張躍威，姚圣卓，劉永峰，劉海峰，宋金甌

(1.北京建筑大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，北京 102616；2.天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

柴油機(jī)在機(jī)械及運(yùn)輸領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，為了改善柴油機(jī)的性能，科研人員對(duì)柴油的著火特性進(jìn)行了廣泛研究。隨著研究的深入，一種液氧固碳閉式循環(huán)柴油機(jī)成功解決了封閉環(huán)境 (CO-O) 下柴油機(jī)排放的CO問題，進(jìn)而避免了對(duì)人體產(chǎn)生毒害作用。但該柴油機(jī)的著火卻存在難以預(yù)測(cè)的問題，因此，本研究在CO-O氛圍下對(duì)該柴油機(jī)的著火特性進(jìn)行了深入研究。

眾所周知，柴油的組分極其復(fù)雜，計(jì)算所有組分的氧化反應(yīng)是困難的，而柴油表征燃料既能很好地模擬柴油的著火和燃燒過程，又便于研究機(jī)理的氧化過程，同時(shí)節(jié)約了計(jì)算時(shí)間和成本，因此得到了極大應(yīng)用。芳香烴類化合物在柴油中占比約30%，其中甲苯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，常作為芳香烴的代表，因此采用70%正庚烷+30%甲苯混合物作為柴油表征燃料，其十六烷值和碳?xì)浔染c真實(shí)柴油相近。

近年來，研究人員對(duì)正庚烷-甲苯混合物的著火特性進(jìn)行了廣泛的研究。在空氣氛圍下，Herzler等利用高壓激波管研究了正庚烷-甲苯混合物的著火延遲時(shí)間，這為發(fā)展和改進(jìn)柴油表征燃料的自燃動(dòng)力學(xué)模型奠定了基礎(chǔ)。而在低溫環(huán)境下，甲苯的添加對(duì)混合物的自燃會(huì)產(chǎn)生抑制作用，并對(duì)著火延遲時(shí)間造成非線性影響。另外，Hellier等通過改變甲苯含量，進(jìn)一步研究了壓縮自燃過程中甲苯和正庚烷之間的相互作用，發(fā)現(xiàn)隨著甲苯含量的增加，混合物出現(xiàn)了明顯的兩級(jí)自燃過程，而甲苯含量超過50%就不會(huì)發(fā)生自燃。Di Sante等則通過快速壓縮機(jī)試驗(yàn)，證明了甲苯含量較低 (<25%)時(shí)正庚烷主導(dǎo)了混合物的化學(xué)特性，而溫度高于800 K時(shí)，甲苯含量變化對(duì)著火延遲時(shí)間的影響并不明顯。此外，Malliotakis等結(jié)合高壓激波管和快速壓縮機(jī)試驗(yàn)，采用反應(yīng)路徑和敏感性分析方法，研究了混合物著火延遲時(shí)間在不同壓力和當(dāng)量比下隨甲苯含量的變化，并描述了甲苯氧化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，解釋了其作為反應(yīng)抑制劑的特性。Hernández等則采用50%正庚烷+50%甲苯混合物的自燃試驗(yàn)，證明了甲苯在低溫下通過OH自由基的脫氫反應(yīng)消除了大量活性基團(tuán)，顯著延長(zhǎng)了著火延遲時(shí)間，另外，通過考慮混合物的相互作用以及湍流的影響，建立了64%正庚烷+36%甲苯混合物的簡(jiǎn)化機(jī)理。

而在CO-O氛圍下，Zhang等建立了柴油表征燃料的簡(jiǎn)化機(jī)理，并以60%正庚烷+40%甲苯研究了不同CO-O工況下的著火特性，證明了該機(jī)理的可行性。而王龍等在高濃度CO-O氛圍下，通過量子化學(xué)計(jì)算方法探尋了甲苯新的反應(yīng)路徑，發(fā)現(xiàn)CO在高溫條件(>2 600 K)下分解，并生成OH自由基促進(jìn)混合物著火的發(fā)生。Dai等向混合物中添加CO，結(jié)果導(dǎo)致正庚烷的著火反應(yīng)性發(fā)生了很大的變化，著火延遲時(shí)間顯著延長(zhǎng)。此外，盛瑜琪、丁樂康和Liu等則對(duì)柴油表征燃料的著火和燃燒過程進(jìn)行了深入的研究，著重討論了CO的添加對(duì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理以及對(duì)火焰浮起長(zhǎng)度的動(dòng)態(tài)影響。

然而，目前關(guān)于70%正庚烷+30%甲苯在CO-O氛圍下的著火特性研究報(bào)道仍然相對(duì)較少，尤其是在高濃度CO氛圍下?；诖?，采用70%正庚烷+30%甲苯混合物在高濃度CO氛圍下進(jìn)行著火特性研究仍具有重要意義。本研究建立的CO-O氛圍下著火延遲時(shí)間模型，對(duì)機(jī)理進(jìn)行耦合和簡(jiǎn)化，并通過定容燃燒彈可視化試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，最后，對(duì)著火特性影響較大的幾種因素進(jìn)行分析討論。

1 計(jì)算

1.1 著火延遲模型

該著火延遲時(shí)間模型來源于Arrhenius公式。

(1)

后經(jīng)過Ryan等基于Arrhenius公式的進(jìn)一步創(chuàng)新得到，對(duì)于給定的燃料，將壓力的影響轉(zhuǎn)化為氣體濃度和環(huán)境密度的影響，并將試驗(yàn)參數(shù)和著火延遲時(shí)間相關(guān)聯(lián)，運(yùn)用多元線性回歸分析方法，考慮著火時(shí)刻的燃料和氧氣濃度，環(huán)境溫度和密度等因素對(duì)著火延遲時(shí)間的影響，其表達(dá)式如式(2)所示。

(2)

式中：，，和為回歸系數(shù)；為表觀活化能與通用氣體常數(shù)的比值；[O]和[fuel]分別為著火時(shí)刻氧氣濃度和燃料濃度；為著火時(shí)刻氣體的平均密度；為著火時(shí)刻氣體的平均溫度。

然而，式(2)描述的是空氣下的著火延遲時(shí)間，而沒有考慮到特殊的CO-O氛圍，其中CO的濃度比空氣中的濃度高得多，而且CO的比熱容比N高。此外，在局部高溫環(huán)境下，CO發(fā)生裂解并直接參與反應(yīng)，從而影響整個(gè)氧化過程。因此，新的著火延遲時(shí)間模型考慮了CO的稀釋以及對(duì)自燃的阻滯作用，如式(3)所示。

(3)

式中：[CO]為著火時(shí)刻的CO濃度，為回歸系數(shù)。

CO-O氛圍下的著火延遲時(shí)間模型充分考慮了氧氣的促燃、CO的阻燃以及溫度和密度對(duì)著火延遲時(shí)間的耦合影響。另外，將CO體積分?jǐn)?shù)(40%～70%)化分為多組工況，并采用多元線性回歸分析方法，將著火數(shù)據(jù)與著火延遲時(shí)間相關(guān)聯(lián)。通過迭代計(jì)算，最終函數(shù)收斂，著火延遲時(shí)間模型的擬合優(yōu)度()為0.948 2，如式(4)所示。

(4)

式(4)中的系數(shù)表示如下：著火延遲時(shí)間隨混合氣中O濃度的增加而降低，而隨著CO濃度的增加而增加，二者相互耦合影響，而著火延遲時(shí)間與氣體溫度成反比，這種關(guān)系的本質(zhì)是阿累尼烏斯式的。另外，密度效應(yīng)取決于噴射的燃油量，在較高的燃料流量下，密度的影響更為顯著，因?yàn)樵诘兔芏认?，噴霧可能會(huì)撞擊壁面，燃油流量對(duì)著火延遲的影響很小但很顯著，較高的燃油流量(較濃的混合氣)傾向于延長(zhǎng)著火延遲時(shí)間，這是燃油蒸發(fā)造成壓降導(dǎo)致的。

實(shí)際的柴油機(jī)隨著工作條件的變化，自燃前后的CO濃度也不同。更重要的是，柴油機(jī)在工作過程中，缸內(nèi)溫度具有很強(qiáng)的瞬態(tài)特性，會(huì)影響CO和柴油表征燃料的反應(yīng)。該著火延遲時(shí)間模型的優(yōu)點(diǎn)是能更好地將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)際柴油機(jī)聯(lián)系起來，快速準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)CO-O氣氛下的著火延遲時(shí)間，并對(duì)實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的自燃參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，以達(dá)到穩(wěn)定燃燒的目的。

1.2 化學(xué)模型

正庚烷采用654個(gè)物種，2 827個(gè)反應(yīng)的詳細(xì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理3.1版本，該機(jī)理在數(shù)值研究的試驗(yàn)中表現(xiàn)更為突出，反應(yīng)過程更完整且在低溫和高溫環(huán)境下均有優(yōu)異表現(xiàn)。甲苯則采用開發(fā)的模擬單個(gè)芳香烴類物質(zhì)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型，包含530個(gè)物種，2 808個(gè)反應(yīng)。兩機(jī)理均來源于勞倫斯利弗莫爾試驗(yàn)室(Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL)。

1.3 機(jī)理的耦合簡(jiǎn)化

進(jìn)行仿真計(jì)算前，需對(duì)兩種機(jī)理進(jìn)行耦合、簡(jiǎn)化。對(duì)機(jī)理進(jìn)行耦合時(shí)，對(duì)于兩者均有的基元反應(yīng)的情況，僅保留其中一個(gè)基元反應(yīng)，并根據(jù)目標(biāo)參數(shù)剔除與耦合機(jī)理相關(guān)性較小的基元反應(yīng)?；谡`差傳播的直接關(guān)系圖法(Directed Relation Graph with Error Propagation,DRGEP)消除了由物種減少導(dǎo)致的誤差傳播，并通過敏感性分析法(Sensitivity Analysis,SA)對(duì)保留的物種進(jìn)一步縮減。通過設(shè)定目標(biāo)參數(shù)和誤差控制簡(jiǎn)化過程，以獲得不同精度的骨架機(jī)理。目標(biāo)參數(shù)越少，最終獲得的機(jī)理越精簡(jiǎn)，若誤差足夠小，簡(jiǎn)化機(jī)理將收斂于詳細(xì)機(jī)理。本試驗(yàn)設(shè)定的目標(biāo)參數(shù)為著火延遲時(shí)間，相對(duì)誤差設(shè)為10%，通過DRGEP-SA方法進(jìn)行機(jī)理簡(jiǎn)化，最終得到273個(gè)組分，1 544個(gè)基元反應(yīng)的正庚烷-甲苯機(jī)理，經(jīng)驗(yàn)證，該簡(jiǎn)化機(jī)理能較好模擬柴油的燃燒過程。機(jī)理的耦合簡(jiǎn)化流程見圖1。

圖1 機(jī)理的耦合簡(jiǎn)化流程圖

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

在本研究中搭建了定容燃燒彈可視化試驗(yàn)平臺(tái)(見圖2)，其主要包含定容燃燒彈、冷卻循環(huán)裝置、進(jìn)排氣裝置、高壓噴油裝置、高速攝影裝置以及電子控制單元等。定容燃燒彈裝置外形呈“圓筒狀”，外部主體是奧氏體不銹鋼(S30408)二級(jí)鍛造而成，而內(nèi)部由隔熱瓦片和電加熱絲等構(gòu)成。表1列出定容燃燒彈裝置的相關(guān)參數(shù)。

表1 定容燃燒彈參數(shù)

定容燃燒彈的四周對(duì)稱分布4個(gè)石英玻璃視窗，其有效觀測(cè)直徑為100.0 mm，使整個(gè)著火過程可視化并由高速攝像機(jī)(FASTCAM SA5, Photron)通過視窗記錄著火數(shù)據(jù)。而定容燃燒彈內(nèi)部溫度和壓力的調(diào)節(jié)是通過進(jìn)排氣裝置和電加熱絲協(xié)同配合完成的，在進(jìn)氣過程中需要手動(dòng)調(diào)節(jié)氣瓶上的壓力調(diào)節(jié)閥，使進(jìn)氣維持一定的壓力梯度，并通過分布在定容燃燒彈內(nèi)部的3個(gè)溫度傳感器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)溫度，使加熱開度維持在80%以下，確保內(nèi)部氣體均勻受熱，從而保證試驗(yàn)的可靠性。在達(dá)到試驗(yàn)的初始溫度和壓力時(shí)，控制計(jì)算機(jī)使高壓共軌內(nèi)油壓升高，達(dá)到噴油壓力。所有參數(shù)達(dá)到試驗(yàn)要求后，數(shù)字延遲信號(hào)發(fā)生器觸發(fā)噴油器噴油并由高速攝像機(jī)記錄著火過程，同時(shí)著火數(shù)據(jù)通過配套軟件(Photron FASTCAM Viewer)進(jìn)行保存。每次循環(huán)燃燒結(jié)束后進(jìn)行排氣，完成后需要再通入一定量的混合氣，繼續(xù)排氣，排除上次著火過程的影響。

1—油箱；2—油泵和電機(jī)；3—高壓油軌；4—水泵和電機(jī)；5—水箱；6—壓力調(diào)節(jié)閥；7—壓力表；8—信號(hào)延遲發(fā)生器；9—高速攝像機(jī)；10—定容燃燒彈；11—噴油器；12—?dú)馄浚?3—石英視窗；14—電加熱絲；15—電子控制單元；16—計(jì)算機(jī)；17—真空泵；18—?dú)怏w收集罐；19—背景條件控制柜。圖2 定容燃燒彈可視化試驗(yàn)平臺(tái)

2.2 測(cè)試流程

本次試驗(yàn)的參數(shù)如表2所示，測(cè)試分為以下4個(gè)步驟：1)對(duì)高速攝像機(jī)通過標(biāo)尺進(jìn)行圖像標(biāo)定，確保試驗(yàn)過程中高速攝像機(jī)能夠完整拍攝著火過程；2)定容燃燒彈在一定梯度壓力下充入特定比例的CO-O混合氣體，同時(shí)調(diào)節(jié)電熱絲加熱直至達(dá)到試驗(yàn)的初始溫度和壓力；3)當(dāng)高壓燃油噴射裝置達(dá)到一定梯度的試驗(yàn)噴射壓力時(shí)，控制計(jì)算機(jī)向數(shù)字延遲發(fā)生器發(fā)出電信號(hào)，同時(shí)觸發(fā)高速攝像機(jī)工作；4)燃燒過程在6.0 ms完成，前60張圖像被發(fā)送到控制計(jì)算機(jī)作為一組數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

表2 試驗(yàn)參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 著火延遲時(shí)間

著火延遲時(shí)間是著火延遲期的衡量標(biāo)準(zhǔn)，反映出燃料的自燃特性。自燃通常發(fā)生在一定的條件下，當(dāng)系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)速率達(dá)到一個(gè)較高水平，活性分子大量聚集，同時(shí)出現(xiàn)劇烈發(fā)光發(fā)熱的現(xiàn)象。其中OH自由基等決定了低溫環(huán)境下的系統(tǒng)活性，故仿真以O(shè)H自由基達(dá)到最大峰值所需要的時(shí)間作為著火發(fā)生的判據(jù)(見圖3)。

圖3 著火延遲時(shí)間定義

借助高速攝像機(jī)等裝置，采用直拍法獲取著火和燃燒過程，通過加裝的低通濾鏡并配合調(diào)節(jié)光圈以修正色偏和避免過度曝光而失真的現(xiàn)象，結(jié)合空間集成的自然發(fā)光度方法，對(duì)火焰圖片上的像素值進(jìn)行積分求解。

在CO-O氛圍下，通過比較著火延遲時(shí)間模型的計(jì)算值與對(duì)應(yīng)工況的試驗(yàn)值，進(jìn)而驗(yàn)證在高濃度CO氛圍下模型計(jì)算的準(zhǔn)確性。首先，對(duì)正庚烷-甲苯簡(jiǎn)化機(jī)理模型進(jìn)行驗(yàn)證。在背景氣體不同而其他條件相同的情況下，計(jì)算正庚烷-甲苯詳細(xì)機(jī)理和簡(jiǎn)化機(jī)理的著火延遲時(shí)間，如圖4所示。經(jīng)計(jì)算得出，兩者之間的最大誤差是發(fā)生在40%O+60%CO工況下，為6.91%。誤差在合理范圍之內(nèi)，因此，正庚烷-甲苯簡(jiǎn)化機(jī)理可作為柴油表征燃料進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖4 正庚烷-甲苯簡(jiǎn)化機(jī)理與詳細(xì)機(jī)理的比較

圖5示出70%正庚烷+30%甲苯在3種O-CO工況下的著火延遲計(jì)算值與試驗(yàn)值的比較。70%正庚烷+30%甲苯著火延遲模型再現(xiàn)了負(fù)溫度依賴性，呈現(xiàn)出“S”型的變化規(guī)律，但計(jì)算值與試驗(yàn)值仍存在一定的誤差，造成誤差的原因主要包括模型的簡(jiǎn)化和試驗(yàn)誤差。取每種工況下10組試驗(yàn)值的平均值與著火延遲時(shí)間模型的計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，在空氣、60%O+40%CO、50%O+50%CO和40%O+60%CO環(huán)境下的著火延遲時(shí)間計(jì)算值與試驗(yàn)值誤差分別為16.96%，7.18%，5.71%和7.62%，從而驗(yàn)證了模型在O-CO環(huán)境下的準(zhǔn)確性。

圖5 著火延遲時(shí)間

70%正庚烷+30%甲苯在初始溫度和壓力下的著火過程見圖6。從圖6可以看出，空氣、40%O+60%CO、50%O+50%CO和60%O+40%CO氛圍下的著火延遲時(shí)間分別為2.3 ms，1.7 ms，1.4 ms和1.1 ms。對(duì)比空氣和CO-O氛圍下的著火過程發(fā)現(xiàn)，在空氣氛圍下，火焰鋒面形狀呈“傘狀”，火焰形狀短而寬，而在CO-O氛圍下，火焰呈現(xiàn)“長(zhǎng)條狀”，火焰更長(zhǎng)更細(xì)，并且隨著O濃度的增加，最大火焰長(zhǎng)度也逐漸增加。隨著O濃度的增加，高亮區(qū)域向火焰外焰擴(kuò)散，并且火焰表面亮度逐漸增加并且火焰出現(xiàn)位置離噴嘴更近，意味著火焰的高溫區(qū)域位置發(fā)生了變化。這是因?yàn)镺濃度的增多使燃料與O的接觸面積更大，燃燒也更加充分，導(dǎo)致著火延遲時(shí)間大幅縮短。

圖6 70%正庚烷+30%甲苯的著火過程

在 60%O+40%CO氛圍下的著火延遲時(shí)間比在空氣氛圍下縮短了52.17%。在空氣中火焰出現(xiàn)更滯后，火焰出現(xiàn)在定容燃燒彈的中下部并且亮度最高區(qū)域出現(xiàn)在火焰鋒面處。對(duì)比不同CO-O氛圍下的著火過程發(fā)現(xiàn)，隨著CO體積分?jǐn)?shù)的降低，著火延遲時(shí)間逐漸縮短。與50%O+50%CO環(huán)境相比，40%O+60%CO環(huán)境下著火延遲時(shí)間延長(zhǎng)17.65%，而60%O+40%CO環(huán)境下著火延遲時(shí)間縮短了21.43%。說明相同體積分?jǐn)?shù)的O和CO對(duì)著火的促進(jìn)和抑制程度不同，兩者發(fā)生耦合作用。

3.2 工況變化對(duì)著火延遲時(shí)間的影響

在初始溫度為850 K、壓力為3 MPa條件下，隨著O-CO混合氣中CO體積分?jǐn)?shù)的增多，著火延遲時(shí)間延長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)應(yīng)的著火時(shí)刻溫度逐漸降低，如圖7所示。其中，CO體積分?jǐn)?shù)從43%到60%的變化范圍內(nèi)，著火延遲時(shí)間的增長(zhǎng)率逐漸增大，且在55%～60%之間達(dá)到最大，為18.75%；而當(dāng)CO體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加，增長(zhǎng)率反而下降，60%～70%之間的增長(zhǎng)率為10.53%。增長(zhǎng)率出現(xiàn)變化，表明CO抑制著火的方式發(fā)生了改變，在CO體積分?jǐn)?shù)從43%到60%的增長(zhǎng)的過程中，CO的熱效應(yīng)逐漸增大，導(dǎo)致溫度下降明顯，是造成著火延遲時(shí)間增長(zhǎng)率變大的主要原因；而當(dāng)CO體積分?jǐn)?shù)達(dá)到60%以上時(shí)，CO的第三體碰撞效率顯著提高，促進(jìn)著火的發(fā)生，造成著火延遲時(shí)間增長(zhǎng)率下降。Zhang和Sabia等研究了正庚烷和丙烷的自燃過程，通過數(shù)值模擬引入虛擬物種，代替CO熱效應(yīng)、CO的第三體碰撞效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，單獨(dú)對(duì)某一效應(yīng)進(jìn)行研究，在低溫環(huán)境下的研究結(jié)果與本研究一致，即CO的熱效應(yīng)是影響著火延遲時(shí)間的最主要因素，而當(dāng)CO體積分?jǐn)?shù)達(dá)到一定值時(shí)，CO的第三體碰撞效應(yīng)顯著增強(qiáng)。

圖7 不同工況下的著火延遲時(shí)間

3.3 敏感性分析

敏感性分析是用于確定對(duì)著火延遲時(shí)間影響程度較大的一些基元反應(yīng)，進(jìn)而從具體的基元反應(yīng)層面研究影響著火延遲時(shí)間的反應(yīng)和物種，以期進(jìn)行深入分析。通過動(dòng)力學(xué)軟件Chemkin對(duì)正庚烷-甲苯耦合機(jī)理的各基元反應(yīng)進(jìn)行溫度敏感性分析，結(jié)果見圖8，同時(shí)表3列出了影響著火延遲時(shí)間最重要的十個(gè)基元反應(yīng)，包括了CH的脫氫反應(yīng)、鏈分支反應(yīng)、CHOO·的異構(gòu)化反應(yīng)和鏈終止反應(yīng)等。

圖8 4種工況下各基元反應(yīng)對(duì)溫度的敏感性系數(shù)

表3 影響著火延遲時(shí)間最重要的十個(gè)基元反應(yīng)

從圖8可以看出，基元反應(yīng)R13和R43的敏感性系數(shù)均為負(fù)值，這意味著提高它們的反應(yīng)速率將導(dǎo)致系統(tǒng)溫度降低，抑制著火。另外，基元反應(yīng)R670，R852，R856，R861和R864為過氧烷基的異構(gòu)化反應(yīng)，形成同分異構(gòu)體過氧烴烷基，隨著氧濃度的增大，敏感性系數(shù)也越來越大，并且均為正值。表明提高反應(yīng)速率，系統(tǒng)溫度將升高，促進(jìn)著火的發(fā)生?；磻?yīng)R15在空氣中和O濃度低時(shí)，敏感性系數(shù)為負(fù)，而當(dāng)O體積分?jǐn)?shù)達(dá)到60%時(shí)，敏感性系數(shù)為正。一方面，說明在O濃度低時(shí)，基元反應(yīng)R15為HO的脫氫反應(yīng)，反應(yīng)吸收大量熱，同時(shí)敏感性系數(shù)為負(fù)，提高反應(yīng)速率，系統(tǒng)溫度降低。另一方面，當(dāng)O濃度大時(shí)，敏感性系數(shù)為正，可用勒夏特列原理進(jìn)行解釋。對(duì)于反應(yīng)R16，在40%CO+60%O環(huán)境下，敏感性系數(shù)為負(fù)，說明當(dāng)氧氣濃度較高時(shí)，反應(yīng)R15優(yōu)先于R16進(jìn)行，造成HO濃度大幅降低。而在其余3種工況下，敏感性系數(shù)為正，說明HO分解成兩個(gè)OH自由基，反應(yīng)釋放大量熱，使系統(tǒng)溫度急劇升高，可當(dāng)作著火發(fā)生的標(biāo)志。然而，在60%CO+40%O和50%CO+50%O氛圍下的敏感性系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣氛圍下，表明CO的第三體碰撞效應(yīng)顯著增強(qiáng)，即高溫下高CO濃度可加速能量的傳遞，導(dǎo)致反應(yīng)進(jìn)程加快，這和Zhang等得出的結(jié)論相似。

溫度是影響著火延遲時(shí)間的重要因素之一，因此，對(duì)4種工況下不同初始溫度所對(duì)應(yīng)的著火延遲時(shí)間進(jìn)行分析，如圖9所示。從圖9容易看出，隨著初始溫度的升高，各個(gè)工況下的著火延遲時(shí)間都逐漸縮短，在700～800 K的范圍內(nèi)，空氣氛圍下的著火延遲縮短最為明顯，同時(shí)在800～950 K范圍內(nèi)，負(fù)溫度系數(shù)現(xiàn)象表現(xiàn)得更為明顯，即隨著初始溫度的升高，著火延遲時(shí)間反而上升。在1 000～1 200 K范圍內(nèi)，4種工況下的著火延遲時(shí)間都逐漸縮短趨向于0，說明背景氣體濃度對(duì)著火延遲時(shí)間的影響隨著初始溫度的升高逐漸減弱，在高溫環(huán)境下，由溫度主導(dǎo)著火延遲時(shí)間。

圖9 不同初始溫度下的著火延遲時(shí)間

3.4 產(chǎn)率分析

大量自由基的積累促進(jìn)著火的發(fā)生，尤其是OH自由基的聚集。因此，OH自由基生成速率是影響滯燃期的一個(gè)重要因素，所以分析OH自由基的產(chǎn)率(rate of production,ROP)對(duì)研究著火特性是必要的。不同工況下對(duì)OH自由基產(chǎn)率影響最大的4個(gè)基元反應(yīng)的變化過程見圖10。

從圖10a和圖10b可見，反應(yīng)R4和R16的OH自由基最大產(chǎn)率分別增加了138%和94.2%。表明O濃度的增加明顯提升了OH自由基的產(chǎn)率，這與上述對(duì)OH生成分析得出的結(jié)論一致。Buras等用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究了隨機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)條件下自發(fā)氧化的起始時(shí)間尺度和第一級(jí)的著火延遲之間的關(guān)系，得出了OH等自由基的產(chǎn)率峰值和著火延遲時(shí)間之間的強(qiáng)烈關(guān)系。從圖10b和圖10c可見，反應(yīng)R4和R16的OH自由基最大產(chǎn)率峰值分別增加36.8%和23.8%。從圖10c和圖10d可見，反應(yīng)R4和R16的OH自由基最大產(chǎn)率峰值分別增加105%和80%。從R4和R16的變化可知，OH自由基的產(chǎn)率峰值隨著CO體積分?jǐn)?shù)的等比例增加而明顯減少，并沒有呈現(xiàn)出有規(guī)律的線性變化。表明隨著CO體積分?jǐn)?shù)的增加，CO影響OH自由基產(chǎn)率的方式發(fā)生了變化。此外，隨著CO體積分?jǐn)?shù)的增加，OH自由基的產(chǎn)率峰值呈現(xiàn)出先快速下降，后緩慢下降的趨勢(shì)。當(dāng)CO體積分?jǐn)?shù)從60%變?yōu)?0%時(shí)，反應(yīng)R4和R16的OH自由基產(chǎn)率峰值分別增加180%和124%。結(jié)果表明，在高濃度CO氛圍下，R16對(duì)OH自由基的生成有較大貢獻(xiàn)，R16是影響著火延遲時(shí)間的重要反應(yīng)。

圖10 4種工作條件下OH自由基的產(chǎn)率

4 結(jié)論

a) 建立的著火延遲模型能夠預(yù)測(cè)柴油在高濃度O-CO環(huán)境下的著火延遲時(shí)間，且在50%O+50%CO、60%O+40%CO和40%O+60%CO環(huán)境下的著火延遲時(shí)間平均誤差分別為5.71%，7.18%和7.62%；

b) 隨著CO體積分?jǐn)?shù)從40%增加到60%，CO的熱效應(yīng)是著火延遲時(shí)間延長(zhǎng)的主要原因，而化學(xué)效應(yīng)則影響不大，當(dāng)CO體積分?jǐn)?shù)超過60%時(shí)，CO第三體效應(yīng)明顯增強(qiáng)，降低了著火延遲時(shí)間增長(zhǎng)率；