不同初始温度和水蒸气稀释比对乙醇/异辛烷层流火焰特性的影响

余自洋，孟 顺，钱叶剑，唐 飞，边 顺，庄 远

(合肥工业大学 汽车与交通工程学院，合肥 230009)

0 概述

清洁替代燃料一直是发动机领域的研究热点。乙醇具有易溶于汽油、含氧、汽化潜热高等优点，是目前应用最广泛的清洁替代燃料。乙醇与汽油混合燃用不仅可以增强汽油机的抗爆震能力，还能提升燃烧效率，降低排放[1-4]。但乙醇亲水，无水乙醇的制备工艺复杂且成本高，保存难度大，因此汽油机燃用含水乙醇/汽油混合燃料的研究越来越受到关注。

文献[5]中对比研究了含水乙醇/汽油和乙醇/汽油对汽油机燃烧和排放特性的影响，发现含水乙醇会提高火焰传播速度，缩短燃烧持续期。文献[6]中认为含水量在0～30%时含水乙醇/汽油可以改善缸内燃烧过程，超过30%则会对汽油机性能产生不利影响。由此可见，不同含水量对含水乙醇/汽油燃烧过程的影响规律不同，有必要深入研究水对乙醇/汽油混合燃料燃烧特性的影响机制。

汽油机缸内预混燃烧过程包含预混层流燃烧和湍流燃烧特征，层流燃烧是湍流燃烧的基础。掌握燃料的层流火焰特性可为汽油机燃烧过程的优化提供重要的理论依据。层流火焰速度是表征燃料层流燃烧特性的重要参数，可以用来验证化学反应动力学机理的准确性，还可以用于湍流火焰速度的数值仿真[7]。文献[8]中利用定容燃烧弹试验测量了含水乙醇的层流火焰速度，发现随着含水量增加，层流火焰速度和无量纲层流火焰速度均线性降低，无量纲层流火焰速度的变化趋势与当量比无关。文献[9]中试验和理论研究了水对汽油燃烧速度的影响，发现火焰速度随着掺水量的增加而降低，但没有深入分析水对层流火焰速度的影响机理。文献[10]中利用定容燃烧弹研究了不同当量比下乙醇掺混比对乙醇/异辛烷层流火焰速度的影响，拟合得到一个误差不超过2%的经验关系式，用来预测乙醇/异辛烷层流燃烧速度。文献[11]中利用热通量燃烧器研究了初始温度对乙醇/异辛烷层流火焰速度的影响，指出层流火焰速度具有明显的温度依赖性。

综上可以看出，水/乙醇、水/汽油及乙醇/异辛烷等混合物的基础燃烧特性研究较多，但还未见到水/乙醇/异辛烷混合燃料层流火焰特性的研究报道。中国车用乙醇汽油一般指乙醇体积分数为10%的乙醇/汽油混合燃料，本研究中利用定容燃烧弹系统结合高速纹影摄像技术，分析研究了不同水蒸气稀释比和初始温度下乙醇体积分数为10%的乙醇/异辛烷混合燃料(E10)基础燃烧特性，理论分析了水蒸气对E10层流燃烧速度的作用机理。

1 试验装置和方法

1.1 试验装置

试验装置示意如图1所示，包括燃烧弹主体、点火装置、配气系统、液体燃料定量蒸发系统、温控加热系统、纹影测量系统和数据采集系统等。弹体为圆柱形容器，直径150 mm，体积为5.35 L，两端安装有直径为80 mm的石英玻璃视窗，中心布置有两根直径为0.5 mm的钨质点火电极。弹体外表面和液体燃料注射管分别缠绕一条1 kW伴热带并包裹上保温棉，用于加热和保温。利用精度为±1 K的K型热电偶来监测和控制试验温度。把配置好的液体燃料E10和水通过微量注射器依次注射进燃料定量蒸发系统并加热至预热温度，完全蒸发后通入定容弹内。利用高精度天平(分辨率0.001 g)称量注射前后注射器的质量变化，确保燃料量的精确。采用直径为100 mm的 Z字型纹影系统拍摄燃烧过程，高速摄像机为Photron公司生产的FASTCAM-ultima 512，最高拍摄速度为32 000帧/s，本研究中设定拍摄速度为4 000帧/s。

图1 定容弹装置示意图

1.2 试验方法

本文中主要研究不同当量比、水蒸气稀释比和起始温度下E10的基础燃烧特性，水蒸气稀释比x定义为：

(1)

式中，VW为水蒸气体积；VA为空气体积；VI为E10蒸气体积。

当量比φ定义为完全燃烧理论所需空气量与实际供给空气量之比。

球形火焰是典型的拉伸火焰，若t时刻球形火焰半径为Rf，则拉伸火焰传播速度Sb与火焰拉伸率K为：

Sb=dRf/dt

(2)

K=2Sb/Rf

(3)

在早期火焰传播阶段，K与Sb存在线性或非线性关系[12]。线性关系可以表示为：

Sb=Sb0-LbK

(4)

非线性关系可以表示为：

Sb=Sb0-2Sb0Lb/Rf

(5)

联立式(4)和式(5)得到：

(6)

式中，Sb0为无拉伸火焰传播速度；Lb为已燃气体的马克斯坦长度，表征层流燃烧速度对拉伸的敏感程度。

层流火焰速度为：

SL=ρbSb0/ρu

(7)

式中，ρb和ρu分别为已燃气体和未燃预混气体的密度，可由CHEMKIN化学平衡计算模型得到。

数据处理方法对拉伸火焰传播速度有着重要影响。图2对比了不同处理方法获得的乙醇燃烧火焰传播速度。由图2(a)可知，当量比在0.8～1.2区间时，两种方法的拟合结果相差不大。当量比为1.4时(图2(b))非线性方法的拟合结果较差，这是因为Lb接近于零时Sb几乎不随K变化，因此该工况的试验数据适宜采用线性处理方法。

图2 乙醇的拉伸火焰传播速度Sb随拉伸率K的变化

图3列出了不同当量比下根据两种处理方法获得的SL和Lb。从图3可以看出，SL结果非常接近，Lb结果相差较大。不过，对于液体燃料来说，即使在同一工况下不同课题组也会得到不同的Lb值，且相差较大[13]。综上，本文中选择线性方法处理数据。

图3 线性方法与非线性方法计算Lb和SL的比较(T=400 K,p=101.3 kPa,x=0)

式(8)给出了不确定度计算方法[14]。

(8)

式中，xi为决定SL不确定性的各个因素；ni为每个因素xi的固定误差值。考虑到系统误差和随机误差，本试验的不确定度为5%，文中图片的试验数据都给出了带有误差条的不确定度。

2 数值方法

本文中采用两种汽油替代燃料模型开展含水乙醇/汽油混合物燃烧特性的理论研究。一种是文献[15]中发展的包括59个物种和270步反应的汽油替代燃料模型(简称Li机理)，另一种是文献[16]中发展的包括335个物种和1 610步反应的汽油替代燃料优化模型(简称Pitsch机理)。

模拟计算时，选择CHEMKIN中PREMIX模块，采用混合物平均输运方程，考虑Soret 扩散作用。计算网格梯度和曲率分别设定为0.02和0.03，最大允许网格数为1 200，模拟在3 cm的一维区域展开，确保计算结果与网格数无关，保证计算结果的准确性。

为了验证试验装置的可靠性和试验结果的准确性，本文中测量了温度为400 K、压力为101.3 kPa、当量比为0.8～1.4时乙醇/空气的层流火焰速度，并与文献[10, 17-20]进行了对比分析，见图4。从图4中可以看出，本研究中测量结果与其他文献的试验数据比较接近，处在中间位置，说明本文中采用的试验装置和数据处理方法可靠性好，试验结果可信度高。图4还对比了Li机理和Pitsch机理的层流火焰速度计算值。从图可以看出，低当量比时Li机理的计算值偏低，高当量比时则偏高；Pitsch机理的计算值与试验值的一致性好。本文中选用Pitsch机理进行理论研究。

图4 不同当量比时乙醇/空气层流火焰速度(T=400 K, p=101.3 kPa, x=0)

3 结果和讨论

3.1 水蒸气稀释对E10/空气层流火焰速度的影响

预混气体在点火电极中心点燃后，火焰以稳定球状向外扩散，由已燃区向未燃区传播。图5是当量比为1.4、初始温度为400 K时，不同水蒸气稀释比下E10/空气火焰传播图像。可以看出，随着水蒸气稀释比的增加，火焰扩散速度明显减慢。从图5还可以看出，当量比为1.4时，球状火焰前沿有裂纹，说明此时火焰传播不稳定，马克斯坦长度变小，接近负值。这与图2分析相对应，也证实非线性处理方法不适合处理当量比为1.4时试验数据。

图5 E10/空气火焰传播纹影图(T=400 K, p=101.3 kPa,φ=1.4)

图6为不同当量比下E10层流火焰速度和绝热火焰温度与水蒸气稀释比的关系。从图可以看出，若当量比保持不变，随着水蒸气稀释比的增加，层流火焰速度SL线性下降，说明水蒸气抑制了E10/空气的燃烧过程。从图还可以看出，SL模拟计算值与试验结果的一致性较好。不过当量比为0.8时，高水蒸气稀释比的计算值要高于试验结果，可能是因为该工况下混合气的燃烧不完全，导致测量结果偏低。绝热火焰温度Tf是影响反应物放热能力的重要参数，与层流火焰速度密切相关。绝热火焰温度Tf可由CHEMKIN的EQUILIBRIUM模块计算得到。由图6可知，Tf与SL变化趋势基本一致。这是因为水蒸气的加入稀释了预混气，增大了混合气比热容，降低了混合气的绝热火焰温度，进而降低了层流火焰速度。

图6 E10/空气在不同水稀释比下的SL和Tf(T=400 K, p=101.3 kPa)

无量纲层流火焰速度S可以表示为：

S=SLx/SL0

(9)

式中，SLx为掺水混合燃料的层流火焰速度；SL0为未掺水混合燃料的层流火焰速度。图7显示了无量纲层流火焰速度随水蒸气稀释比的变化关系。可以看出，无量纲层流火焰速度随水蒸气稀释比的增加而下降，受当量比的影响不大。图7中数据经拟合可得：

S=-0.035 43x+1.012 37

(10)

根据式(10)，若SL0已知，可对初始温度400 K试验工况下SLx进行预测。

3.2 初始温度对E10/空气层流火焰速度的影响

初始温度对层流火焰速度的影响可以通过式(11)进行描述[21]。

(11)

式中，α为预混气体的扩散系数；ρu为未燃气体的密度；E为活化能；TRZ为化学反应区的温度。

图8显示了不同水稀释比下初始温度T对E10/空气层流火焰速度的影响。试验工况的当量比为1.0，初始温度范围为400～500 K。试验结果表明：初始温度T对SL有显著影响，随着T的增加，SL增大。不同水稀释比下SL变化趋势接近。利用CHEMKIN对层流火焰速度进行预测，发现数值计算与试验结果一致性好，层流火焰速度随温度呈指数增加。

图8 不同初始温度下E10/空气层流火焰速度(p=101.3 kPa, φ=1.0)

3.3 敏感性分析

利用CHEMKIN软件对当量比为1.0的E10/空气层流火焰速度进行敏感性分析。图9给出了E10/空气层流火焰速度的敏感性系数变化，表1列出了图9中相关基元反应与其所对应反应机理中的编号。

图9 层流火焰速度的敏感性分析(T=400 K, p=101.3 kPa,φ=1.0)

表1 基元反应及其编号

由图9可知，影响层流火焰速度的重要反应都涉及H、O、OH等自由基，说明层流火焰速度与这些自由基有强相关性。R1反应是最主要的链式分支反应，可以生成大量自由基，对燃烧进程的影响最大，因此R1反应有最大的正敏感性系数，是提高SL最重要的反应。R29反应是最主要的CO2消耗反应，敏感性系数也为正，对SL同样重要。R15反应和R89为链式终端反应，与R1为竞争反应，会消耗大量的H，降低燃烧过程中自由基浓度，敏感性系数为负，对SL起抑制作用。

随着水蒸气稀释比的增加，基元反应R1、R14的敏感性系数增大，说明在高水蒸气稀释比条件下，这些反应的影响将更明显。水蒸气的三体系数较大，随着水蒸气稀释比的增加，三体作用越明显，基元反应R15和R89的反应速率有所提高，敏感性系数变大。不过，R37和R33反应的敏感性系数基本不变，说明它们对水蒸气浓度变化不敏感。

为了进一步理解H2O对基元反应的作用，图10给出了x=0和x=10%时主要自由基的物质的量浓度和火焰温度分布。由图10可知，在燃烧的初始阶段有大量自由基生成，随后趋于稳定，OH、H、O的浓度峰值远大于CH3和HO2的浓度峰值。火焰温度在快速上升后也趋于稳定。从图中还可以看出，水稀释会显著降低火焰中H、O、OH自由基的浓度，CH3和HO2浓度略有降低，火焰温度有所下降。这说明水稀释会降低反应区温度，抑制自由基的生成，进而影响基元反应。

图10 E10/空气火焰中自由基物质的量分数与温度分布(T=400 K, p=101.3 kPa,φ=1.0)

3.4 水蒸气的不同作用

在燃烧过程中，水蒸气的作用可分为物理作用和化学作用。物理作用分为稀释作用和热力学作用两类。水蒸气会稀释混合物，降低混合物中氧化剂和燃料的比例。水蒸气还会改变预混气体热力学和输运性质。化学作用也分为两类：直接反应作用，即水蒸气直接参与化学反应；三体作用，水蒸气参与三体反应。

为了明确和区分水蒸气对燃烧过程的作用机理，设置了两种虚拟组分FH2O和FH2O(M)。FH2O和 H2O 具有相同的三体增强系数、热力学数据和输运数据，但不直接参与化学反应，因此通过比较H2O和FH2O的计算结果，可以明确H2O的直接反应作用。FH2O(M)既不直接参与化学反应，也不作为第三体参与三体反应，因此通过对比FH2O和FH2O(M)的计算结果，可以明确H2O的三体作用。另外，文献[22]中指出氮气(N2)作稀释剂时，稀释作用会显著抑制层流火焰速度，可以忽略其热力学和化学作用。因此，本文中利用N2来区分水蒸气的稀释和热力学作用，通过比较N2和FH2O的计算结果，可以明确H2O的热力学作用。

图11显示了当量比1.0时不同稀释组分下E10层流火焰速度，对比了水蒸气不同作用对层流火焰速度的影响程度，图中均为模拟值，辅助线条表示未稀释时E10的层流火焰速度。从图可以看出，水蒸气的物理作用和化学作用都会造成层流火焰速度下降。其中，水蒸气的物理作用(稀释作用和热力学作用)是抑制层流燃烧速度的主要因素，化学作用(直接反应作用和三体作用)的影响较小。随着水蒸气稀释比的增加，水蒸气的物理和化学作用的影响都呈线性增加。

图11 H2O对E10/空气层流火焰速度的不同作用(T=400 K, p=101.3 kPa,φ=1.0)

为定量描述水蒸气的4种作用影响SL的程度大小，定义相对稀释作用、相对热力学作用、相对直接反应作用、相对三体作用分别如式(12)～式(15)所示。

r1=SL,0-SL,N2/SL,0-SL,H2O

(12)

r2=SL,N2-SL,FH2O(M)/SL,0-SL,H2O

(13)

r3=SL,FH2O-SL,H2O/SL,0-SL,H2O

(14)

r4=SL,FH2O-SL,FH2O(M)/SL,0-SL,H2O

(15)

式中SL,0、SL,N2、SL,H2O、SL,FH2O、SL,FH2O(M)分别表示无水稀释、N2稀释、H2O稀释、FH2O稀释和FH2O(M)稀释时E10/空气的层流火焰速度，4种相对作用之和为100%。

图12给出了水蒸气4种相对作用随稀释比的变化关系。可以看出，水蒸气的稀释作用是造成层流火焰速度降低的主要原因。从图12中还可以看出，随着水稀释比的增加，相对稀释作用和相对三体作用几乎不变，相对热力学作用减少，相对直接反应作用增加，因此化学作用随着水蒸气稀释比的提高而增加。

图12 H2O的相对作用(T=400 K,p=101.3 kPa,φ=1.0)

4 结论

(1)水蒸气稀释比和初始温度对E10层流火焰速度的影响大。层流火焰速度和绝热火焰温度都随着水蒸气稀释比的增加而线性降低。无量纲层流火焰速度随水蒸气稀释比的增加而下降，受当量比的影响不大。提高初始温度，层流火焰速度指数增加。

(3)水蒸气的稀释作用、热力学作用、直接反应作用和三体作用都会降低E10层流火焰速度，其中稀释作用的影响最大。随着水蒸气稀释比的增加，相对稀释作用和相对三体作用几乎不变，相对热力学作用减少，相对直接反应作用增加。