醇类/正庚烷二元混合燃料着火特性的实验研究与动力学分析

摘要

鉴于可从生物质中制取的醇类燃料对能源安全的重要性和对发动机有害排放的控制作用，本文使用快速压缩机试验系统对醇类/正庚烷二元混合燃料的着火特性进行了研究。本文首先对正丁醇/正庚烷混合燃料的着火特性进行了详细研究，结合混合燃料的详细化学反应动力学机理对其燃烧的化学反应过程进行了分析。其次对丁醇异构体/正庚烷混合燃料的着火延迟进行了研究对比，总结了丁醇异构体和正庚烷的相互作用以及醇类对混合燃料着火特性的影响规律；接着对小分子醇类/正庚烷和戊醇异构体/正庚烷的混合燃料的着火延迟进行了研究，全面了解了不同醇类对混合燃料着火的影响机理。最后通过对所有混合燃料着火延迟的综合比较，从醇类分子结构的角度解释了不同醇类对混合燃料影响能力不同的原因和规律。主要结论如下：
　　（1）对正丁醇/正庚烷混合燃料着火特性的研究发现，上止点压力对正丁醇/正庚烷混合燃料低温段的着火延迟影响不大，但是对中高温范围有一定的影响。在当量比1.5的条件下，不同正丁醇比例混合燃料的着火延迟在低温段较为接近；当量比0.4的混合燃料着火延迟变化规律和当量比1.0的混合燃料较为相似，但着火延迟略高。路径分析表明，正庚烷对正丁醇反应路径的影响主要表现在与HO2基团脱氢反应比例的减少以及烯烃和烯烃醇类等中间产物生成比例的增大。正丁醇对正庚烷的影响体现在过氧正庚烷基生成 QOOH基团比例的增大和单氧正庚烷基生成比例的减少。敏感度分析表明，对单一正丁醇燃料，促进着火的主导反应是γ位置的C-H键被OH基脱氢，而抑制着火的主导反应是α位置的C-H键被OH基脱氢；对于丁醇/正庚烷二元燃料，促进着火和抑制着火的主导反应明显增多，促进着火的反应中包括正庚烷的一些脱氢反应，而抑制着火的反应中包括了一些小分子的基元反应。
　　（2）对丁醇异构体/正庚烷混合燃料着火延迟的研究和对比发现，丁醇比例较低时，各混合燃料着火延迟在中温段呈交错状态。在低温段和高温段，异丁醇/正庚烷混合燃料的着火延迟最大，叔丁醇/正庚烷混合燃料的着火延迟最小。此时混合燃料的着火受正庚烷的影响较大。随着醇类比例的增大，2-丁醇和叔丁醇/混合燃料的着火延迟大幅增大，混合燃料的中温段分离并出现了不同的变化规律。在70％醇类比例的条件下，2-丁醇/正庚烷的着火延迟最大，正丁醇/正庚烷混合燃料的着火延迟最小。此时丁醇异构体本身产生活性基的能力对混合燃料影响较大。
　　（3）对乙醇/正庚烷和丙醇/正庚烷混合燃料着火延迟的研究和对比发现，醇类比例较低时，乙醇/正庚烷混合燃料的着火延迟略大，2-丙醇/正庚烷混合燃料的着火延迟最低。随着醇类比例的增大，各混合燃料的着火延迟更加接近。醇类比例达70%时，仍是乙醇/正庚烷的着火延迟略大。对戊醇异构体/正庚烷的研究发现，在40%戊醇比例条件下，3-戊醇/正庚烷的着火延迟最大而正戊醇/正庚烷的着火延迟最小。
　　（4）本文研究中的所有醇类/正庚烷混合燃料可按其变化规律将着火延迟分为低温段，中温段和高温段。低温段和高温段的着火延迟随压缩温度的升高而降低，低温段的降低幅度更大。中温段的着火延迟变化比较复杂。随着醇类比例的增大，混合燃料的着火延迟明显增大，混合燃料的低温可燃极限逐渐升高，低温段的范围逐渐减小。中温段出现着火延迟随压缩温度升高而增大的现象。混合燃料中的醇类都出现和正庚烷相对应的两阶段燃烧现象。随着压缩温度的升高，混合燃料在第一阶段的着火延迟明显缩短，醇类消耗量减少，H2O2的生成量减少，但OH基的生成量增加。醇类比例的增大使混合燃料的两阶段着火延迟都有所增大，但不同醇类对混合燃料两阶段着火的影响能力不同。
　　（5）在混合燃料中，醇类抢夺活性基的能力以及醇类燃料自身产生活性基的能力对混合燃料的着火都有重要影响。醇类比例较低时，正庚烷可提供大量活性基，各混合燃料着火延迟比较接近，且在中温段交错，低温段和高温段的差异性受醇类燃料抢夺活性基与产生活性基能力的共同影响。混合燃料着火的第一阶段受醇类抢夺活性基能力的影响较大。醇类比例较高时，混合燃料着火延迟受醇类自身产生活性基能力的影响较大。
　　（6）碳链长度的变化对直链伯醇的影响大于对直链仲醇的影响。碳链长度的增长同时增加了醇类抢夺活性基和产生活性基的能力，对仲醇类产生活性基能力的影响小于对伯醇类的影响。羟基位置的改变对丙醇异构体抢夺活性基能力的影响较大，对丁醇和戊醇异构体产生活性基能力的影响较大。支链结构增强了醇类分子的稳定性，对醇类抢夺活性基能力增强程度很小，甚至可以较大的削弱醇类抢夺活性基的能力。

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第一章 绪论

1.1背景

1.2新型燃烧模式

1.3醇类燃料

1.4醇类混合燃料研究趋势和存在的问题

1.5本文研究的内容和意义

第二章 试验系统与仿真模型构建

2.1前言

2.2快压机试验系统

2.3快压机着火特性参数

2.4仿真模型构建

2.5本章小结

第三章 正丁醇/正庚烷混合燃料着火特性的研究

3.1前言

3.2试验方法和模型构建

3.3正庚烷着火特性分析

3.4正丁醇/正庚烷混合燃料试验结果与分析

3.5正丁醇/正庚烷混合燃料着火过程的化学反应动力学分析

3.6本章小结

第四章 丁醇异构体/正庚烷混合燃料的着火特性研究

4.1前言

4.2试验系统和模拟方法

4.3丁醇异构体/正庚烷混合燃料的着火延迟

4.4丁醇异构体/正庚烷混合燃料着火的化学反应动力学分析

4.5本章小结

第五章 其它醇类与正庚烷混合燃料的着火特性

5.1前言

5.2试验系统和方法

5.3乙醇/正庚烷混合燃料的着火特性

5.4丙醇异构体/正庚烷混合燃料的着火特性

5.5戊醇异构体/正庚烷混合燃料的着火特性

5.6本章小结

第六章 不同醇类对混合燃料影响能力的综合比较

6.1前言

6.2醇类碳链长度变化对混合燃料的影响

6.3醇类羟基位置变化对混合燃料的影响

6.4醇类支链结构对混合燃料的影响

6.5本章小结

第七章 全文总结和工作展望

7.1全文总结

7.2工作展望

参考文献

创新点说明

符号与缩写

博士学位期间已发表和录用的论文

参加科研项目和获得的奖励

致谢

附录A

附录B