船用柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)著火過(guò)程解耦分析

袁寧辛 舒陽(yáng) 陳彪

摘要：天然氣因其儲(chǔ)量豐富、熱值高、經(jīng)濟(jì)性好、C/H 比低等優(yōu)點(diǎn)被視為一種理想的替代燃料，壓燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的著火過(guò)程對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)后續(xù)著火過(guò)程有顯著影響。本文通過(guò)同位素標(biāo)記法解耦分析了船用柴油/天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中柴油著火產(chǎn)生的熱作用和化學(xué)作用對(duì)天然氣著火過(guò)程的影響。結(jié)果表明：熱作用是促進(jìn)天然氣著火的主要因素，化學(xué)作用對(duì)甲烷著火過(guò)程的影響較小;在低溫條件下，化學(xué)作用影響較大，隨著溫度升高，化學(xué)作用的影響降低;隨初始?jí)毫ι?，化學(xué)作用在中溫條件下對(duì)天然氣著火過(guò)程的影響增強(qiáng);隨當(dāng)量比升高，化學(xué)作用在中低溫條件下對(duì)天然氣著火過(guò)程的影響增大。

關(guān)鍵詞：天然氣/柴油;滯燃期;熱作用;化學(xué)作用;解耦分析

中圖分類號(hào)：U66 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1006—7973（2022）03-0116-04

1引言

船舶柴油機(jī)因其熱效率高、可靠性好、功率范圍寬等優(yōu)點(diǎn)而成為船舶的主要?jiǎng)恿ρb置。然而，自20世紀(jì)70年代能源危機(jī)以來(lái)，國(guó)際原油價(jià)格日益上漲，且隨著環(huán)境污染問(wèn)題和溫室效應(yīng)日益加重，降低污染物和碳排放的呼聲日益高漲。而傳統(tǒng)的降低排放的后處理措施成本較高，且不能降低碳排放。燃用替代燃料是一種理想的降低污染物和碳排放以及節(jié)省石油燃料的技術(shù)方案。天然氣因其儲(chǔ)量豐富、熱值高、經(jīng)濟(jì)性好、C/H 比低等優(yōu)點(diǎn)被視為一種理想的替代燃料。天然氣的主要成分是甲烷，通常碳?xì)浔仍?.3左右，而汽油和柴油的碳?xì)浔榷荚?.5左右，因此天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的碳排放低于汽油機(jī)和柴油機(jī)。天然氣是一種氣體燃料，幾乎不含硫，燃燒溫度低于汽油和柴油， NOx 和 SOx 排放較低。天然氣辛烷值高、抗爆性好，因此天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)可以在較高的壓縮比下運(yùn)行，熱效率也相應(yīng)較高。但天然氣十六烷值低，難以被壓燃，在用作發(fā)動(dòng)機(jī)燃料時(shí)需要額外的能量引燃。

船用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)按照其點(diǎn)火方式可以分為火花引燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)和雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，火花引燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)是通過(guò)缸內(nèi)布置的火花塞引燃預(yù)混或直噴的天然氣，通常這樣類型的發(fā)動(dòng)機(jī)受到爆震和稀燃極限的限制，壓縮比不宜過(guò)高，熱效率也通常較低，火花引燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)受限于天然氣較慢的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，通常不適用于大缸徑的船舶發(fā)動(dòng)機(jī);雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是通過(guò)直噴的高活性柴油引燃預(yù)混或直噴天然氣，這種類型的發(fā)動(dòng)機(jī)著火和燃燒都較為穩(wěn)定，可以在更高的壓縮比下運(yùn)行，因此通常熱效率較高，適用于大缸徑的船舶發(fā)動(dòng)機(jī)。

滯燃期是對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程至關(guān)重要，它會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功、燃燒效率和排放性能。因此，研究柴油和天然氣的著火過(guò)程對(duì)于提高雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和降低排放具有重要指導(dǎo)意義。然而，實(shí)際的柴油由上百種組分構(gòu)成，包括烷烴、環(huán)烷烴、烯烴、環(huán)烯烴和芳香烴等，且產(chǎn)地不同也會(huì)導(dǎo)致柴油組分出現(xiàn)差異，難以直接用研究實(shí)際柴油的著火特性，通常是以十六烷值與柴油接近的正庚烷表示柴油的著火特性。天然氣主要成分是甲烷，還包含少量乙烷、丙烷、丁烷、氫氣和氮?dú)獾冉M分，天然氣的來(lái)源不同會(huì)導(dǎo)致其成分出現(xiàn)差異，因此，國(guó)際上通常是以其主要成分甲烷表示其著火特性。本文以甲烷/正庚烷雙燃料表示柴油和天然氣的著火特性。

在過(guò)去幾十年中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們對(duì)甲烷/正庚烷混合燃料的著火特性開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究。Liang 等在激波管中測(cè)量了不同甲烷摩爾分?jǐn)?shù)的甲烷/正庚烷混合燃料的滯燃期。研究表明，即使少量的正庚烷也能顯著縮短甲烷的滯燃期，甲烷/正庚烷混合燃料的滯燃期與甲烷含量變化是非線性關(guān)系。Schlatter 等在快速壓縮機(jī)中研究了正庚烷噴霧在甲烷/空氣混合氣中的著火特性。研究發(fā)現(xiàn)，隨甲烷含量增加，正庚烷滯燃期增長(zhǎng)，預(yù)混燃燒階段的放熱率升高。Polk 等在一臺(tái)四沖程單缸機(jī)中研究了當(dāng)量比、柴油質(zhì)量、氣體燃料能量替代比和平均有效壓力對(duì)滯燃期的影響，但他們的數(shù)據(jù)受到測(cè)量方法的限制。Zhang 等在一臺(tái)射流攪拌反應(yīng)器中研究了正庚烷的添加對(duì)甲烷低溫和高溫氧化過(guò)程的影響。研究表明，隨正庚烷含量增大，甲烷的起始氧化溫度降低，即使少量的正庚烷也能使甲烷的高溫氧化溫度顯著向低溫區(qū)偏移。

模擬研究對(duì)認(rèn)識(shí)甲烷/正庚烷混合燃料著火過(guò)程也十分重要，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)甲烷/正庚烷雙燃料的著火特性也開(kāi)展了一些模擬研究。Aggarwal 等用一個(gè)簡(jiǎn)化機(jī)理模擬研究了甲烷/正庚烷混合燃料的滯燃期。研究發(fā)現(xiàn)，甲烷的添加對(duì)正庚烷著火幾乎沒(méi)有影響，而即使少量正庚烷的添加也能顯著縮短甲烷滯燃期。Wei 等通過(guò)模擬研究了甲烷/正庚烷混合燃料的著火特性。他們發(fā)現(xiàn)，溫度和當(dāng)量比在所有研究條件下對(duì)甲烷/正庚烷混合燃料滯燃期都有顯著影響，而壓力和甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅在部分條件下對(duì)甲烷/正庚烷混合燃料滯燃期有顯著影響。 Li 等通過(guò)模擬研究了正庚烷著火過(guò)程中產(chǎn)生的高活性中間產(chǎn)物對(duì)甲烷/正庚烷混合燃料滯燃期的影響。研究表明，即使少量中間產(chǎn)物對(duì)甲烷/正庚烷混合燃料滯燃期也有顯著影響，隨著中間產(chǎn)物濃度增大，影響增大;中間產(chǎn)物主要影響甲烷和正庚烷低溫階段的反應(yīng)來(lái)加速著火。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)甲烷/正庚烷混合燃料滯燃期開(kāi)展了大量研究，研究集中在正庚烷對(duì)甲烷著火影響的宏觀效應(yīng)， Li 等人探究了正庚烷著火過(guò)程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物對(duì)甲烷/正庚烷混合燃料的影響，關(guān)于正庚烷著火對(duì)甲烷著火影響的內(nèi)在機(jī)制未見(jiàn)報(bào)道。正庚烷著火過(guò)程中會(huì)使反應(yīng)系統(tǒng)溫度升高，溫度升高會(huì)加速甲烷著火，這即是正庚烷著火對(duì)甲烷著火影響的熱效應(yīng);此外，正庚烷著火過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生高活性中間產(chǎn)物和活性基，也會(huì)加速甲烷著火，這即是正庚烷著火對(duì)甲烷著火影響的化學(xué)效應(yīng)。因此，本文旨在探究正庚烷著火的熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)對(duì)甲烷著火的影響，并探究熱作用和熱作用+化學(xué)作用條件下甲烷反應(yīng)動(dòng)力學(xué)差異。

2模型和研究方法

本文是利用開(kāi)源軟件 Cantera 中的零維定容絕熱模型開(kāi)展的模擬研究。該模型假設(shè)燃料在一個(gè)封閉的空間內(nèi)反應(yīng)，和外界無(wú)物質(zhì)和熱量交換。采用的機(jī)理是 NUI 的正庚烷詳細(xì)機(jī)理，該機(jī)理采用了分層結(jié)構(gòu)，底層是C1-C0的詳細(xì)機(jī)理，包含甲烷的詳細(xì)氧化機(jī)理，該機(jī)理已經(jīng)得到了廣泛驗(yàn)證，在此無(wú)需進(jìn)一步驗(yàn)證。

正庚烷著火對(duì)甲烷著火的影響分為熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，為了解耦熱作用和化學(xué)作用，本文利用同位素標(biāo)記法，將正庚烷的 H 標(biāo)記為 D，正庚烷即為 NC7D16， NC7D16不會(huì)與 CH4發(fā)生任何反應(yīng)，但產(chǎn)生的熱量會(huì)使反應(yīng)系統(tǒng)溫度升高，即可解耦出正庚烷著火的熱作用對(duì)甲烷著火的影響。NC7H16/CH4混合燃料著火過(guò)程既有正庚烷著火過(guò)程的熱作用也有化學(xué)作用對(duì)甲烷著火的影響，通過(guò)熱作用得到的甲烷滯燃期減去熱作用和化學(xué)作用共同作用的甲烷滯燃期即是化學(xué)作用影響的甲烷滯燃期。

在零維滯燃期模擬中，通常以 OH 濃度最大值所在時(shí)刻或溫度升高400K 作為著火時(shí)刻。在本文研究中，當(dāng)只考慮正庚烷的熱作用時(shí)，正庚烷著火也會(huì)使反應(yīng)系統(tǒng)溫度升高，如圖1所示，當(dāng)以溫度升高400K 作為著火標(biāo)志時(shí)，正庚烷著火導(dǎo)致的溫度升高會(huì)對(duì)甲烷著火判定造成干擾，因此，本文以 OH 濃度最大時(shí)刻作為著火標(biāo)志。

3結(jié)果與討論

為了探究熱作用和化學(xué)作用對(duì)甲烷滯燃期的影響，并分析造成影響的內(nèi)在因素，本文通過(guò)研究壓力為1～10MPa，溫度為800～1200K、當(dāng)量比為0.5～2.0和正庚烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10～30%范圍內(nèi)甲烷/正庚烷混合燃料滯燃期變化，并通過(guò)敏感性分析和產(chǎn)率分析探究熱作用和化學(xué)作用對(duì)甲烷滯燃期造成影響的內(nèi)在原因。

3.1熱作用和化學(xué)作用對(duì)甲烷滯燃期的影響

圖2是不同壓力條件下甲烷/正庚烷混合燃料滯燃期隨溫度變化關(guān)系，圖中表明，在三個(gè)不同壓力條件下熱作用對(duì)甲烷滯燃期有顯著影響，且在中高溫條件下影響更大;而熱作用+化學(xué)作用影響的甲烷滯燃期與單獨(dú)熱作用影響的滯燃期差異不大，且隨著溫度變化，熱作用+化學(xué)作用影響的甲烷滯燃期與熱作用單獨(dú)影響的滯燃期也并未發(fā)生顯著變化。

圖3是溫度為800 K、壓力為5 MPa、當(dāng)量比為1條件下甲烷在不同作用下的羥基隨時(shí)間變化關(guān)系。單獨(dú)熱作用條件下羥基更快達(dá)到峰值，且 OH 和 OD 同時(shí)達(dá)到峰值，這表明正庚烷和甲烷是同時(shí)著火的。而熱作用+化學(xué)作用工況下 OH 達(dá)到峰值時(shí)刻反而晚于單獨(dú)熱作用條件下，這表明，在工況下化學(xué)作用對(duì)甲烷著火的影響是負(fù)作用。在初始?jí)毫?MPa 時(shí)，化學(xué)作用對(duì)甲烷滯燃期幾乎沒(méi)有影響，但隨初始?jí)毫ι?，中溫條件下化學(xué)作用的影響增大。

圖4是不同當(dāng)量比條件下甲烷正庚烷/混合燃料滯燃期隨溫度變化關(guān)系。圖中表明，在不同當(dāng)量比條件下，仍然是熱作用對(duì)甲烷著火影響更大，化學(xué)作用對(duì)甲烷滯燃期幾乎沒(méi)有影響;隨著當(dāng)量比的增大，化學(xué)作用在中低溫條件下對(duì)甲烷著火的抑制作用增大。圖5是不同甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下甲烷/正庚烷混合燃料滯燃期隨溫度變化關(guān)系。在不同甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件，仍然是熱作用對(duì)甲烷滯燃期的影響占主導(dǎo)作用。隨著甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，化學(xué)作用在中低溫條件下對(duì)甲烷著火的抑制作用被削弱。

4結(jié)論

（1）正庚烷著火過(guò)程中產(chǎn)生的熱作用是促進(jìn)甲烷著火的主要因素，化學(xué)作用對(duì)甲烷著火的影響較小。在不同壓力、溫度、當(dāng)量比和甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，熱作用均是促進(jìn)甲烷著火的主要因素。

（2）在中低溫條件下，化學(xué)作用對(duì)甲烷著火的抑制作用更大，且隨當(dāng)量比的增大和甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，抑制作用增大。

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