摘 要

本文利用现有的乙醇燃料点火延时实验数据对已公布的乙醇氧化化学动力学机理进行了比较分析，然后利用CHEMKIN气相化学动力学软件，在初始温度800~1500K、初始压力10~50bar、当量比0.5~2.0条件下对生物乙醇-空气混合物的着火特性进行了数值模拟研究，研究了不同初始条件对生物乙醇燃料点火延时及敏感性的影响分析，得到的主要结论如下：

（1）生物乙醇-空气混合物的点火延时随温度的增大而减小，随压力的增大而缩短，随当量比的增大总体呈现出缩短的趋势，但在高温、高当量比条件下，点火延时随当量比的增大先减小后增大；点火延时受温度的影响，在低温条件下生物乙醇燃料的点火延时随温度的增大而微弱减小，而在高温条件下点火延时随温度的增大而小幅增大。

（2）生物乙醇燃料在着火过程中对基元反应R1: H O₂ lt;=gt; O OH和R179: C₂H₅OH HO₂ lt;=gt; CH₃CHOH H₂O₂的依赖性最大。重要基元反应的敏感性基本随温度的增大而增大，随压力的增大而减小，随当量比的增大几乎不变或小幅减小（主要取决于温度的高低）；基元反应的敏感性受温度和当量比的影响很大且无一定规律，在高当量比时表现的尤为明显。

关键词：生物乙醇；点火延时；敏感性分析；数值模拟

Abstract

In this paper, with the use of the existing experimental data of ignition delay of ethanol, a more proper kinetic mechanisms of ethanol oxidation has been selected from published kinetic mechanisms. Based on CHEMKIN gas-phase chemical kinetics software and the selected mechanism, a series of numerical simulations is carried out for the ignition delay of hydrous bio-ethanol on the condition of initial temperature 900~1500K, initial pressure 10~50 bar, equivalence ratio 0.5~2.0 and water volume fraction 0~60%. In addition, sensitivity analysis of elementary reactions is performed to figure out which reactions dominate the ethanol oxidation process and analysis of variation in sensitivity coefficient at different conditions. The main conclusions of this paper are summarized as below:

(1) From the simulation results, the ignition delay of hydrous bio-ethanol decreases with increasing temperature and pressure respectively; overall, the ignition delay is shortened with the increase of equivalence ratio, but it decreases first and then increases with the same changes of equivalence ratio under condition of high temperature and elevated equivalence ratio; the ignition delay variation with water volume fraction is greatly affected by temperature, in detail, it decreases with the increase of water volume fraction at low temperature and increases with the increase of water volume fraction at high temperature.

(2) The sensitivity analysis results show that, the most important elementary reactions for ethanol oxidation are R1: H O₂ lt;=gt; O OH and R179: C₂H₅OH HO₂ lt;=gt; CH₃CHOH H₂O₂. And the sensitivity of important elementary reactions basically decreases with the increase in temperature, decreases with increasing pressure, and gets little change or slightly decreases with the increase in equivalence ratio (mainly depending on the temperature level). The sensitivity of elementary reactions is greatly affected by temperature and equivalence ratio and gets no consistency rules, especially under the condition of high equivalence ratio.

Key words: hydrous bio-ethanol; ignition delay; sensitivity analysis; numerical simulation

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 燃料的着火特性对HCCI燃烧的影响 2

1.3 研究燃料着火特性的实验装置 2

1.4 生物乙醇着火特性国内外研究现状 3

1.5 本文的研究目的和研究内容 6

1.5.1 本文的研究目的 6

1.5.2 本文的研究内容 6

第2章 乙醇氧化动力学机理的分析与选择 7

2.1 CHEMKIN软件简介 7

2.2 CHEMKIN模型的选择及参数设定 8

2.3 乙醇氧化动力学机理介绍 9

2.4 乙醇机理的分析与选择 11

2.4.1 激波管实验数据与机理模拟计算值的比较分析 11

2.4.2 快速压缩机实验数据与机理模拟计算值的比较分析 14

第3章 生物乙醇点火延时的数值模拟 17

3.1 模拟方案 17

3.2 初始温度对生物乙醇点火延时及敏感性的影响分析 17

3.2.1 初始温度对生物乙醇点火延时的影响分析 17

3.2.2 初始温度对生物乙醇敏感性的影响分析 18

3.3 初始压力对生物乙醇点火延时及敏感性的影响分析 19

3.3.1 初始压力对生物乙醇点火延时的影响分析 19

3.3.2 初始压力对生物乙醇敏感性的影响分析 20

3.4 当量比对生物乙醇点火延时及敏感性的影响分析 21

3.4.1 当量比对生物乙醇点火延时的影响分析 21

3.4.2 当量比对生物乙醇敏感性的影响分析 22

第4章 总结展望 24

4.1 总结 24

4.2 展望 24

参考文献 25

致谢 28

第1章 绪论

1.1 研究背景

能源危机、环境问题的日益加剧，进一步增加了各国对发动机替代燃料的重视。生物乙醇是一种重要的可再生能源，其生产原料来源非常丰富，随着近年来纤维素乙醇（以麦秆、草和木材等农林废弃物为主要原料）酿造技术的不断发展与突破，生物乙醇作为代用燃料的研究再次成为热点。

乙醇燃料辛烷值可达111，故抗爆性较好，可以替代甲基叔丁基醚（MTBE）添加到汽油中作为抗爆剂；乙醇着火界限宽，火焰传播速度快，而且过量空气系数变化范围为0.6-0.8，有助于提高发动机的压缩比与使用稀薄燃烧技术；另外，其含氧量高，使燃料在发动机中燃烧更加充分，可以改善发动机的排放性能，CO和HC排放平均减少30%以上，基于以上优点乙醇燃料在发动机中的应用具有广阔前景。着火特性作为燃料的重要基础燃烧特性直接影响其在发动机缸内的燃烧，对于生物乙醇燃料发动机的开发具有重要指导作用，因此开展生物乙醇着火特性研究对于环境保护与缓解能源危机具有重要意义。

我国燃料乙醇已经得到一定规模的应用，已在黑龙江、吉林和河南三省建设陈化粮为燃料乙醇生产工程，并已在全国10余个城市开展了掺和10%乙醇的汽油醇燃料应用示范工作。近年来，国内外研究人员对柴油机燃用乙醇也进行了研究，完全燃用乙醇。