DRGEP與敏感性分析方法構(gòu)建甲苯簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型

馮洪慶, 張　靜, 張春紅, 劉道建, 安　銘

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)

汽油是多種組分組成的混合物,并且因產(chǎn)地和生產(chǎn)工藝的不同其成分也不盡相同,燃燒過程中無法直接對(duì)汽油詳細(xì)組分構(gòu)建化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型。將正庚烷和異辛烷兩種組分組成的替代燃料,按照一定的配比用于模擬燃料辛烷值特性,被廣泛采用[1-4]。在火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)研究中常使用將正庚烷和異辛烷摻混形成的混合物,即基礎(chǔ)參比燃料(PRF)代替汽油,來模擬辛烷值對(duì)燃燒過程的影響,然而,通常汽油組成中包含有20%～50%的芳香烴,其中的甲苯是芳香烴的代表組分。因此,PRF用作替代燃料不能準(zhǔn)確模擬實(shí)際汽油抗爆性的變化規(guī)律。為了更好地模擬汽油燃燒,其替代燃料需要包含更多的組分,正庚烷、異辛烷、甲苯三組分燃料能夠更好地再現(xiàn)汽油理化特性[5-6]。但是,甲苯屬于芳香烴,其結(jié)構(gòu)與烷烴不同,現(xiàn)有TRF簡(jiǎn)化機(jī)制在詳細(xì)、半詳細(xì)機(jī)制基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整的過程中可能忽略掉一些甲苯特有的反應(yīng)路徑。甲苯作為典型芳香烴類的代表物質(zhì),其氧化機(jī)制的研究也隨之不斷發(fā)展[5,7]。Pitz、Dagaut等[8-14]給出了當(dāng)前典型的甲苯反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。筆者采用直接關(guān)系圖法對(duì)甲苯化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制進(jìn)行簡(jiǎn)化,并進(jìn)行反應(yīng)速率分析和敏感性分析,將該機(jī)制在射流攪拌反應(yīng)器模型和HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)模型中對(duì)滯燃期進(jìn)行對(duì)比。

1　甲苯簡(jiǎn)化機(jī)制

選取通過廣泛驗(yàn)證的Metcalfe甲苯詳細(xì)機(jī)制作為初始機(jī)制,此詳細(xì)機(jī)制包含有329種組分、176個(gè)反應(yīng),通過基于誤差傳遞的直接關(guān)系圖法(DRGEP)進(jìn)行簡(jiǎn)化,得到初步框架,將組分減少至92,反應(yīng)數(shù)減少至607。直接關(guān)系圖法(DRG)是由Law等[15]提出的機(jī)制簡(jiǎn)化方法,用于簡(jiǎn)化大型復(fù)雜反應(yīng)機(jī)制,使用組分A對(duì)B生成率的正規(guī)化貢獻(xiàn)rAB分析組分A與B之間的耦合關(guān)系。Desjardins等[16]對(duì)rAB進(jìn)行改進(jìn),將組分間的耦合關(guān)系重新定義為

(1)

(2)

(3)

(4)

當(dāng)rAB大于給定閾值ε時(shí),則稱A與B強(qiáng)耦合。

簡(jiǎn)化工況壓力為0.1～1 MPa,溫度為400～1 000 K,當(dāng)量比為0.25～2.0,分別以C6H5CH3、H2O、CO2為初始組分,閾值為0.05。初步簡(jiǎn)化的機(jī)制已經(jīng)去除了大量反應(yīng)過程中相對(duì)次要的組分,之后,再以溫度敏感性分析和反應(yīng)速率、反應(yīng)路徑分析找出較為主要的路徑,進(jìn)一步優(yōu)化。

1.1　反應(yīng)速率分析

圖1給出了溫度為500 K、壓力為0.2 MPa、當(dāng)量比為0.5時(shí)部分物質(zhì)的反應(yīng)速率分析結(jié)果,圖中的反應(yīng)編號(hào)是甲苯簡(jiǎn)化機(jī)制中的序號(hào)。從圖1中可以直觀看到各反應(yīng)對(duì)某指定組分生成、消耗的影響程度。對(duì)于甲苯,在上止點(diǎn)前約21 ℃A(℃A表示曲軸轉(zhuǎn)角單位)開始緩慢反應(yīng),消耗最快的反應(yīng)是被羥基氧化生成苯甲基,其次是與O原子生成OC6H4CH3。苯甲基主要由甲苯氧化生成(R1、R2),通過生成苯甲醛(C6H5CHO)及C6H5CH2OO(R17、R18)消耗掉。

R1：C6H5CH3+OH=C6H5CH2+H2O,

R2：C6H5CH3+O2=C6H5CH2+HO2,

R17:C6H5CH2+HO2=C6H5CH+H+OH,

R18:C6H5CH2+O2=C6H5CH2OO.

重要中間產(chǎn)物苯(C6H6)主要通過反應(yīng)R8中OC6H4CH3分解生成,通過氧化為苯基(R36)和苯氧根離子(R35)消耗。

R8:OC6H4CH3=C6H6+CO+H,

R36:C6H6+OH=C6H5+H2O,

R35:C6H6+O=C6H5O+H.

苯甲基(C6H5CH2)除了直接氧化為苯甲醛(C6H5CHO)外,還有另外一條重要間接反應(yīng)途徑,即生成C14H14(R13):

R13:C6H5CH2+C6H5CH2=C14H14.

在一系列低溫氧化之后,環(huán)戊二烯基(C5H5)在上止點(diǎn)前20.4 ℃A左右通過苯氧根離子(C6H5O)的分解而生成,接著被OH氧化為C4H6小分子,或C5H4O、C5H4OH為開環(huán)反應(yīng)做準(zhǔn)備。

經(jīng)過反應(yīng)速率以及反應(yīng)路徑分析,明確了甲苯氧化過程所產(chǎn)生的中間物質(zhì)主要的生成、消耗途徑。

圖1　幾種物質(zhì)的反應(yīng)速率分析Fig.1　Reaction rate analysis of some species

1.2　溫度敏感性分析

敏感性分析也是機(jī)制簡(jiǎn)化過程中一種常用的分析方法[17],主要是分析系統(tǒng)對(duì)微小擾動(dòng)的響應(yīng)。對(duì)于燃燒系統(tǒng)來說,是指在給定工況下分析各化學(xué)反應(yīng)的速率常數(shù)發(fā)生微小變動(dòng)時(shí)引發(fā)的反應(yīng)速率、溫度、壓力等系統(tǒng)特征量的變化程度,其響應(yīng)值稱為敏感度。敏感系數(shù)反映出各反應(yīng)的重要程度,通過對(duì)敏感系數(shù)比較,保留相對(duì)重要的反應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制的簡(jiǎn)化。由于低溫均質(zhì)壓燃過程對(duì)溫度比較敏感,故繼續(xù)采用溫度敏感性分析對(duì)甲苯氧化過程進(jìn)行研究。圖2給出了各種運(yùn)行工況下的溫度敏感性分析結(jié)果,敏感值可由化學(xué)動(dòng)力學(xué)分析軟件Chemkin Pro計(jì)算導(dǎo)出。計(jì)算中采用的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)為:缸徑110 cm,沖程120 cm,連桿長(zhǎng)度192 cm,壓縮比17,轉(zhuǎn)速1 400 r/min。

圖2　甲苯氧化溫度敏感性分析Fig.2　Temperature sensitivity analysis of toluene oxidation

由圖2可看出,各反應(yīng)的溫度敏感系數(shù)的正值表明該反應(yīng)的速率常數(shù)增加時(shí),系統(tǒng)溫度隨之升高;負(fù)數(shù)則說明增加該反應(yīng)速率常數(shù)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)溫度減小。敏感系數(shù)的絕對(duì)值代表反應(yīng)對(duì)系統(tǒng)溫度影響作用的強(qiáng)弱,絕對(duì)值越大,影響越明顯。從圖2(a)發(fā)現(xiàn),甲苯被OH基氧化脫氫的反應(yīng)為C6H5CH3+OH=C6H5CH2+H2O,在濃混合氣情況下抑制系統(tǒng)反應(yīng)的進(jìn)行;而在稀燃時(shí)會(huì)促進(jìn)系統(tǒng)氧化反應(yīng),增加系統(tǒng)溫度;甲醛氧化為HCO基的反應(yīng),CH2O+OH=HCO+H2O,規(guī)律則相反,在當(dāng)量比為0.3時(shí)會(huì)降低系統(tǒng)溫度,而高當(dāng)量比下促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。不同初始溫度下,各反應(yīng)對(duì)系統(tǒng)反應(yīng)過程的影響也不盡相同,甲苯與氧原子產(chǎn)生OC6H4CH3的過程,在低溫下會(huì)促進(jìn)系統(tǒng)溫度的升高,加快反應(yīng)進(jìn)程;而高溫下,則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)溫度降低。

經(jīng)過上述溫度敏感性分析,發(fā)現(xiàn)有32個(gè)反應(yīng)對(duì)系統(tǒng)溫度有較為明顯的影響,這些反應(yīng)如表1所示,將被保留在最終的簡(jiǎn)化機(jī)制中。

表1　溫度敏感性分析結(jié)果(32個(gè)敏感反應(yīng))Table 1　Result of temperature sensitivity analysis (32 sensitive reactions)

1.3　滯燃期敏感性分析

為了更好地?cái)M合試驗(yàn)數(shù)據(jù),初步構(gòu)建的簡(jiǎn)化機(jī)制還需要進(jìn)一步對(duì)反應(yīng)系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,這部分工作主要通過敏感性分析完成。由于高溫反應(yīng)模型的發(fā)展比較成熟,只對(duì)甲苯低溫氧化裂解反應(yīng)進(jìn)行敏感計(jì)算。參考Ra等[18]的方法,本文中敏感性分析不局限于某一特定工況,而是在多個(gè)目標(biāo)工況下將指前因子變化前后的模擬值對(duì)比分析,進(jìn)行整體優(yōu)化。針對(duì)激波管滯燃期進(jìn)行敏感性分析,定容燃燒滯燃期定義為混合物溫度達(dá)到比起始溫度高400 K所需時(shí)間。

ai=kiabase.

(5)

式中,abase為某反應(yīng)的初始值;ai為第i個(gè)反應(yīng)調(diào)整后阿倫尼烏斯速率方程中指前因子;k為敏感因子,取3.0。

敏感系數(shù)計(jì)算為

(6)

對(duì)要研究的反應(yīng)逐個(gè)進(jìn)行分析,每次計(jì)算只改變一個(gè)反應(yīng)的指前因子,根據(jù)調(diào)整前后的數(shù)值代入反應(yīng)機(jī)制中得出滯燃期數(shù)據(jù);然后對(duì)多個(gè)溫度工況下的結(jié)果統(tǒng)計(jì)繪圖,與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,更加直觀地表現(xiàn)出各個(gè)反應(yīng)對(duì)著火時(shí)刻的影響作用。

圖3為壓力5 MPa,溫度區(qū)間1 000～1 800 K,當(dāng)量比1.0時(shí)的滯燃期敏感性分析結(jié)果。敏感系數(shù)為正,表明指前因子變大會(huì)使得滯燃期延長(zhǎng);反之,為負(fù)會(huì)使滯燃期減小。圖3僅列出了幾個(gè)對(duì)滯燃期影響較大的反應(yīng)分析結(jié)果。

由圖3可直觀看到,苯甲基與氧原子生成苯基的反應(yīng)在1 200～1 800 K敏感系數(shù)較大,即對(duì)滯燃期較敏感,相對(duì)低溫時(shí)敏感系數(shù)較小。苯基氧化為苯氧根離子的反應(yīng)隨著溫度升高對(duì)滯燃期的影響隨之增大,到1 500 K左右,影響逐漸減小。苯氧根離子裂解為C5H5和CO的反應(yīng)隨溫度升高敏感系數(shù)逐漸降低,對(duì)著火的抑制作用逐漸減弱。在計(jì)算的整個(gè)溫度區(qū)間內(nèi),C5H4O裂解為CO和兩個(gè)C2H2的反應(yīng)滯燃期敏感系數(shù)均為負(fù)值,即增加此反應(yīng)的反應(yīng)速率會(huì)促進(jìn)著火提前,滯燃期減小。此外還發(fā)現(xiàn),隨著溫度升高,這種影響力逐漸增強(qiáng)。計(jì)算中發(fā)現(xiàn),與O-OC6H4O2相關(guān)的反應(yīng)對(duì)著火有重要影響,C6H4CH3與O2形成O-OC6H4CH2的過程隨溫度升高延遲著火作用增強(qiáng),而通過C6H5氧化生成的反應(yīng)則隨溫度的升高對(duì)系統(tǒng)燃燒有促進(jìn)作用,點(diǎn)火隨之提前。綜合各種工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù),確定需要進(jìn)行調(diào)整的反應(yīng),最終做出如表2的修正,以便更好地?cái)M合試驗(yàn)結(jié)果。

圖3　甲苯在激波管中滯燃期的敏感性分析Fig.3　Ignition delay sensitivity of toluene in shock tube

反應(yīng)反應(yīng)系數(shù)調(diào)整前調(diào)整后 C6H5CH2+O=C6H5+CH2O1.19×10145.00×1014 C6H5+O2=C6H5O+O2.60×10139.00×1015 C6H5O=CO+C5H52.00×10111.00×107 C5H4O=CO+C2H2+C2H26.20×10411.00×1043 C6H5+O2=O-C6H4O2+H3.00×10138.00×1010 C6H4CH3+O2=O-C6H4O2+CH33.00×10139.00×1014

經(jīng)過DRGEP初步簡(jiǎn)化,溫度、滯燃期敏感性分析,速率及路徑分析的進(jìn)一步優(yōu)化,甲苯氧化機(jī)制最終簡(jiǎn)化為48種組分和176個(gè)基礎(chǔ)化學(xué)反應(yīng),最后確定的甲苯氧化簡(jiǎn)化路徑如圖4所示。

從圖4中直觀看到,苯(C6H6)、苯基(C6H5)和苯氧根離子(C6H5O)是甲苯氧化過程中幾種重要的中間產(chǎn)物。甲苯低溫反應(yīng)主要途徑為:甲苯(C6H5CH3)→苯甲基(C6H5CH2)→苯甲醛(C6H5CHO)→苯甲酰(C6H5CO)→苯基(C6H5)→苯氧根離子(C6H5O)→苯酚(C6H5OH),之后是拆環(huán)反應(yīng)。甲苯初步反應(yīng)中除了脫氫形成芐基,還通過氧化形成OC6H4CH3,進(jìn)一步分解為苯,苯進(jìn)而被氧化為苯基和苯氧根離子。芐基是比較穩(wěn)定的中間產(chǎn)物,是甲苯分子中的甲基碳脫掉一個(gè)氫原子形成的一價(jià)基團(tuán),一般是由C6H5CH3與O2、O、H、HO2基發(fā)生脫氫反應(yīng)而生成。Shen等[19]通過敏感性分析認(rèn)為甲苯和苯甲基與氧分子的反應(yīng)非常重要,并測(cè)量了這些反應(yīng)的速率常數(shù),對(duì)C6H5CH2+O2反應(yīng)進(jìn)行了修正。Silva等[20]指出,在中低溫工況下,芐基與HO2自由基的反應(yīng)是十分重要的氧化路徑。苯甲基的主要消耗途徑為被HO2、O基氧化為苯甲醛,C6H5CH2+HO2=C6H5CHO+H+OH, C6H5CH2+O=C6H5CHO+H, 生成二甲基聯(lián)苯(C14H14)及苯基,C6H5CH2+C6H5CH2=C14H14, C6H5CH2+O=C6H5+CH2O。苯氧根離子與H基重組生成苯酚,苯酚同時(shí)被氧化為苯氧基,苯氧根離子分解成為環(huán)戊二烯基(C5H5)和CO。環(huán)戊二烯基主要通過以下過程完成拆環(huán)生成小分子:C5H5+O=C5H4O+H, C5H5+OH=C5H4OH+H, C5H4OH=C5H4O+H, C5H4O=C2H2+C2H2+CO, C5H5+OH=C4H6+CO。

圖4　甲苯化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)路徑Fig.4　Reaction path of toluene oxidation

2　甲苯簡(jiǎn)化機(jī)制驗(yàn)證

2.1　滯燃期驗(yàn)證

滯燃期是檢驗(yàn)一個(gè)機(jī)制準(zhǔn)確性的重要標(biāo)準(zhǔn)。Shen等[19]在激波管中研究了溫度為1 021～1 400 K,壓力為1～6.1 MPa,當(dāng)量比為0.25、0.5、1.0工況下,甲苯/空氣混合物的自燃著火過程,測(cè)量了相應(yīng)的著火延遲期。在當(dāng)量比為1,壓力為0.681 MPa的工況下甲苯在激波管中滯燃期詳細(xì)機(jī)制與簡(jiǎn)化機(jī)制的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值對(duì)比見圖5。從圖5中可以看出,本文簡(jiǎn)化機(jī)制很好地反映了燃料反應(yīng)特性與溫度之間的關(guān)系。

圖6～8給出了不同運(yùn)行工況下甲苯簡(jiǎn)化機(jī)制滯燃期計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比情況。為更加全面評(píng)估本文提出的簡(jiǎn)化模型,圖中還以Andrae等[21]和Mehl等[22]構(gòu)建的甲苯參比燃料半詳細(xì)機(jī)制中的甲苯子機(jī)制進(jìn)行側(cè)面對(duì)比。

圖5　甲苯在激波管中滯燃期詳細(xì)機(jī)制與簡(jiǎn)化機(jī)制的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.5　Comparison of detailed and reduced mechanism modeling and experimental results of toluene ignition delay in shock tube

無論哪種模型,在較高壓力時(shí)(5 MPa)簡(jiǎn)化機(jī)制的預(yù)測(cè)值明顯優(yōu)于在相對(duì)低壓時(shí)的預(yù)測(cè)情況,低壓稀燃工況下的計(jì)算值比試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏高。理論當(dāng)量比下,本文中構(gòu)建的簡(jiǎn)化模型在各種壓力范圍內(nèi)的預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)值吻合很好。對(duì)比之下,本文中構(gòu)建的簡(jiǎn)化模型結(jié)果比較合理,這也說明此簡(jiǎn)化過程和模型均是可靠的。

圖6　甲苯在激波管中滯燃期計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比(Φ=0.25)Fig.6　Comparison of modeling and experimental results of toluene ignition delay in shock tube(Φ=0.25)

圖7　甲苯在激波管中滯燃期計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比(Φ=0.5)Fig.7　Comparison of modeling and experimental results of toluene ignition delay in shock tube(Φ=0.5)

圖8　甲苯在激波管中滯燃期計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比(Φ=1.0)Fig.8　Comparison of modeling and experimental results of toluene ignition delay in shock tube(Φ=1.0)

Davidson等[23]也在激波管中測(cè)量了甲苯/空氣在類似發(fā)動(dòng)機(jī)工況下的著火延遲時(shí)間,初始反射波溫度為855～1 269 K,壓力為1.4～5.9 MPa,當(dāng)量比Φ為0.5和1.0。圖9給出了當(dāng)量比分別為0.5和1.0,壓力5 MPa下簡(jiǎn)化機(jī)制計(jì)算值與Davidson測(cè)量值的對(duì)比情況。由圖9可見,整個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)簡(jiǎn)化機(jī)制的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值變化一致?？傮w來說,本文簡(jiǎn)化機(jī)制在較寬的溫度和壓力條件下對(duì)滯燃期的預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的擬合均比較好,說明當(dāng)前機(jī)制能夠很好地預(yù)測(cè)甲苯的著火特性。

圖9　甲苯/空氣滯燃期計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.9　Simulating and experimental results of toluene/air ignition delay

2.2　射流攪拌反應(yīng)器驗(yàn)證

Dagaut等[9]應(yīng)用射流攪拌反應(yīng)器測(cè)量了甲苯氧化反應(yīng)過程中主要組分的濃度變化情況。試驗(yàn)工況為:壓力0.1 MPa,溫度1 000～1 375 K, 當(dāng)量比0.5～1.5,甲苯含量0.15%,采用N2稀釋。圖10給出了主要組分的計(jì)算值與Dagaut試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比情況,其中(a)的當(dāng)量比為1.0,滯留時(shí)間為0.1 s;(b)當(dāng)量比為1.5,滯留時(shí)間為0.12 s。從圖9中看出,C6H5CH3和O2的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠較好吻合,中間組分CO和CH2O變化趨勢(shì)與數(shù)值也較為一致,C14H14含量隨溫度升高先增后減,簡(jiǎn)化模型能捕捉這一變化規(guī)律,只是整體變化過程提前,這可能與簡(jiǎn)化模型中的反應(yīng)路徑大量減少相關(guān)。除此之外,DRGEP簡(jiǎn)化方法采用的反應(yīng)速率是通過定容均質(zhì)反應(yīng)器模塊模擬得到的,而這與實(shí)際的射流攪拌反應(yīng)之間存在差異。通常認(rèn)為在兩種情況下可認(rèn)為模型預(yù)測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確:一是模型曲線與試驗(yàn)曲線擬合非常好;二是模型預(yù)測(cè)組分的最大摩爾系數(shù)在試驗(yàn)測(cè)量值的兩倍以內(nèi)。因此該簡(jiǎn)化機(jī)制可認(rèn)為能夠模擬攪拌反應(yīng)器內(nèi)組分濃度變化規(guī)律。

圖10　主要組分摩爾分?jǐn)?shù)的計(jì)算值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.10　Comparison of intermediates mole fraction for calculated results and experimental data

Moreac等[24]同樣應(yīng)用射流攪拌反應(yīng)器測(cè)量了較高壓力、He氣稀釋下甲苯氧化過程中的主要組分演變過程。試驗(yàn)工況:壓力為1 MPa,溫度為550～1 180 K,甲苯含量為0.15%,當(dāng)量比為1.0,滯留時(shí)間為1.0 s。圖11為使用簡(jiǎn)化模型的計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比。由圖11可知,該簡(jiǎn)化模型對(duì)CO和CO2的預(yù)測(cè)稍微延遲,但整體來看簡(jiǎn)化模型可以捕捉組分的演變規(guī)律。

圖11　主要組分含量的計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.11　Comparison of main mass fraction for calculated and experimental data

2.3　HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)

為了進(jìn)一步了解簡(jiǎn)化機(jī)制在HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)中的預(yù)測(cè)性能,與Metcalfe[14]詳細(xì)機(jī)制進(jìn)行了對(duì)比。圖12為兩種機(jī)制的預(yù)測(cè)結(jié)果。計(jì)算中使用的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)與2.2節(jié)相同,圖12(a)是當(dāng)量比0.25,進(jìn)氣壓力0.1 MPa,不同進(jìn)氣溫度時(shí)的缸內(nèi)峰值溫度和峰值壓力;圖12(b)是進(jìn)氣溫度500 K,當(dāng)量比0.25,不同進(jìn)氣壓力時(shí)的計(jì)算結(jié)果;圖12(c)是進(jìn)氣溫度500 K,進(jìn)氣壓力0.1 MPa,不同當(dāng)量比時(shí)的計(jì)算結(jié)果。從圖12中可以看出,進(jìn)氣溫度增加,峰值溫度明顯升高,峰值壓力有所降低;進(jìn)氣壓力增加,峰值溫度無明顯變化,而峰值壓力明顯升高;當(dāng)量比增加,峰值溫度和峰值壓力都會(huì)增大。在文中的計(jì)算工況下,簡(jiǎn)化機(jī)制的預(yù)測(cè)值與詳細(xì)機(jī)制計(jì)算結(jié)果吻合良好。

圖12　簡(jiǎn)化模型與詳細(xì)模型峰值溫度、壓力計(jì)算對(duì)比Fig.12　Comparison of peak temperature and pressure for reduced and detailed kinetic models

3　結(jié)　論

(1)構(gòu)建的甲苯簡(jiǎn)化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型包括48個(gè)組分和176個(gè)反應(yīng),模型得到廣泛驗(yàn)證。

(2) 甲苯被OH基氧化脫氫的反應(yīng),C6H5CH3+OH=C6H5CH2+H2O,在濃混合氣條件下抑制系統(tǒng)反應(yīng)的進(jìn)行,而在稀燃時(shí)會(huì)促進(jìn)系統(tǒng)氧化反應(yīng),增加系統(tǒng)溫度。

(3)苯甲基除了直接氧化為苯甲醛(C6H5CHO),還有一條重要間接反應(yīng)途徑:通過C14H14路徑生成。

(4)與O-OC6H4O2相關(guān)的反應(yīng)對(duì)著火有重要影響,C6H4CH3與O2形成O-OC6H4CH2的過程隨溫度升高延遲著火作用增強(qiáng)。