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戊醇同分异构体燃料层流燃烧特性及化学反应动力学研究

李倩倩  
【摘要】:石油燃料供需矛盾的加剧和环境问题的日益恶化促进了新能源的研究。醇类燃料由于其在发动机上使用时有很多的优点而被广泛研究。目前醇类燃料中研究最多的是乙醇和丁醇,这两种燃料主要是作为辛烷值增强剂添加到汽油中在汽油机上使用。但是这两种燃料的热值都较低,而且乙醇更强的吸湿性导致添加乙醇的汽油运输和储存都非常的不便。戊醇是具有五个碳的醇类燃料,与丁醇相比热值更接近于常规燃料汽油和柴油,并且其在水中的溶解度更低,着火性能更好。已有的针对戊醇燃料在汽油机、柴油机以及HCCI发动机上的研究均表明戊醇燃料是一种很有前途的发动机代用燃料。目前关于戊醇燃料的研究还非常的缺乏,尤其是在基础层流燃烧方面。同分异构体燃料具有相似的物理性质却因为化学结构的不同导致燃烧特性有较大的区别。近几年来,研究人员先后对丙醇、丁醇以及辛烷等燃料展开了同分异构体的研究。但是丙醇和丁醇燃料碳链较短,同分异构体数量有限,而辛烷只具有碳氢结构的官能团,因此很难全面的展开对燃料的同分异构体的研究。戊醇燃料碳链长度较长,既有碳氢结构也有羟基官能团,具有八种同分异构体,非常适合进行同分异构体的研究。本文主要对六种戊醇同分异构体展开了两部分的研究,第一部分是层流燃烧特性研究*,第二部分是化学反应动力学的研究?。第一部分是利用定容燃烧弹和球形传播火焰理论分别测量了不同初始温度和初始压力下的六种戊醇同分异构体-空气混合气的层流燃烧速率,并结合纹影传播图片分析了火焰面的不稳定性。由于同分异构体结构的差异会导致层流燃烧速率的区别,因此本文根据化学结构的不同把六种戊醇同分异构体分成了两组进行对比分析。结果表明:对于不同的戊醇燃料同分异构体-空气混合气,层流燃烧速率随初始温度的升高而升高,随初始压力的升高而下降,并且均在当量比1.0和1.1之间取得最大值。六种戊醇同分异构体中,具有直链结构的1-戊醇-空气混合气的层流燃烧速率最大。其次是3-戊醇、2-戊醇、2-甲基-1-丁醇和3-甲基-1-丁醇四种燃料,这四种燃料均具有一个甲基(-CH3)或者羟基(-OH)官能团。2-甲基-2-丁醇具有包括甲基和羟基在内的两个官能团支链,燃料和空气混合气的层流燃烧速率最小。该研究表明同分异构体中,支链的个数越多,层流燃烧速率越小。甲基和羟基官能团作为支链时对燃料的层流燃烧速率的影响程度相似。不同戊醇同分异构体燃料-空气混合气的火焰面表现出相似的火焰不稳定性特征。本文研究的第二部分是开展了不同戊醇同分异构体燃料的化学反应机理研究。利用本研究中所获得的层流燃烧速率以及之前已经获得的其他实验数据,包括JSR、着火延迟期等,先后对已有的1-戊醇以及2-甲基-1-丁醇的机理进行修正,使修正后的机理可以更好的预测实验结果。同时,作者在MIT的研究中利用开放软件化学反应机理生成器(RMG)生成了1-戊醇的高温化学反应机理,包括热解机理和氧化机理。本研究后又利用根特大学热解实验台架测量了1-戊醇热解反应生成的多种物种的浓度变化。利用测得的层流燃烧速率及热解实验数据对RMG软件生成的1-戊醇的高温化学反应机理进行修正。利用修正以及新发展的机理,对不同1-戊醇的化学反应机理进行了对比研究,同时对不同戊醇同分异构体燃料的区别开展了进一步的分析:将已有的两个1-戊醇的氧化机理(NUI机理和Li机理)同发展的1-戊醇的高温化学反应机理(RMG机理)进行了对比,发现三个机理均可以很好地预测层流燃烧速率,但Li等人修正的机理预测着火延迟期时与实验结果仍存在较大偏差。RMG机理可以较好地预测高温下的着火延迟期以及新测量的热解实验结果,但当温度T850 K时,预测效果较差。对于层流预混火焰,不同的戊醇同分异构体均是最初通过脱氢反应将戊醇消耗掉,然后经过进一步的?键断裂分解成小分子。正丁烯主要生成于1-戊醇的火焰中,2-丁烯主要生成于2-甲基-1-丁醇的火焰中,异丁烯主要出现在3-甲基-1-丁醇的火焰中。丁烯分子浓度的差别充分体现了不同戊醇同分异构体化学结构和反应路径的不同。


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