利用余热制氢的乙醇发动机模拟计算

杨大勇　胡以怀　冯是全

(上海海事大学商船学院，上海 201306)



利用余热制氢的乙醇发动机模拟计算

杨大勇胡以怀冯是全

(上海海事大学商船学院，上海 201306)

本文研究了一种利用发动机余热制取氢气的装置，并将该装置应用在乙醇发动机上，通过chemkin-pro软件中的激波管模型计算该装置生成的重整气加入发动机以后对发动机燃烧的影响，采用乙醇燃烧反应机理，研究了压力升高、温度升高、热量释放、各组分的含量变化等情况，比较了纯乙醇燃烧和乙醇混合重整气燃烧的特性，结果表明重整气中的氢气可有效促使点火延迟时间变短，有利于发动机性能改进。

乙醇发动机；chemkin-pro软件；激波管；点火延迟

乙醇作为燃料，是一种清洁、安全的能源。乙醇的来源广泛，与汽油具有一定的互换性，可以直接在汽油中掺烧一定比例的乙醇。但是乙醇的汽化潜热大于常规汽油，导致发动机冷启动性能下降。作为发动机燃料，氢气具有优良的性能，点火能量低，着火范围宽，火焰传播速度快，但储运较为困难，为氢气在发动机上的应用带来了挑战。本文研究了余热制氢发动机，该发动机利用余热使乙醇经过催化重整生成氢气和一氧化碳，在充分利用发动机余热的同时，利用氢气的优良燃烧性能改善乙醇发动机的性能，并对此进行了燃烧模拟计算。模拟计算是利用chemkin-pro软件中的激波管模型，化学反应机理采用美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LawrenceLivermoreNationalLaboratory)的NickM.Marinov所发表的乙醇高温燃烧化学反应动力学模型。

1　发动机余热制氢系统

1.1系统原理

乙醇泵将乙醇和水的混合液从醇水箱中泵入到氢发生器，氢发生器中的电磁加热线圈由蓄电池供电，达到合适温度后，乙醇和水开始反应产生氢气，产生的氢气依次经过冷却器、缓冲器、稳压器，最后由喷射泵喷入气缸，燃烧做功。发动机产生的高温尾气流过氢发生器，为乙醇和水的反应提供了足够的热量。同时，发动机给蓄电池充电，这样，完成了乙醇余热制氢及发动机缸内燃烧的整个循环。

利用发动机余热制氢系统如图1所示。

1.2反应原理

水蒸气重整是目前最常用的乙醇制氢方法[1-3]。目前全世界一半以上的氢气是通过水蒸气重整制得的。该方法制得的氢气纯度较高，该反应机理一般有如下两种主要反应：

(1)乙醇脱氢生成乙醛和氢气，其中部分乙醛会继续和表面氧作用生成乙酸盐，然后分解生成CH4和CO2，部分乙醛会直接生成CH4和CO。CH4发生重整反应生成碳的氧化物和H2。

图1　利用发动机余热制氢系统Figure 1　Hydrogen production system using engine waste heat

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(2)乙醇脱水生成乙烯，其中部分乙烯再分解生成氢气和焦炭，部分乙烯快速发生重整反应生成CO和H2,还有部分直接脱附存在于产物中。CO发生水煤气变换反应生成CO2和H2。

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通过实验发现，减少系统压力有利于乙醇和水的转化，使氢气生产率提高[4]，因此反应应在负压或常压下进行，最佳反应温度在850K～900K，水和乙醇的最佳体积比是8～9，乙醇水蒸气重整是一个吸热反应，需要由外部供热。

上述反应只是简单的概述，具体的反应机理采用美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LawrenceLivermoreNationalLaboratory)的NickM.Marinov所发表的乙醇高温燃烧化学反应动力学模型[5]。武汉理工大学的游伏兵[6]利用色谱法测量了乙醇重整反应生成的重整气的组分含量，成分含量见表1。

表1　乙醇重整气组分含量Table 1　Ethanol reforming gas components contents

2　激波管的实验原理

激波管实验原理如图2[7-8]所示。

图2　激波管实验原理Figure 2　Principle of shock tube test

典型激波管由两根等截面管构成，高压区充装驱动气体，低压区充装被驱动(实验)气体，高压区和低压区隔离开，当高压区和低压区的隔离物破裂时，高压气体膨胀，在低压区产生向右传播的激波，低压区受到激波的作用，温度和压力迅速升高，低压区气体的初始状态如图2所示(1区)，在激波前峰面扫过低压区后，1区气体的温度和压力有一个升高量，用2区表示。当激波前峰面到达激波管最右端，激波将产生发射，反射激波继续对2区气体进行压缩，这样，2区气体状态变为5区所示。因为激波的速度很快，而5区的气体经过了入射激波和反射激波的两次作用，温度、压力迅速升高，一般可以利用5区气体做实验研究用，chemkin-pro软件中的激波反射可以直接设定入射激波速度、反射激波速度、入射激波作用以后的温度、反射激波作用以后的温度、入射激波作用以后的压力、反射激波作用以后的压力，以及入射激波和反射激波作用以后物质密度的变化情况。输入化学反应动力学数据和热力学数据以后，就可以直接模拟物质的化学反应情况。

3　模拟计算

NickM.Marinov的乙醇高温燃烧化学反应动力学模型经过了不同实验方法和不同实验项目的检验，这些检验包括：定容弹实验装置和逆流双生火焰装置对层流火焰速度数据的研究、反射激波对点火延迟时间的研究、喷射搅动反应器和湍流反应器对乙醇氧化产物的研究。该化学动力学模型与上述5个实验数据很好地吻合，证明了该模型的准确性。

首先进行单独使用乙醇的燃烧模拟，选用激波反射模型，乙醇的空燃比约为9，根据空燃比设定C2H5OH:O2:N2=1:3:12(摩尔比)，设定反射激波后的温度为1 000K，反射激波后的压强为1atm(1atm=101.325kPa)，给定反应时间为0.05s，模拟计算结果如图3所示。

计算中若保持乙醇和空气的摩尔比不变，输入乙醇摩尔当量的重整气，并且忽略重整气中含量为0.2的其它成分，即各组分的摩尔比为：C2H5OH:O2:N2:H2:CO:CH4:CO2:C2H4:C2H6=1:3:12:0.582:0.203:0.108:0.052:0.032:0.021。用激波管进行模拟，选择激波反射模型，设定反射激波后的温度为1 000K，反射激波后的压强为101.325kPa，给定反应时间为0.05s，模拟计算结果如图4所示。

图3　纯乙醇燃烧后激波管内的变化Figure 3　The changes of shock tube after the combustion of pure ethanol

图4　乙醇重整气燃烧后激波管内的变化Figure 4　The changes of shock tube after the combustion of ethanol reforming gas

从乙醇燃烧和乙醇重整气燃烧模拟计算，得出如下结论：

(1)对比图3(a)和图4(a)，可以看到，激波管中压力和温度迅速上升，为可燃物着火提供了快速均匀的加热、加压环境，有效排除了发动机燃烧过程中各种附加过程(如燃料喷射、空气运输等)对燃烧过程的影响，使燃料反应动力学机理得到更充分的体现。

(2)对比图3(d)和图4(d),可以看出，燃烧放热时间急剧缩短，这与本文介绍的发动机尾气余热制氢的目的是吻合的，充分体现了氢气的优良燃烧性能，由于燃料的放热时间短，可以采用较小的点火提前角，有利于改善发动机的性能。

(3)对比图3(e、f)和图4(e、f)，可以看到，CO2和CO生成迅速，但是，CO2摩尔分数持续增加，直至燃烧过程结束，CO生成以后又略有衰减，说明有一部分CO与O2继续反应，生成CO2。

(4)对比图3(h)和图4(h)，可以看到，OH

摩尔分数发生剧烈变化的起始时间由0.033s变为0.028s，反应出燃料的自点火延迟时间变短，说明重整气的加入可以有效缩短发动机的滞燃期，对提高发动机的性能十分有利。

(5)对比图3(h)和图4(h)，可以看到，OH自由基都迅速生成，稍后略有衰减，说明OH自由基对于纯乙醇燃烧、乙醇混合重整气燃烧的整个链式反应都具有非常重要的作用。

4　结论

利用劳伦斯利弗莫尔国家实验室的乙醇反应机理对乙醇和乙醇重整气的燃烧进行了模拟，利用激波管的瞬间加热作用模拟了重整气的加入对乙醇燃烧性能的改进，模拟结果与预期结果吻合较好，证明余热制氢装置在改善发动机燃烧性能方面具有很明显的作用。

重整气中的氢气有效地促使了点火延迟时间变短，有利于发动机性能的改进。具体应用到发动机上时，要根据实际情况确定采用多大的掺烧比例，并需要通过实验验证。

余热制氢装置在充分利用发动机废气余热的同时，制取的混合气能很好地提高发动机的性能，并且制取的混合气可在常压下运行，对于发动机的结构改造是十分方便的。

[1]王文举，李云华，蔡宁．乙醇部分氧化制氢研究进展[J]．精细石油化工，2011，28(5)：71-77.

[2]王倩，徐新，郭芳林，等．乙醇重整制氢催化剂的国内研究进展[J]．中外能源，2008，13(2)：23-28.

[3]杨洪迁，陆荣，张平，等．走近氢能[A]．第二届国际氢能论坛青年氢能论坛[C]．2003.

[4]杨宇， 马建新．乙醇水蒸气重整制氢反应条件的优化[J]．华东理工大学学报，2006，32(9)：1082-1083.

[5]NickM.Marinov．ADetailedChemicalKineticModelforHighTemperatureEthanolOxidation[J]．InternationalJournalofChemicalKinetics，1999，31(31)：183-220.

[6]游伏兵．含水酒精重整燃料发动机研究[D]．武汉：武汉理工大学，2008：25-27.

[7]K.ABhaskaranandP.Roth．TheShockTubeAsWaveReactorforKineticStudiesandMaterialSystems[J].ProgressinEnergyandCombustionScience，2002，28(2)：151-192.

[8]RuiWangandPhilCadman．SootandPAHProductionfromSprayCombustionofDifferentHydrocarbonsBehindReflectedShockWaves[J].CombustionandFlame，1998，112(3)：359-370.

编辑陈秀娟

Simulation Calculation of Ethanol Engine to Produce Hydrogen by Waste Heat

Yang Dayong, Hu Yihuai, Feng Shiquan

Adevicetoproducehydrogenbywasteheatofenginehasbeenresearchedinthepaperanditisappliedtotheethanolengine.Shocktubemodelinchemkin-prosoftwarecanbeusedtocalculatetheinfluenceofreforminggasgeneratedbythedeviceoncombustioninengineafterthegaswasaddedintotheengine.Thesituationsofpressurerising,temperaturerising,heatreleasingandcomponentscontentschanginghavebeenresearchedbyethanolcombustionreactionmechanism,andthefeaturesofpureethanolcombustionandethanolmixedreforminggascombustionhavebeencompared.Theresultsshowthatthehydrogeninreforminggascaneffectivelyshortentheignitiondelaytime,whichisbeneficialtotheimprovementoftheperformanceoftheengine.

ethanolengine;chemkin-prosoftware;shocktube;ignitiondelay

2016—02—29

杨大勇(1992—)，硕士研究生，从事新能源发动机相关的研究。电话：15800707112，E-mail：Yangday0729@163.com

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