【摘要】：能源短缺與環(huán)境污染問題日益突出,現(xiàn)存燃燒模式和燃燒技術(shù)尚有不足之處,為了滿足國家節(jié)能減排的重大需求,課題組在前人研究的基礎(chǔ)上提出了 反應(yīng)控制的均質(zhì)混合氣梯級自燃燃燒模式‖。此種燃燒模式的實(shí)現(xiàn)首先要求參加反應(yīng)的燃料的臨界自燃邊界閾度要具有充分的差異。為此,本文在課題組自行開發(fā)的溫度、壓力可控的定容燃燒彈平臺上,對十六烷值差異較大的醇類燃料(甲醇、乙醇和正丁醇)和烴類燃料(正庚烷)在化學(xué)計(jì)量比、定燃料量和定空氣量下的臨界自燃溫度進(jìn)行了測定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:醇類燃料和烴類燃料的臨界自燃邊界閾度具有充分的差異性,其中在化學(xué)計(jì)量比下進(jìn)氣壓力為80psi時,甲醇和正庚烷的臨界自燃溫度差值達(dá)到最大約為270℃,由此 通過控制缸內(nèi)燃燒反應(yīng)熱化學(xué)氛圍來實(shí)現(xiàn)兩種組分燃料的梯級燃燒‖具有可行性;從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中還發(fā)現(xiàn),醇類燃料的臨界自燃溫度隨初始壓力及當(dāng)量比的變化波動較大,烴類燃料的臨界自燃溫度隨外界條件的變化幾乎不變,例如在化學(xué)計(jì)量比下當(dāng)初始壓力由80psi增加到240psi時,三種醇類燃料的臨界自燃溫度分別下降了68.52℃、78.31℃、58.73℃,而烴類燃料的臨界自燃溫度僅變化了9.79℃。為了從反應(yīng)機(jī)理的角度解釋產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因,為梯級自燃實(shí)現(xiàn)策略及方法的選取提供重要參考,本文利用Chemkin軟件的封閉均相反應(yīng)器模型模擬醇類燃料在定容燃燒彈內(nèi)的燃燒,對醇類燃料的自燃主導(dǎo)反應(yīng)特征及參數(shù)敏感性進(jìn)行了分析研究并與課題組同學(xué)所做的烴類燃料自燃的主要反應(yīng)特征進(jìn)行比較,其具體的研究內(nèi)容及所得結(jié)論如下:(1)醇類燃料自燃主導(dǎo)反應(yīng)特征分析:利用Chemkin軟件的封閉均相反應(yīng)器模型耦合甲醇、乙醇和丁醇的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理,在初始邊界條件T=800K,P=560psi,Φ=1下,模擬幾種燃料在定容燃燒彈內(nèi)的燃燒,通過產(chǎn)率分析找出鏈傳遞關(guān)系,將醇類燃料的主導(dǎo)反應(yīng)歸納為鏈引發(fā)、鏈傳遞和鏈終止。繪制了甲醇、乙醇和丁醇(含異構(gòu)體)的反應(yīng)路徑圖,其中甲醇完全燃燒需要5步反應(yīng),涉及6種組分,11個基元反應(yīng);乙醇完全燃燒需要9步反應(yīng),涉及10種組分,20個基元反應(yīng);丁醇反應(yīng)路徑相對較為復(fù)雜,但在經(jīng)過3或4步反應(yīng)之后,仍可生成OH、HO_2等小分子活性基,這些自由基積累到一定程度后,燃料便會發(fā)生自燃。而正庚烷的反應(yīng)路徑比較繁雜,分支較多,且外界條件改變時基元反應(yīng)不唯一,也就是不存在主導(dǎo)反應(yīng),這也是造成醇類燃料的臨界自燃溫度隨邊界條件變化較烴類燃料敏感的原因。(2)醇類燃料自燃的參數(shù)敏感性分析:采用方差分析法,構(gòu)建三因素(T,P,Φ)五水平正交試驗(yàn)表,確定溫度為影響醇類燃料自燃的核心因素。接著,采用單一變量法對不同當(dāng)量比、壓力和溫度下的著火標(biāo)志物OH進(jìn)行敏感性分析,研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)量比和壓力的變化只對主導(dǎo)反應(yīng)速率產(chǎn)生影響,而溫度的變化主要影響主導(dǎo)反應(yīng)路徑,溫度升高小分子反應(yīng)逐漸增多。碳原子數(shù)對醇類燃料自燃的影響相對較為復(fù)雜,當(dāng)溫度小于1000K時碳原子數(shù)越多,滯燃期越短,這是因?yàn)樘荚訑?shù)越多反應(yīng)路徑越多,從而在低溫下也能快速形成著火自由基,而當(dāng)溫度大于1000K時,此時燃料反應(yīng)的熱化學(xué)氛圍條件均以具備,碳原子數(shù)越多燃料的反應(yīng)路徑越繁雜,從而造成滯燃期越長。在碳原子數(shù)相同時,燃料分子中的支鏈數(shù)和甲基數(shù)是影響醇類燃料自燃的主要因素,燃料分子中的支鏈數(shù)越多,異構(gòu)化程度越高,燃料的十六烷值越低,自燃性越差,而燃料分子中的甲基數(shù)越多,分子越穩(wěn)定,從而使滯燃期越長。(3)醇類燃料自燃燃燒邊界關(guān)聯(lián)性分析:研究溫度、壓力和當(dāng)量比這三個因素協(xié)同變化對醇類燃料自燃的影響。結(jié)果表明:同一溫度下,保證當(dāng)量比和壓力的乘積不變,燃料的滯燃期波動很小,其中甲醇在1200K時,其不同當(dāng)量比下的滯燃期的方差僅為1.77238E-10接近于零,由此得到同一溫度下保證ΦP為定值即燃料中總的C-H鍵的數(shù)目不變時,燃料的滯燃期基本不變。而不同溫度下的燃料的滯燃期卻基本不在同一個數(shù)量級上,其中同一壓力下溫度為800K時的燃料的滯燃期大約是溫度為1000K的100倍、溫度為1200K的1000倍,究其原因?yàn)闇囟壬?反應(yīng)燃料分子能量增加,此時雖然保證燃料中C-H鍵的數(shù)目相同,但是由于反應(yīng)活性分子的數(shù)量增加,且溫度升高燃料反應(yīng)路徑發(fā)生了變化,所以燃料的滯燃期仍然會縮短。同樣的方法,在相同溫度下,保證甲醇、乙醇和正丁醇三種燃料中的C-H鍵的數(shù)目相同,研究發(fā)現(xiàn)此時三種燃料的滯燃期仍然有所差別,其中同一初始壓力下的甲醇的滯燃期約為乙醇的2倍、正丁醇的20倍,這主要是因?yàn)橐掖己驼〈挤肿又羞�含有C-C鍵,而C-C鍵的斷裂也會對反應(yīng)速率產(chǎn)生影響,致使三者的滯燃期仍有所差異,但是對于同一種燃料,保證ΦP為一定值,即保證了燃料中C-H鍵的數(shù)目一定,其燃料的滯燃期仍是基本不變的。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ511
【圖文】：

圖 1.1 1996 年、2006 年和 2016 年世界石油探明儲量分布交通運(yùn)輸業(yè)作為消耗石油資源的主要產(chǎn)業(yè)之一，其規(guī)模還在進(jìn)一步擴(kuò)大[4]。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2016 年全國汽車保有量為 18435.8 萬輛，其中汽油車 16324.7 萬輛，占 88.5%；柴油車 1878.4 萬輛，占 10.2%；燃?xì)廛?232.7 萬輛，占 1.3%。相比于 2011 年增長了 9169萬輛，年均增長率為 14.8%[5]。汽車工業(yè)的快速發(fā)展在消耗大量能源的同時也給環(huán)境帶來

圖 1.2 全國汽車保有量及污染物排放量變化趨勢.2 排放法規(guī)的日益嚴(yán)格汽車是一個行走的污染源，其未完全燃燒產(chǎn)生的有害氣體會源源不斷的排入大氣著世界人均汽車保有量的不斷增加，平均每 10 個人就擁有一臺車[6]，其排放的

辛烷值對氣缸壓力和放熱率的影響

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2765939