摘 要

本文主要通过Chemkin模拟甲烷-正庚烷、乙烷-正庚烷、丙烷-正庚烷混合燃料的着火过程，研究甲烷、乙烷、丙烷对正庚烷着火特性的影响。选取了美国Lawrence Livermore National Laboratory的正庚烷详细机理（简称LLNL机理）和爱尔兰国立大学化学学院Zhang等人的正庚烷详细机理（简称NUI机理）。通过Chemkin软件模拟结果与文献中着火数据对比验证，最终选择NUI机理进行模拟研究和反应路径分析。模拟研究了初始温度、初始压力、掺混比等对混合燃料着火延迟时间的影响，并对混合燃料进行反应路径分析。研究发现：

（1）三种混合燃料的着火延迟时间随温度的变化关系可分为低温、中温、高温三个区域，初始温度对混合燃料的着火延迟时间影响较大，随着初始温度的降低，着火延迟时间呈指数增长，在中温区混合燃料的着火延迟时间会出现负温度系数（NTC）现象。随着初始压力升高，着火延迟时间减少，压力对混合燃料着火延迟时间的影响在NTC区域比较显著；

（2）纯丙烷和纯正庚烷自身有NTC现象，纯甲烷和纯乙烷没有出现；当甲烷-正庚烷混合物中甲烷掺混比超过95%，乙烷-正庚烷混合物中乙烷掺混比超过98%时，混合燃料NTC现象消失；在甲烷、乙烷、丙烷的纯燃料中添加少量正庚烷会对其着火行为产生很大的影响，而少量的甲烷、乙烷、丙烷对正庚烷着火行为影响很小；

（3）通过反应路径分析，正庚烷的脱氢反应会消耗OH自由基产生四种同分异构体，C₇H₁₄OOH氧化产生C₇H₁₄OOHO₂，此过程产生少量OH自由基，C₇H₁₄OOHO₂进一步反应产生大量OH自由基；随着反应温度升高，反应R1（C₇H₁₅-2O₂→C₇H₁₄OOH2-4）的量逐渐减少，相应的其他反应产生的HO₂自由基的量增加，HO₂自由基极易生成稳定的H₂O₂，在温度高于1000K时才会大量分解，这也是造成NTC现象的原因。

关键词：甲烷-正庚烷；乙烷-正庚烷；丙烷-正庚烷；着火延迟时间；反应路径分析

Abstract

In this paper, the ignition behavior of methane-n-heptane、ethane-n-heptane、Propane-n-heptane blends is simulated by Chemkin, and the effect of methane、ethane、propane on ignition characteristics of n-heptane is studied. Here we selected the detailed mechanism of n-heptane of the American Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL Version 3.1) and the detailed mechanism of n-heptane of Zhang et al from the College of Chemistry, National University of Ireland (Nui mechanism). By comparing the simulation results of the Chemkin software with the ignition data in the literature, the NUI mechanism is chosen to simulate and analyze the reaction path.The effects of initial temperature, initial pressure and blending ratio on the ignition delay time of the mixed fuel were studied, and the reaction path of the mixed fuel was analyzed. The study found that:

(1) The relationship between ignition delay time and temperature of three kinds of blends can be divided into low temperature、medium temperature and high temperature, the initial temperature has a great effect on the ignition delay time of the mixed fuel, with the initial temperature decreasing, the ignition delay time is exponential increase, and the negative temperature coefficient (NTC) phenomenon occurs in the ignition delay time of the mixed fuel in the middle temperature zone. With the increase of initial pressure, the ignition delay time decreases, and the influence of the pressure on the ignition delay time of the mixed fuel is significant in the NTC region;

(2) Pure propane and pure heptane have NTC phenomenon, while pure methane and pure ethane did not appear; When the mixture ratio of methane of methane-n-heptane is over 95% and ethane mixing ratio of ethane-n-heptane exceeds 98%, the corresponding fuel NTC phenomenon disappears; Adding a small amount of n-heptane to the pure fuel of methane、ethane、propane will have a great effect on the ignition behavior, while a small amount of methane、ethane、propane has little effect on the ignition behavior of n-heptane;

(3) Through the reaction path analysis, the dehydrogenation of n-heptane will consume the OH free radicals to produce four isomers, C₇H₁₄OOH oxidation produces C₇H₁₄OOHO₂, this process produces a small number of OH free radicals, C₇H₁₄OOHO₂ further reaction produces a large number of OH radicals; as the reaction temperature increases, The amount of reaction R1 (C₇H₁₅-2O₂→C₇H₁₄OOH2-4) is gradually reduced, the amount of HO₂ free radicals produced by the corresponding other reactions increases, and the HO₂ free radicals can easily generate stable H₂O₂, which is very much decomposed when the temperature is above 1000K, which is also the cause of the NTC phenomenon.

Key words: Methane-n-heptane; Ethane-n-heptane; Propane-n-heptane; Ignition delay time; reaction path analysis

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外研究现状 2

1.3研究内容和技术方案 3

1.3.1研究内容 3

1.3.2技术方案 3

第二章 混合燃料着火特性物理数值模型 5

2.1数值模拟参数设置 5

2.2混合燃料化学动力学机理筛选 5

第三章 初始条件对混合燃料着火特性影响的模拟分析 8

3.1初始温度和压力对混合燃料着火特性的影响 8

3.2掺混比对混合燃料着火特性的影响 10

第四章 混合燃料燃烧的化学反应动力学分析 14

4.1甲烷-正庚烷混合燃料的反应路径分析 14

4.2乙烷-正庚烷混合燃料的反应路径分析 16

4.3丙烷-正庚烷混合燃料的反应路径分析 17

第五章 总结与展望 19

5.1全文总结 19

5.2工作展望 19

致 谢 21

参考文献 21

第一章 绪论

1.1研究背景

柴油机自发明以来，在世界上已经有100多年的历史。它具有热效率高，可靠性好，适应范围广，动力性能好等众多优点，广泛运用于农业、工业、国防、交通等各个领域，特别是在车辆^[1]和船舶^[2]方面。随着经济全球化趋势的加强，车辆和船舶行业不断发展，作为车辆和船舶的主要动力装置，柴油机产业也得以迅速发展。

然而，日趋严重的环境污染问题使得相关排放法规日益严格，致使作为大气污染主要来源之一的内燃机的排放问题逐渐成为国际关注重点。柴油机主要污染物有未燃HC、CO、NO_x以及颗粒物（PM）等，目前处理这些污染物的办法大多是通过尾气处理装置。然而这些方法增加了柴油机结构的复杂性，提高了柴油机的制造成本。减少污染物最有效的方法就是从源头出发，改善燃料，使用清洁能源。

目前世界上关注的柴油机代用燃料有甲醇、二甲醚、植物油、生物柴油、氢气、沼气、天然气等等^[3]。其中天然气是一种清洁高效且价格低廉的汽油和柴油替代燃料。天然气具有许多优点：安全性能高，由于其密度比空气轻，泄露后也会向上扩散不易聚集引起爆炸；排放性能好，天然气能够减少二氧化硫、氮氧化物、粉尘等排放，其二氧化碳排放也少于其他燃料，能够减少酸雨形成，缓解地球温室效应；抗爆性能强，天然气辛烷值较高，具有良好的抗爆性能。天然气在柴油机上的应用能够缓解石油燃料不足的压力，减少污染排放物，因此得到越来越多内燃机研究者的关注。

天然气使用方式很多^[4]，可单独或与其他燃料混合在发动机上使用，其在点燃机上的应用已经有较为广泛的研究^[5~7]，而天然气在压燃上存在一定困难，通常采用柴油压燃来引燃天然气^[8]的天然气-柴油双燃料发动机。天然气-柴油双燃料发动机的改造工艺简单，使用机动性强，既可使用双燃料又可使用单燃料；柴油机改为双燃料发动机^[9]在动力性能保持基本不变的基础上，做少量的改动，却极大改良发动机的排放指标。