尾气余热制氢汽油机的燃烧机理构建与简化

冯是全， 胡以怀

(上海海事大学商船学院， 上海 200120)



尾气余热制氢汽油机的燃烧机理构建与简化

冯是全， 胡以怀

(上海海事大学商船学院， 上海 200120)

为了对尾气余热制氢汽油机的缸内燃烧进行仿真，发展了适合这一燃烧形式的反应机理. 分析了重整气的组分，选用甲烷机理GRI 3.0和汽油替代燃料机理，构建了包含334种组分和1 672步反应的可用于汽油/重整气燃烧仿真的详细机理，并通过直接关系图法对构建的详细机理进行了简化，最后得到了包含40种组分和171步反应的简化机理. 通过一维汽油机模型对该简化机理进行了验证，验证内容包括缸内平均压力、压力误差、缸内平均温度、温度误差、放热率、放热率误差以及OH的摩尔分数，验证了简化机理的有效性.

汽油机；重整气；甲烷；汽油；直接关系图

国内外很多学者开展了发动机替代燃料的研究工作，液化天然气、液化石油气、甲醇、乙醇、二甲醚等作为发动机的替代燃料已经有了较为深入的研究，并已经开始实际应用，氢气相比传统燃料具有很大优势，但是氢气在发动机上的应用一直进展缓慢. 究其原因，最主要的还是氢气的高度易燃性和存储困难. 醇类燃料富含氢，如果能将醇类燃料中的氢分离出来，并供给发动机燃烧做功，能较好地解决氢气难以储存的问题，可在一定程度上回收发动机余热和提高发动机效率. 国外很多学者进行了这方面的工作，瑞士的Sjöström在汽油机上进行了尾气余热重整甲醇的相关实验[1]，以色列的Sher、瑞士的Conte等在汽油机上进行了富氢气体燃烧的相关实验[2-3]. 我国也有很多学者进行了余热制氢发动机的研究，如中国科学院的潘立卫、武汉理工大学的李格升、北京工业大学的纪常伟、 上海大学的徐元利、上海交通大学的蒋淇忠、中北大学的杨胜明等[4-9]. 但是在汽油机上进行余热制氢将导致汽油机燃料的变化，需要发展适合这一燃烧模式的化学反应机理，在已经发表的文献中对这一燃烧模式的化学反应机理研究较少，为了仿真余热制氢汽油机的缸内燃烧，本文发展了能用于这种燃烧方式的化学反应机理.

本文基于甲烷机理GRI 3.0和汽油替代燃料机理[10]构建了适用于尾气余热制氢汽油机缸内燃烧的详细机理. 采用的甲烷机理GRI 3.0包含53种组分和325步反应；采用的汽油机理由美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Marco Mehl等开发，包含312种组分和1 488步反应. 将这2个机理整合，构建了334种组分和1 672步反应的详细机理，并利用直接关系图法对该详细机理进行了简化，得到了包含40种组分和171步反应的简化机理. 最后，利用chemkin软件中的点火发动机模型对详细机理和简化机理进行了比较.

1 燃烧机理构建与简化

汽油机尾气余热制氢的总体布置如图1所示.

系统原理：发动机工作以后，产生的高温废气流过氢发生器，为氢发生器内的醇和水的反应提供足够的热量，泵从醇水箱中将醇和水的混合液泵入氢发生器，达到合适温度后，醇和水开始反应产生富含氢气重整气，产生的重整气依次经过冷却器、缓冲器、稳压器，最后由喷射泵喷入发动机进气道，与空气混合后一起进入发动机气缸做功. 不同的催化剂、发动机工况不同、醇水比变化等都会影响重整气的成分[11]. 图2是通过气相色谱仪测得的在汽油机不同废气温度下重整气中各组分的摩尔分数，醇水体积比约为1. 从图2可以看到，重整气各组分的平均摩尔分数大致为：氢气(H2)60.1%、一氧化碳(CO)20.5%、甲烷(CH4)10.8%、二氧化碳(CO2)5.4%. 在chemkin仿真模型中也使用了该成分重整气.

可见，重整气主要包含4种主要组分H2、CO、CH4、CO2，其中：H2、CO、CO2在甲烷机理和汽油机理中均已包括；CH4在汽油机理中也已经部分包括. 为了详细描述CH4作为输入燃料的燃烧情况，用甲烷机理GRI 3.0表示CH4，占体积比例3.2%左右的其他组分主要是乙烯、乙烷和残余的乙醇和水等成分，这一部分成分所占体积较小，对汽油机缸内燃烧的影响较小，并且可以通过进一步优化余热制氢设备的设计来减小这一部分所占体积. 为了简化计算和仿真，在构建机理时忽略了其他组分，这样，重整气的4种组分及其摩尔分数分别为：H260%、CO 21%、CH411%、CO28%.

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Marco Mehl等开发的汽油机理包含多种组分，该机理采用3种成分混合来模拟汽油，这3种组分的摩尔分数分别为：异辛烷(iC8H18)50%、甲苯(C6H5CH3)35%、1- 己烯(C6H12- 1)15%.

通过上面叙述，可以看到，本文构建的汽油机余热制氢机理应包含7种燃料组分，分别为：H2、CO、CH4、CO2、iC8H18、C6H5CH3、C6H12- 1.

1.1 详细机理的构建

详细机理的构建思想是将甲烷机理GRI 3.0和汽油替代燃料机理合并，在合并过程中可能涉及的问题有：1) 机理中的某些基元反应参数不一致；2) 基元反应重复；3) 基元表达式不一致. 甲烷机理GRI 3.0经过了长期的发展和完善，以甲烷机理作为主要机理，如果汽油机理中有数据和甲烷机理中不一致，则以甲烷机理为准，并删除汽油机理中的不一致数据；对于重复的基元反应应删除表达式不一致的基元，则以甲烷机理为主. 甲烷机理包含53种组分和325步反应，汽油机理包含312种组分和1 488步反应，经过合并，所得到的详细机理包含334种组分和1 672步反应. 可以看到，删除的重复组分为31种，删除的重复反应为141步.

1.2 简化机理的详细内容

简化机理的构建是通过利用直接关系图法[12]将详细机理的总体规模缩小. 国内学者在直接关系图法简化反应机理方面做了很多工作，比如中国科学院的蒋勇、华中科技大学的郎静、中航集团的刘建文等[13-15]. 直接关系图法通过计算任意2组分间的关联系数，确定整个反应机理中各组分关联的强弱程度，通过设定阀值和设定初始输入组分，可以计算出与初始输入组分关联最弱的成分，删除关联系数小于阀值的较弱组分及相应反应方程，这样，反应机理的整体规模就变小了，而与初始输入组分高度相关的组分与反应方程被保留下来. 假定A为输入组分，B为机理文件中的其他组分，直接关系图法中组分A、B的关联系数计算方程为

(1)式中：rAB为组分A和B的关联系数；i为第i步反应；I为总反应数目；vAi为第i个反应中组分A的系数；ωi为第i个方程中组分A的净生产率；如果第i个方程中出现了组分B，则δBi=1，否则，δBi=0. 通过应用直接关系图法，设定输入7种燃料组分：H2、CO、CH4、CO2、iC8H18、C6H5CH3、C6H12- 1，并设定输入气体为O2和N2，最后所获得的40种组分为H2、H、O、O2、OH、H2O、HO2、CH2、CH2(S)、CH3、CH4、CO、CO2、HCO、 CH2O、CH3O、C2H4、C2H5、N2O、N2、IC3H7、NC3H7、C3H6、C3H5- A、C3H4- A、C3H3、NC3H7O2、C4H7- 4、IC4H9、IC4H8、C6H12- 1、YC7H15、YC7H14、NEOC5H11、IC8H18、DC8H17、C6H5CH3、 C6H5CH2J、C6H5OJ、C6H5.

2 机理仿真与比较

利用chemkin软件的火花塞点火发动机模型来仿真尾气余热制氢汽油机，chemkin软件的火花塞点火发动机模型是基于日本尼桑汽车公司的Toru Noda等[16]发展的汽油机缸内零维模型，该模型将整个气缸分为2部分：一部分为已燃区，另一部分为未燃区，火花塞点火产生的火焰面呈现出球面的形状，随着缸内燃料的燃烧和活塞的运动，未燃区的压力和温度也不断受到影响. 图3为chemkin软件零维汽油机模型的示意图. 其中：m为缸内物质质量；x为质量分数；V为体积；T为温度；u为内能；rf为球形火焰面的半径；下标b为已燃区；下标u为未燃区.

以东风EQ6100- 1型电喷汽油机为原型机，chemkin软件仿真所用的发动机主要参数如表1所示.

表1 发动机参数

仿真起点为上止点前120.2°CA，仿真终点为上止点后139.8°CA， 点火提前角设定为上止点前14.5°CA，设定各组分的摩尔比为n(汽油)∶n(重整气)∶n(空气)=1∶0.1∶50，设定进气温度为300 K，进气压力为0.1 MPa. 考虑发动机的热量损失，热量损失模型为chemkin软件自带的Woschni传热模型. 通过计算，缸内压力曲线如图4所示. 图5表示了通过详细机理和简化机理计算所得的缸内压力的数值差. 可以看到，利用详细机理和简化机理计算所得的缸内压力数据有较好的一致性，详细机理计算得到的缸内压力比简化机理计算得到的压力略微小一些，它们的数值差在0.03 MPa左右，与缸内整体压力情况对比，这一数值差是比较小的，由此可以认为简化机理可以有效、合理地计算尾气余热制氢汽油机的缸内压力变化.

图6为由详细机理和简化机理计算所得的温度曲线，图7为利用详细机理计算得到的温度值减去简化机理计算得到的温度值. 可以看到，由详细机理和简化机理计算所得数据的一致性也非常好，它们的温度差在18 K左右，相对缸内整体温度情况来说，这一变化范围较为微弱，可见本文所发展的简化机理对缸内温度的预测也是较为合理和准确的.

图8为通过详细机理和简化机理计算得到的放热率曲线. 可以看到，每度曲柄转角对应的放热率的一致性较好. 图9为放热率的差值，该差值最大值为3.22 J/(°CA)，对应位置为上止点后7°CA，该位置每度曲柄转角的放热率为213.5 J/(°CA)，可以看到，与放热率数值相比，详细机理和简化机理计算得到的数值差也较小.

最后比较了详细机理和简化机理对OH的摩尔分数的模拟情况，如图10所示. 可以看到，OH的摩尔分数的一致性也较好，简化机理计算得到的OH的摩尔分数峰值比详细机理计算得到的数值要大一些，偏差值小于0.000 5.

3 结论

1) 尾气余热制氢是一种较为高效和清洁的能源利用方式，这一技术可以利用甲醇、乙醇等醇类燃料作为发动机的辅助能源，基于对这一发动机燃烧方式仿真的需要，构建了适合这一燃烧方式的化学反应机理. 基于甲烷机理GRI 3.0和汽油替代机理构建了包含334种组分和1 672步反应的可用于汽油/重整气燃烧仿真用的详细机理，并利用直接关系图法对该详细机理进行了简化，构建了包含40种组分和171步反应的简化机理.

2) 本文通过火花塞点火发动机模型对简化机理进行了验证，模型仿真结果证明了简化机理在模拟缸内压力、缸内温度、放热率和OH的摩尔分数时的准确性.

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(责任编辑 梁 洁)

Construction and Simplification of the Combustion Mechanism of Gasoline Engine With Steam Reforming With the Heat of Exhaust Gas

FENG Shiquan, HU Yihuai

(Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 200120, China)

To simulate the combustion in the cylinder of gasoline engine with steam reforming, a detailed mechanism was developed. The mechanism of GRI 3.0 and gasoline surrogate were used for the construction of the detailed mechanism according to the components in syngas. The detailed mechanism, with 334 species and 1 672 reactions, was reduced with direct relation graph method to form a reduced mechanism with 40 species and 171 reactions. The reduced mechanism was verified by the one dimensional gasoline engine model by the test of the average temperature, the temperature error, the heat release rate, the heat release rate error and the difference between OH concentration. Results show good agreement of the validation of detailed mechanism and reduced mechanism.

gasoline engine；syngas；methane；gasoline；directed relation graph

2016- 03- 08

上海市科学技术委员会资助项目(08210511800)；上海海事大学创新基金资助项目(2015ycx079)

冯是全(1983—)， 男， 博士研究生， 主要从事船舶新能源方面的研究，E-mail:fengshiquan@outlook.com

TK 46

A

0254-0037(2016)12-1901-06

10.11936/bjutxb2016030018