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一个新的适用于HCCI燃烧的PRF化学动力学骨架机理 刘耀东
中国工程热物理学会 燃烧学
学术会议论文 编号:114143
一个新的适用于HCCI燃烧的PRF化学动力学骨架机理
刘耀东,解茂昭,贾明,庞斌
(大连理工大学 能源与动力学院,大连 116024)
(TeEmail)
年来,作为各种辛烷值的模拟燃料,基础燃料(PRF)的化学动力学模型被广泛地研究[]。对于均质压燃(HCCI)发动机,化学反应动力学控制着着火过程,并对燃烧和排放起着重要的作用。为了将化学动力学模型耦合到计算流体力学(CFD)中进行深入的研究和预测,不少学者和研究人员提出了一些基础燃料的简化和骨架机理[]。这些机理的构建多针对着火延迟,对燃烧反应过程中的关键组分没有相关的验证。
本文构造了一个适用于发动机多维模型计算的骨架机理, 包括40中组分和65个反应CnKET代表过氧化氢酮。
基金项目:国家基础研究重点规划项目子课题(2007CB210002),国家自然科学基金Tanaka模型[4] Jia模型 [9] Ts模型[8] Ra模型[7] RH RH RH RH ? (2n) ? (2) ? () ? () R
↘ + HO2 R → β裂解
↘CnH2n + HO2 R → β裂解
↘CnH2n + HO2 R → β裂解 ? ? ? ? RO2 RO2 RO2 RO2 ? ? ? QOOH QOOH QOOH ? ? ? O2QOOH O2QOOH O2QOOH ? ? ? CnKET C8KET CnKET CnKET ↓ ↓ ↓ ↓ OCnH2n-1O OC8H15O R’CO R’CO ↓ ↓ ↓ ↓ CO 退化支链反应 退化支链反应 退化支链反应 从表1及其对应的文献可以看出,几种烷烃氧化骨架机理的主要反应路径大致相同:烷烃的脱氢反应首先由O2进行,当反应系统产生出活性更大的自由基时,逐渐代替O2成为脱氢反应的主要来源。Tananka模型和Jia模型采用活性作用最大的OH·作为另外一个脱氢反应的自由基来源;Ts模型加入了烷烃与HO2·的脱氢反应来平衡由于该模型烷基β裂解所造成的消耗不平衡;Ra模型则详细机理图解反应流和敏感性分析,采用了4个脱氢的反应(烷烃与O2,OH·,H·,HO2·),这种处理方法提供了RO2 = QOOH
QOOH + O2 = O2QOOH → RO2 + O2 = CnKET + OH
O2QOOH = CnKET + OH
这样的处理减少了组分和反应的数目,但它基于详细机理的敏感性分析,修正了相关反应的指前因子和活化能,并且忽略了过氧烷基重要的低温异构和二次加氧反应。另外,由于Tanaka模型忽略了高碳烃分子向低碳烃分子的裂解过程,所以很难准确预测燃烧过程中HC和CO的排放,Jia模型、Ts模型与Ra模型则将过氧化氢酮(CnKET)离解后的产物(OC8H15O 或者 R’CO)进行退化支链反应,从而加入了C1~C3的小分子反应,完善了模型HC和CO排放的预测能力。
以上几种骨架机理在反应路径上相差不大,而Tanaka模型缺少低碳烃分子反应,Ts模型在高温机理上过于简化,而Ra模型的高温机理相对详细,有着较多的组分和反应。本文的工作基于Jia等人的异辛烷骨架机理。由于Jia模型在激波管、速压机、喷射搅拌反应器和HCCI发动机上的良好表现,参照Jia模型中异辛烷的反应路径,构造正庚烷的低温及大分子分解反应,高温反应则与与异辛烷机理共享,不做修改,通过调整新加入反应的速率常数,来拟合各种反应器的实验数据。
正庚烷低温反应中的8个反应取自Tanaka模型,包括以下几个反应:
C7H16 + O2 =C7H15 + HO2
C7H15 + O2 =C7H15OO
C7H15OO =C7H14OOH
C7H14OOH + O2 =OOC7H14OOH
OOC7H14OOH =OC7H13OOH+ OH
C7H16 + OH =C7H15 + H2O
C7H15 + O2 =C7H14 + HO2
OC7H13OOH =OC7H13O + OH
为了在反应路径上对应Jia模型,在已有反应的基础上加入下面4个反应,将过氧化氢酮(CnKET)离解后的产物(OC8H15O)分解为更小的分子。其中,考虑到Dagaut等人[11]和Chakraborty[13]等人在实验中发现,1丁烯(C4H8-1)是正庚烷氧化中主要的中间产物,所以在新机理中加入1丁烯。高温反应仍然采用Patel等人[14]的C1~C3的小分子反应,从而构建了新的正庚烷氧化模型,与原来的异辛烷模型一起,构成了PRF化学动力学骨架机理。
OC7H13O + O2
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