燃料自燃是壓縮著火（CI）和均質(zhì)充量壓縮著火（HCCI）發(fā)動機(jī)中的主要放熱機(jī)制，同時(shí)在火花點(diǎn)火（SI）發(fā)動機(jī)中，自燃導(dǎo)致的爆震會限制效率。對于燃料自燃特性的研究有多種手段和方法，如激波管、定容燃燒彈、流反應(yīng)器及快速壓縮機(jī)構(gòu)等。其中激波管通過激波對介質(zhì)進(jìn)行非等熵、絕熱壓縮，能夠在毫秒級甚至更短的時(shí)間內(nèi)將混合氣提升到理想的壓力和溫度，從而實(shí)現(xiàn)壓力和溫度的準(zhǔn)確控制以及著火延遲期的可靠定義。由乙醇、烷烴、烯烴和芳香烴等上百種主要組分調(diào)和而成的乙醇汽油，自身成分及理化特性復(fù)雜。本期推文筆者通過帶有Laval 噴管霧化系統(tǒng)的化學(xué)激波管，對不同當(dāng)量比的 E92 車用乙醇汽油/空氣混合氣在溫度為 1 100～1 750 K、壓力為 0.10～0.65 MPa 時(shí)的著火延遲期、著火壁面壓力，以期能對乙醇汽油的燃燒特性有進(jìn)一步了解，并為開發(fā)合理的乙醇汽油摻比替代燃料以及構(gòu)建其化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型提供參考。

1 試驗(yàn)裝置與研究方法

試驗(yàn)在帶有霧化預(yù)混系統(tǒng)的化學(xué)激波管上開展，管體是內(nèi)徑為 100 mm、壁厚為 17.5 mm 的圓形截面不銹鋼管，PET 膜片將激波管分成管長分別為 4.0 m的高壓驅(qū)動段和 5.5 m 的低壓試驗(yàn)段。采用高純 He作為高壓驅(qū)動氣體，通過針刺破膜方式實(shí)現(xiàn)不同工況的試驗(yàn)需求，試驗(yàn)裝置如圖 1 所示。

圖1 化學(xué)激波管試驗(yàn)裝置

低壓試驗(yàn)段壁面沿軸線方向安裝了 3 個(gè)高頻響應(yīng)壓力傳感器(PCB113B24)，各傳感器間距離 ?L 均為 200 mm。PCB1 和 PCB2 用于激波壓力信號測量，根據(jù)兩測點(diǎn)間的距離 ΔL 及激波壓力信號的時(shí)間差?t 可計(jì)算入射激波速度 Vs，有 Vs＝?L/?t，并由激波關(guān)系計(jì)算得到反射激波后的著火溫度 T 和壓力p。PCB3 距反射端面為 20 mm，是反射激波后壓力、時(shí)間歷程測點(diǎn)，同時(shí)也是混合氣著火燃燒過程中的著火壁面壓力測點(diǎn)。乙醇汽油/空氣混合氣自著火特性測量裝置如圖 2 所示。以 OH 基自發(fā)光信號作為自著火信號，在與 PCB3 距反射端面相同距離的不同位置處安裝帶有高壓電源的光電倍增管 PMT，用于記錄測點(diǎn)位置的 OH 基自發(fā)光信號時(shí)間變化歷程，PMT輸出信號與 OH 基自發(fā)光強(qiáng)度呈正比。在 PMT 前裝有(308±7.5) nm(對應(yīng) OH 基自發(fā)光波長為 306.5 nm)的窄帶濾光片。為使自發(fā)光信號的測點(diǎn)位置更加精確，在 PMT 前加裝長為 30 mm、寬為 1 mm 的狹縫。對于同一強(qiáng)度的自發(fā)光信號，高壓電源所加電壓不同，PMT 測得的信號強(qiáng)度也不同，為便于比較，試驗(yàn)中PMT 的外加電壓恒為 600 V。在 PCB 后安裝低噪聲前置放大器(Stanford Research Systems SR560)，對各PCB 采集的微弱壓力信號進(jìn)行放大。為瞬態(tài)試驗(yàn)，通過 4 通道示波器(Tek TDS2014B)的單次采集模式，以 PCB1信號作為示波器的觸發(fā)信號，同時(shí)采集各PCB 壓力信號和 PMT 信號。

圖2 自著火特性測量裝置示意

使用車用乙醇汽油 E92，通過激波管的霧化預(yù)混系統(tǒng)，Laval 噴管產(chǎn)生的超聲速氣流將汽油霧化，并與空氣在容積為 295 L 的預(yù)混罐中充分混合。常溫下的車用乙醇汽油的飽和蒸氣壓為 42～65 kPa，揮發(fā)性很強(qiáng)，在常溫、常壓下乙醇汽油經(jīng)過 Laval 噴管霧化后可在混氣罐中形成霧化充分、混合均勻的兩相混合物(氣溶膠)。采用大管徑、低速流、小拐角的低壓試驗(yàn)段端部進(jìn)氣裝置，有效降低了液滴因撞擊壁面以及壁面吸附對當(dāng)量比的影響。為保證混合物在試驗(yàn)段均勻分布，在靠近膜片的位置安裝抽氣口，使混合物在試驗(yàn)段內(nèi)形成連續(xù)進(jìn)氣狀態(tài)。廖欽等利用基于Mie 散射理論的分體式激光粒度儀和激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)對激波管內(nèi)的煤油氣溶膠粒徑分布進(jìn)行了可視化研究，結(jié)果表明：連續(xù)進(jìn)氣過程維持 1～2 min后，可在試驗(yàn)段形成均勻穩(wěn)定的煤油/空氣兩相氣溶膠。另外，Davidson 等認(rèn)為，氣溶膠在激波管試驗(yàn)中被霧化的顆粒尺寸與燃料種類關(guān)系不大。

圖3 乙醇汽油/空氣混合氣的著火延遲期

圖 3 示出當(dāng)量比? 為 1.5、反射激波后的壓力 p 為 0.28 MPa、著火溫度 T 為 1 415 K 時(shí) PCB3 壓力信號與 OH 基自發(fā)光強(qiáng)信號的時(shí)間歷程。

定義著火延遲期為反射激波到達(dá) PCB3測點(diǎn)位置的時(shí)刻與自著火發(fā)生時(shí)刻之間的時(shí)間間隔。反射激波到達(dá)測點(diǎn)的時(shí)刻由 PCB3壓力曲線的第 2 次階躍始點(diǎn)來判斷，自著火發(fā)生時(shí)刻定義為 OH 基自發(fā)光強(qiáng)信號曲線首次階躍的最大斜率處切線與水平基線的交叉點(diǎn)時(shí)刻。圖 3 中，燃燒放熱導(dǎo)致的 PCB3 壓力曲線上升的起始時(shí)刻與 OH 基自發(fā)光信號的切線和水平基線交點(diǎn)是近似同步的，這也表明筆者對著火延遲期定義的合理性?？芍掖计?空氣混合氣的著火延遲期為 380 µs。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

乙醇汽油 E92 主要是由 C4～C12 等多種烴類以及乙醇等非烴化合物組成的復(fù)雜混合物。筆者按照GB/T 11132—2008《液體石油產(chǎn)品烴類的測定熒光指示劑吸附法》和 NB/SH/T 0663—2014《汽油中醇類和醚類含量的測定氣相色譜法》，分別對試驗(yàn)所用乙醇汽油 E92 的烴類和乙醇含量進(jìn)行了檢測，其中烯烴所占體積分?jǐn)?shù)為 12.6%、芳烴為 27.8%、飽和烴為 47.9% 且乙醇的體積分?jǐn)?shù)為 11.6%。測量得到乙醇汽油 E92 在 20 °C、常壓下的密度為 0.75 g/cm3。根據(jù)組分方程計(jì)算得到乙醇汽油 E92 化學(xué)計(jì)量空燃比約為 14.2，試驗(yàn)中混氣罐中空氣的量固定不變，通過高精度量筒控制所需燃料的體積，從而調(diào)節(jié)當(dāng)量比，當(dāng)量比的控制誤差小于 5% ，并對燃料的比熱容、標(biāo)準(zhǔn)熵等物性參數(shù)進(jìn)行估算。筆者利用一維理想正激波關(guān)系對反射激波后的著火溫度和壓力進(jìn)行計(jì)算，考慮到根據(jù)乙醇汽油主要組分估算帶來的比熱容比γ誤差，以及入射激波衰減，得到著火溫度計(jì)算誤差為±15 K，壓力計(jì)算誤差為±0.01 MPa。廖欽對筆者所使用的激波管試驗(yàn)系統(tǒng)著火延遲期的試驗(yàn)偏差進(jìn)行了測量，單次試驗(yàn)的著火延遲期偏差可能高達(dá) 10% 以上。同時(shí)，綜合 PCB 及 PMT 信號延遲、信號噪聲和曲線測量等引起的偏差，著火延遲期的單次測量最大誤差約為 12% ，因而著火延遲期試驗(yàn)數(shù)據(jù)以系列測量結(jié)果的分布來確定。

試驗(yàn)測量了溫度約為 1100～1 750 K、壓力分別為 0.28 MPa 和 0.56 MPa 條件下，燃空當(dāng)量比為 0.5、1.0 和 1.5 時(shí)乙醇汽油 E92/空氣混合氣的著火延遲期及著火壁面壓力信號和 OH 基自發(fā)光強(qiáng)的時(shí)間歷程。并對當(dāng)量比為 1.0、溫度為 1 340 K 和 1 400 K 條件下，壓力范圍為 0.1～0.65 MPa 時(shí)的著火延遲期以及壓力為 0.28 MPa、溫度為 1 390 K、當(dāng)量比為 0.2～2.5 時(shí)的著火延遲期進(jìn)行了測量。


圖4 不同壓力下乙醇汽油/空氣著火延遲期

圖 4 示出壓力分別為 0.28 MPa 和 0.56 MPa、當(dāng)量比為 0.5、1.0 和 1.5 時(shí)的(lnτig～1/T )變化，其中 τig為乙醇汽油/空氣混合氣著火延遲期，T 為著火溫度。在高溫條件下，乙醇汽油/空氣混合氣著火延遲期的對數(shù)lnτig 和著火溫度的倒數(shù) 1/T 在不同當(dāng)量比及壓力下均滿足線性關(guān)系，且在著火溫度和壓力相同的條件下，當(dāng)量比增加，乙醇汽油/空氣混合氣著火延遲期明顯延長。同時(shí)，0.56 MPa 條件下的著火延遲期相比 0.28 MPa 時(shí)縮短。


圖5 不同當(dāng)量比下乙醇汽油/空氣著火延遲期

圖 5 示出當(dāng)量比為 0.2～2.5、著火溫度為1 390 K、壓力為 0.28 MPa 條件下乙醇汽油/空氣混合氣的著火延遲期τig隨當(dāng)量比? 的變化。在著火溫度和壓力不變的條件下，混合氣著火延遲期在當(dāng)量比為0.2～2.5 的范圍內(nèi)均隨當(dāng)量比的增加而明顯延長，并且τig和?較好地滿足 Arrhenius 關(guān)系。利用多元線性回歸對圖 4 所示的著火延遲期進(jìn)行擬合，得到了乙醇汽油/空氣混合氣著火延遲期 τig與?、T 的關(guān)系，即


式中R為通用氣體常數(shù)。

式(1)適用于壓力為0.28 MPa、當(dāng)量比為0.5～1.5 且溫度范圍為1 200～1 750 K 的條件。式(2)適用于壓力為 0.56 MPa、當(dāng)量比 0.5～1.5 且溫度范圍為1 100～1 500 K 的條件。

由式(1)、式(2)可知，高溫條件下乙醇汽油/空氣混合氣著火延遲期的當(dāng)量比依賴指數(shù)在 0.28 MPa 和0.56 MPa 下分別為 1.56、1.60。Davidson 等對異辛烷/O2/Ar 混合物在著火溫度范圍為 1177～2 009 K、壓力為 0.12～0.82 MPa、當(dāng)量比為 0.25～2.00 時(shí)的著火延遲期進(jìn)行擬合，得到當(dāng)量比依賴指數(shù)為 1.62，并提出了高溫條件下異辛烷的反應(yīng)機(jī)理。在高溫反應(yīng)階段(T＞1 200 K)，燃料中的烷基主要通過β 裂解生成小分子烯烴和烴基，在該反應(yīng)中，鏈分支反應(yīng)H +O2 = OH +O 起主導(dǎo)作用，混合氣當(dāng)量比越小(混合氣越稀)，其氧濃度就越高，在碳?xì)淙剂现疬^程中過量的氧將提高該鏈分支反應(yīng)速率，從而使總包反應(yīng)速率加快。因而在高溫條件下，混合氣中氧濃度的增加將促進(jìn)著火過程，從而使燃料的著火延遲期縮短。Cancino 等研究發(fā)現(xiàn)，乙醇在高溫反應(yīng)階段 (T＞1 000 K)，以 C—C 鍵斷裂生成 CH3 和 CH2OH為主導(dǎo)，在高溫時(shí)乙醇對汽油著火延遲期的影響很弱。因而僅含 11.6% 變性燃料乙醇的乙醇汽油 E92在高溫條件下主要表現(xiàn)的是 HC 的共性特征，乙醇對汽油著火延遲期的影響有待進(jìn)一步研究。Sarathy 等在激波管和快速壓縮機(jī)上對汽油替代燃料(FACE)的著火延遲期研究發(fā)現(xiàn)，在中、低溫且高壓條件下，當(dāng)量比降低，著火延遲期延長，與高溫時(shí)當(dāng)量比對著火延遲期的影響相反，而在溫度為 1100～1 270 K 、不同當(dāng)量比時(shí)的著火延遲期非常接近。Davidson 等對異辛烷/O2/Ar 混合物在中、低溫時(shí)著火延遲期的研究也出現(xiàn)類似現(xiàn)象，擬合曲線在1 200 K 附近發(fā)生交叉。這是由于在中、低溫反應(yīng)階段(T＜1 200 K)，主導(dǎo)燃料與氧化劑進(jìn)行反應(yīng)的鏈分支反應(yīng)為RH + HO2 =R + H2O2 (R 表示烷基)和H2O2 =OH +OH ，在此反應(yīng)階段，燃料濃度越高，活性基及OH 基生成速率越快。在 1 200 K 溫度附近為兩種鏈分支反應(yīng)機(jī)理的過渡區(qū)，因而著火延遲期在 1 100～1 300 K 范圍內(nèi)趨于一致且擬合曲線發(fā)生交叉。圖 4中，不同當(dāng)量比時(shí)的著火延遲期擬合曲線在溫度較低區(qū)域也出現(xiàn)交叉趨勢。

圖6 混合氣著火延遲期隨壓力的變化

圖 6 示出當(dāng)量比為 1.0、著火溫度分別為 1 340 K和 1 400 K 時(shí)乙醇汽油/空氣混合氣在不同壓力下(0.10～0.65 MPa)的著火延遲期 τig隨 p 的變化。擬合得到了乙醇汽油/空氣混合氣在當(dāng)量比為 1.0 時(shí)，τig與 p、T 的關(guān)系式為



由式(3)可知，乙醇汽油/空氣混合氣著火延遲期的壓力依賴指數(shù)為-1.76，即當(dāng)?、T 相同時(shí)，隨著壓力的升高，著火延遲期縮短，且在 0.10～0.65 MPa 范圍內(nèi)，壓力的變化對著火延遲期的影響較大。Gauthier等擬合得到 1.5～6.0 MPa 范圍內(nèi)汽油/空氣混合氣著火延遲期的壓力依賴指數(shù)為-1.05，由此可見，乙醇汽油/空氣混合氣著火延遲期在低壓時(shí)對壓力的依賴性較高。廖欽指出，在激波管試驗(yàn)中，升高點(diǎn)火初始壓力，相當(dāng)于提高了氧化劑濃度。一般而言，當(dāng)其他條件相同，著火延遲期隨著氧化劑濃度的升高而縮短。因而，隨著壓力的升高，乙醇汽油/空氣混合氣著火延遲期縮短。

3 結(jié)論

(1)在溫度范圍為 1 100～1 750 K、壓力為 0.28和 0.56 MPa 的高溫、低壓條件下，乙醇汽油/空氣混合氣著火延遲期的對數(shù) lnτig和著火溫度的倒數(shù) 1/T均滿足線性關(guān)系，且隨著當(dāng)量比的增加，混合氣著火延遲期延長。

(2) 當(dāng)量比為 1.0、著火溫度為 1 340 K 和1 400 K 時(shí)，乙醇汽油/空氣混合氣著火延遲期在壓力為 0.11～0.63 MPa 時(shí)隨著壓力的升高而縮短，且著火延遲期在低壓范圍內(nèi)對壓力的依賴性較高。

文獻(xiàn)來源

杜維新,馬志豪,李亞楠,等.乙醇汽油/空氣自著火特性的激波管試驗(yàn)[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2020,(04):304-311.