添加劑對甲醇均質(zhì)充量壓燃燃燒的影響

第32卷第2期內燃機工程Vol. 32 No. 22011年4月Chinese Internal Combustion Engine EngineeringApril. 2011文章編號:1000- 0925(2011) 02 -0057-06320029添加劑對甲醇均質(zhì)充量壓燃燃燒的影響王迎,鄭朝蕾,何祖威,張慶峰(重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院,重慶400030)Effect of Additives on HCCI Combustion of MethanolWANG Ying, ZHENG Zhao-lei, HE Zu-wei, ZHANG Qing-feng(Department of Power Engineering ,Chongqing University , Chongqing 400030 , China)Abstract: Using zero-dimensional detailed chemical kinetics model, methanol HCCI combustion addingtwo additives H2O2 and CH2 O respectively was simulated to analyze influence of the additives on methanolcombustion. Results reveal that the H2O2 and CH2 0 decompose in cylinder and generate OH radical, hencethe OH radical concentration increases, causing the ignition delay shortening, cylinder peak pressure andtemperature rising. Besides, addition of CH2O and H2O2 can enhance IMEP directly or indirectly.摘要:采用零維詳細化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型,模擬了分別加入H2O2.CH2O兩種添加劑的甲醇HCCI燃燒,分析了這兩種添加劑對甲醇燃燒的影響。結果表明:H2O2、CH2O在缸內分解產(chǎn)生OH活性基,提高了OH的濃度，甲醇著(zhù)火時(shí)刻提前,并且提高了缸內的壓力和溫度峰值。同時(shí),CH2O能提高平均指示壓力,H2O2通過(guò)控制著(zhù)火時(shí)刻來(lái)影響平均指示壓力的大小。關(guān)鍵詞:內燃機;甲醇;均質(zhì)充量壓燃;添加劑;滯燃期;平均指示壓力Key words: IC engine; methanol; HCCI; additive; ignition delay; IMEP中圍分類(lèi)號: TK464 .文獻標識碼: A燃燒速度比汽油快,有利于燃燒穩定,又具有較高的抗0概述爆性能,可以提高發(fā)動(dòng)機的壓縮比和熱效率,所以甲醇與傳統的點(diǎn)燃式(SI)、壓燃式(CI)燃燒模式相比，是-一種比較理想的HCCI燃燒的代用燃料,但是由于其HCCI燃燒的PM和NO,排放極低,部分負荷時(shí)具有辛烷值高,難以壓燃，在柴油機上使用時(shí)往往要采取輔很高的燃燒效率,但是,著(zhù)火時(shí)刻和燃燒速率難以控助點(diǎn)火措施(2] ,因此制約了它的大規模應用。制,HC、CO排放較高,以及負荷范圍擴展困難,這些化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究表明:CH2O、H2O2是烴類(lèi)燃料都是制約HCCI燃燒方式大規模應用的瓶頸問(wèn)題。.氧化過(guò)程中兩種重要的中間產(chǎn)物,CH2O是碳氬化HCCI燃燒理論的核心是燃燒邊界條件與燃料化學(xué)特合物冷焰反應的主要產(chǎn)物,H2O2是重要活性基OH性的協(xié)同控制1。研究表明:HCCI燃燒是由燃料化的主要來(lái)源,這兩種物質(zhì)對烴類(lèi)燃料的著(zhù)火都有重學(xué)動(dòng)力學(xué)控制的稀薄、低溫燃燒,燃料的化學(xué)特性對要影響。Morsy 等模擬了H2O2 .CH2O對甲烷動(dòng)力HCCI燃燒起決定作用。為此,通過(guò)向缸內添加合適性的影響[8]1 ,Mulenga等人研究了H2O2添加劑對異的添加劑改變燃料的化學(xué)特性來(lái)控制著(zhù)火時(shí)刻和燃辛烷排放的影響。研究表明:CH2O、H2O2對控制燒速率已成為控制HCCI燃燒的-一個(gè)重要途徑。燃料HCCI燃燒著(zhù)火時(shí)刻和燃燒速率有很好效果。甲醇作為汽車(chē)的一種代用燃料,著(zhù)火界限比汽油本文通過(guò)在甲醇中添加這兩種添加劑,從反應機理寬,且能使發(fā)動(dòng)機在混合氣較稀的條件下工作,而且.分析的魚(yú)度探討了它們對甲醇HCCI燃燒的影響，中國煤化工收稿日期: 2009-07-17THCNMHG基金項目:重慶市科委重點(diǎn)資助項目(CSTC,2006AB4005)作者簡(jiǎn)介:王迎(1982-),男 ,博士生,主要研究方向為新能源,E-mal: wy-7850@ 163. com?！?8●內燃機工程2011 年第2期為甲醇的規?；瘧锰峁┙梃b?；瘜W(xué)反應方程為:1計算模型CHOH+. xADD+ 1. 5(O2 + 3.76N2 )→products (3)式中,ADD為添加劑;x為添加劑物質(zhì)的量與甲醇物.1.1模型假設HCCI燃燒過(guò)程中燃燒室內混合氣相對分布均.質(zhì)的量之比;當量比中計算式如下[0]:勻,在燃燒核心區域溫度、濃度的分層對燃燒影響不大,因此可以假設燃燒室中的熱力學(xué)狀態(tài)和溫度、濃(造)。stoih(4)度、壓力均勻,并且燃燒室內氣體為理想混合氣。為(路)簡(jiǎn)化計算,假設內燃機的壓縮和膨脹過(guò)程均完全絕式中,[F]為燃料質(zhì)量;[A]為空氣質(zhì)量; stoich代表熱,不考慮進(jìn).排氣門(mén)關(guān)閉時(shí)的氣體泄漏?；瘜W(xué)計量比。1.2化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型圖1為1400r/min時(shí)缸內壓力試驗結果與計算基于以上的模型假設,本文采用了美國SANDIA結果的對比。由圖1可見(jiàn):計算結果得到的缸內最國家實(shí)驗室的CHEMKIN程序中的SENKIN模塊高燃燒壓力大于試驗結果。這是由于計算假設缸內來(lái)進(jìn)行HCCI燃燒的計算，數值計算采用的甲醇機溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)均勻,忽略了溫度、濃度分層對燃燒理來(lái)自于普林斯頓大學(xué)的研究,包含22種組分.89的影響，此外計算沒(méi)有考慮傳熱損失，因此比試驗結個(gè)基元反應,上述機理經(jīng)過(guò)了大量的試驗驗證[5],在果偏大,但計算的著(zhù)火時(shí)刻和試驗結果基本- -致，這內燃機工況范圍內完全滿(mǎn)足計算要求。表明該計算模型對著(zhù)火時(shí)刻的預測滿(mǎn)足要求。1.3控制方程質(zhì)量控制方程為:12-一計算----試驗dw = vo,W.(1)9dt式中，中為第k種物質(zhì)質(zhì)量分數的變化速率;v為3系統容積;&為基元反應中第k種物質(zhì)的摩爾生成速率;W,為第k種物質(zhì)的摩爾質(zhì)量。.0-150-100-50050100 150能量控制方程為:曲軸轉角/"CAc. + Zed+p2=0(2)圖11400r/min時(shí)缸內壓力計算結果與試驗結果比較式中.c。為比定容熱容，c。= ZiYrcoua;e為第k種2.2甲醇 HCCI燃燒的特征分析組分比熱力學(xué)能;p為系統壓力。根據方程(1)、(2)便.圖2為當量比0.25、初始缸內氣體壓力0. 15可計算出壓力.溫度及各物質(zhì)的反應速率。MPa、轉速1400r/min、進(jìn)氣溫度360K時(shí)的缸內壓力曲線(xiàn)和放熱率曲線(xiàn)。由圖2可知，甲醇恰好在上止點(diǎn)2模擬結果分析附近著(zhù)火,并且和多數烴類(lèi)燃料的放熱率曲線(xiàn)不同，2.1計算結果與試驗結果的比較甲醇的HCCI燃燒放熱并沒(méi)有表現出明顯的兩階段放數值模擬對象為一臺單缸直噴式柴油機,主要熱的特征,燃燒-旦到達快速反應階段,在大約10 °CA技術(shù)參數如表1所示。內放熱全部完成,放熱率曲線(xiàn)表現為單峰值，燃燒持表1柴油機主要技術(shù)參數續期較短,因此,如何控制甲醇的燃燒始點(diǎn)和放熱速項目參數率就成為控制甲醇HCCI燃燒的關(guān)鍵問(wèn)題?；瘜W(xué)動(dòng)力缸徑X行程/mm112X132學(xué)分析表明:甲醇燃燒過(guò)程主要是兩次脫氫過(guò)程和兩排量/L1.3次加氧過(guò)程,其反應途徑如圖3所示。壓縮比17.5燃燒室形狀w型甲醇首朱與H.θ 0H, HO2等活性基完成脫氫進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟/CA BTDC13.5中國煤化工隨后這兩種物質(zhì)被進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉/CA ABDC38.5拿HCN M H GD,再- -次經(jīng)脫氫反排氣門(mén)開(kāi)啟/CA BBDC56.5應,CH2O轉化成HCO,HCO經(jīng)第二次加氧,生成了排氣門(mén)關(guān)閉/CA ATDC11. 52011 年第2期內燃機工程●59●12200091 5001000年4-.37-360 K20-100102030p-0.15MPa +CHfOH曲軸轉角/°CA500-=1 400 r/min + -95%CH2OH+5%H2O2(a)壓力φ-0.25▲ 95%CH2OH+5%CH20-10-551000E圖55%體積比的H2O2和CH2O對溫度的影響復100)感(2.3添加劑對甲醇HCCI燃燒著(zhù)火時(shí)刻的影響16.016.517. 017.518.0為深入研究CH2O.H2O2兩種添加劑對甲醇時(shí)間/msHCCI燃燒的影響，如公式(3)取x=5 %、10 %、(b)放熱率15%.25%,將它們分別加入到缸內,研究這兩種添圖2甲醇HCCI燃燒缸內壓力、放熱率曲線(xiàn)加劑對甲醇燃燒的作用,為避免添加劑的加熱作用對燃燒的影響,取添加劑的初溫與甲醇進(jìn)氣溫度相產(chǎn)物CO,高溫階段最主要的反應即CO與OH自由同，只分析它們的化學(xué)作用?；磻勺罱K產(chǎn)物COr。反應路徑說(shuō)明,CH2O、H2O2是低溫反應產(chǎn)生的最主要兩種活性原子團。12-圖4為幾種主要產(chǎn)物的摩爾分數。由圖4可以看-計算-..試驗出,CHOH著(zhù)火后迅速消耗,與H2Or的分解同時(shí)進(jìn)行,中間產(chǎn)物CH2O物質(zhì)的量升高,最終全部氧化生成穩定的CO2。圖5為分別加入體積比為5%的出H2O2和CH2O的溫度曲線(xiàn)?？梢钥闯?加人這兩種添加劑,著(zhù)火時(shí)刻提前,著(zhù)火始點(diǎn)溫度降低,且在添加量相同條件下,H2O2對著(zhù)火延遲期的影響程度大于-150 -100 -50 0 50 100 150CH2O,說(shuō)明H2O2.CH2O摩爾分數的變化影響了CH,OH的HCCI反應路徑,可以控制甲醇的著(zhù)火時(shí)刻。圖6加入5%H2O2的缸內壓力曲線(xiàn)- +CH2O-CH,0H-P2cH.o0H Hco3 coHco,p=0.15 MPaL +CH2OH- -|vEI 400 r/min圖3甲醇燃燒過(guò)程的化學(xué)動(dòng)力學(xué) 分析7-360K/ I-一不添加-.....1 .. ▲F16x1030.03-●Co-一- 5%H2O,▲CO2-4-10%H2O,▼CHO+12x103顓-- 15%H2O2+ CH,OH1 000k 0.02. H2O2-+- -25%H2O2+8x104g歉0.01f-15 - 10-4x104中國煤化工響曲線(xiàn)JHC NM H GCcr燃燒缸內壓圖4幾種主要產(chǎn)物的摩爾分數力和溫度的影響曲線(xiàn)。由圖可知,H2O2的加入使●60..內燃機工程2011年第2期CH,OH的HCCI燃燒時(shí)刻提前,加入體積比5%的.H2O2,著(zhù)火時(shí)刻提前約10°CA,提前量與H2O2加入.oCH2OH+OH< >CH2OH+H2O量呈正比關(guān)系。H2O2以R163 H2O2+ M < <= >號-5.0x10*2OH+M的形式全部分解成OH活性基,隨著(zhù)添加不添加量的加大,OH摩爾分數不斷提高,如圖8所示，而開(kāi)-1.0x105%H10%H.OOH是最重要的活性基,在甲醇氧化過(guò)程中起至關(guān)1 5%H2O2重要的作用。圖9為OH反應速率曲線(xiàn)?？梢钥?1. 5x10525%H2O2出,0H是參與CH,OH氧化的最重要的活性基,直百-2.0x105接控制了這個(gè)氧化反應速率大小，R151CH,OH+OH<= > > CH2OH+ H2O是最主要 的甲醇脫氫方0. 0140. 015.0.016). 017時(shí)間/s式,從反應開(kāi)始時(shí)刻看，R151與R163幾乎同時(shí)開(kāi)始反應,并且反應速率大小同時(shí)到最大值,也說(shuō)明圖10 CH,OH 反應速率OH主導了甲醇的脫氫反應,OH摩爾分數提高,該反應發(fā)生時(shí)刻必然提前,如圖10所示。反應時(shí)刻提圖11和圖12為CH2O對甲醇HCCI燃燒缸內壓前,但此時(shí)缸內溫度較低,反應速率大小并沒(méi)有隨力和溫度的影響曲線(xiàn)。和H2O2作用相似,加入CH2OOH濃度升高而增大,而是受溫度和活性基濃度共也縮短了甲醇HCCI燃燒滯燃期。比較圖7和圖12,同控制,這也說(shuō)明甲醇著(zhù)火機理是種典型的熱鏈式在體積分數相同的條件下,H2O2對甲醇HCCI燃燒著(zhù)著(zhù)火。綜上分析可知,H2O2摩爾分數升高,提高了火時(shí)刻的調節作用大于CH2O。CH2O大部分通過(guò)反OH濃度,使著(zhù)火時(shí)刻提前。應R157轉化成H2O,小部分由R62OH+CH20<- HO+CHO轉化成CHO,如圖13所示。其3. 0x10-4中,R157生成OH,R62消耗OH,R157比R62反應更T-360 K一不添加2. 5x10 1. =I 400 r/min→-5%H2O2快,最終提高了OH濃度,而OH濃度升高,甲醇著(zhù)火p=0.15 MPa+ 10%H,O2φ=0. 25+15%HO2時(shí)刻自然提前?？梢钥闯?CH2O對甲醇著(zhù)火時(shí)刻的2. 0x10-1- + -25%H2O2影響也是通過(guò)改變OH濃度來(lái)實(shí)現的。1. 5x10+告1.0x10試驗.計算5. 0x10 8i|04 -20二-1010 20曲軸轉角/°CA5-圖8H2O2體積分數對OH摩爾分數影響曲線(xiàn)3t0-R151 CH,OH+OH<->CH.OH+H2O0.6--R163 H2O2+M<=>20H+M-1001000.4邑0.2-圖11加入5%CH:O的缸內壓力曲線(xiàn)圖14為添加劑的加人量對著(zhù)火時(shí)刻的影響曲-0.2-線(xiàn),定義著(zhù)火時(shí)刻為放熱率曲線(xiàn)上升階段對應最大峰值放熱率幅值10 %的時(shí)刻”。從圖中可知，0.4-H2Or .CH2O都具有使著(zhù)火時(shí)刻提前的效果,兩者0.0100. 0150.0200. 025比轉中國煤化工對甲醇著(zhù)火時(shí)刻和IYHCNMH G節OH的濃度來(lái)實(shí)圖9 OH反應速率現的,在添加劑物質(zhì)時(shí)重相同殺件下,H2O2反應釋放的OH濃度明顯高于CH2O,這是兩種添加劑對2011 年第2期內燃機工程●612000 t+H2O22十CH2O1800of1600t--不添加-- 5%CH1 400▲10%CH,Ct 15%CH2O1 200p=0.15MPa←25%CH,O一1 400 r/min「p-0.15MPa1 000網(wǎng)1 400 r/min-10中0.25←0.25800 t7-360K0.05 0.10 0.15 0.200.25添加劑物質(zhì)的量/甲醇燃料物質(zhì)的量-5510(a)進(jìn)氣溫度350K曲軸轉角CA+ H2O2圖12CH2O對甲醇燃燒溫度影響曲線(xiàn)一CH2O-4+R62 CH,O+OH<=>CHO+H,O---1- CH2O+HO<=>CHO+H2O27=360K-10-網(wǎng)l 400 r/mip-0.15 MPa-12-中-0. 25-0.0020 0.05 0.100.150.200.25-0.003-(b)進(jìn)氣溫度360K圖14舔加劑對甲醇 著(zhù)火時(shí)刻的影響-0.0040. 0100.0150.0200.0252000p-0.15MPa時(shí)間/s| 100 r/min| T-360K圖13 CH2O 反應速率1 600ψ0.25甲醇HCCI燃燒不同控制效果的主要原因?！? 10%HO22.4添加劑對平 均指示壓力的影響一10%CH2O ,平均指示壓力(IMEP)是內燃機在-一個(gè)工作循十25%H.O2. 25%CH2O環(huán)中每單位氣缸工作容積活塞所獲得的指示功，表征了內燃機強化程度和工作循環(huán)各階段進(jìn)行的完善-2020程度'0。研究表明:著(zhù)火時(shí)刻對IMEP有重要影響。曲軸轉角/"CA著(zhù)火過(guò)早,活塞壓縮負功增加,指示功降低;著(zhù)火太.圖15采用不同添加劑的溫度曲線(xiàn)遲,燃燒放熱延長(cháng)到膨脹行程后期，熱量利用率低。由于H2O;和CH2O對著(zhù)火時(shí)刻有明顯控制作用,因4種條件下點(diǎn)火時(shí)刻均提前到上止點(diǎn)前，即壓縮此,以下討論了H2O2 和CH2O對IMEP的影響。行程部分混合氣燃燒放熱,且點(diǎn)火越提前,上止點(diǎn)前圖15為分別加入10 %H2Oz .10 %CH,O、25 %燃燒放熱越多,相應的溫度峰值越大。CH,OH燃燒H2O2、25%CH2O4種初始條件下的缸內溫度曲線(xiàn).反應中,CO+OH<= > >CO,+H是最重要的放熱反圖16為對應的指示功。由圖可見(jiàn):H2O2.CH2O提應,這個(gè)反應放出大量熱量,缸內溫度急劇升高。高了缸內溫度的峰值，按溫度峰值從高到低的4種CH:O作為添加劑加入后,最終氧化成CO,提高了添加劑條件排列順序為25 %CH20> 10 %CH20≈缸內CO2總量,相當于直接增加總反應熱量,提高了25 %H2O2> 10%H2O2>不添加;4種初始條件下溫度峰值，雖然著(zhù)火時(shí)刻的提前使活塞壓縮負功有著(zhù)火時(shí)刻均提前到上止點(diǎn)前,壓縮階段均有負功產(chǎn).中國煤化工合效果使IMEP生,壓縮-膨脹行程活塞指示功從高到低的4種添加量上解成dHCNMHG加入H2O2后,分劑條件排列順序為25 %CH20> 10 %CH20>不添只提前到上止點(diǎn)前，加>25 %H2O2>10 %H2O2. .導致活塞壓縮負功增加太多,綜合效果使IMEP呈●62●內.燃機工程2011年第2期1200p=0.15 MPa3結論800 100/min ..(1)添加H2O2和CH2O能讓甲醇著(zhù)火時(shí)刻提.φ=0. 2540前,并且添加量越大,著(zhù)火時(shí)刻提前越多,它們對甲醇HCCI燃燒著(zhù)火時(shí)刻的控制是通過(guò)改變缸內OHo濃度來(lái)實(shí)現的。--不添加→-10%H2O2(2)在添加量相同條件下,H2O2分解產(chǎn)生的←10%CH2,O-800 I-25%H,O2OH濃度高于CH2O,因此,H2O2對甲醇HCCI著(zhù)火.→←-25%CH2O時(shí)刻影響大于CH2O。-12005100150(3)兩種添加劑對溫度峰值和1MEP有重要影曲軸轉角/9CA響。CH2O能增加反應總放熱量，提高了溫度峰值圖16采用不同添 加劑的指示功曲線(xiàn)和IMEP;H2O2通過(guò)控制著(zhù)火時(shí)刻來(lái)影響溫度峰值和IMEP。下降趨勢,即H2O2對溫度峰值和IMEP的影響是通參考文獻:過(guò)改變著(zhù)火時(shí)刻來(lái)實(shí)現的。圖17為4種初始條件下CO2摩爾分數曲線(xiàn)。圖18為IMEP曲線(xiàn)。從兩[1]蘇萬(wàn)華. 新一代內燃機燃燒( HCCI)理論的提出及其關(guān)鍵科學(xué)圖可清楚看出這種趨勢。問(wèn)題[R].合肥;內燃機高新技術(shù)研討會(huì ),2003.[2] KozoleK H, WallaceJS. 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