甲烷-正庚烷船机双燃料着火特性分析开题报告
2020-02-18 08:02
1. 研究目的与意义（文献综述）
随着国际贸易的发展，船舶航运在经济发展中发挥着越来越重要的作用。在驱动经济发展的同时，自身也面临着能源与环境的问题。地球上化石燃料储存量有限，而能源需求量却在逐年增加，资源面临着枯竭的危险。与此同时，环境污染日趋严重，极大地制约了经济的发展，影响人们的身体健康，甚至危及到人类的生存。船舶对环境所造成的污染主要来自柴油机排放造成的大气污染[1]。天然气具有燃烧清洁、辛烷值高、资源丰富及价格低廉等优点，可作为发动机燃烧的理想替代燃料[2]。在目前燃油价格高涨以及对排放控制日益严格的情况下，双燃料发动机越来越受到市场的青睐[3]。在实际条件下，柴油发动机的试验成本较高，可以采用模拟研究的方法替代发动机试验，通过筛选合适的试验机理作为研究模型可以有效得到发动机在实际工况下的相关参数。柴油是一种包含200多种组分的混合物[4]，燃烧反应极其复杂，直接建立柴油化学动力学模型工作量巨大，所以需要寻找合适的柴油替代，燃料进行研究。正庚烷作为一种经典的高碳烷烃，由于其十六烷值与柴油十分接近，基础燃烧特性与柴油相似，是最为常用的柴油替代燃料之一，而天然气的主要成分是甲烷。因此，用甲烷-正庚烷代替天然气-柴油研究双燃料的着火特性对深入理解双燃料发动机缸内着火过程、优化双燃料发动机缸内燃烧具有重要意义。
关于甲烷和正庚烷的化学动力学机理，国内外也开展了一些研究．甲烷是正庚烷等碳氢燃料燃烧过程中涉及到的组分之一，一个全面的正庚烷化学动力学机理也包括描述甲烷燃烧的化学动力学子机理，可以使用正庚烷的化学动力学机理对甲烷-正庚烷混合物的燃烧过程进行数值模拟。事实上，在关于甲烷燃烧的模拟研究中[5][6]，使用的动力学机理包括 grimech3.0 机理[7]和 usc-ii 机理[8]等，这些机理均是复合机理，不局限于甲烷燃烧的模拟。例如，2007 年，wang 等[8]提出的 usc-ii 机理可用于 h2/co/c1- c4 碳氢化合物燃烧过程的数值模拟。对于上述提到的动力学机理，其聚焦于低碳原子组分(碳原子数不高于 4)的燃烧过程，而对于正庚烷这种碳原子数较高的组分，这些机理还不能模拟其燃烧过程。对于正庚烷，curran[9]等和hakka[10]等都提出了描述其燃烧过程的详细化学动力学机理方案。
在国内的在发动机试验中发现，天然气的加入推迟了柴油的着火[11]-[13]，文献[14]指出，正是天然气差的着火特性导致了高的未燃碳氢和一氧化碳排放。对于天然气柴油双燃料燃烧中出现的着火推迟现象，文献中出现了3 种解释：①进气道进入的天然气降低了氧分压[14]；②缸内混合气定容热容增加[11]；③动力学反应的影响[15]。文献[15]指出庚基和羟基对于甲烷正庚烷 着火起着重要作用，但未做进一步分析。目前随着燃料燃烧详细反应机理的不断发展，有些研究者已经从反应动力学角度解释其他高辛烷值燃料对正庚烷着火的抑制现象。
2. 研究的基本内容与方案
2.1研究内容
本研究选择甲烷-正庚烷作为天然气-柴油双燃料的替代燃料，主要分析其在高压条件下的着火特性。利用燃烧过程中化学动力学软件chemkin模拟研究高压下甲烷-正庚烷双燃料在不同初始条件（初始温度、当量比）下着火延迟时间的变化规律。
2.2研究目标
本文主要选择甲烷-正庚烷作为天然气-柴油双燃料的替代燃料，主要研究其在高压条件下的着火特性，运用chemkin模拟研究高压下甲烷-正庚烷双燃料在不同初始条件（初始温度、当量比）下着火延迟时间的变化规律，通过敏感性分析和反应路径分析研究不同初始条件下甲烷-正庚烷着火特性变化的化学动力学原因，从而为柴油-天然气双燃料发动机的燃烧分析提供理论指导。
2.3技术方案及措施
技术路线如图1所示，详细情况如下：
3. 研究计划与安排
（1）英文翻译、文献阅读报告及开题报告；（第1周―第3周）
（2）查找并阅读文献，总结归纳了解甲烷-正庚烷着火特性的国内外研究现状，并搜索相关化学动力学机理；（第4周―第5周）
（3） 学习chemkin的使用方法，完成甲烷-正庚烷着火特性的模拟工作，总结不同初始条件下甲烷-正庚烷着火特性的变化规律； （第6周—第9周）
4. 参考文献（12篇以上）
[1] 船舶柴油机no_x排放控制探析[j]. 王兆省 ,周广丰. 科技创新与应用. 2015(36)
[2] liu h f,wang x， zheng z q，et al. experimental and simulation investigation of the combustion characteristicsand emissions using n-butanol/biodiesel dual-fuel injection on a diesel engine [j]. energy，2014，74：741-752.
[3] 双燃料发动机的工作原理及排放控制[j]. 李斌. 世界海运. 2012(05)
