直馏和催化汽油组分在汽油机燃烧过程中的可用能分析

冯洪庆,杨肖曦,王美英,刘道建

(1.中国石油大学储运与建筑工程学院,山东青岛 266580;2.中冶东方工程技术有限公司,山东青岛 266555)

直馏和催化汽油组分在汽油机燃烧过程中的可用能分析

冯洪庆1,杨肖曦1,王美英2,刘道建1

(1.中国石油大学储运与建筑工程学院,山东青岛 266580;2.中冶东方工程技术有限公司,山东青岛 266555)

根据调合燃油在汽油机燃烧过程中能量的转化规律,建立调合燃油组分模型及热力学准维双区模型,模拟研究直馏汽油和催化汽油在汽油机燃烧过程中缸内工质可用能及不可逆损失的变化规律。在调合燃油组分模型中,将异辛烷、正庚烷、甲基环己烷及甲苯作为直馏汽油的替代组分,将异辛烷、正庚烷、甲基环己烷、甲苯以及1-戊烯作为催化汽油的替代组分。结果表明:催化汽油的总可用能损失较低,约为36.01%,而直馏汽油的可用能损失较高,约为40.07%;在整个燃烧阶段,催化汽油的传热引起的可用能损失比直馏汽油的高,而燃料燃烧引起的可用能损失较低;可用能损失的大小与调合燃油组分组成的种类以及燃油组分组成的含量有关。

汽油机;可用能;直馏汽油;催化汽油;燃烧模型

汽油机的发展必须进一步改善燃油经济性和降低排放。燃油组分组成对于汽油的辛烷值具有较大影响,其组分如烯烃、芳香烃的含量也对汽油机的排放具有重要影响[1-2]。新的燃油标准对燃油具体成分如烯烃、芳香烃的含量也做出了规定,这对炼油厂的调合燃油组分和炼油装置和技术提出了要求[3]。Caton[4]模拟研究了燃烧过程对可用能损失的影响,分析了温度、压力、空燃比等对燃料可用能变化的影响,并阐述了该方法在内燃机中的应用。Rakopoulos等[5]研究了高速发动机工质可用能和燃烧过程不可逆性的计算方法。Rakopoulos等[6-7]近期对发动机中应用氢/天然气、生物质气/氢混和燃料进行了可用能分析,认为氢燃料的采用有望提高热力学第二定律效率。Ismail等[8-9]考察了氢、烷烃、乙醇等燃料和相关燃烧过程对可用能效率的影响。Caton[10]对火花点火发动机进行了热力学第二定律的模拟分析,着重讨论了燃料分子大小和含氧对燃烧过程可用能损失的影响。这些研究的热力学模型主要还是基于单一燃料建立的,并未考虑燃油组分组成对可用能利用与损失的影响,这与实际燃料的燃烧有较大差别。因此笔者针对中国国内广泛存在的常减压蒸馏装置和催化裂化装置的产品——直馏汽油和催化汽油,选择合适替代组分,分析其在燃烧过程中的可用能利用规律,基于燃烧放热规律进一步确定这两种燃油组分在发动机中的能量转换与利用规律。

1 汽油调合燃油组分模型

直馏汽油是由原油经直接分馏(直馏法)而得的汽油,主要含碳四至碳十二的烃类。这种汽油主要含饱和烃类,含有较少的不饱和烃类,不含烯烃,辛烷值不是很高。催化裂化汽油是商品汽油的主要调合组分,其在中国商品汽油中的含量最多。催化裂化汽油中的烯烃含量以及异构烷烃的含量较高,因此其辛烷值较高。

在汽油机燃烧过程模拟中较多地采用异辛烷这种单一燃料。在化学动力学机制研究中,则考虑几种替代组分[11-12],如异辛烷、正庚烷、甲苯等。研究者在汽油机燃烧过程的可用能分析中,曾尝试采用4种组分替代汽油,模拟精度有所改善[13]。鉴于两种调合汽油组成比较复杂,仅采用单一的异辛烷不能准确地模拟出它们的性质。本文中采用气相色谱分析仪Agilent6890对两种调合汽油的烃组分进行了分析,各族烃类的组成结果如表1、2所示。

表1 直馏汽油详细烃组分分析Table 1 Detailed hydrocarbon components analysis of straight-run gasoline

依据对两者的详细烃组分分析结果,对其组分进行了简化,选择正庚烷(C7H16)代表链烷烃,异辛烷(C8H18)代表异构烷烃,甲基环己烷(C7H14)代表环烷烃,甲苯(C7H8)代表芳香烃以及1-戊烯(C5H10)代表烯烃类。把直馏汽油的组分简化为4种,分别为异辛烷、正庚烷、甲基环己烷以及甲苯。混合物的研究法辛烷值为90.23,而试验中分析的直馏汽油的研究法辛烷值为90.9,两者相差不大。把催化汽油的组分简化为5种,分别为异辛烷、正庚烷、甲基环己烷、甲苯以及1-戊烯。混合物的研究法辛烷值为94.5,而试验中分析的催化汽油的研究法辛烷值为93,两者相差不大。表3、4分别列出了两种汽油各种组成的分子量、摩尔分数、低位发热值和研究法辛烷值。

表2 催化汽油详细烃组分分析Table 2 Detailed hydrocarbon components analysis of catalytic gasoline

表3 直馏汽油各组分的分子量、摩尔分数、低位发热值和研究法辛烷值Table 3 Molecular weight,mole fraction,low heat value and research octane number of each component of straight-run gasoline

表4 催化汽油各组分的分子量、摩尔分数、低位发热值和研究法辛烷值Table 4 Molecular weight,mole fraction,low heat value and research octane number of each component of catalytic gasoline

2 模型分析

2.1 燃烧模型

采用准维双区燃烧模型(图1,图中p为缸内压力,Tu、Tb分别为未燃区和已燃区温度;Vu、Vb分别为未燃区和已燃区体积;mu、mb分别为未燃区和已燃区混和物质量;Qu、Qb分别为未燃区和已燃区汽缸壁传热量)编程计算直馏汽油和催化汽油在燃烧过程中的可用能损失。选择气缸直径D=82.55 mm、冲程S= 114.3 mm、连杆长度L=254 mm的汽油机进行计算,基本工况:转速n=1 800 r/min,当量空燃比A/F= 1.05,压缩比ε=9,燃烧起始角θs=－20°CA,持续角为Δθ=60°CA。燃烧过程中,火焰前锋面把气缸分为未燃区和已燃区。

图1 准维双区燃烧模型Fig.1 Quasi-dimensional two-zone combustion model

2.2 可用能分析模型

可用能是指与环境处于热力学不平衡的闭口系统,当它与环境发生作用、可逆地变化到与环境平衡时可做出的最大有用功。本文中把热力学第一定律和热力学第二定律进行耦合,采用可用能分析的方法研究内燃机燃烧过程中热机械可用能、化学可用能和不可逆性可用能损失的变化率,有利于全面理解发动机的热力学工作过程,为发动机性能优化提供参考。

闭合系统的总可用能包括热机械可用能和化学可用能:

式中,Ath为热机械可用能,J;Afch为化学可用能,J。

系统中的热机械可用能部分可以表示为

式中,下标“0”表示标准环境状态。

对于无硫的碳氢燃料CzHy,可近似计算燃料的可用能[14]为

式中,LHV为燃料低位发热值,J;y、z分别为单燃料分子中氢原子数和碳原子数。

对于火花点火发动机,相对于燃料燃烧和传热引起的可用能损失,工质混合和摩擦引起的可用能损失小得多,可以忽略[15]。所以有

式中,Itotal为总可用能损失,J;Ic为燃料燃烧引起的可用能损失,J;Ih为传热引起的可用能损失,J。

燃烧不可逆引起的可用能损失随曲轴转角的变化规律:

式中,A为系统可用能,J;AW为活塞做功可用能,J; AQ为系统与气缸壁传热可用能,J;θ为曲轴转角, (°)CA。

热量由缸内气体工质传向气缸壁面的过程中,一部分热量传向了温度比工质温度低的壁面,在这个传热过程中引起可用能损失Ih为[12]

式中,TW为气缸壁温度,K。

3 计算结果及其分析

图2为直馏汽油在起始角为－20°CA、燃烧持续角为60°CA条件下的可用能随曲轴转角的转化。总可用能随着燃烧的进行,先上升后下降,燃烧后期总可用能的降低是由燃烧温度的降低引起的。由图2看出,做功可用能在燃烧初期是负值,主要是由于活塞压缩工质做功,对于工质而言,为负功,上止点后,增加很明显。传热可用能因为工质温度的升高和传热的影响,整个燃烧过程中一直升高。燃料燃烧以及传热引起的可用能损失都随着燃烧的进行而增大,随着燃料的减少,燃料燃烧引起的可用能损失趋于不变。

图2 可用能转化情况Fig.2 Conversion of available energy

图3 两种调合燃油可用能份额对比Fig.3 Comparison of different kinds of available energy of two kinds of blending fuels

图3分别列出了燃烧过程中做功的可用能、传热引起的可用能转移以及不可逆损失占总可用能的份额。对于两种燃油,催化汽油在做功方面比直馏汽油有更高的转化率,由于压缩过程消耗了功,膨胀做功还未结束,转换为有用功的份额较少。转换为工质热量的可用能份额最大(直馏汽油为38.99%,催化汽油为39.66%),传热引起的不可逆损失也较大;其中,燃料燃烧不可逆损失方面,直馏汽油的可用能损失比催化汽油的大,做功能力比催化汽油的弱。催化汽油的总可用能损失较小,约为36.01%,而直馏汽油的总可用能损失为40.07%。综上可知,催化汽油在燃烧过程中可用能利用比直馏汽油的好。

图4为直馏汽油和催化汽油的缸内温度和压力变化情况。从图4可看出,受活塞压缩和燃烧放热的影响,缸内温度、压力均随着燃烧的进行先上升,随着缸内燃料逐渐燃尽和活塞下行而缓慢降低。整个燃烧过程中,催化汽油的压力始终比直馏汽油的高,且两种汽油的压力峰值都出现在上止点10°CA左右。整个燃烧过程中,催化汽油的缸内温度和压力始终比直馏汽油的高,且催化汽油的最高温度比直馏汽油的高约370 K,峰值压力比直馏汽油的高602 Pa,主要是由于催化汽油中含有较高的烯烃含量,烯烃比烷烃的化学性质活泼,更容易完全燃烧,从而使缸内温度升高,压力也升高。

图4 两种调合燃油的温度和压力变化Fig.4 Variations of temperature and pressure change during combustion process of two kinds of blending fuels

图5为直馏汽油和催化汽油在燃烧过程的总可用能随着曲轴转角的变化规律。从图5可看出,总可用能由于活塞压缩燃油混合气做功而增加,随着燃烧的进行,工质对活塞做功,膨胀做功造成的影响超过了燃烧放热对工质加热的作用,压力和温度下降,燃烧和传热的可用能损失不断增加,可用能趋于降低。燃烧初期二者相差不大,当总可用能达到最大值后,两种燃油的总可用能差额达到最大且保持不变(约238.7 J)。

图5 总可用能随着曲轴转角的变化规律Fig.5 Variation of total available energy along with crank angle

图6 传热和燃烧引起的可用能损失随着曲轴转角的变化规律Fig.6 Variation of available energy destruction due to heat transfer and fuel combustion along with crank angle

图6为直馏汽油和催化汽油由于传热和燃烧引起的可用能损失随着曲轴转角的变化规律。由图6 (a)可看出,随着燃烧进行,传热引起的可用能损失逐渐升高。燃烧初期二者相差不大,燃烧后期差距较明显。直馏汽油在燃烧结束时传热直馏汽油在直馏汽油在燃烧结束时传热引起的可用能损失为285.6 J,而催化汽油为363.1 J,比直馏汽油高出77.5 J,这是由于催化汽油中含有大量的烯烃,烯烃化学性质活泼,在燃油燃烧时,会发生分解反应、氢转移反应以及芳构化反应,燃烧放热量更多,工质温度更高,使缸内工质与缸壁温差增大,从而使传热引起的可用能损失增加。

从图6(b)可看出,随着燃烧进行,燃料燃烧引起的可用能损失先逐渐升高后缓慢下降。由于燃烧过程中的传热和做功,直馏汽油的燃烧可用能损失比催化汽油的大。差别可能是由于催化汽油的烯烃含量较高,且1-戊烯的热值比较高造成的。

4 结 论

(1)燃烧过程中造成的可用能损失主要是由燃烧和传热过程引起的。催化汽油的传热引起的可用能损失比直馏汽油的高,而燃料燃烧引起的可用能损失较低。

(2)对于不同的燃料,燃烧过程中的总可用能损失情况不同。催化汽油的总可用能损失较低,约为36.01%;而直馏汽油的可用能损失较高,为40.07%。

(3)可用能损失与调和燃油组分组成的种类及燃油组分组成的含量均有关系。

[1] SCHIFTER I,DIAZ L,VERA M,et al.Fuel formulation and vehicle exhaust emissions in Mexico[J].Fuel, 2004,83:2065-2074.

[2] RICHARD S,NEVILLE T,ROBERTO B,et al.Fuel effects on regulated emissions from modern gasoline vehicles:SAE International:Fuels&Lubricants Meeting& Exhibition,June 8-10,2004[C].Toulouse,c2004.

[3] 冀德坤,李术元,丁福臣,等.MCM-22/MCM-41与ZSM-5/MCM-41复合分子筛汽油降烯烃性能的对比分析[J].中国石油大学学报:自然科学版,2010,34 (3):140-145.

JI Dekun,LI Shuyuan,DING Fuchen,et al.Comparison and analysis on gasoline olefin reduction performance of MCM-22/MCM-41 and ZSM-5/MCM-41 composite molecular sieves[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2010,34(3): 140-145.

[4] CATON J A.On the destruction of availability(exergy) due to combustion processes-with specific application to internal-combustion engines[J].Energy,2000,25: 1097-1117.

[5] RAKOPOULOS C D,KYRITSIS D C.Comparative second-law analysis of internal combustion engine operation for methane,methanol,and dodecane fuels[J].Energy, 2001,26:705-722.

[6] RAKOPOULOS C D,SCOTT M A,KYRITSIS D C,et al.Availability analysis of hydrogen/natural gas blends combustion in internal combustion engines[J].Energy, 2008,33:248-255.

[7] RAKOPOULOS C D,MICHOS C N.Generation of combustion irreversibilities in a spark ignition engine under biogas-hydrogen mixtures fueling[J].International Journal of Hydrogen Energy,2009,34:4422-4437.

[8] ISMAIL S,MEHTA P S.Second law analysis of hydrogen air combustion in a spark ignition engine[J].International Journal of Hydrogen Energy,2011,36(1):931-946.

[9] ISMAIL S,MEHTA P S.Evaluation of the effects of fuel and combustion-related processes on exergetic efficiency [J].Fuel,2011,90(5):1818-1825.

[10] CATON J A.Implications of fuel selection for an SI engine:results from the first and second laws of thermodynamics[J].Fuel,2010,89:3157-3166.

[11] PITZ W J,CERNANSKY N P,DRYER F L.Development of an experimental database and chemical kinetic models for surrogate gasoline fuels:SAE International: 2007 World Congress Detroit,April 16-19,2007[C].Michigan,c2007.

[12] ANDRAE J C G.Development of a detailed kinetic model for gasoline surrogate fuels[J].Fuel,2008,87: 2013-2022.

[13] FENG Hongqing,LI Huijie.Second-law analyses applied to a spark ignition engine under surrogate fuels for gasoline[J].Energy,2010,35(9):3551-3556.

[14] RAKOPOULOS C D,GIAKOUMIS E G.Comparative first-and second-law parametric study of transient diesel engine operation[J].Energy,2006,31(12):1927-1942.

[15] SOBIESIAK A,ZHANG Shengmei.The first and second law analysis of spark ignition engine fuelled with compressed natural gas:SAE International:Powertrain& Fluid Systems Conference&Exhibition Pittsburgh,October 27-30,2003[C].Pennsylvania,c2003.

(编辑 沈玉英)

Availability analysis of composition of straight run and catalytic cracking gasoline during combustion process of gasoline engine

FENG Hongqing1,YANG Xiaoxi1,WANG Meiying2,LIU Daojian1
(1.College of Pipeline and Civil Engineering in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China; 2.Beris Engineering and Research Corporation,Qingdao 266555,China)

According to the transformation regularity of fuel energy in the gasoline engine combustion process with blended gasoline,the fuel blending component model and the thermodynamic quasi-dimensional two-zone model were established.The changes of availability and loss of irreversibility as a function of crank angle during the combustion process with straight run gasoline and catalytic cracking gasoline were studied by numerical simulation respectively.In the fuel blending component model,i-octane,n-heptane,methyl cyclohexane and toluene were treated as the substitute for straight run gasoline components,simultaneously,i-octane,n-heptane,methyl cyclohexane,toluene and 1-pentene as the substitute for catalytic cracking gasoline.The results show that the total exergy destruction of the catalytic cracking gasoline(36.01%)was lower than that of the straight run gasoline(about 40.07%).During the combustion process,the exergy destruction of the catalytic cracking gasoline due to heat transfer was larger than that of the straight run gasoline,while the exergy destruction due to combustion was smaller.The differences of the exergy destruction during the combustion process appear to be related to the kind and content of the hydrocarbon compositions in the blended gasoline.

gasoline engine;availability;straight run gasoline;catalytic cracking gasoline;combustion model

TK 411

A

1673-5005(2014)05-0149-06

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.05.021

2013－11－11

国家自然科学基金项目(51106181);山东省优秀中青年科学家科研奖励基金项目(BS2012NJ012);天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室开放课题(K2012－06);中央高校基本科研业务费专项资金项目(14CX05041A)

冯洪庆(1977－),男,教授,博士,主要从事内燃机燃料与燃烧研究。E－mail:fenghongqing@upc.edu.cn。

冯洪庆,杨肖曦,王美英,等.直馏和催化汽油组分在汽油机燃烧过程中的可用能分析[J].中国石油大学学报:自然科学版,2014,38(5):149-154.

FENG Hongqing,YANG Xiaoxi,WANG Meiying,et al.Availability analysis of composition of straight run and catalytic cracking gasoline during combustion process of gasoline engine[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2014,38(5):149-154.