柴油/甲烷和柴油/甲醇二元燃料着火反应机理比较研究

本文在定容燃烧弹中利用高速摄像技术研究了柴油在甲烷/空气和甲醇/空气氛围中低温着火特性,并基于正庚烷/甲烷简化机理和正庚烷/甲醇骨架机理,对比分析了两种二元燃料的低温氧化路径。试验和模拟结果均表明甲烷和甲醇都能使柴油着火时刻推迟,且甲醇推迟作用更明显,柴油推迟着火现象随甲烷和甲醇当量比增大而更明显,随环境温度升高而减弱。反应路径分析表明,甲烷和甲醇的脱氢反应消耗了大量OH抑制了正庚烷着火,甲醇抑制作用强于甲烷原因在于甲醇消耗OH速率快,且只通过低温下很稳定的H_2O_2分解向自由基池中提供OH,而甲烷消耗的OH少,还能通过链传递反应(CH_3+HO_2=CH_3O+OH)贡献相当数量的OH。     

正庚烷低温燃烧机理构建

基于课题组自主研发的高碳烃燃烧机理自动生成程序ReaxGen,构建了正庚烷低温燃烧详细机理(642个物种,2220步反应)。分别采用物质产率分析和反应路径流量分析方法简化该详细机理,得到半详细机理(510个物种,1472步反应)和骨架机理(20g个物种,770步反应)。对正庚烷的点火延时,层流火焰速度以及主要物种浓度曲线的模拟结果表明这些机理的模拟精度较高。在工程计算流体力学仿真设计中具有良好的应用前景。分析了正庚烷点火延时敏感度,考查了机理中关键反应。     

正庚烷燃烧反应中间自由基的光谱测量

采用ICCD瞬态光谱探测系统和化学激波管,在点火温度1 408K,点火压力2.0atm,燃料摩尔分数1.0%,当量比1.0的条件下,拍摄了正庚烷燃烧过程中不同时刻的瞬态发射光谱,光谱曝光时间6μs,拍谱范围200～850nm。确认了在所拍光谱范围内主要是OH,CH和C2自由基的特征辐射光谱,表明小自由基OH,CH和C2是正庚烷燃烧过程中重要的反应中间产物。所拍时间分辨光谱显示,在正庚烷燃烧反应中,OH,CH和C2自由基一出现很快就达到其浓度峰值,但CH和C2自由基随着反应的进行迅速减少至消失,OH自由基持续的时间却长很多。实验结果为了解正庚烷燃烧反应微观过程和验证其燃烧反应机理提供了实验依据。     

利用OH自由基特征发射谱测量正庚烷的点火延迟时间

在化学激波管中利用反射激波进行点火,采用OH自由基在306.4nm处特征发射谱线强度的急剧变化标志燃料的着火,由光谱单色仪、光电倍增管、压力传感器和示波器组成测量系统,测量了正庚烷/氧气的点火延迟时间,点火压力(1.0±0.1)和(0.75±0.05)atm,点火温度1 170～1 730K,当量比1.0,得到了在此实验条件下正庚烷/氧气点火延迟时间随温度变化的关系式。研究结果表明正庚烷/氧气点火延迟时间随温度的增加呈指数减小,点火压力为0.75atm时,随着点火温度的增加,点火延迟时间的变化率要小于1.0atm条件时。实验结果为建立正庚烷燃烧反应动力学模型,验证正庚烷燃烧反应机理提供了实验依据。     

正庚烷复合均质压燃的燃烧与排放特性研究

本文对参比燃料正庚烷(n-heptane)在一台单缸柴油机上进行了复合均质压燃试验,在缸内直喷正庚烷的同时使用电控燃油喷射系统控制进气道的正庚烷喷射量,以达到控制和改善HCCI着火和燃烧的目的.研究了常温常压下,不同预混合比例和不同负荷的正庚烷复合HCCI燃烧和排放特性.研究发现:在保持NOx排放较低的情况下(100×10-6),这种燃烧方式可以有效的拓宽HCCI的运行范围,大幅降低HC排放(平均降低1/3),同时对降低小负荷时的CO排放也有明显效果.     

正庚烷化学动力学简化模型的构建及优化

提出了一个新的适用于HCCI发动机燃烧模拟的正庚烷化学反应动力学简化模型(40种组分和62个反应)。由三个子模型组成:低温反应子模型是在Li等人模型的基础上,定义具体的醛类(RCHO)产物和小分子碳氢产物(Rs)而构建;增加了用于链接低温反应向高温反应过渡的大分子直接裂解成小分子反应子模型;高温反应子模型是在Griffiths等人模型的基础上,去除了无关的基元反应,增加两个关于CO和CH3O的氧化反应而构建。另外,采用遗传优化技术对模型动力学参数进行调整。计算表明,新模型能够在当量比0．2-1．2,温度从300-3000 K的范围内精确模拟正庚烷HCCI燃烧时冷焰和热焰反应过程,与详细模型(544种组分和2446个反应)计算结果吻合较好。     

多元燃料顺序燃烧多阶段放热的试验和模拟研究

在高十六烷值燃料中加入高辛烷值燃料是控制均质混合气压缩着火(HCCI)燃烧的一种有效策略。本文利用快速压缩机模拟发动机HCCI燃烧过程,在正庚烷中分别添加异辛烷和乙醇,发现在部分稀燃条件下出现低温放热和高温两阶段放热的三阶段放热现象。进一步采用详细化学动力学模拟计算,结果表明乙醇对正庚烷燃烧起到抑制作用。高温第一阶段放热主要由CH_2O生成大量CO放热引起,高温第二阶段放热主要由生成燃烧最终产物CO_2和H_2O的反应引起。     

异辛烷/正庚烷混合燃料燃烧中间产物的浓度分布特性

用同步辐射单光子电离和分子束取样技术结合飞行时间质谱仪,在低压预混层流火焰中测量异辛烷/正庚烷混合燃料(体积比9:1)在当量比为1.0时燃烧的主要中间产物.检测出24种主要中间产物,计算各种物质的摩尔分数,对其空间浓度分布进行比较分析,得出不同温度下的物质生成历程.添加金属矿物质可以明显改变热解过程中燃料氮向N2的转化特性.     

正庚烷热裂解的反应分子动力学模拟

研究表明正庚烷热裂解的主产物是C₂H₄, H₂, CH₄以及C₃H₆,模拟结果和实验吻合很好. 温度对产物分布具有明显的影响,当温度上升,目标产物乙烯的量会迅速增加. 正庚烷转化率以及主产物的摩尔分数分别通过反应分子动力学和化学动力学模拟计算得到,两种方法模拟结果相吻合. 我们还通过动力学分析研究了正庚烷热裂解反应的动力学参数,反应活化能为47.32 kcal/mol,指前因子为1.78×10¹⁴ s^-1.     

正庚烷高温裂解的温度敏感性

利用ReaxFF分子动力学模拟方法对正庚烷在高温条件下的热解行为进行了研究．细致分析了温度对正庚烷高温裂解过程以及产物分布的影响．结果显示温度对正庚烷的热解过程的影响是分阶段的．高温能加速正庚烷的分解,但是当温度达到一定阶段之后这种影响逐渐变小．正庚烷的热解可以分为三个阶段．主要产物C₂H₄、C3和C4的质量百分数随转化率的变化规律与实验值符合很好．利用一阶动力学模型得到的正庚烷热解的表观活化能和指前因子分别为53.96 kcal/mol和55.34×10¹³ s^-1,与实验值相符．     

柴油掺混正丁醇对火焰发展及光谱的影响

正丁醇是一种很有前景的柴油替代燃料,针对缸内火焰发展和燃烧中间产物的自发光光谱开展研究,有助于深入理解柴油掺混正丁醇混合燃料对柴油机燃烧过程的影响规律。因此,在一台光学发动机上,利用火焰高速成像技术和自发光光谱分析法,研究纯柴油与柴油掺混不同比例正丁醇后对发动机缸内火焰发展和自发光光谱的影响。试验过程中,光学发动机转速为1 200 r·min~(-1),喷油压力为600 bar,进气加热到398 K,使上止点附近达到约900 K温度。纯柴油、柴油掺混20%正丁醇燃料和柴油掺混40%正丁醇燃料分别用D100, DB20和DB40表示,三种燃料在每个着火循环喷入的油量分别为17.5, 18.7和19.2 mg,从而保证发动机输出功相同。试验结果表明:冷却水温不变时,喷油时刻推迟,滞燃期缩短,初始火核形成时刻推迟,蓝色预混火焰比例减小;喷油时刻不变时,提高冷却水温度,滞燃期缩短,初始火核形成时刻提前,蓝色预混火焰比例减小。随着正丁醇掺混比例增加,呈现局部混合气率先着火的特征且着火时刻推迟,蓝色预混火焰比例增加,火焰亮度降低,火焰亮度从大到小依次为:D100DB20DB40。D100燃料随喷油推迟,整体光谱的峰值向长波方向移动,碳烟辐射增强, OH谱带的光强峰值先增大后减小, OH和CH_2O谱带出现的时刻推迟,表明高温和低温反应时刻推迟;喷油时刻不变时,提高冷却水温,整体光谱的光强增加, OH和CH_2O谱带的出现时刻提前,表明高温和低温反应时刻提前。掺混正丁醇后的DB40燃料随喷油推迟,光谱的整体光强增加, OH和CH_2O谱带的光强峰值提高,表明推迟喷油对DB40燃料也是有助于促进高温和低温反应。DB40燃料光谱的整体光强低于D100燃料,其OH和CH_2O的谱带出现的时刻迟于D100燃料,表明掺混正丁醇后燃料的高温和低温反应时刻都相对D100燃料推迟。SOI-15、冷却水温95℃工况下, D100燃料的谱线经过2℃A就呈现出了类似碳烟黑体辐射谱的特征,而DB40燃料先呈现出CO氧化连续谱的特征,经过15℃A才呈现碳烟黑体辐射谱的特征。     

催化着火的实验研究

本文就CH4-水蒸气以及正庚烷或正十二烷-水蒸气的催化重整反应对燃料与空气预混气的着大影响进行了几种不同工况的实验研究,并与纯燃料气（CH4气、正庚烷或正十二烷蒸气）和空气的预混气的着火进行对比．实验结果表明,在催化剂的作用下,烃类燃料气和水蒸气能在200～500℃的较低温度下进行重整反应,产生部分H2和CO。少量H2的存在大大降低了预混气的着火温度。若将这种催化剂用于柴油机汽缸壁,则可望使柴油机中的乳化油在汽缸壁上生成部分H2,因此可能在掺水量加大的条件下,仍然能实现汽缸中的正常燃烧,这不仅使乳化油在柴油机中的应用成为可能,而且将显著地改善柴油机的排放性能和节能效果．     

正庚烷化学反应机理的简化与加速计算

详细化学反应机理的引入会给燃烧数值模拟带来巨大的困难:一方面,由于不同组分对应不同的特征时间,详细化学反应机理会导致燃烧模拟涉及到广泛的时间尺度;另一方面,随着燃料所含碳原子数目的增加,其详细化学反应机理中所含的组分数目与基元化学反应数目会呈指数增长,这直接导致计算量的急剧增加。为了解决这两方面的困难,本文以正庚烷氧化机理为例,通过化学反应机理简化(反应路径分析法)与加速算法(投影法)实现了在确保计算精度的条件下极大程度地提高计算效率。     

正庚烷裂解及乙醇的影响

论文研究乙醇对正庚烷氧化过程的影响.采用同步辐射方法测量当量比为1.0时正庚烷/氧气/氩气,以及正庚烷/乙醇/氧气/氩气低压层流预混火焰中主要成分的浓度.研究结果表明,添加乙醇改变了正庚烷向己烷裂解的路线,促进了庚烷直接裂解成丁烯基的趋向,但丁烷、戊烷都仍是正庚烷的主要裂解产物.添加乙醇,火焰中环已二烯、环戊二烯浓度增加,而且出现了乙烯醇、丁醇.研究结果可作为乙醇燃烧特性进一步研究的参考依据.     

正庚烷相变序列的高压拉曼光谱研究

在室温条件下, 利用金刚石对顶砧超高压实验技术, 对液态的正庚烷进行了原位高压拉曼光谱研究, 采用红宝石荧光压标测压, 实验的最高压力为20.78 GPa。实验中发现, 当压力达到1.2 GPa左右时, 原本透明的样品腔内有小晶粒形成, 此时测量的拉曼谱上发现有许多新的拉曼峰出现。因此, 我们判断正庚烷在此压力下发生了一次相变; 当压力增加到3 GPa左右时, 在92.42 cm-1和2913.6 cm-1处又出现了2个新的拉曼峰, 并且拉曼频移随压力变化的曲线出现拐点, 我们推测在此压力下正庚烷可能又发生第二次相变; 当压力高于14.5 GPa时, 正庚烷发生了第三次压致相变; 而当压力介于7.5~14.5 GPa之间正庚烷处于两相共存的状态。我们给出了液体正庚烷在高压下的相变序列为: 液相-旋转相Ⅲ-旋转相Ⅳ-结晶相。该研究结果为进一步理解和研究其他正烷烃在高压下的结构、物理和化学特性提供了理论基础。     

甲醇对正庚烷层流预混火焰影响的实验研究

利用低压层流预混火焰结合同步辐射真空紫外光电离技术和分子束取样质谱技术,探测到并计算了甲醇摩尔掺混比为0%、11%、28%和50%的甲醇/正庚烷/氧气/氩气火焰中62种燃烧中间产物和最终产物的摩尔分数.结果发现,甲醇的加入对正庚烷的消耗速率和大分子裂解没有影响,其主要作用表现在对C1和C2小分子摩尔分数的影响.甲醇的氧...     

燃料敏感性对内燃机部分预混燃烧(PPC)光谱特性的影响研究

在一台光学发动机上,利用火焰高速成像技术和自发光光谱分析法,研究了燃料敏感性(S)为0和6时对发动机缸内火焰发展和燃烧发光光谱的影响。试验过程中,通过改变喷油时刻 (SOI=-25,-15和-5°CA ATDC) 使燃烧模式从部分预混燃烧过渡到传统柴油燃烧模式。通过使用正庚烷、异辛烷、乙醇混合燃料来改变燃料敏感性。结果表明,在PPC模式下(-25°CA ATDC),火焰发展过程是从近壁面区域开始着火,而后向燃烧室中心发展,即存在类似火焰传播过程,同时在燃烧室下部未燃区域也形成新的着火自燃点。敏感性对燃烧相位影响较大,对缸内燃烧火焰发展历程影响较小;高敏感性燃料OH和CH带状光谱出现的时刻推迟,表明高敏感性燃料高温反应过程推迟,且光谱强度更低,表明碳烟辐射强度减弱。在PPC到CDC之间的过渡区域(-15°CA ATDC),燃烧火焰发光更亮,燃烧反应速率比-25°CA ATDC时刻的反应速率更快。高、低敏感性燃料对缸压放热率的影响规律与-25°CA ATDC相近,此时的燃烧反应更剧烈,放热率更高,碳烟出现时刻更早。该喷油时刻下的光谱强度高于PPC模式下的光谱强度,说明此时的CO氧化反应与碳烟辐射更强。在CDC模式下(-5°CA ATDC),由于使用的燃料活性较低,燃烧放热时刻过于推迟,放热量很小,缸内燃烧压力低,因此燃料敏感性对缸压和放热率的影响不明显,但从燃烧着火图像中可以看到高敏感性燃料的火焰出现时刻较低敏感性燃料推迟。低敏感性燃料的燃烧初期蓝色火焰首先出现在燃烧室中心,着火火焰出现时刻更早,之后蓝色火焰从中心向周围扩散,呈现火焰传播为主导的燃烧过程;燃烧后期,局部混合气过浓区导致亮黄色火焰面积逐渐增大并向周围扩散。高敏感性燃料的火焰发展趋势与低敏感性燃料类似,黄色火焰的亮度与面积更小。尽管高、低敏感性燃料的OH和CH带状光谱的出现时间相近,但高敏感性燃料的光谱强度仍更低。综合分析,火焰发展结构与自发光光谱特征主要受喷油时刻的影响,燃料的敏感性主要影响着火时刻和火焰自发光光谱强度,且高敏感性燃料的光谱强度更低。     

利用同步辐射研究正庚烷火焰燃烧特性

利用同步辐射单光子电离和分子束取样技术并结合飞行时间质谱仪,在低压、预混、燃油当量比为1.0情况下研究正庚烷层流火焰的燃烧特性.共检测出24种中间产物,并计算出其摩尔分数.在燃烧反应前期,主要中间产物是酮、醚类物质.在燃烧反应后期,主要中间产物是碳氢化合物,燃烧反应前期的中间产物在燃烧反应后期继续氧化.乙烯在所有中间产物中摩尔分数最大的.另外,火焰中丙炔与苯有极大的相关性.     

直接数值模拟浓度和温度分层下庚烷的点火

使用二维直接数值模拟方法研究HCCI发动机条件下浓度和温度不均匀性对庚烷点火过程的影响。计算中考虑了详细的组分输运过程、活塞运动带来的气体压缩效应以及简化的庚烷化学动力学机理。二维直接数值模拟展示了燃料的负温度系数(NTC)特性对点火过程的影响,结果表明浓度分层增加使得第二阶段点火延迟时间缩短;温度分层增加,点火延迟时间增加,与具有单一阶段点火特性的燃料相反。之后使用相同DNS程序计算了一维算例,发现初始温度在NTC以内,并且温度与浓度不相关时,浓度分层对点火过程起主导作用,浓度高温度较低的区域先着火;初始温度在NTC以外,并且温度与浓度负相关时,存在一个最容易着火的区域:浓度和温度都较高的地方先点火。     

可控热氛围下正庚烷液滴流燃烧火焰特性研究

基于超声雾化技术,通过配比不同载气流量和燃料流量制备了四种当量比的正庚烷液滴流,利用Spraytec喷雾粒度分析仪确定其粒径分布,并在可控热氛围下对其稳态火焰特性进行了研究,分析了液滴流贯穿高度、火焰起升高度、火焰高度、火焰宽度等参数的变化规律。结果表明:液滴流燃烧时总体呈淡蓝色预混火焰,但液滴流浓度增大、热氛围温度升高时会产生暗红色尾焰;液滴流贯穿高度、火焰起升高度和火焰宽度都随热氛围温度升高而减小,而火焰高度随热氛围温度先降低后升高,且在高温区随当量比增大而升高;燃料流量增大使液滴流贯穿高度和火焰起升高度降低,使火焰宽度变小;载气流量增大使液滴流贯穿高度减小,使火焰起升高度在高温区减小,在低温区增大。