基于相似因子分析法的均質(zhì)預(yù)混壓燃內(nèi)燃機(jī)著火特性分析*

范瑋衛(wèi),徐 珂,白云天

(河南工學(xué)院 車輛與交通工程學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

世界90%以上的一次能源由燃料燃燒提供[1],但這種能源供應(yīng)對環(huán)境的負(fù)面影響極大。近年來,各國學(xué)者為了在嚴(yán)格的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)下滿足不斷增長的使用化石和可再生燃料的可持續(xù)能源生產(chǎn)的需求,開展了大量研究以探索清潔和有效的燃燒技術(shù)[1]。新的燃燒技術(shù)開發(fā)離不開對燃料燃燒特性的分析,多數(shù)燃料的燃燒特性都受其物理和化學(xué)動力學(xué)特性的支配[2]。真實(shí)的燃料成分復(fù)雜,很難有效進(jìn)行建模分析。在研發(fā)過程中,研究者認(rèn)識到可以用有限的、相對簡單的替代燃料來模擬真實(shí)燃料的燃燒行為,從而使對燃料燃燒過程進(jìn)行建模進(jìn)而研究定量排放和性能預(yù)測具有實(shí)際意義[3]。采用適當(dāng)?shù)奶娲剂峡梢院芎玫啬M真實(shí)燃料的熱物理、熱化學(xué)和化學(xué)動力學(xué)性質(zhì),以更好地理解燃料燃燒特性,并進(jìn)行有效實(shí)驗(yàn)和化學(xué)動力學(xué)研究[2]。

從化學(xué)動力學(xué)機(jī)理方面對燃料著火特性進(jìn)行分析有助于燃燒裝置設(shè)計(jì)[4],從而提高內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排潛力。目前,化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理的數(shù)值模擬結(jié)果與廣泛的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比驗(yàn)證才能證明其預(yù)測能力[5]。為了了解各種燃料的著火特性,目前的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)主要包括激波管(ST)、速壓機(jī)(RCM)、定容彈(CVB)、攪拌反應(yīng)器(JSR)等方法,可驗(yàn)證著火延遲(ID)、層流火焰速度(LFS)、物質(zhì)濃度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。而可采用的分析方法主要有靈敏度分析、反應(yīng)途徑和產(chǎn)率分析、峰值濃度分析以及ID相關(guān)性分析等。目前主流的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理有詳細(xì)機(jī)理、簡化機(jī)理及極致簡化的骨架機(jī)理。將計(jì)算時(shí)間納入建模實(shí)際需求時(shí),簡化機(jī)理替代詳細(xì)機(jī)理是可行且必要的[6]。而更精簡的骨架機(jī)理因整體性能好、數(shù)值穩(wěn)定性強(qiáng)及計(jì)算時(shí)間短等優(yōu)勢,非常適合大型燃燒模擬計(jì)算[7]。

不論何種機(jī)理結(jié)構(gòu),隨著實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的更新,更精確的熱力學(xué)和反應(yīng)速率參數(shù)都要求化學(xué)動力學(xué)機(jī)理的修正和更新[5]。而不同參數(shù)在不同反應(yīng)中的作用也不盡相同。就目前而言,ST+RCM是驗(yàn)證ID的主要方式[8]。但是只有匹配實(shí)際內(nèi)燃機(jī)需求的機(jī)理,才能為提高內(nèi)燃機(jī)燃燒效率和降低污染物排放指明方向[9]。在各類型內(nèi)燃機(jī)中,均質(zhì)預(yù)混壓燃內(nèi)燃機(jī)(HCCI)在低溫環(huán)境下,以較低的傳熱損失提供更高的熱效率和更佳的燃油經(jīng)濟(jì)性[10,11],并且減少了氮氧化物和顆粒物的排放[12]。本研究將著重探討適用于均質(zhì)預(yù)混壓燃內(nèi)燃機(jī)的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理構(gòu)建問題。

通常燃料的著火特性包括:自燃溫度、著火延遲和低/中/高溫著火。而化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理是研究后兩者的關(guān)鍵所在。但是針對同一燃料的同一特性,如ID,不同文獻(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理預(yù)測結(jié)果可能存在差異[13]。因?yàn)椴煌瑱C(jī)理在選擇速率等常數(shù)時(shí),主要是依據(jù)實(shí)驗(yàn)和理論數(shù)據(jù)評估得出[14]。這就導(dǎo)致兩方面問題:一方面,隨著新實(shí)驗(yàn)結(jié)果的出現(xiàn),舊的機(jī)理必須進(jìn)行更新和調(diào)整,并進(jìn)行預(yù)測比較,才能提高模型預(yù)測能力[8];另一方面,如果缺乏合適的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理也很難被建立和發(fā)展[15]。而且,基于ST+RCM的ID數(shù)據(jù)驗(yàn)證完善的機(jī)理,識別范圍同樣有限制條件[4]。基于實(shí)際內(nèi)燃機(jī)燃料燃燒數(shù)據(jù)得出的機(jī)理相對稀少,而直接用上述機(jī)理表述內(nèi)燃機(jī)中燃料著火特性,通常結(jié)果并不理想[16]。這說明不同機(jī)理在不同條件下預(yù)測性能不同且變化很大,需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境不斷調(diào)整[17]。由于各研究小組有各自的調(diào)整方法,方法側(cè)重不同也會導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果出現(xiàn)差異。

由于燃料著火和燃燒過程受其化學(xué)動力學(xué)特性影響較大[18],因此,在機(jī)理構(gòu)建之初,就需要深入了解相關(guān)化學(xué)反應(yīng)作用機(jī)制[19]。同時(shí),反應(yīng)條件也對ID等著火特性預(yù)測有著顯著影響。結(jié)合以上研究,在不同條件下,不同反應(yīng)器中,不同機(jī)理對不同預(yù)測目標(biāo)的預(yù)測存在差異。不論是傳統(tǒng)調(diào)整更新還是自動優(yōu)化都是后端改善,而前端優(yōu)化措施研究則剛剛興起。

如何制定有效策略來篩選合適的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[4]是構(gòu)建機(jī)理的基礎(chǔ)問題。課題組在前期研究中基于靈敏度和反應(yīng)途徑分析構(gòu)建了相似因子分析法,它是深入了解燃料著火和熱解動力學(xué)過程的關(guān)鍵,有利于機(jī)理建模,也是比較分析和改進(jìn)優(yōu)化機(jī)理的有效方法[20]。同時(shí),根據(jù)Konnov等人[21]的建議,對不同燃料在特定工況下進(jìn)行聚焦測量,由所得實(shí)驗(yàn)條件構(gòu)建的機(jī)理更具精確性。而對組合數(shù)據(jù)采用一致性分析以及相關(guān)性分析,可以突出參數(shù)修改和機(jī)理改進(jìn)的可能方向[22]。Cheng等人.()[23]在研究燃料在內(nèi)燃機(jī)中的排放特性時(shí),也基于敏感性和路徑分析方法進(jìn)行了對比研究,并用Φ-T圖研究了不同燃料的ID預(yù)測差異。

本研究基于課題組前期提出的相似因子分析方法[20],來評價(jià)模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性,從而為構(gòu)建適用于均質(zhì)預(yù)混壓燃內(nèi)燃機(jī)的機(jī)理提供更有效的指導(dǎo)信息。鑒于不同方法的構(gòu)建核心思路不同,本研究優(yōu)先就“解耦法”.()[24]進(jìn)行有針對性的分析。根據(jù)“解耦法”特點(diǎn),嘗試推導(dǎo)出能用于驗(yàn)證同時(shí)適用ST和均質(zhì)預(yù)混壓燃內(nèi)燃機(jī)中著火特性分析的合理工況。

1 模型描述及驗(yàn)證

基于燃料在均質(zhì)預(yù)混壓燃內(nèi)燃機(jī)中的著火延遲分析,本研究視缸內(nèi)工況符合均質(zhì)預(yù)混壓燃條件,計(jì)算單元內(nèi)參數(shù)均勻,且忽略流體因素,最終利用相對高效的單區(qū)模型結(jié)合著火時(shí)刻預(yù)測模型來完成數(shù)值模擬計(jì)算工作。

1.1 單區(qū)模型

單區(qū)模型將整個缸體內(nèi)的溫度、壓力和組分等參數(shù)視為完全均勻的,并以此代表燃燒的核心區(qū)域,從而求出均質(zhì)預(yù)混壓燃的著火定時(shí)、放熱率等參數(shù)。采用單區(qū)模型還需要將燃燒室內(nèi)氣體視為理想氣體,忽略動能和勢能,并保持質(zhì)量恒定。單區(qū)模型由控制方程和傳熱模型組成。

1.1.1 控制方程

Q=ΔU+W

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

1.1.2 傳熱模型

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

本研究基于課題組前期研究…[20],通過相似因子分析法(公式組如下)來定量評估大分子反應(yīng)影響著火特性程度,以及不同反應(yīng)器內(nèi)燃料著火特性相似度。

(15)

(16)

Similarity Factor

(17)

其中，Seni是反應(yīng)i的敏感系數(shù)，τi,+和τi,-為反應(yīng)i的指前因子倍調(diào)后的著火延遲數(shù)據(jù)，而k+和k-分別取為2.0和0.5的倍調(diào)系數(shù)，Senmax是絕對最大敏感系數(shù)。反應(yīng)i在Tj下，ST標(biāo)準(zhǔn)敏感系數(shù)為SST,Tk,i；均質(zhì)預(yù)混壓燃內(nèi)燃機(jī)標(biāo)準(zhǔn)敏感系數(shù)為SHCCI,Tj,i；N是參與對比分析的反應(yīng)數(shù)。

1.2 計(jì)算網(wǎng)格

研究采用KIVA-3V模型模擬均質(zhì)預(yù)混壓燃過程,耦合Chemkin Pro實(shí)現(xiàn)機(jī)理計(jì)算。研究聚焦放熱率、溫度、當(dāng)量比、壓力等參數(shù)變化對著火特性影響,故采用如圖1所示的1/7氣缸網(wǎng)格進(jìn)行模擬研究,利用合理的網(wǎng)格數(shù),在保持預(yù)測精度和控制計(jì)算成本基礎(chǔ)上,提高計(jì)算效率。

圖1 本研究所采用的計(jì)算網(wǎng)格

1.3 機(jī)理篩選及均質(zhì)預(yù)混壓燃驗(yàn)證

本研究首先利用劉耀東等人[26]的PRF骨架機(jī)理,在Dempsey等人[25]實(shí)驗(yàn)工況(如表1)下模擬分析壓力和放熱率的變化趨勢。模擬預(yù)測與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比對部分結(jié)果如圖2所示(實(shí)線為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[25],虛線為采用劉耀東等人[26]機(jī)理的預(yù)測結(jié)果)。從圖2可以看出,盡管該機(jī)理已經(jīng)過嚴(yán)格的基礎(chǔ)反應(yīng)器驗(yàn)證,具備良好的預(yù)測精度,但仍難以得到很好的實(shí)際內(nèi)燃機(jī)燃燒特性預(yù)測精度。因?yàn)樵跀?shù)值模擬中,各參數(shù)調(diào)整僅可改變壓力變化趨勢,即可以擬合壓力曲線較準(zhǔn),但數(shù)值模擬的放熱率數(shù)據(jù)會出現(xiàn)偏差。根據(jù)圖中結(jié)果可得出該機(jī)理適配溫度區(qū)域低于385℃,適配的進(jìn)氣提前角也有限。

表1 均質(zhì)預(yù)混壓燃實(shí)驗(yàn)參數(shù)和運(yùn)行工況[25]

本研究經(jīng)過反復(fù)篩選,最終利用常亞超等人[27]的PRF骨架機(jī)理,較為準(zhǔn)確地預(yù)測了Dempsey等人[25]的測量結(jié)果(如圖3)。如圖3所示(實(shí)線為實(shí)驗(yàn)值[25],虛線為Chang等人機(jī)理[27]預(yù)測值),通過耦合CFD模型及上述機(jī)理計(jì)算所得壓力曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。不過在預(yù)測放熱率時(shí),模擬數(shù)值略有偏差。該現(xiàn)象是基于兩種數(shù)據(jù)對放熱率定義偏差造成的:模擬計(jì)算時(shí)采用由放熱量減去壁面熱交換量求出放熱率;而實(shí)驗(yàn)通常根據(jù)壓力測量信號導(dǎo)出放熱率數(shù)據(jù),且壓力取均值忽略局部差異。盡管存在少量偏差,不過本研究基于CA10著火時(shí)刻的預(yù)測精度符合后續(xù)分析要求。

圖2 不同工況下壓力和放熱率變化圖

圖3 不同工況下壓力和放熱率變化圖

2 均質(zhì)預(yù)混壓燃內(nèi)燃機(jī)與激波管共性分析

根據(jù)上述工作擬定的計(jì)算模型,本節(jié)研究基于相似因子分析法,利用PRF機(jī)理在基礎(chǔ)反應(yīng)器和內(nèi)燃機(jī)中的敏感性數(shù)據(jù),研究化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)對均質(zhì)預(yù)混壓燃過程的影響。

2.1 敏感性分析

本節(jié)研究首先定義上止點(diǎn)后-132°為進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻,定義CA10放熱率時(shí)刻為內(nèi)燃機(jī)著火時(shí)刻。同時(shí),出于優(yōu)化算力目的,結(jié)合解耦法特性以大分子子機(jī)理(如表2)作為研究核心。以不同反應(yīng)器內(nèi)化學(xué)反應(yīng)敏感性系數(shù)作為分析基礎(chǔ)。由于實(shí)際化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)影響內(nèi)燃機(jī)和激波管程度相差較大,故引入歸一公式(16)對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一處理,以消除量級差、統(tǒng)一影響度。

表2 PRF大分子子機(jī)理

異辛烷子機(jī)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

圖4為不同條件下、不同反應(yīng)器中PRF骨架機(jī)理歸一化敏感性系數(shù)比較結(jié)果。計(jì)算基于內(nèi)燃機(jī)放熱起始點(diǎn)工況分別計(jì)算激波管著火延遲和均質(zhì)預(yù)混壓燃著火時(shí)刻受化學(xué)反應(yīng)影響數(shù)據(jù)。PRF比例影響正庚烷和異辛烷大分子子機(jī)理作用。如圖所示,反應(yīng)式(R4)、(R5)、(R8)、(R11)和(R13)對著火特性影響程度較高,且經(jīng)過歸一處理后,化學(xué)反應(yīng)式在兩反應(yīng)器中的影響程度具備可比性,這是相似因子分析法的基礎(chǔ)。

圖4 PRF骨架機(jī)理歸一化敏感性系數(shù)圖

2.2 相似度分析

利用課題組提出的相似因子分析法大分子機(jī)理影響兩種反應(yīng)器著火特性的敏感系數(shù)對比,將由相似度計(jì)算(公式17)所得數(shù)據(jù)以色度區(qū)分于圖5中。如圖所示,以紅色度集中區(qū)域?yàn)橹?將高相似度數(shù)據(jù)歸納于表3,基本描述了在溫度、壓力、當(dāng)量比三種基本參數(shù)影響下,兩反應(yīng)器中著火特性相似因子分布特性。

圖5 均質(zhì)預(yù)混壓燃內(nèi)燃機(jī)與激波管敏感性系數(shù)相似因子分布圖

根據(jù)圖5和表3所示數(shù)據(jù),低當(dāng)量比情況下,在寬溫度區(qū)域均具備高相似度。而化學(xué)當(dāng)量比的高相似度溫區(qū)略有集中,但基本符合NTC工況,這與前期研究一致[20]。同時(shí),壓力≥15 atm區(qū)間的相似因子數(shù)值較高?；赟T模擬參數(shù)對比分析,對化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的影響程度:溫度>當(dāng)量比>壓力,且壓力隨溫度下降而下降。總之,基于本研究所用大分子子機(jī)理測算的相似因子在ID的NTC區(qū)間數(shù)值較高,且偏向高壓側(cè),符合均質(zhì)預(yù)混壓燃內(nèi)燃機(jī)高壓特性。在NTC區(qū)間,偏高壓工況下,本文所用PRF骨架機(jī)理對ID和均質(zhì)預(yù)混壓燃內(nèi)燃機(jī)著火時(shí)刻影響趨勢一致,說明該反應(yīng)條件是構(gòu)建符合均質(zhì)預(yù)混壓燃內(nèi)燃機(jī)預(yù)測著火特性的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理基準(zhǔn)工況。

根據(jù)上述研究,篩選部分高相似因子工況測算機(jī)理影響著火特性數(shù)據(jù),并對比于圖6?？梢钥闯?每個反應(yīng)在兩反應(yīng)器中的影響程度經(jīng)過歸一處理后基本吻合。由此可知,基于相似因子分析法篩選出的基準(zhǔn)工況,是驗(yàn)證適用于多工況下不同反應(yīng)器的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理的關(guān)鍵。

圖6 高相似因子對比圖

3 結(jié)論

本研究經(jīng)過篩選,采用由Chang等人[27]構(gòu)建的PRF骨架機(jī)理準(zhǔn)確預(yù)測了Dempsey等人[25]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并確定了相似因子分析所需機(jī)理。利用該P(yáng)RF骨架機(jī)理對比不同反應(yīng)器的歸一化敏感性系數(shù),確定影響明顯的反應(yīng)式為:(R4)、(R5)、(R8)、(R11)和(R13)。然后用相似因子分析法,確認(rèn)該P(yáng)RF機(jī)理在NTC區(qū)間、偏高壓工況下,分別對激波燃燒和均質(zhì)預(yù)混壓燃過程的著火特性影響高度相似。這與前期研究結(jié)果一致。同時(shí),認(rèn)為ST驗(yàn)證條件中,相似度受壓力影響最小,當(dāng)量比次之,溫度是主要影響因素,且壓力的影響程度隨溫度下降而降低。在相似因子篩選出的反應(yīng)條件下,經(jīng)過激波管著火延遲驗(yàn)證的機(jī)理對均質(zhì)預(yù)混壓燃內(nèi)燃機(jī)中著火時(shí)刻的數(shù)值模擬具備更高的參考價(jià)值。