微型內(nèi)燃機(jī)工況下C1-C4烷烴著火延遲數(shù)值模擬*

張云路，霍杰鵬，蔣利橋?，李 星，趙黛青

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3. 中國科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；4. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

微型內(nèi)燃機(jī)工況下C1-C4烷烴著火延遲數(shù)值模擬*

張云路1，2，3，4，霍杰鵬1，3，4，蔣利橋1，3，4?，李 星1，3，4，趙黛青1，3，4

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3. 中國科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；4. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

燃料著火延遲時間對采用蓄熱自著火方式的微型內(nèi)燃機(jī)非常重要。利用Chemkin-Pro軟件，分別對甲烷、乙烷、丙烷和正丁烷空氣混合氣在微型內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行工況下進(jìn)行著火延遲時間模擬計算，探究初始溫度（500 K ～1 000 K）、壓力（1～10 atm）和當(dāng)量比（0.6～1.2）對著火延遲時間的影響。同時分析了微型內(nèi)燃機(jī)掃氣不盡的尾氣殘留組分（N2、CO2和H2O）對正丁烷著火延遲時間的影響。結(jié)果表明：在四種燃料中，正丁烷的低溫著火延遲特性最佳，是一種適合于采用蓄熱自著火方式的微型內(nèi)燃機(jī)燃料；初始溫度、壓力的提高和當(dāng)量比的增大有利于燃料著火延遲時間的縮短；尾氣殘留使得燃料著火延遲時間變長，著火延遲特性變差，尾氣各組分的熱效應(yīng)和基元反應(yīng)對燃料著火延遲有著不同的影響機(jī)制。

著火延遲時間；微型內(nèi)燃機(jī)；C1-C4烷烴；尾氣殘留

0 引 言

厘米特征尺度的微型內(nèi)燃機(jī)具有質(zhì)量輕、體積小、效率高和輸出能的形式多樣等優(yōu)點(diǎn)，可以作為微型供能系統(tǒng)靈活應(yīng)用于不同的機(jī)電產(chǎn)品中［1-3］。微型內(nèi)燃機(jī)工作原理具有間歇著火特性，所以探究燃料著火特性及其著火方式是微型內(nèi)燃機(jī)研制的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了達(dá)到高的輸出功率，微型內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計運(yùn)行頻率較高。相比常規(guī)尺度的內(nèi)燃機(jī)，燃料在燃燒室的停留時間短，因此對著火方式要求更高，同時也要求燃料具有較短的著火延遲時間。隨著內(nèi)燃機(jī)的微型化，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的電火花著火控制系統(tǒng)由于體積龐大且消耗能量，實(shí)現(xiàn)控制精確的集成微型電火花著火系統(tǒng)困難，不利于內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的微型化。此外，由于微型內(nèi)燃機(jī)泄漏、摩擦和散熱的影響，純壓燃自燃著火也不易實(shí)現(xiàn)。采用蓄熱輔助自熱著火是一種比較適合于微型內(nèi)燃機(jī)的著火方式，該著火方式結(jié)合了自燃和強(qiáng)制著火的優(yōu)點(diǎn)，通過利用上一循環(huán)中燃燒產(chǎn)生的熱量使得蓄熱元件溫度高于新鮮混合氣自燃溫度實(shí)現(xiàn)著火。輔助自熱著火溫度與燃料著火延遲密切相關(guān)，因此，掌握微型內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行工況下燃料的著火延遲時間特性是研發(fā)適合微型內(nèi)燃機(jī)的蓄熱自熱著火技術(shù)的基礎(chǔ)。

決定微型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)預(yù)混氣著火延遲時間的主要因素包含燃料類別、混合氣成分和著火時刻壓力與溫度等條件。從燃料能量密度和燃燒特性的角度出發(fā)，已研發(fā)的微型內(nèi)燃機(jī)的燃料種類多樣。如 FU等［4］研發(fā)的微型汪克爾發(fā)動機(jī)中使用了氫氣作為燃料；DAHM等［1］研發(fā)輸出功率為20 W的微型擺式內(nèi)燃機(jī)，使用丁烷作為燃料；LIU 等［5］在微型擺式內(nèi)燃機(jī)燃燒室內(nèi)的間歇著火和火焰?zhèn)鞑ヌ匦詫?shí)驗(yàn)研究中采用正丁烷；MIJIT等［6］在對微型擺式內(nèi)燃機(jī)速度和燃燒過程溫度收集和測試中分別使用氫氣和甲烷；郭志平等［7］在二沖程微型擺式內(nèi)燃機(jī)設(shè)計中則使用了汽油；而常見的航模發(fā)動機(jī)大多使用甲醇作為燃料［8］。

由于尺度的縮小，散熱、摩擦和泄漏等的影響，導(dǎo)致微型內(nèi)燃機(jī)壓縮終時刻燃燒室內(nèi)壓力降低，微尺度下?lián)Q熱增強(qiáng)，導(dǎo)致預(yù)混氣溫度變化范圍更廣，因此，微型內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行工況下著火時刻的壓力與溫度跟常規(guī)尺度內(nèi)燃機(jī)存在較大差別。典型微型內(nèi)燃機(jī)燃燒室內(nèi)燃料著火時刻的溫度范圍一般在500 K～1 000 K，壓力在10 atm以下，甚至2～3 atm。目前主要的實(shí)驗(yàn)裝置快壓機(jī)和激波管均無法同時實(shí)現(xiàn)此工況下燃料著火延遲的實(shí)驗(yàn)測量，因此需要通過模擬得到。本研究利用數(shù)值模擬的方法，通過比較，考察上述溫度和壓力條件下甲烷、乙烷、丙烷和正丁烷四種燃料的著火延遲特性；同時模擬尾氣中殘留的H2O、CO2和N2對正丁烷著火延遲的影響規(guī)律，期望能為燃料選擇和改進(jìn)微型內(nèi)燃機(jī)著火方式提供參考。

1 計算模型

模擬采用軟件Chemkin-Pro［9］，利用其中的均質(zhì)零維反應(yīng)器模型，反應(yīng)條件為零維、均相、等容、絕熱，并忽略壁面反應(yīng)帶來的影響。在設(shè)定的初始溫度和壓力條件下，燃料經(jīng)過一個誘導(dǎo)期后鏈反應(yīng)形成并完成著火過程。反應(yīng)計算時間設(shè)置為10 s，如果超過時間，認(rèn)為未能實(shí)現(xiàn)著火。判定著火延遲時間τi的方法由于實(shí)驗(yàn)測量方法的不同可以有多種選擇，本文以O(shè)H的峰值作為判定的依據(jù)，同時以溫度梯度的最大值作為輔助參考。模擬使用的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理為AramcoMech-1.3［10］，共包含有346種組分，1542步詳細(xì)的基元反應(yīng)，該反應(yīng)動力學(xué)模型機(jī)理在模擬低碳燃料氧化著火延遲特性時已經(jīng)被大量可靠的基礎(chǔ)燃燒數(shù)據(jù)所驗(yàn)證。

2 結(jié)果與討論

2.1 燃料著火延遲基本特性

首先模擬了甲烷、乙烷、丙烷和正丁烷四種燃料分別與空氣預(yù)混在當(dāng)量比Φ=1.0、初始溫度范圍T=500 K～1 000 K、初始壓力p=5 atm下的著火延遲特性，空氣中 O2與 N2的摩爾分?jǐn)?shù)比為 χ（O2）∶χ（N2）=1∶3.76，模擬結(jié)果如圖1所示。在計算溫度和壓力條件下，甲烷、乙烷、丙烷和正丁烷的著火延遲時間依次縮短；正丁烷的最低著火溫度值最小；隨溫度的降低，丙烷和正丁烷的著火延遲時間在低溫段出現(xiàn)隨溫度上升，著火延遲時間先降低后升高的負(fù)溫度效應(yīng)（negative temperature coefficient，NTC），其中丙烷出現(xiàn)NTC溫度是在675 K左右，丁烷是在725 K左右。在NTC溫度區(qū)間之外的溫度段，反應(yīng)基元HO2對燃料的影響逐漸變大，反應(yīng) RH+HO2=sR+H2O2對燃料H的剝離以及H2O2=OH+OH對著火過程有促進(jìn)作用［11-12］；在NTC的溫度區(qū)段，烷烴燃料脫氫生成了烷基 R，通過低溫加氧歧化反應(yīng)R+O2=RO2以及反應(yīng)RO2=alkene+HO2導(dǎo)致NTC效應(yīng)的產(chǎn)生［13］。

圖 1 甲烷、乙烷、丙烷和正丁烷分別與空氣預(yù)混后的著火延遲特性（Φ=1.0，T=500 K～1 000 K，p=5 atm）Fig. 1 Ignition delay times of methane，ethane，propane or n-butane/air mixtures under the initial condition: Φ=1.0，T=500 K～1 000 K，p=5 atm

總體來看，正丁烷的著火延遲時間最短，著火溫度最低，有利于在微型內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)快速、間歇熱著火。

2.2 初始壓力對正丁烷著火延遲的影響

在當(dāng)量比Φ=1.0，初始壓力分別為1 atm、2 atm、5 atm和10 atm，正丁烷著火延遲時間隨壓力的變化如圖2所示。初始壓力的升高有利于燃料著火延遲時間縮短。隨壓力增大，正丁烷的著火延遲時間將顯著縮短；正丁烷的負(fù)溫度效應(yīng)減弱，且負(fù)溫度效應(yīng)所在溫度區(qū)間向高溫方向移動。可以看出，壓力的增大導(dǎo)致反應(yīng)速率加快，著火延遲時間因此縮短。

圖2 初始壓力對正丁烷與空氣預(yù)混氣著火延遲特性的影響（Φ=1.0，T=500 K～1 000 K，p=1、2、5、10 atm）Fig. 2 Ignition delay times of n-butane/air mixtures under the initial condition: Φ=1.0；T=500 K～1 000 K；p=1，2，5，10 atm

2.3 當(dāng)量比對正丁烷著火延遲的影響

在p=5 atm，初始溫度T=500 K～1 000 K時，圖3是當(dāng)量比Φ=0.6、1.0和1.2下正丁烷/空氣的著火延遲特性的模擬結(jié)果。初始溫度為500 K～1 000 K時，隨著當(dāng)量比的增加，正丁烷/空氣預(yù)混氣的著火延遲縮短，當(dāng)量比對NTC效應(yīng)溫度區(qū)間的著火延遲影響明顯，隨著溫度的升高，三條曲線之間的距離變小，說明當(dāng)量比對著火延遲時間的影響降低。因此適當(dāng)增加正丁烷/空氣的當(dāng)量比有利于在微型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速、間歇熱著火。

在模擬溫度下，反應(yīng)主要從燃料側(cè)的鏈反應(yīng)開始，燃料反應(yīng)鏈產(chǎn)生的自由基主導(dǎo)了反應(yīng)的進(jìn)行，因此富燃有利于降低著火延遲時間；而隨著溫度的升高，H+O2反應(yīng)的影響逐漸增大，燃料側(cè)自由基的主導(dǎo)性減弱，因此隨著溫度的升高，當(dāng)量比對燃料著火延遲時間的影響降低［11，14］。

圖 3 當(dāng)量比對正丁烷與空氣預(yù)混氣著火延遲特性的影響（Φ=0.6、1.0、1.2，T=500 K～1 000 K，p=5 atm）Fig. 3 Ignition delay times of n-butane/air mixtures under the initial condition: Φ=0.6，1.0，1.2；T=500 K～1 000 K；p=5 atm

2.4 殘留尾氣對正丁烷著火延遲的影響

微型內(nèi)燃機(jī)在排氣過程中殘留的尾氣會導(dǎo)致燃料/空氣預(yù)混氣的進(jìn)氣量減少，同時尾氣摻混改變了反應(yīng)開始前的燃料濃度。模擬中假設(shè)整個腔室內(nèi)殘留了0～30%的尾氣，尾氣的主要成分為CO2、H2O和N2；為了簡化分析，假設(shè)尾氣殘留物的組分是單一的，正丁烷與空氣以當(dāng)量比為1預(yù)混后跟CO2、H2O或 N2按照一定的比例混合均勻。初始溫度為700 K，壓力為5 atm。三種尾氣殘留物對著火延遲的影響結(jié)果如圖4所示。尾氣摻混導(dǎo)致了正丁烷/空氣的著火延遲時間變長，隨著各尾氣組分（CO2/N2/H2O）濃度的增加，著火延遲時間變長；相同尾氣組分濃度下 CO2導(dǎo)致著火延遲時間增長最大，其次為N2，最后為H2O。著火延遲時間方程的基本形式為［12］：

圖4 正丁烷-空氣-尾氣組分（CO2/H2O/N2）預(yù)混著火延遲特性（Φ=1.0，T=700 K，p=5atm）Fig. 4 Ignition delay times of n-butane/air/exhaust component（CO2/H2O/N2）mixtures under the initial condition Φ=1.0，T=700 K，p=5 atm

其中，τi表示著火延遲時間，［FUEL］和［AIR］分別表示燃料和空氣的濃度，E、A、x和y為常數(shù)。從公式中可以看出，著火延遲會受到溫度、燃料和空氣濃度等的影響。因此，濃度降低會導(dǎo)致著火延遲時間的增加，尾氣殘留會導(dǎo)致燃料和空氣的濃度同時下降，進(jìn)而降低總體燃燒反應(yīng)的速率，使得著火延遲時間變長。

除了濃度稀釋的負(fù)面影響外，即使在相同的尾氣濃度下，不同尾氣氣體組分對著火延遲時間的影響也存在差別，差別產(chǎn)生的原因主要有兩個［16］：

（1）由于尾氣各組分的摩爾比熱容不同，導(dǎo)致混合氣溫度上升速率和最高絕熱溫度不同，著火延遲時間不同，這種現(xiàn)象稱為氣體的熱效應(yīng)；

（2）CO2和H2O均參與了著火過程中的化學(xué)基元反應(yīng)，因此基元反應(yīng)也是影響著火延遲的重要因素之一。

從熱效應(yīng)的角度出發(fā)進(jìn)行分析。以 N2作為參考，分析CO2和H2O對正丁烷著火延遲時間的影響。從圖4可看出，相比較N2，相同橫坐標(biāo)（尾氣各組分摩爾濃度相同）時，CO2會導(dǎo)致著火延遲時間相對變長，H2O則會使得該濃度下的著火延遲時間相對縮短。圖5為三種尾氣組分的摩爾比熱容與溫度的關(guān)系，cp（N2）＜cp（H2O）＜cp（CO2），CO2導(dǎo)致混合氣體的總體平均摩爾比熱容變大，氣體升溫吸收熱量更多，進(jìn)而使反應(yīng)速率下降，著火延遲時間因此變長。

圖5 N2、CO2和H2O在不同溫度下的摩爾比熱容［16］Fig. 5 Specific heat capacity of N2，CO2，and H2O under different temperatures

基元反應(yīng)也是影響著火延遲的重要因素。本文選擇尾氣各個組分濃度為30%作為初始條件，通過對基元反應(yīng)進(jìn)行敏感性分析找到H2O和CO2影響著火延遲的主要反應(yīng)。敏感性分析的計算公式為［17］：

式中，ki表示基元反應(yīng)i的反應(yīng)速率。

圖6 不同尾氣組分對正丁烷著火延遲影響的敏感性分析（Φ=1.0，T=700 K，p=5 atm）Fig. 6 Sensitivity coefficients showing the effects of exhaust component on n-butane ignition delay times，Φ=1.0，T=700 K，p=5 atm

分析結(jié)果如圖6所示。可以看出，在700 K下，與氧氣側(cè)的小分子反應(yīng)相比較，正丁烷燃料側(cè)的鏈反應(yīng)對著火延遲的影響更大，其中尾氣不同組分對基元反應(yīng)影響最為明顯的反應(yīng)為：

其中，#G783對H2O初始濃度的增加敏感，并且明顯地促進(jìn)了著火延遲時間的縮短，而#G783和#G784共同導(dǎo)致了摻混CO2使得著火延遲時間延長。

綜上所述，尾氣的存在“沖淡”了燃料和空氣，導(dǎo)致其濃度下降，著火延遲時間變長；CO2的熱效應(yīng)以及對基元反應(yīng)的影響導(dǎo)致其著火延遲時間相比N2進(jìn)一步增長；而H2O對基元反應(yīng)的促進(jìn)是導(dǎo)致其著火延遲時間相對縮短的主要因素。

3 結(jié) 論

微型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)著火前預(yù)混氣溫度和壓力低于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，同時掃氣不完全導(dǎo)致尾氣摻混在預(yù)混氣中，通過對微型內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行工況下不同燃料的著火延遲特性模擬可以得出以下結(jié)論：

（1）甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷四種燃料中，正丁烷是著火延遲時間最短的燃料，是適合蓄熱自燃著火方式的微型內(nèi)燃機(jī)的燃料。同時，溫度和壓力的升高，當(dāng)量比的增大均有利于燃料著火延遲時間的縮短。

（2）殘留的尾氣成分會導(dǎo)致燃料著火延遲時間變長，尾氣濃度越高，燃料著火延遲時間越長。相同摩爾濃度的尾氣各組分中CO2對著火延遲時間的增長影響最大，其次是N2，最后是H2O。CO2的熱效應(yīng)顯著，吸熱多導(dǎo)致基元反應(yīng)的總體反應(yīng)速率下降，同時抑制了部分重要的燃料鏈反應(yīng)，導(dǎo)致總體的著火延遲時間增加；H2O對基元反應(yīng)#G783的影響明顯，促進(jìn)了初始階段正丁烷的分解和燃燒反應(yīng)，縮短了著火延遲時間。

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Auto-Ignition Delay Time of C1–C4 Alkanes under Micro-Internal Combustion Engine Operative Conditions

ZHANG Yun-lu1，2，3，4，HUO Jie-peng1，3，4，JIANG Li-qiao1，3，4，LI Xing1，3，4，ZHAO Dai-qing1，3，4
（1. Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China；2. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；3. Key Laboratory of Renewable Energy，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China；4. Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development，Guangzhou 510640，China）

The ignition delay time is a crucial parameter in the glow plug ignition of micro-internal combustion engine（MICE）. The effects of important operating parameters，such as the fuel species （methane，ethane，propane and n-butane），the initial temperature （500 K～1 000 K），the initial pressure （1～10 atm） and equivalence ratio （0.6～1.2），on the ignition delay times were carried out via numerical simulation with Chemkin-Pro software. In addition，the effects of the residual exhaust gas caused by halfway scavenging on the ignition delay times of n-butane/air mixtures were investigated. The result shows that n-butane is a suitable fuel for MICE with glow plug ignition because of its short ignition delay time. Meanwhile，the ignition delay time decreases with the increase of the initial temperature，pressure and equivalence ratio. Moreover，the residual exhaust gas causes an increase of the ignition delay time of n-butane/air mixtures，and components of the exhaust have separated influence on the ignition delay time due to their different thermal and the chemical kinetic effects.

ignition delay time；micro-internal combustion engine；C1-C4 alkanes；residual exhaust

TK4

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2016.05.010

2095-560X（2016）05-0399-05

張云路（1991-），女，碩士研究生，從事微尺度燃燒研究。

2016-07-05

2016-08-27

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（2014CB239600）；國家自然科學(xué)基金（51336010）

? 通信作者：蔣利橋，E-mail：jianglq@ms.giec.ac.cn

蔣利橋（1974-），男，博士，研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事微尺度燃燒、基于燃燒的微型能源動力系統(tǒng)、含氧替代燃料燃燒、燃燒新概念及其技術(shù)等研究。