添加剂对甲醇均质充量压燃燃烧的影响

第32卷第2期内燃机工程Vol. 32 No. 22011年4月Chinese Internal Combustion Engine EngineeringApril. 2011文章编号:1000- 0925(2011) 02 -0057-06320029添加剂对甲醇均质充量压燃燃烧的影响王迎,郑朝蕾,何祖威,张庆峰(重庆大学动力工程学院,重庆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:采用零维详细化学动力学模型,模拟了分别加入H2O2.CH2O两种添加剂的甲醇HCCI燃烧,分析了这两种添加剂对甲醇燃烧的影响。结果表明:H2O2、CH2O在缸内分解产生OH活性基,提高了OH的浓度，甲醇着火时刻提前,并且提高了缸内的压力和温度峰值。同时,CH2O能提高平均指示压力,H2O2通过控制着火时刻来影响平均指示压力的大小。关键词:内燃机;甲醇;均质充量压燃;添加剂;滞燃期;平均指示压力Key words: IC engine; methanol; HCCI; additive; ignition delay; IMEP中围分类号: TK464 .文献标识码: A燃烧速度比汽油快,有利于燃烧稳定,又具有较高的抗0概述爆性能,可以提高发动机的压缩比和热效率,所以甲醇与传统的点燃式(SI)、压燃式(CI)燃烧模式相比，是-一种比较理想的HCCI燃烧的代用燃料,但是由于其HCCI燃烧的PM和NO,排放极低,部分负荷时具有辛烷值高,难以压燃，在柴油机上使用时往往要采取辅很高的燃烧效率,但是,着火时刻和燃烧速率难以控助点火措施(2] ,因此制约了它的大规模应用。制,HC、CO排放较高,以及负荷范围扩展困难,这些化学动力学研究表明:CH2O、H2O2是烃类燃料都是制约HCCI燃烧方式大规模应用的瓶颈问题。.氧化过程中两种重要的中间产物,CH2O是碳氬化HCCI燃烧理论的核心是燃烧边界条件与燃料化学特合物冷焰反应的主要产物,H2O2是重要活性基OH性的协同控制1。研究表明:HCCI燃烧是由燃料化的主要来源,这两种物质对烃类燃料的着火都有重学动力学控制的稀薄、低温燃烧,燃料的化学特性对要影响。Morsy 等模拟了H2O2 .CH2O对甲烷动力HCCI燃烧起决定作用。为此,通过向缸内添加合适性的影响[8]1 ,Mulenga等人研究了H2O2添加剂对异的添加剂改变燃料的化学特性来控制着火时刻和燃辛烷排放的影响。研究表明:CH2O、H2O2对控制烧速率已成为控制HCCI燃烧的-一个重要途径。燃料HCCI燃烧着火时刻和燃烧速率有很好效果。甲醇作为汽车的一种代用燃料,着火界限比汽油本文通过在甲醇中添加这两种添加剂,从反应机理宽,且能使发动机在混合气较稀的条件下工作,而且.分析的鱼度探讨了它们对甲醇HCCI燃烧的影响，中国煤化工收稿日期: 2009-07-17THCNMHG基金项目:重庆市科委重点资助项目(CSTC,2006AB4005)作者简介:王迎(1982-),男 ,博士生,主要研究方向为新能源,E-mal: wy-7850@ 163. com。●58●内燃机工程2011 年第2期为甲醇的规模化应用提供借鉴。化学反应方程为:1计算模型CHOH+. xADD+ 1. 5(O2 + 3.76N2 )→products (3)式中,ADD为添加剂;x为添加剂物质的量与甲醇物.1.1模型假设HCCI燃烧过程中燃烧室内混合气相对分布均.质的量之比;当量比中计算式如下[0]:匀,在燃烧核心区域温度、浓度的分层对燃烧影响不大,因此可以假设燃烧室中的热力学状态和温度、浓(造)。stoih(4)度、压力均匀,并且燃烧室内气体为理想混合气。为(路)简化计算,假设内燃机的压缩和膨胀过程均完全绝式中,[F]为燃料质量;[A]为空气质量; stoich代表热,不考虑进.排气门关闭时的气体泄漏。化学计量比。1.2化学动力学模型图1为1400r/min时缸内压力试验结果与计算基于以上的模型假设,本文采用了美国SANDIA结果的对比。由图1可见:计算结果得到的缸内最国家实验室的CHEMKIN程序中的SENKIN模块高燃烧压力大于试验结果。这是由于计算假设缸内来进行HCCI燃烧的计算，数值计算采用的甲醇机温度场、浓度场均匀,忽略了温度、浓度分层对燃烧理来自于普林斯顿大学的研究,包含22种组分.89的影响，此外计算没有考虑传热损失，因此比试验结个基元反应,上述机理经过了大量的试验验证[5],在果偏大,但计算的着火时刻和试验结果基本- -致，这内燃机工况范围内完全满足计算要求。表明该计算模型对着火时刻的预测满足要求。1.3控制方程质量控制方程为:12-一计算----试验dw = vo,W.(1)9dt式中，中为第k种物质质量分数的变化速率;v为3系统容积;&为基元反应中第k种物质的摩尔生成速率;W,为第k种物质的摩尔质量。.0-150-100-50050100 150能量控制方程为:曲轴转角/"CAc. + Zed+p2=0(2)图11400r/min时缸内压力计算结果与试验结果比较式中.c。为比定容热容，c。= ZiYrcoua;e为第k种2.2甲醇 HCCI燃烧的特征分析组分比热力学能;p为系统压力。根据方程(1)、(2)便.图2为当量比0.25、初始缸内气体压力0. 15可计算出压力.温度及各物质的反应速率。MPa、转速1400r/min、进气温度360K时的缸内压力曲线和放热率曲线。由图2可知，甲醇恰好在上止点2模拟结果分析附近着火,并且和多数烃类燃料的放热率曲线不同，2.1计算结果与试验结果的比较甲醇的HCCI燃烧放热并没有表现出明显的两阶段放数值模拟对象为一台单缸直喷式柴油机,主要热的特征,燃烧-旦到达快速反应阶段,在大约10 °CA技术参数如表1所示。内放热全部完成,放热率曲线表现为单峰值，燃烧持表1柴油机主要技术参数续期较短,因此,如何控制甲醇的燃烧始点和放热速项目参数率就成为控制甲醇HCCI燃烧的关键问题。化学动力缸径X行程/mm112X132学分析表明:甲醇燃烧过程主要是两次脱氢过程和两排量/L1.3次加氧过程,其反应途径如图3所示。压缩比17.5燃烧室形状w型甲醇首朱与H.θ 0H, HO2等活性基完成脱氢进气门开启/CA BTDC13.5中国煤化工随后这两种物质被进气门关闭/CA ABDC38.5拿HCN M H GD,再- -次经脱氢反排气门开启/CA BBDC56.5应,CH2O转化成HCO,HCO经第二次加氧,生成了排气门关闭/CA ATDC11. 52011 年第2期内燃机工程●59●12200091 5001000年4-.37-360 K20-100102030p-0.15MPa +CHfOH曲轴转角/°CA500-=1 400 r/min + -95%CH2OH+5%H2O2(a)压力φ-0.25▲ 95%CH2OH+5%CH20-10-551000E图55%体积比的H2O2和CH2O对温度的影响复100)感(2.3添加剂对甲醇HCCI燃烧着火时刻的影响16.016.517. 017.518.0为深入研究CH2O.H2O2两种添加剂对甲醇时间/msHCCI燃烧的影响，如公式(3)取x=5 %、10 %、(b)放热率15%.25%,将它们分别加入到缸内,研究这两种添图2甲醇HCCI燃烧缸内压力、放热率曲线加剂对甲醇燃烧的作用,为避免添加剂的加热作用对燃烧的影响,取添加剂的初温与甲醇进气温度相产物CO,高温阶段最主要的反应即CO与OH自由同，只分析它们的化学作用。基反应生成最终产物COr。反应路径说明,CH2O、H2O2是低温反应产生的最主要两种活性原子团。12-图4为几种主要产物的摩尔分数。由图4可以看-计算-..试验出,CHOH着火后迅速消耗,与H2Or的分解同时进行,中间产物CH2O物质的量升高,最终全部氧化生成稳定的CO2。图5为分别加入体积比为5%的出H2O2和CH2O的温度曲线。可以看出,加人这两种添加剂,着火时刻提前,着火始点温度降低,且在添加量相同条件下,H2O2对着火延迟期的影响程度大于-150 -100 -50 0 50 100 150CH2O,说明H2O2.CH2O摩尔分数的变化影响了CH,OH的HCCI反应路径,可以控制甲醇的着火时刻。图6加入5%H2O2的缸内压力曲线- +CH2O-CH,0H-P2cH.o0H Hco3 coHco,p=0.15 MPaL +CH2OH- -|vEI 400 r/min图3甲醇燃烧过程的化学动力学 分析7-360K/ I-一不添加-.....1 .. ▲F16x1030.03-●Co-一- 5%H2O,▲CO2-4-10%H2O,▼CHO+12x103颛-- 15%H2O2+ CH,OH1 000k 0.02. H2O2-+- -25%H2O2+8x104g歉0.01f-15 - 10-4x104中国煤化工响曲线JHC NM H GCcr燃烧缸内压图4几种主要产物的摩尔分数力和温度的影响曲线。由图可知,H2O2的加入使●60..内燃机工程2011年第2期CH,OH的HCCI燃烧时刻提前,加入体积比5%的.H2O2,着火时刻提前约10°CA,提前量与H2O2加入.oCH2OH+OH< >CH2OH+H2O量呈正比关系。H2O2以R163 H2O2+ M < <= >号-5.0x10*2OH+M的形式全部分解成OH活性基,随着添加不添加量的加大,OH摩尔分数不断提高,如图8所示，而开-1.0x105%H10%H.OOH是最重要的活性基,在甲醇氧化过程中起至关1 5%H2O2重要的作用。图9为OH反应速率曲线。可以看-1. 5x10525%H2O2出,0H是参与CH,OH氧化的最重要的活性基,直百-2.0x105接控制了这个氧化反应速率大小，R151CH,OH+OH<= > > CH2OH+ H2O是最主要 的甲醇脱氢方0. 0140. 015.0.016). 017时间/s式,从反应开始时刻看，R151与R163几乎同时开始反应,并且反应速率大小同时到最大值,也说明图10 CH,OH 反应速率OH主导了甲醇的脱氢反应,OH摩尔分数提高,该反应发生时刻必然提前,如图10所示。反应时刻提图11和图12为CH2O对甲醇HCCI燃烧缸内压前,但此时缸内温度较低,反应速率大小并没有随力和温度的影响曲线。和H2O2作用相似,加入CH2OOH浓度升高而增大,而是受温度和活性基浓度共也缩短了甲醇HCCI燃烧滞燃期。比较图7和图12,同控制,这也说明甲醇着火机理是种典型的热链式在体积分数相同的条件下,H2O2对甲醇HCCI燃烧着着火。综上分析可知,H2O2摩尔分数升高,提高了火时刻的调节作用大于CH2O。CH2O大部分通过反OH浓度,使着火时刻提前。应R157转化成H2O,小部分由R62OH+CH20<- HO+CHO转化成CHO,如图13所示。其3. 0x10-4中,R157生成OH,R62消耗OH,R157比R62反应更T-360 K一不添加2. 5x10 1. =I 400 r/min→-5%H2O2快,最终提高了OH浓度,而OH浓度升高,甲醇着火p=0.15 MPa+ 10%H,O2φ=0. 25+15%HO2时刻自然提前。可以看出,CH2O对甲醇着火时刻的2. 0x10-1- + -25%H2O2影响也是通过改变OH浓度来实现的。1. 5x10+告1.0x10试验.计算5. 0x10 8i|04 -20二-1010 20曲轴转角/°CA5-图8H2O2体积分数对OH摩尔分数影响曲线3t0-R151 CH,OH+OH<->CH.OH+H2O0.6--R163 H2O2+M<=>20H+M-1001000.4邑0.2-图11加入5%CH:O的缸内压力曲线图14为添加剂的加人量对着火时刻的影响曲-0.2-线,定义着火时刻为放热率曲线上升阶段对应最大峰值放热率幅值10 %的时刻”。从图中可知，0.4-H2Or .CH2O都具有使着火时刻提前的效果,两者0.0100. 0150.0200. 025比转中国煤化工对甲醇着火时刻和IYHCNMH G节OH的浓度来实图9 OH反应速率现的,在添加剂物质时重相同杀件下,H2O2反应释放的OH浓度明显高于CH2O,这是两种添加剂对2011 年第2期内燃机工程●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网1 400 r/min-10中0.25←0.25800 t7-360K0.05 0.10 0.15 0.200.25添加剂物质的量/甲醇燃料物质的量-5510(a)进气温度350K曲轴转角CA+ H2O2图12CH2O对甲醇燃烧温度影响曲线一CH2O-4+R62 CH,O+OH<=>CHO+H,O---1- CH2O+HO<=>CHO+H2O27=360K-10-网l 400 r/mip-0.15 MPa-12-中-0. 25-0.0020 0.05 0.100.150.200.25-0.003-(b)进气温度360K图14舔加剂对甲醇 着火时刻的影响-0.0040. 0100.0150.0200.0252000p-0.15MPa时间/s| 100 r/min| T-360K图13 CH2O 反应速率1 600ψ0.25甲醇HCCI燃烧不同控制效果的主要原因。→- 10%HO22.4添加剂对平 均指示压力的影响一10%CH2O ,平均指示压力(IMEP)是内燃机在-一个工作循十25%H.O2. 25%CH2O环中每单位气缸工作容积活塞所获得的指示功，表征了内燃机强化程度和工作循环各阶段进行的完善-2020程度'0。研究表明:着火时刻对IMEP有重要影响。曲轴转角/"CA着火过早,活塞压缩负功增加,指示功降低;着火太.图15采用不同添加剂的温度曲线迟,燃烧放热延长到膨胀行程后期，热量利用率低。由于H2O;和CH2O对着火时刻有明显控制作用,因4种条件下点火时刻均提前到上止点前，即压缩此,以下讨论了H2O2 和CH2O对IMEP的影响。行程部分混合气燃烧放热,且点火越提前,上止点前图15为分别加入10 %H2Oz .10 %CH,O、25 %燃烧放热越多,相应的温度峰值越大。CH,OH燃烧H2O2、25%CH2O4种初始条件下的缸内温度曲线.反应中,CO+OH<= > >CO,+H是最重要的放热反图16为对应的指示功。由图可见:H2O2.CH2O提应,这个反应放出大量热量,缸内温度急剧升高。高了缸内温度的峰值，按温度峰值从高到低的4种CH:O作为添加剂加入后,最终氧化成CO,提高了添加剂条件排列顺序为25 %CH20> 10 %CH20≈缸内CO2总量,相当于直接增加总反应热量,提高了25 %H2O2> 10%H2O2>不添加;4种初始条件下温度峰值，虽然着火时刻的提前使活塞压缩负功有着火时刻均提前到上止点前,压缩阶段均有负功产.中国煤化工合效果使IMEP生,压缩-膨胀行程活塞指示功从高到低的4种添加量上解成dHCNMHG加入H2O2后,分剂条件排列顺序为25 %CH20> 10 %CH20>不添只提前到上止点前，加>25 %H2O2>10 %H2O2. .导致活塞压缩负功增加太多,综合效果使IMEP呈●62●内.燃机工程2011年第2期1200p=0.15 MPa3结论800 100/min ..(1)添加H2O2和CH2O能让甲醇着火时刻提.φ=0. 2540前,并且添加量越大,着火时刻提前越多,它们对甲醇HCCI燃烧着火时刻的控制是通过改变缸内OHo浓度来实现的。--不添加→-10%H2O2(2)在添加量相同条件下,H2O2分解产生的←10%CH2,O-800 I-25%H,O2OH浓度高于CH2O,因此,H2O2对甲醇HCCI着火.→←-25%CH2O时刻影响大于CH2O。-12005100150(3)两种添加剂对温度峰值和1MEP有重要影曲轴转角/9CA响。CH2O能增加反应总放热量，提高了温度峰值图16采用不同添 加剂的指示功曲线和IMEP;H2O2通过控制着火时刻来影响温度峰值和IMEP。下降趋势,即H2O2对温度峰值和IMEP的影响是通参考文献:过改变着火时刻来实现的。图17为4种初始条件下CO2摩尔分数曲线。图18为IMEP曲线。从两[1]苏万华. 新一代内燃机燃烧( HCCI)理论的提出及其关键科学图可清楚看出这种趋势。问题[R].合肥;内燃机高新技术研讨会,2003.[2] KozoleK H, WallaceJS. 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