乙醇燃料改质对HCCI燃烧特性的影响 乙醇燃料改质对HCCI燃烧特性的影响

乙醇燃料改质对HCCI燃烧特性的影响

  • 期刊名字:世界科技研究与发展
  • 文件大小:598kb
  • 论文作者:潘江如,张春化,刘家利
  • 作者单位:长安大学汽车学院, 新疆工程学院
  • 更新时间:2020-09-30
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论文简介

第6期世界科技研究与发展Vol, 352013年12月683-685页WORLD SCI-TECH R&DDec 2013乙醇燃料改质对HCCI燃烧特性的影响潘江如2张春化刘家利(1.长安大学汽车学院,西安710064;2.新疆工程学院,乌鲁木齐830091)摘要:为研究乙醉经过改质后,改质气浓度和改质气进入气缸相位对♂醇HCCⅠ燃烧特性的影响,以一台改造的实验发动机上为模型,用 CHEMKIN4.0软件进行模拟。模拟结果表明,乙醇经过改质后,改质气的主要组分为H2、CO、H2O和OH基;随着改质气浓度的增加,缸内压力升高,燃烧始点提前,缸内最高压力升高;随着改质气进入气缸相位逐渐接近上止点,HCC燃烧始点逐渐推后,缸内的最高压力出现变化,改质气在上止点前14°CA进入气缸,缸内最高压力减小,改质气在上止点前12°CA进入气缸,缸内压力达到最大,随着改质气进入气缸相位逐渐减小,缸内最高压力逐渐减小。因此,在上止点前12°CA进入气缸是较优的相位。关键词:均质压燃、乙醇、燃料改质、改质气浓度、燃烧特性中图分类号:TK421文献标识码: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烧中涉及到的化学动力学问题。本文使用的是“ Closed internal Combustion Engine simulator”,又称为“ IC Engine”,使用的随着我国汽车保有量的增加,汽车成为城市大气环境的反应机理为美国 Lawrence livermore国家实验室公布的乙醇主要污染源,今年北京等城市出现的雾霾等极端天气现象,详细化学动力学机理,在这个机理的基础上,对原有机理进都说明要严格控制汽车的尾气排放,从而实现节能减排,HC-行修改和完善,用于乙醇燃料在线改质的模拟计算CI(均质压燃)燃烧技术由于具有柴油发动机和汽油发动机为进行乙醇燃料的在线改质模拟,建立了本模拟的基本的优势,采用预混合均质混合气、压缩自燃着火的燃烧方模型。模拟所用的发动机是江苏常通高科重工股份有限公式",因此,它可以实现高热效率(高压缩比、减少泵气损司生产的CT2100Q型双缸发动机,基本参数见表1。燃料在失)和超低的碳烟和NOx排放(稀混合气),并成为内燃机领线改质的方法就是通过改质燃料的喷入引起量的变化,上域研究的热点。但是这种燃烧方式也面临着一些技术难点,循环缸内气体的获得实现压力、温度和不同活性反应物的如冷启动困难、燃烧相位难以控制、运行范围过窄等技术难基,通过精确控制喷λ燃料,改变不同时刻(即不同相位)捕点问题。均质压燃的燃烧过程主要受化学反应动力学控制,获上一循环的缸内气体,从而实现对乙醇氧化反应机理的前因此本文提岀用燃料改质对均质压燃的燃烧过程进行控制,两个阶段的直接控制,即反应链引发阶段和活性基积累阶就是希望通过改变燃料的量和温度等参数,从而实现对燃烧段。乙醇和缸内气体在高温和高压的环境下实现部分氧化相位的控制,改变燃烧特性和排放27。改质、改质室内改质和自热重整。获得改质气以后,再在合2模型和初始条件适的时刻将改质室内的气体送入到气缸内,由于改质后的气体组分发生相应的变化,从而引起气缸内的气体组分发生变本文计算软件为美国 Sandia国家实验室所开发的大型化,对乙醇高温氧化反应机理的三个过程实现影响,达到对气相化学反应动力学( Chemical Kinetics)软件 CHEMKIN4.0表1发动机参数是燃烧领域使用较为广泛的一个模拟计算工具,主要计算燃Table 1 parameter of test engine参数名称参数名称值发动机类型直立、四冲程、水冷参中央高校基本科研业务费专项(2013G1502063),陕西省自然科学基础研究计划项目(2012J0Q7031),新疆工程学院博土科研启动基金缸径(72,0(2013BQJ091607),新疆工业高等专科学校科研基金(2010xg071112)冲程(资助E-mailgchzz2@126.com单缸排量(cm3)中国煤化工www.globesci.comCNMHG第683页能源与动力工程世界科技研究与发展2013年12月着火燃烧阶段的有限精确控制,从根本上将化学控制手段和件作为改质室气体的初始温度、压力及组分,设定质燃料乙机械控制手段相结合,实现对HCC燃烧的控制8。醇与改质室截留的气缸排气的摩尔比B=0.12,改质气各主3模拟计算结果要组分及其浓度如表5所示3.3改质气对乙醇HCCⅠ燃烧的影响3.1改质气的组分计算H2、CO、H2O和OH基是改质气的主要组分,由乙醇的反表2所示为n=1200r/min,过量空气系数=3.33,初始应机理可知,OH、CO、H和O基在乙醇的燃烧过程中都扮演进气温度T=392K时,乙醇HCCI发动机在上止点后30°CA着重要的角色,对反应速率和燃烧速度有着重要的影响。利缸内温度,压力及各主要组分摩尔比浓度的情况。以表2中用改变改质气的组分及其进入气缸的比例及相位,便可控制的数据作为改质过程的模拟初始条件,定义改质燃料(乙醇)HCCI的燃烧与改质室截留的气缸排气的摩尔比为β,为了节省计算资3.3.1改质气比例对HCCI燃烧的影响源,提高计算速度,忽略一些次要因素的影响,在实际的改质选取模拟工况为:n=1200r/min,A=3.5,改质气进入气组分中只取体积浓度大于10数量级以上的产物(实际发动机气缸的相位为上止点前10°CA。图1、图2所示为不产物共61种)见表3同改质气比例对缸内燃烧压力的影响。模拟结果表明,加入3.2改质室截留气缸排气相位对改质气组分及浓度的影响改质气后,乙醇HCCI燃烧明显改善。在此工况下,与原机相改质气的生成过程中除了受改质燃料浓度的影响外,还比,随着改质气比例增加,HC燃烧时刻提前,燃烧速度加受到改质室初始温度、压力的影响。改质室初始温度和压力快,燃烧始点提前,缸内的压力瞬间升高。随着改质气比例主要取决与改质室截留气缸排气的相位。表4所示为过量的增加最高压力增加,其对应的曲轴转角也逐渐接近上止空气系数=3.33、发动机转速n=1200r/min初始进气温度点,如图2所示。这是因为随着改质气的引入,缸内的温度7=392K时,乙醇HCC发动机在上止点后不同时刻缸内温压力和物质的量都发生改变,使得基元反应的反应速度变度,压力及各主要组分摩尔比浓度的情况。以表4中5种条快,燃烧速率提高,等容度变大表2上止点后30°CA时气缸内温度、压力及各组分摩尔比Table2 Mole ratio of components, temperature and pressure in cylinder 30 CA after BDC温度/K压力/atmHa O28.0522.685930.040399790.14019450.060594250.7587955表3改质气主要产物及浓度(%)Table 3 Main product and concentration of its in reformed gas( %)体积浓度47.132919740.01420.00010.00012.40691873690.00111.9647表4上止点后各点的缸内温度、压力及各组分(改质前)摩尔比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不同初始条件下改质气(改质后)主要组分及浓度(%)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中国煤化工第684页CNMH Gobesci com2013年12月世界科技研究与发展能源与动力工程6°CA25%纯压缩线纯压缩线曲轴转角/°CA图3气缸压力对比图曲轴转角/°CAFigure 3 Contrast figure of pressure图1气缸压力对比图一最高压力一最高压力对应曲轴转角图4最高压力对比图)改质气进人气缸相位对HCCⅠ燃烧也有一定的影响,图2最高压力对比图改质气进入气缸过早,压缩负功增加(如上止点前14°CA)上止点前12°CA是较好的进气相位。随着改质气进气气缸3.3.2改质气进入气缸相位对HCCⅠ燃烧的影响相位的提前,燃烧始点相应的提前,缸内的压力升高较快。选取模拟工况为:n=1200r/min,A=3.5。图3、图4所示为改质气以不同相位进入发动机气缸压力对比图。由图参考文献可以看出,在图中选取的6个进气相位中,随着改质气进入1]尧命发,刘海峰均质压燃与低温燃烧的燃烧技术研究进展与展气缸相位逐渐接近上止点,HCCI燃烧始点逐渐推后,这是由望[J].汽车工程学报,2012,2(2):7990于改质气进入时刻不同,缸内气体的组分浓度不同,改质气[2]赵伟,张春化,佟娟娟,等,ECR对甲醇HC发动机燃烧与排放加入后对燃烧过程的基元反应的反应速率影响不同。改质的影响[J].长安大学学报(自然科学版),2012,32(4):88-92气在上止点前14CA进入燃烧室时燃烧时刻最早,这是因为3]吴晗,张春化,佟娟娟,等ECR对甲醇HCC发动机性能和运范围的影响[J].长安大学学报(自然科学版),2012,32(5):102改质气在上止点前14°CA进人发动机气缸时,由于改质气带有的热量和各种基团使混合气的反应速率加快,从而燃烧效[4]谢辉,孙艳辉,吴召明基于离子电流的汽油HCCI发动机燃烧相率增加,温度升高,使得混合气的在活塞没有到达上止点前位传感方法[J].天津大学学报,2007,40(9):1089-1093就发生部分燃烧,压缩负功增加,进而抑止了峰值压力的增5谢辉,吴召明,孙艳辉基于内部残余废气的汽油HCCI燃烧过程加;而改质气在上止点前12°CA进入气缸时峰值压力最大离子电流特性[J.天津大学学报,2008,41(5):547-552其原因为在这时刻,改质气进入气缸后,与缸内已有的各种6 JOGAWA H, MIYAMOTO N, KANEKO N,etal. Combustion control基进行反应,基元反应速率迅速增加,缸内压力迅速升高,此and operating range expansion with direct injection of reaction sup-pressors in a premixed DME HCCI engine[C]. SAE Paper,2003-01时活塞开始下行,这也说明改质气在上止点前12°CA进入气0746.2003缸是较好的相位。[7] MARTINEZ-FRIAS J, ACEVES SM, FLOWERS D, et al. equivalence4结论EGR control of HCCI engine operation and potential for transitionto spark-ignited operation[C]. SAE Paper, 2001-01-3613,20011)燃料经过改质后的主要组分为H2、CO、H2O和OH[8]刘家利乙醇均质压燃及燃料改质的模拟研究D].西安:长安大,2009基,根据乙醇的反应机理可知,OH、CO、H和O基在乙醇的燃[9 ALLENBY S, CHANG W C, MEGARITIS A, et al Hydrogen enrich烧过程中都扮演着重要的角色。ment: A way to maintain combustion stability in a natural gas fuelled2)改质气浓度不同对HCCI燃烧的气缸压力和最高压engine with exhaust gas recirculation, the potential of fuel reforming力的影响不同,随着改质气浓度的增加,燃烧始点提前,最高[JJ. Proceedings of the IMECHE, Part D: Journal of Automobile Engi-压力增大,等容度也增大。neering,2001,215H中国煤化工www.globesci.comCNMHG第685页

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