多孔介质中超绝热燃烧的热力学分析

多孔介质中超绝热燃烧的热力学分析

0hcci发动机的开发随着人类的到来，资源和环境问题变得越来越突出。如何实现高效和清洁燃烧是国际内燃机界共同面临的一个最紧迫的课题。人们纷纷把目光转向一些基于全新理念并有诱人前景的新型发动机,当前世界各国正投入巨资进行研发的HCCI发动机即是突出的一例。此外,人们还提出了其他一些新概念发动机。本文专题介绍其中一种,即基于多孔介质燃烧技术的超绝热发动机。1超出热法燃烧热20世纪70年代初,Weinberg提出了超绝热燃烧或过焓燃烧的概念,并从理论上预言如果能把热量尽可能地从热的产物转移到冷的反应物流中去,超绝热燃烧就有可能实现。绝热燃烧是指无论稳定燃烧还是非稳定燃烧,在燃烧过程中没有热量损失的理想燃烧。而超绝热燃烧是通过多孔介质取代自由空间,利用其相对于气体而言强大得多的蓄热功能和辐射特性,实现热反馈,即将燃烧产生的热量及尾气中的余热用于加热反应区上游的预混合气,从而使燃烧反应大大增强。在忽略对外热损失的情况下,火焰温度可超过与未经预热的混合气状态相应的绝热火焰温度,故此称为超绝热燃烧(应当指出,从严格的科学意义上讲,“超绝热”的提法是不确切的,容易引起误解;鉴于国际学术界已经接受了它,也沿用之)。图1利用可燃混合物在多孔介质内流动和燃烧过程中焓值沿流向的变化描述超焓或超绝热的概念。虚线表示没有预热的自由空间燃烧系统中焓的变化,实线表示有预热的多孔介质燃烧系统中焓的变化。在没有预热的燃烧系统中,由于存在热损失,温度达不到绝热火焰温度,而有预热的燃烧系统中,由于反应混合气进入反应区前被预热,上游的焓值迅速升高,在流动过程中产生超焓或超绝热火焰。超绝热燃烧的实现就是利用了多孔介质的强蓄热能力以及通过控制装置实现燃烧热在燃烧器内积累和循环利用。2多孔介质预混合燃烧多孔介质相对于自由空间有大得多的热容和表面积,因而吸热和蓄热能力要大得多。与气体相比,多孔介质的导热能力和辐射能力也要大得多,所以能显著增强火焰中的传热传质过程。国内外的大量研究都表明:预混合气在多孔介质中燃烧可大幅度提高燃烧速率,显著增强火焰的稳定性,使火焰温度升高,扩展可燃极限,降低有害污染物排放量。然而,在能源短缺加剧和环境意识日益提高的今天,常规多孔介质燃烧器在燃烧效率和排放效果上表现出的优良特性还不能令人满意。要实现稀薄乃至极稀薄混合气的稳定燃烧,必须采取更为有力的措施,最大限度地减少已燃气体所带走的热量,尽可能使燃烧反应产生的热量保留在系统内,并将其反馈到上游的未燃燃料气体中去,从而降低反应物的单位能量输入,提高反应物的温度。在多孔介质预混合燃烧系统中,如果在流动方向上多孔介质无限长,而且系统的绝热效果理想,那么绝大部分燃烧气体的焓在其流动方向上就会被多孔介质吸收并存储起来,这部分热量就可预热新鲜混合气,这样就大大减少了焓损失,超绝热燃烧就有可能在多孔介质内形成。然而,在实际燃烧器中多孔介质不可能无限长,但假若反应混合物以往复流动形式分别从多孔介质的两端导入,则有限长的多孔介质内就有可能形成类似于无限长多孔介质内那样的超绝热燃烧。这样形成的往复式循环燃烧不仅可使由燃烧产生的热量蓄积在多孔介质内,而且可充分从燃烧产物(尾气)中回收余热并存储在多孔介质中。当新鲜混合气流进经燃烧器进入反应区前被预热,使其温度升高,可燃极限得以扩展,从而可实现极稀薄混合气或极低热值的气体稳定燃烧。把气体混合物流向周期性换向这一思想应用到多孔介质预混合燃烧领域最早是由瑞典的ADTEC公司在其1990年的一篇商业报告中透露的。他们根据此原理研制出的一台多孔介质燃烧设备甚至可以燃烧汽车厂喷漆室内排放出的有机废气!根据该报告,有机废气以往复流动形式导入硅砂充填燃烧床中,燃烧温度提高约70K,而多孔介质尾部排出的尾气温度仅提高20K。这就是说,用传统燃烧器无法燃烧的可燃成分非常稀薄的有机废气经多孔介质燃烧处理后,不仅可以得到净化,还可从中获取一定的有用能量。3超汽油的理论分析3.1多孔介质燃烧的优越性根据迄今为止各种理论和实验研究的结果,多孔介质中预混合气体稳定燃烧的特点一般可概括如下:1)由于多孔介质具有很大的热容量以及气固之间的传热效率高,使燃烧过程可在较低温度下进行。2)反应区中温度分布均匀,因而燃烧状态易于控制。3)反应区尺度大,其厚度可达自由火焰厚度的数百倍。4)燃烧速率远远大于自由火焰的传播速率。5)多孔介质内不存在宏观尺度上的火焰。6)燃烧过程非常稳定而完全,从而有利于对燃烧过程的控制。7)污染物排放可达很低的水平;如CO小于10mg/kWh,NOx<70mg/kWh。8)可达到很高的功率密度(约40MW/m3),从而实现强化燃烧。9)动力范围具有很强的调制性(最大与最小功率之比可达20)。10)由于燃烧过程具有良好的可控性,故燃烧噪声小。由于上述众多的优点,多孔介质燃烧技术在人们力图实现高效低污染燃烧的各种装置中均有可能获得实际的应用。而且,多孔介质燃烧器不仅可以燃烧气体,还可以成功地燃烧汽油、柴油和其他液体燃料。由此可开发出高质量的稳态燃烧系统。这里起关键作用的是燃料的蒸发过程。不完善的蒸发会直接影响燃空混合气的形成,而导致较高的CO、NOx和HC排放,而多孔介质恰恰具有促进液体燃料蒸发的优越性能。具体表现在:1)优良的总体热输运特性作为多孔介质的固体材料的导热率比气体要大几个量级,即使孔隙率高达0.95的多孔介质,其导热率仍然是气体的300～500倍。从而,燃烧效率可相应提高16～20倍。与高导热率同时存在的高辐射率使燃烧室内温度趋于均匀,避免了局部高温区的形成,从而显著削减NOx的排放。2)大热容量多孔介质的热容比气体要大百倍到千倍,从而大大增强燃烧稳定性。例如,在大气压条件下多孔介质中燃烧区的时间稳定性可达几秒的量级。这样就可保证燃烧过程基本不受燃料供给和气流扰态等外因变化的影响。3)大的内表面积这可有力的促进燃油的蒸发。燃料分布在大量孔隙的内表面上,形成很薄的油膜,从而可快速地受热并蒸发,形成可燃混合气。多孔介质燃烧的突出优点使它也十分适合像内燃机这样的非稳态燃烧过程。实现快速瞬态燃烧的关键因素是混合气与多孔介质之间以及燃烧产物与多孔介质之间的快速传热。根据Pinaev等的研究结果,惰性多孔介质内在常压下加热与冷却的时间常数是10-3s量级。如果气体速度减至几个m/s,则该常数减小到10-4s量级;如果增大压力,时间常数还可进一步减小。因此,在内燃机的运行条件下,多孔介质的传热过程所需要时间尺度大约仅为10-5s.多孔介质有利于非定常燃烧过程的另一个重要特性是它能大幅度提高有效燃烧速率。实验表明,在常压条件下,多孔介质的存在可使燃烧速率提高10倍。如果燃烧在更高的压力下进行,则燃烧速率还可进一步提高。按此计算,燃烧过程可在10-4s量级的时间内完成。可见,多孔介质燃烧技术非常适合于内燃机那样强烈瞬态的燃烧。多孔介质燃烧器中蒸发、传热和燃烧过程都能在很短的时间尺度下完成。这意味着,以瞬态燃烧为特征的内燃机,如采用多孔介质技术,则有望达到优良的排放性能。首先,在整个燃烧过程中,由于多孔介质内温度分布一直保持相当均匀,从而可削减CO的形成。同时,适当的设计多孔介质燃烧室,就可对燃烧温度加以控制以降低NOx的排放。这是因为多孔介质中固相物质的存在防止了燃烧热全部被气体吸收,从而避免了局部高温区。再者,多孔介质内液体燃料的快速蒸发和完全燃烧也在很大程度上消除了未燃HC的排放。常规内燃机中引起HC排放的两个主要因素,即过浓或过稀的混合,在多孔介质发动机中都可得以避免。这是因为燃油并不是喷入缸内自由空间,而是喷入多孔介质内部。其巨大的比表面积和热容量以及孔隙内强烈的小尺度运动使得混合过程在整个反应区内均匀的进行。而且这一过程与燃油喷注的雾化并没有直接关系,从而可降低对喷射系统和雾化质量的要求。上述诸因素,包括较低的燃烧温度、快速的蒸发、均匀的混合气形成以及燃气在反应区(多孔介质内部)较长的滞留时间都使得碳烟微粒的排放得以降低。据此,Durst宣称,利用多孔介质燃烧技术,可以实现零排放发动机之梦。3.2多孔介质与工质的组合关系如上所述,基于多孔介质燃烧技术的发动机在高效、节能和净化诸方面都显示出诱人的前景。但在将其付诸实际之前,对其热力学循环进行理论分析是十分必要的。为此,Durst等人建立了一个简化热力学模型。该模型由两部分组成,即充有工质的气缸和作为蓄热器的多孔介质体。后者从换热的角度看,可以与缸内工质保持耦合或分离两种状态。假定:①缸内工质与多孔介质的换热在瞬间完成;②由于多孔介质的热容远大于工质的热容,故可认为二者进行换热时,多孔介质的温度保持不变;③工质的压缩与膨胀过程是绝热的。在此基础上,来作工作循环的热力分析。在进气冲程期间,多孔介质与气缸(工质)处于分离状态,新鲜空气吸入气缸,接着进行等熵压缩。在压缩终了时(理想情况为上死点TDC),气缸与多孔介质耦合,于是工质立即达到已蓄热的多孔介质的温度,而后者作为热源保持其供热温度不变,因而很接近卡诺循环的吸热过程。如果将发动机结构材料所能承受的最高温度作为多孔介质的供热温度,发动机将具有理想的热力学性能。如此时喷入燃料并着火燃烧,由于多孔介质起着热阻尼器的作用,整个燃烧过程将在接近等温状态下进行。膨胀和排气冲程期间,工质与多孔介质保持分离状态。图2是发动机循环的p-V图和T-s图,图中将上述多孔介质发动机的理想循环与卡诺循环以及常规内燃机的理想循环作了比较(假定各种循环的最高工作温度相等)。由图可见,多孔介质发动机的理想循环较常规内燃机循环有可观的循环功增益。(由面积2—a—3—2和3—3″—4′—4—3表示)。当然这只是理想的极限情况,从工程实际出发,Durst等提出了两种实施方案:一是多孔介质与工质始终保持接触;二是多孔介质与工质周期性的接触换热。它们分别由图中1—2″—3′-3″—4′—1和1—2′—3′-3″—4′—1表示。其较之常规内燃机的优越性是十分明显的。4关于多孔介质车辆的研究多孔介质发动机的研究目前还处于起步阶段,国际上公开发表的成果尚不多见。这里介绍笔者所了解到的三个研究方案。4.1蓄热器的工作原理美国人Ferrenberg于1990年最早提出了多孔介质发动机的概念,并将其称为再生式或蓄热式发动机(regeneratedengine)。其提出的一种柴油机改造方案如图3所示。多孔介质蓄热器置于气缸顶部,通过一驱动杆与活塞同步运动。蓄热器在大部分时间内,不是与缸盖接触,便是与活塞顶接触。吸气时,蓄热器固定在缸盖上。压缩行程中,蓄热器与活塞做反向运动,迫使气体穿越多孔介质的孔隙,从而吸取其中已积蓄的热量。喷油和燃烧后,蓄热器向上而活塞向下运动,高温燃气穿越多孔介质并将热量传给后者,从而完成一个循环。蓄热器的性能取决于多孔介质的材料,结构和几何形状。Ferrenberg采用SiC(12ppi)泡沫陶瓷的实验结果表明,与未加蓄热器的原型柴油机相比,在相同的空燃比下,热效率可提高50%,而比油耗可减少33%。另外,燃烧室顶部的气体平均温度有所增加,但其总体的温度则有所降低。4.2两个机构同向运动日本歧阜大学的花村克悟和越后亮三等人在超绝热燃烧方面做了不少开拓性工作。他们在1995年就提出了超绝热发动机的概念,并试制出一台样机。其设计思想类似于斯特林发动机。其工作原理如图4所示,它由两个活塞(动力活塞与扫气活塞)和一个多孔介质蓄热器组成(实际上两个活塞分别置于两个气缸内,通过联动机构实现同步运动)。蓄热器位于两个活塞顶之间且固定不动。首先,新鲜混合气被吸入气缸,扫除缸内废气(图4①),然后扫气活塞对混合气进行压缩,而动力活塞则靠近蓄热器而保持不动(图4②)。在压缩末期,两个活塞以几乎相同的速度同向运动,使得被压缩的混合气在多孔介质蓄热器中被预热并着火,从而实现等容燃烧(图4③)。在后续的膨胀过程中,燃烧热通过动力活塞的运动转变成机械运动,此时,扫气活塞则靠近蓄热器保持不动(图4④)。最后在排气冲程中,两个活塞同步右行,废气在穿越蓄热器时,其剩余热焓被有效地吸收并储存在多孔介质中(图4⑤)。计算表明,即使对压缩比仅为2的情况,其热效率仍然可达26%,高于常规的Otto循环和Diesel循环。花村等人认为,在此基础上,可以研制出低压缩比的环保性好的高效率新型内燃机。4.3多孔介质蓄热器Erlangen大学Durst等人对多孔介质燃烧技术进行了多年的研究,并将其成果应用于内燃机。他们不仅对多孔介质发动机的工作特性进行了深入的理论分析。而且提出了两种实施方案,即前文提到的多孔介质与气缸始终保持接触或只是周期性接触,并按永久接触的方案研制了一台原理性样机。该机是用一台单缸风冷柴油机(Hatz1D81)改装的。在其缸盖上进气门与排气门之间的空间安装了碳化硅SiC制成的多孔介质蓄热器。为实现电控还用共轨系统取代了原有的常规燃油喷射系统,其具有水冷装置的喷嘴安装在多孔介质内,同时原机带凹坑的活塞改为平顶活塞。这样,改装后的压缩比为16.8,稍低于原型机。文献提供的下列初步试验的结果是在转速2500r/min下测得的:①对空燃比为λ=1～3.3,NOx排放为110～340mg/kWh;而Hatz原型机当λ=4.7时,为1000～3000mg/kWh。②尽管喷射条件尚未达到最佳(共轨系统暂用手控且喷油定时为固定值),CO排放已降低到1000mg/kWh,而原型机则为5、6g/kWh。③即使不用过量空气(λ=1.0),碳烟的生成也大大减少。④与原型机相比,多孔介质发动机运行十分平稳,噪声水平显著降低。发动机连续运行数小时后,多孔介质材料未见任何损坏或异常。实验发现,发动机压缩压力相当低(约