庚烷-氢气和庚烷-甲烷燃料混合物在高压下的着火特性
摘要使用氢气和天然气来提高柴油机的性能具有重大的意义。我们在此报道了一个关于点燃n-C7H16/H2和n-C7H16/CH4混合燃料的数值研究。在CHEMKIN 4.1软件的封闭均质反应器中模拟柴油机/HCCI发动机对应条件下的着火。这里采用了三种反应机理：（i）NIST机理包含203种物质和1463个反应;（ii）包含116种物质和754个反应的Dryer机理;以及（iii）具有42种物质和168个反应的简化机理（Chalmers）。参数包括压力为30atm和55atm，当量比为0.5,1.0和2.0，温度范围为800-1400K，混合物中H2或CH4的摩尔分数为0-100％。对于n-C7H16/空气混合物，简化机理不仅比其他两种机理提供了更接近的测量结果，而且再现了负温度系数状态。因此，选择该机理来模拟H2或CH4对n-C7H16着火的影响。结果表明，H2或CH4添加对n-C7H16空气混合物的着火具有相对较小的影响，而即使添加少量的n-C7H16也会显着改变H2/空气和CH4/空气混合物的着火。在低温和高温下将n-C7H16添加到H2/空气混合物中会对应缩短和增长燃料的着火延迟时间，而任何温度下将其添加到CH4/空气混合物中总是缩短燃料的着火延迟时间。敏感性分析表明，这些混合燃料的着火特性主要受正庚烷的热解/氧化化学过程影响，其中庚基（C7H16-2）和羟基（OH）基团是两个最重要的物质。
关键词：氢气-庚烷混合物；甲烷-庚烷混合物；着火；发动机工况。
1.引言
全球范围的人们都在关注可再生燃料和清洁燃料在运输和发电方面的使用。这是由我们对温室气体排放、气候变化以及化石燃料供应减少的担忧驱动的。在这方面，氢气和天然气都可以在解决这些问题方面发挥主要作用，并帮助我们走向碳中和经济。氢气在燃烧效率和排放方面与常规化石燃料相比具有显著的优势。例如，单位质量氢气提供更大的能量释放（约是汽油的2.6倍），并显著减少温室气体和颗粒物排放。与烃类燃料相比，它具有优越的着火特性和更广泛的可燃性极限。此外，它可以由多种来源生产，并且通过各种技术在能量利用上有显著的灵活性（包括氢内燃机（H2-ICE），燃料电池（H2-FC），混合动力系统（H2-ICE/H2-FC和H2-ICE/电池组合）以及H2与其他燃料混合。然而，H2作为能量载体，即不是能量的直接来源，伴随其生产和储存带来了许多挑战，特别是它的低点火能量和低体积能含量。H2燃烧也存在未解决的问题，例如敲缸，爆震，火焰稳定性和回火。在这种情况下，氢气和碳氢燃料混合燃料成为一个理想的替代方案，因为它们可以协同解决与氢有关的储存和燃烧问题以及与化石燃料燃烧相关的排放问题。因此，研究氢-化石燃料混合燃料的着火、燃烧和排放特性具有相当大的意义。同样，天然气是一种非常清洁和低成本的汽油和柴油替代燃料。它也日益成为发电的首选燃料。因此，一些研究已经探讨了天然气单独燃烧或者混合燃烧在燃用液体燃料燃烧系统中的使用[2~5]。
以前的研究涉及氢气-碳氢燃料混合物的燃烧主要考虑CH4/H2混合物。在运输和发电使用这种混合物基本和实际方面都已经得到研究。基础研究主要集中在氢气添加对燃烧极限[6]，层流[7,8]和湍流[9]燃烧速度，火焰传播特性包括火焰速度拉伸相互作用和Markstein长度[8,10]，火焰稳定性[11]，NOx排放[6,12-14]，以及甲烷火焰的贫油熄火极限[15,16]。不同的火焰结构包括层流预混[7,8]，非预混[14]和部分预混火焰[10,12]，以及燃烧器稳定[17,18]和漩涡稳定[15,19]湍流火焰都已经被采用。此外，还有使用氢气与天然气和其他燃料混合的发动机研究[20,21]富氢甲烷/空气混合物的点火特性也已被研究。Levinsky等人[22]研究了快速压缩机中化学计量比的甲烷氢气混合物的自燃，其中压力范围为15到70atm，温度范围为950到1060 K，而Huang等人[23]报道了压力范围为16到50atm，温度范围为1000到1300K的激波管着火数据。Fotache等人[24]报道了一项关于氢气对逆流扩散火焰中甲烷着火的影响的实验数值研究，并且根据H2浓度确定了三种着火方式，即氢气辅助，过渡和氢气控制。Safta和Madnia[25]数值研究了涡环中富氢甲烷混合物的着火和火焰演化。Ju和Niioka[26]对超声速混合层中CH4-H2混合气体的点燃进行了数值研究，并观察到点火增强度与混合物中的氢气量成正比。尽管n-C7H16的着火和燃烧特性已被广泛研究，但与CH4-H2混合物相比，处理n-C7H16-H2混合物的研究相当稀少。Herzler[27]Gauthier等人[28]报告了正庚烷/空气混合物在柴油和HCCI发动机相关条件下的激波管着火数据。还有一些关于n-C7H16火焰的逆流[13,29-31]和伴流配置研究[32]。由于正庚烷是参考燃料之一，也是柴油的替代燃料，所以其氧化化学已经被广泛研究，并且已经开发了许多详细机理和骨干机理。这些包括（i）NIST机理[33]，（ii）SanDiego机理[34]，（iii）劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）机理[35,36]，（iv）Dryer机制[37]，（v）Ranzi机理[38]和（vi）Chalmers大学开发的骨架机理[39]。我们的文献回顾显示了许多关于正庚烷着火和燃烧行为的研究，但不包括与其他燃料的混合物，尤其是与H2和CH4的混合物。关于着火，文献中包含两个研究，一个涉及n-C7H16/H2和n-C7H16/CO混合物[40]，另一个使用n-C7H16/H2和n-C7H16/CH4混合物[41]。
本文报道了在与柴油机和HCCI发动机相关的条件下，n-C7H16/H2和n-C7H16/CH4混合燃料的着火数值研究。H2和CH4燃料的选择是基于考虑到使用氢气或天然气来改善柴油发动机的性能，特别是通过双燃料模式[42]。这项研究的重点是在均匀、静态的条件下着火，以便将化学动力学与流体动力学效应隔离开来。使用正庚烷/空气、氢气/空气和甲烷/空气混合物的着火延迟数据来验证这些混合物的几种反应机理。根据这些比较，选择简化机理进行详细的数值研究来探索在与发动机温度、压力、当量比相关条件下H2和CH4对n-C7H16/空气混合物着火的影响。我们对使用简化机理研究这些混合燃料的着火行为的兴趣也来源于在未来的研究中，我们计划研究它们在柴油发动机中的燃烧和排放特性这个事实。本文按以下方式组织：物理数值模型在第2节中简要描述，本节还介绍了使用不同动力学机制进行验证研究的结果。H2和CH4对n-C7H16/空气混合物着火的影响，以及n-C7H16对H2/空气和CH4/空气混合物着火的影响的研究结果将在第3节讨论，本节还介绍了一个敏感性研究，以确定与这些混合燃料着火相关的主要反应，接下来是上一节的结论。
2.物理数值模型
物理模型基于给定绝热系统中质量、能量和物种的守恒方程的瞬态、空间均匀形式。使用CHEMKIN 4.1中的闭合均质间歇反应器模型进行模拟。刚性方程组用隐式时间积分方案求解，如文献43所述。计算从指定的初始条件开始，包括初始温度，压力和反应物混合物组成。随着放热反应开始，混合物温度升高，自由基物质浓度增加。因此，化学活性提高，从而加快了升温速率。在模拟过程中，当混合物温度在一个时间步长内增加400 K时，就确定了着火的状态。使用其他着火标准，例如基于OH自由基摩尔分数的着火标准，产生基本上相同的着火延迟时间。为了验证这些，将使用三种不同机理计算的着火延迟时间与正庚烷/空气混合物的激波管着火数据进行比较。机理包括：（i）NIST机理[33]，包含203种物质和1463反应，（ii）包含116种物质和754个反应的Dryer机理[37]和（iii）Chalmers大学开发的简化机理[39]，在这里被称为简化机理，由42种物质和168个反应组成。还介绍了使用LLNL（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）机理点燃n-C7H16/H2混合物的一些结果[44]。这是一个更为详细的机理，共有654种物质和2827种反应，并已被广泛用于验证包括正庚烷在内的几种碳氢化合物燃料。
图1表示使用三种机理的预测着火延迟与Gauthier等人的实验数据的比较[28]，n-C7H16空气混合物的当量比为ɸ=1，压力为13和55atm。尽管所有三种机理在测量方面都表现出差异，特别是在高温和高压下，NIST机理似乎在13atm下表现更好，而简化机理与其他两种机理相比，在55atm下的测量更接近一致。更重要的是，简化机理能够在55atm处捕获负温度系数（NTC）状态，其中着火延迟时间随着温度而增加。图2中更清楚地指出了NTC体系，其将简化机理预测与各种压力范围的测量结果进行比较，并将着火延迟时间覆盖两个数量级。同样，简化机理能够捕获实验观察到的压力和温度对着火延迟的影响，包括NTC状态[45]。基于这些比较，简化机理被用来描述H2加入对n-C7H16混合物着火的影响。
图1—在13atm（a）和55atm（b）和当量比ɸ=1的条件下测量和预测n-C7H16-空气混合物的着火延迟时间。测量（叉形）来自Gauthier等人[28]预测基于NIST（圆形），Dryer（方形）和简化（三角形）三种机理。
对简化机理进行了近似发动机工况下的CH4/空气混合物的着火延迟时间验证研究。图3比较了使用GRI 3.0[46]和简化机理的预测着火延迟与参考文献的实验数据[23,47]。同样，虽然两种机制都表现出差异，但简化机理提供了与测量值合理的一致性，特别是在中等到低温下。CH4/空气和CH4-H2/空气混合物的其他验证结果已在参考文献中报告。[23,48,49]。
图2-使用简化机理的预测与Gauthier等人的测量结果[28]对于化学计量（ɸ=1）正庚烷/空气混合物在不同压力下的着火延迟时间随温度变化的函数进行比较。
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