長(cháng)安大學(xué)學(xué)報(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)機氣缸時(shí),由于改質(zhì)氣帶有的熱量和各種基團使混合氣的反應速率加快,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)機燃燒相率增加,溫度升高,使得混合氣的在活塞沒(méi)有到達上止點(diǎn)前位傳感方法[J].天津大學(xué)學(xué)報,2007,40(9):1089-1093就發(fā)生部分燃燒,壓縮負功增加,進(jìn)而抑止了峰值壓力的增5謝輝,吳召明,孫艷輝基于內部殘余廢氣的汽油HCCI燃燒過(guò)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,2008,41(5):547-552其原因為在這時(shí)刻,改質(zhì)氣進(jìn)入氣缸后,與缸內已有的各種6 JOGAWA H, MIYAMOTO N, KANEKO N,etal. Combustion control基進(jìn)行反應,基元反應速率迅速增加,缸內壓力迅速升高,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(kāi)始下行,這也說(shuō)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(guò)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(cháng)安大,2009基,根據乙醇的反應機理可知,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(guò)程中都扮演著(zhù)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(zhù)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中國煤化工www.globesci.comCNMHG第685頁(yè)