乙醇汽油/空气自着火特性的激波管试验

燃料自燃是压缩着火（CI）和均质充量压缩着火（HCCI）发动机中的主要放热机制，同时在火花点火（SI）发动机中，自燃导致的爆震会限制效率。对于燃料自燃特性的研究有多种手段和方法，如激波管、定容燃烧弹、流反应器及快速压缩机构等。其中激波管通过激波对介质进行非等熵、绝热压缩，能够在毫秒级甚至更短的时间内将混合气提升到理想的压力和温度，从而实现压力和温度的准确控制以及着火延迟期的可靠定义。由乙醇、烷烃、烯烃和芳香烃等上百种主要组分调和而成的乙醇汽油，自身成分及理化特性复杂。本期推文笔者通过带有Laval 喷管雾化系统的化学激波管，对不同当量比的 E92 车用乙醇汽油/空气混合气在温度为 1 100～1 750 K、压力为 0.10～0.65 MPa 时的着火延迟期、着火壁面压力，以期能对乙醇汽油的燃烧特性有进一步了解，并为开发合理的乙醇汽油掺比替代燃料以及构建其化学反应动力学模型提供参考。

1 试验装置与研究方法

试验在带有雾化预混系统的化学激波管上开展，管体是内径为 100 mm、壁厚为 17.5 mm 的圆形截面不锈钢管，PET 膜片将激波管分成管长分别为 4.0 m的高压驱动段和 5.5 m 的低压试验段。采用高纯 He作为高压驱动气体，通过针刺破膜方式实现不同工况的试验需求，试验装置如图 1 所示。

图1 化学激波管试验装置

低压试验段壁面沿轴线方向安装了 3 个高频响应压力传感器(PCB113B24)，各传感器间距离 ∆L 均为 200 mm。PCB1 和 PCB2 用于激波压力信号测量，根据两测点间的距离 ΔL 及激波压力信号的时间差∆t 可计算入射激波速度 Vs，有 Vs＝∆L/∆t，并由激波关系计算得到反射激波后的着火温度 T 和压力p。PCB3 距反射端面为 20 mm，是反射激波后压力、时间历程测点，同时也是混合气着火燃烧过程中的着火壁面压力测点。乙醇汽油/空气混合气自着火特性测量装置如图 2 所示。以 OH 基自发光信号作为自着火信号，在与 PCB3 距反射端面相同距离的不同位置处安装带有高压电源的光电倍增管 PMT，用于记录测点位置的 OH 基自发光信号时间变化历程，PMT输出信号与 OH 基自发光强度呈正比。在 PMT 前装有(308±7.5) nm(对应 OH 基自发光波长为 306.5 nm)的窄带滤光片。为使自发光信号的测点位置更加精确，在 PMT 前加装长为 30 mm、宽为 1 mm 的狭缝。对于同一强度的自发光信号，高压电源所加电压不同，PMT 测得的信号强度也不同，为便于比较，试验中PMT 的外加电压恒为 600 V。在 PCB 后安装低噪声前置放大器(Stanford Research Systems SR560)，对各PCB 采集的微弱压力信号进行放大。为瞬态试验，通过 4 通道示波器(Tek TDS2014B)的单次采集模式，以 PCB1信号作为示波器的触发信号，同时采集各PCB 压力信号和 PMT 信号。

图2 自着火特性测量装置示意

使用车用乙醇汽油 E92，通过激波管的雾化预混系统，Laval 喷管产生的超声速气流将汽油雾化，并与空气在容积为 295 L 的预混罐中充分混合。常温下的车用乙醇汽油的饱和蒸气压为 42～65 kPa，挥发性很强，在常温、常压下乙醇汽油经过 Laval 喷管雾化后可在混气罐中形成雾化充分、混合均匀的两相混合物(气溶胶)。采用大管径、低速流、小拐角的低压试验段端部进气装置，有效降低了液滴因撞击壁面以及壁面吸附对当量比的影响。为保证混合物在试验段均匀分布，在靠近膜片的位置安装抽气口，使混合物在试验段内形成连续进气状态。廖钦等利用基于Mie 散射理论的分体式激光粒度仪和激光诱导荧光(PLIF)对激波管内的煤油气溶胶粒径分布进行了可视化研究，结果表明：连续进气过程维持 1～2 min后，可在试验段形成均匀稳定的煤油/空气两相气溶胶。另外，Davidson 等认为，气溶胶在激波管试验中被雾化的颗粒尺寸与燃料种类关系不大。

图3 乙醇汽油/空气混合气的着火延迟期

图 3 示出当量比ϕ 为 1.5、反射激波后的压力 p 为 0.28 MPa、着火温度 T 为 1 415 K 时 PCB3 压力信号与 OH 基自发光强信号的时间历程。

定义着火延迟期为反射激波到达 PCB3测点位置的时刻与自着火发生时刻之间的时间间隔。反射激波到达测点的时刻由 PCB3压力曲线的第 2 次阶跃始点来判断，自着火发生时刻定义为 OH 基自发光强信号曲线首次阶跃的最大斜率处切线与水平基线的交叉点时刻。图 3 中，燃烧放热导致的 PCB3 压力曲线上升的起始时刻与 OH 基自发光信号的切线和水平基线交点是近似同步的，这也表明笔者对着火延迟期定义的合理性。可知乙醇汽油/空气混合气的着火延迟期为 380 µs。

2 试验结果与分析

乙醇汽油 E92 主要是由 C4～C12 等多种烃类以及乙醇等非烃化合物组成的复杂混合物。笔者按照GB/T 11132—2008《液体石油产品烃类的测定荧光指示剂吸附法》和 NB/SH/T 0663—2014《汽油中醇类和醚类含量的测定气相色谱法》，分别对试验所用乙醇汽油 E92 的烃类和乙醇含量进行了检测，其中烯烃所占体积分数为 12.6%、芳烃为 27.8%、饱和烃为 47.9% 且乙醇的体积分数为 11.6%。测量得到乙醇汽油 E92 在 20 °C、常压下的密度为 0.75 g/cm3。根据组分方程计算得到乙醇汽油 E92 化学计量空燃比约为 14.2，试验中混气罐中空气的量固定不变，通过高精度量筒控制所需燃料的体积，从而调节当量比，当量比的控制误差小于 5% ，并对燃料的比热容、标准熵等物性参数进行估算。笔者利用一维理想正激波关系对反射激波后的着火温度和压力进行计算，考虑到根据乙醇汽油主要组分估算带来的比热容比γ误差，以及入射激波衰减，得到着火温度计算误差为±15 K，压力计算误差为±0.01 MPa。廖钦对笔者所使用的激波管试验系统着火延迟期的试验偏差进行了测量，单次试验的着火延迟期偏差可能高达 10% 以上。同时，综合 PCB 及 PMT 信号延迟、信号噪声和曲线测量等引起的偏差，着火延迟期的单次测量最大误差约为 12% ，因而着火延迟期试验数据以系列测量结果的分布来确定。

试验测量了温度约为 1100～1 750 K、压力分别为 0.28 MPa 和 0.56 MPa 条件下，燃空当量比为 0.5、1.0 和 1.5 时乙醇汽油 E92/空气混合气的着火延迟期及着火壁面压力信号和 OH 基自发光强的时间历程。并对当量比为 1.0、温度为 1 340 K 和 1 400 K 条件下，压力范围为 0.1～0.65 MPa 时的着火延迟期以及压力为 0.28 MPa、温度为 1 390 K、当量比为 0.2～2.5 时的着火延迟期进行了测量。


图4 不同压力下乙醇汽油/空气着火延迟期

图 4 示出压力分别为 0.28 MPa 和 0.56 MPa、当量比为 0.5、1.0 和 1.5 时的(lnτig～1/T )变化，其中 τig为乙醇汽油/空气混合气着火延迟期，T 为着火温度。在高温条件下，乙醇汽油/空气混合气着火延迟期的对数lnτig 和着火温度的倒数 1/T 在不同当量比及压力下均满足线性关系，且在着火温度和压力相同的条件下，当量比增加，乙醇汽油/空气混合气着火延迟期明显延长。同时，0.56 MPa 条件下的着火延迟期相比 0.28 MPa 时缩短。


图5 不同当量比下乙醇汽油/空气着火延迟期

图 5 示出当量比为 0.2～2.5、着火温度为1 390 K、压力为 0.28 MPa 条件下乙醇汽油/空气混合气的着火延迟期τig随当量比ϕ 的变化。在着火温度和压力不变的条件下，混合气着火延迟期在当量比为0.2～2.5 的范围内均随当量比的增加而明显延长，并且τig和ϕ较好地满足 Arrhenius 关系。利用多元线性回归对图 4 所示的着火延迟期进行拟合，得到了乙醇汽油/空气混合气着火延迟期 τig与ϕ、T 的关系，即


式中R为通用气体常数。

式(1)适用于压力为0.28 MPa、当量比为0.5～1.5 且温度范围为1 200～1 750 K 的条件。式(2)适用于压力为 0.56 MPa、当量比 0.5～1.5 且温度范围为1 100～1 500 K 的条件。

由式(1)、式(2)可知，高温条件下乙醇汽油/空气混合气着火延迟期的当量比依赖指数在 0.28 MPa 和0.56 MPa 下分别为 1.56、1.60。Davidson 等对异辛烷/O2/Ar 混合物在着火温度范围为 1177～2 009 K、压力为 0.12～0.82 MPa、当量比为 0.25～2.00 时的着火延迟期进行拟合，得到当量比依赖指数为 1.62，并提出了高温条件下异辛烷的反应机理。在高温反应阶段(T＞1 200 K)，燃料中的烷基主要通过β 裂解生成小分子烯烃和烃基，在该反应中，链分支反应H +O2 = OH +O 起主导作用，混合气当量比越小(混合气越稀)，其氧浓度就越高，在碳氢燃料着火过程中过量的氧将提高该链分支反应速率，从而使总包反应速率加快。因而在高温条件下，混合气中氧浓度的增加将促进着火过程，从而使燃料的着火延迟期缩短。Cancino 等研究发现，乙醇在高温反应阶段 (T＞1 000 K)，以 C—C 键断裂生成 CH3 和 CH2OH为主导，在高温时乙醇对汽油着火延迟期的影响很弱。因而仅含 11.6% 变性燃料乙醇的乙醇汽油 E92在高温条件下主要表现的是 HC 的共性特征，乙醇对汽油着火延迟期的影响有待进一步研究。Sarathy 等在激波管和快速压缩机上对汽油替代燃料(FACE)的着火延迟期研究发现，在中、低温且高压条件下，当量比降低，着火延迟期延长，与高温时当量比对着火延迟期的影响相反，而在温度为 1100～1 270 K 、不同当量比时的着火延迟期非常接近。Davidson 等对异辛烷/O2/Ar 混合物在中、低温时着火延迟期的研究也出现类似现象，拟合曲线在1 200 K 附近发生交叉。这是由于在中、低温反应阶段(T＜1 200 K)，主导燃料与氧化剂进行反应的链分支反应为RH + HO2 =R + H2O2 (R 表示烷基)和H2O2 =OH +OH ，在此反应阶段，燃料浓度越高，活性基及OH 基生成速率越快。在 1 200 K 温度附近为两种链分支反应机理的过渡区，因而着火延迟期在 1 100～1 300 K 范围内趋于一致且拟合曲线发生交叉。图 4中，不同当量比时的着火延迟期拟合曲线在温度较低区域也出现交叉趋势。

图6 混合气着火延迟期随压力的变化

图 6 示出当量比为 1.0、着火温度分别为 1 340 K和 1 400 K 时乙醇汽油/空气混合气在不同压力下(0.10～0.65 MPa)的着火延迟期 τig随 p 的变化。拟合得到了乙醇汽油/空气混合气在当量比为 1.0 时，τig与 p、T 的关系式为



由式(3)可知，乙醇汽油/空气混合气着火延迟期的压力依赖指数为-1.76，即当ϕ、T 相同时，随着压力的升高，着火延迟期缩短，且在 0.10～0.65 MPa 范围内，压力的变化对着火延迟期的影响较大。Gauthier等拟合得到 1.5～6.0 MPa 范围内汽油/空气混合气着火延迟期的压力依赖指数为-1.05，由此可见，乙醇汽油/空气混合气着火延迟期在低压时对压力的依赖性较高。廖钦指出，在激波管试验中，升高点火初始压力，相当于提高了氧化剂浓度。一般而言，当其他条件相同，着火延迟期随着氧化剂浓度的升高而缩短。因而，随着压力的升高，乙醇汽油/空气混合气着火延迟期缩短。

3 结论

(1)在温度范围为 1 100～1 750 K、压力为 0.28和 0.56 MPa 的高温、低压条件下，乙醇汽油/空气混合气着火延迟期的对数 lnτig和着火温度的倒数 1/T均满足线性关系，且随着当量比的增加，混合气着火延迟期延长。

(2) 当量比为 1.0、着火温度为 1 340 K 和1 400 K 时，乙醇汽油/空气混合气着火延迟期在压力为 0.11～0.63 MPa 时随着压力的升高而缩短，且着火延迟期在低压范围内对压力的依赖性较高。

文献来源

杜维新,马志豪,李亚楠,等.乙醇汽油/空气自着火特性的激波管试验[J].内燃机学报,2020,(04):304-311.