论文导读:：本文在Jia等人的异辛烷机理基础上进行简化和化学反应动力学参数调教，构建出一种精简的异辛烷氧化机理（30种组分、38步反应）用于表征汽油的燃烧排放特性。利用激波管、喷射搅拌器以及HCCI发动机的多种实验结果对简化后的机理进行验证，结果表明该机理在不同压力、温度和当量比下的计算结果与实验结果吻合良好。与Jia等人的机理相比，简化后的机理滞燃期略有减小，着火相位有所提前，更接近汽油自燃特性；但简化机理预测的HC排放值略偏少。
论文关键词：异辛烷，化学反应，汽油表征机理，燃烧，排放
引言
随着计算流动动力学和燃烧化学反应动力学的发展，使用三维CFD耦合详细化学反应机理预测发动机缸内燃烧过程及预测污染物生成已成为内燃机燃烧模拟的前沿。但当前的问题仍是计算时间过长（即使采用大规模并行计算，内燃机三维模拟单循环计算的时间也需在103小时量级）。一个主要原因就是实际燃料的详细化学反应动力学机理庞大（包含上百种组分，上千步化学反应）。
近年来已发展出一系列发动机实际燃料的代用机理。如典型的汽油代用机理中的组分构成分别为异辛烷/正庚烷[1]、异辛烷/正庚烷/甲苯[2]、异辛烷/正庚烷/甲苯/二异丁烯/乙醇[3]，异辛烷/正庚烷/甲苯/1-戊烯/环己烷[4]。但汽油通常有好几百种碳氢组分组成，碳原子数通常在5～11范围，各组分间由于碳原子数或分子结构的差异，其物理和化学性质存在很大差别。因此，这种多组分汽油代用机理也很难表征实际汽油燃料特性。而且这些机理依然在数百步反应量级，耦合CFD的内燃机多维模拟计算的时间也需在数百小时量级，很难为内燃机多维模拟使用。
实际上异辛烷，对于内燃机燃料的表征机理，主要关心的是碳氢比、滞燃期、放热规律、以及主要排放物的生成规律，因此，需要发展精简且能反映内燃机燃料着火、燃烧放热和主要排放物生成特性的表征燃料机理，用于内燃机燃烧开发的实际应用中。
异辛烷是最常用的汽油表征燃料，许多研究者对异辛烷化学反应机理进行了大量的研究用于模拟汽油的燃烧过程[5-7]论文下载。目前主流的异辛烷机理可以分为三类[7]，分别是详细机理、骨架机理和介于其间的简化机理。Shell模型[8]是一种被广泛应用于描述碳氢燃料自燃的的集总反应机理，通过构造一组8步链分支反应来模拟高碳烃燃料的着火特性，但由shell模型只是一种经验性的数学模型，模型中所描述的组分在实际反应中并不存在，使得其在模拟燃烧排放的过程中带来明显缺陷。美国劳伦斯国家实验室的Curran等人开发的异辛烷化学反应机理[5]是被普遍认可的详细机理，该机理包括874种组分、3796步化学反应，几乎包括了目前为止所知的所有高低温化学反应并经过了大量的实验验证，在多种实验条件下都表现出良好的性能，但是由于该机理过于复杂，不适用于CFD耦合计算。美国威斯康辛大学的Reitz等人为进行CFD耦合计算开发了汽油化学反应的简化机理[6]，其反应步数虽然较Curran详细机理大大减少，但在进行内燃机CFD耦合计算时间仍在102小时量级。大连理工大学的Jia等人[7]开发的用于模拟HCCI燃烧的异辛烷氧化反应机理（40种组分、69步反应），通过多种实验检验，表现出了良好的性能。该机理虽然已属于反应步数较少的骨架机理，但其辛烷值偏高，并且对于汽油机燃烧的CFD实际应用异辛烷，仍希望能够找到更经济的汽油表征机理。
本文在Jia等人的异辛烷机理基础上进行简化和反应动力学参数调教，缩短滞燃期，调整CO和HC排放，开发更为精简和更接近汽油燃烧排放特性的汽油表征机理。
1 简化反应机理
大连理工大学的Jia等人使用异辛烷简化反应机理表征汽油的化学反应过程在实验中被证明可以有效的模拟汽油的着火燃烧过程[7]。Jia的机理主要包括三部分，分别为高碳烃分子的低温反应部分、高碳烃分子裂解为低碳烃分子以及低碳烃小分子的氧化过程。其中，低温反应部分取自Tanaka[9]的机理，可以看出，无论是详细机理、简化机理还是骨架机理，在描述低温反应的过程中都使用了Benson[10]的基本原理，因此，本文机理的低温反应也沿用该反应机理，不对该部分做简化。
Jia机理构造了4组反应来描述高碳烃分子裂解为低碳烃分子的过程，该部分主要为了与后面的低碳烃小分子反应组分对应，因此该部分可视小分子反应过程简化的结果而定。Jia机理在描述低碳烃小分子氧化过程直接沿用了Patel等人[11]的44步C1~C3的氧化反应，该部分是本文简化的重点。
本文使用SENKIN和XSENKPLOT计算不同条件下异辛烷的定容绝热燃烧过程，分析Jia的机理尤其是小分子氧化过程中各步反应途径。以异辛烷作为反应起始物质，分析该组分相关反应对其生成率和消耗率的贡献，将影响显著的反应和组分保留，并将后续主要反应涉及的组分按照同样的方式进行反应途径分析，最终得到由燃料至燃烧产物过程中对异辛烷氧化过程影响显著的组分和反应。从而构造出一种包含30种组分、38步反应的异辛烷氧化机理，如附录。
2 机理的验证
为了对简化后的异辛烷机理进行验证，选取多种实验结果与计算结果进行对比。首先利用激波管的实验比较了不同当量比、不同压力和不同初始温度时滞燃期的结果。其次利用喷射搅拌器的实验结果比较了异辛烷在氧化过程中的氧化速度和主要中间产物的变化。另外在HCCI的实验中比较了缸压结果以及CO、CO2、HC随当量比的变化。
2.1 激波管实验验证
激波管实验可以用来测试燃料的滞燃期用以研究燃料的着火性能论文下载。本文为研究机理在发动机中对着火性能的预测异辛烷，在两个与发动机相关的激波管实验进行了对比，并且与Jia等人的原机理计算的结果进行了对比。计算中假定激波过后激波管内气体的反应在定容、均质绝热的环境下进行。
Fieweger等人[12]为针对火花点火发动机的爆震问题，通过使用激波管实验对异辛烷与空气混合气在当量比分别为0.5、1.0和1.5时的滞燃期进行了大量的研究，本文选取其中部分数据进行对该机理的验证。图1显示了在压力为4MPa，温度范围为700-1250K，0.5、1.0和1.5三种不同当量比下，异辛烷的滞燃期与温度倒数的关系的实验结果和计算结果，计算结果包括本文机理和Jia的机理。从图中结果可看到，利用两种机理的计算结果与实验值非常接近，计算结果很好地预测了滞燃期随当量比的变化，并且在770-910 K温度范围内出现了明显的负温度系数(NTC)行为，这些基本的氧化反应动力学特性，与实验结果一致。并且，对比本文机理和Jia的机理可以看出，两种机理计算的滞燃期结果非常相近，但本文机理预测的滞燃期要略小于Jia等人的机理。
图1 压力为4MPa时滞燃期的计算结果与实验结果对比
Fig.1 Comparisonof calculating and experimental results of ignition delay with the pressure of4 Mpa
图2进一步与Davidson等人[13]为研究HCCI发动机而开展的激波管实验结果进行了比较，同样可以看到在压力为5MPa温度在869-1176K的范围内，两种不同当量比分别为0.5和1的情况下，计算结果与实验结果非常吻合。图3显示了在当量比为1时压力对滞燃期的影响，可以看到随着压力的升高滞燃期逐渐减小，计算结果除了在低温时与实验略有差异外，其它所有情况均与实验一致。
图2 压力为5MPa时滞燃期的计算结果与实验结果对比
Fig.2 Comparisonof calculating and experimental result of ignition delay with the pressure of 5MPa
图3 当量比为1时滞燃期的计算结果与实验结果对比
Fig.3 Comparisonof calculating and experimental results of ignition delay with the equivalenceof 1
2.2 喷射搅拌器实验验证
喷射搅拌器可以用来研究异辛烷在氧化过程中的氧化速度和主要中间产物的变化。Dagaut 等人[14]在1Mpa异辛烷，550-1150K温度范围内，不同当量比的反应环境下研究了异辛烷在喷射搅拌反应器中的氧化过程，其中反应气体使用大量的氮气稀释，反应器的滞留时间为1s。本文在计算中假设反应在等温、定压、充分搅拌的环境下进行，反应时间与实验滞留时间相同为1s。
图4显示了当量比为1时异辛烷氧化过程中CO、CO2和C8H18的摩尔浓度随温度变化的计算结果与实验结果，计算结果也同时对比了本文机理与Jia等人机理。可以看出，本文机理与实验结果计算的具体数值有所差别，但总体趋势一致，随着温度逐渐增大，异辛烷在800K之后开始迅速氧化，而CO的浓度在氧化过程中则出现先增大后减小的趋势，CO2的浓度在氧化过程中逐渐增加，特别是当温度升高后CO氧化成CO2而造成CO浓度显著降低而CO2浓度显著增加。对比本文机理与简化前Jia等人机理的计算结果可以看出，二者预测的中间产物变化趋势一致，本文机理预测的氧化速度略快于Jia等人的机理。
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