甲烷-正十二烷双燃料高压着火特性研究开题报告

 2020-02-20 09:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

1、目的及意义(含国内外的研究现状分析)

1.1研究背景

随着世界经济的迅速发展,人口数量的不断增加,能源的消耗总量不断增长。石油作为一种重要的化石能源,自从被发现以来,就被给予了很高的期望。十九世纪石油工业兴起后,石油几乎推进了全球每个国家的工业革命和经济发展[1]。石油已经被人类开采使用数百年,由于其不可再生,储量有限,以及日益严格的排放标准,石油产品的价格一直居高不下。

石油作为目前世界上使用量最大、使用领域最广的能源,在各个行业所发挥的作用是其它能源无法取代的,但是由于石油基燃料(如柴油)中,含有大量的粉尘、硫和一些有害物质,要满足排放要求,就必须对燃料进行脱硫等相关处理,这会直接增加燃料成本[1-2]。尽管目前正在大力发展新能源如太阳能、地热能等,但由于技术不成熟、成本高等原因,仍旧无法在短期内取代石油在能源领域的地位。而天然气作为一种清洁能源,与石油相比,具有很多优势:天然气中的碳氢比较小,所以也可降低二氧化碳的排放;天然气的辛烷值为130远大于汽油的20~30,其抗爆性能要好于汽油,在发动机中可采用高压缩比来提高效率[4];天然气中几乎不含有硫、粉尘和一些有害物质,在燃用天然气的过程中,可以有效地控制SOx和粉尘的排放;天然气自燃温度为650℃,远高于柴油的自燃温度,所以天然气的安全性更佳,储运过程中不易自燃[5];同时天然气的储量丰富,并且价格低廉。但是天然气不容易被压燃,所以一般采用柴油微引燃天然气的双燃料发动机,不仅可以满足严格的排放标准,同时也能降低成本。

研究天然气-柴油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。在实际发动机中,燃料的着火过程一般发生在高压条件下,因此,研究双燃料发动机的燃料在高压条件下的着火特性,可以对双燃料发动机的燃烧控制策略有更全面的认识。天然气和柴油都是复杂的混合物,其中柴油的组分更是高达上千种,实际天然气-柴油的燃烧反应过程非常复杂,目前的计算机能力难以直接建立如此复杂的天然气-柴油化学动力学模型。因此,对天然气-柴油的化学动力学研究主要通过构建替代燃料来实现。甲烷是天然气的主要组分,正十二烷的物理和化学特性与柴油相似,被广泛用作柴油单组分替代燃料。综上所述,本研究选择甲烷-正十二烷作为天然气-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。

1.2国内外的研究现状

对于正十二烷的研究早在1976年,Kadota等人[6]就已研究了单个正十二烷液滴在静止空气中的着火延迟;而在1997年,Eigenbrod等人[7]使用静态系统观察到正十二烷和煤油滴的着火时间相似;2000年Segawa等人[8]发现,着火延迟时间与液滴的大小有关,着火延迟时间随初始正十二烷液滴直径的增大而单调增加;2005年,Holley等人[9]测量了非预混火焰条件下正十二烷/空气混合物在一个逆流设备中的着火温度和熄火拉伸率;2009年 Steinberg J等人[10]研究了高压下正庚烷、正癸烷、正十二烷、正十四烷的激波管着火时间,在温度范围为786~1396K,压力范围为9~58atm,当量比为0.25、0.5、1.0的条件下进行研究得到了C7和C7以上正构烷烃以及普通碳含量混合物的正构烷烃的着火时间受正构烷烃链长影响较小的结论;同样在2009年,斯坦福大学的S.S.Vasu等人[11]通过使用一个加热高压的激波管对正十二烷的氧化过程进行了研究,尤其是其着火延迟时间以及OH的浓度时程。得到了在高温情况下(超过1000K)着火延迟时间随温度的增加而缩短。而在低温条件,NTC(负温度系数)区域着火延迟时间的变化几乎是恒定的,或随温度降低而缩短。不同当量比下着火延迟时间存在着明显不同。当量比为0.5的着火延迟时间始终都比当量比为1的长。在正十二烷分解早期,OH的生成对H O2lt;=gt;O OH反应速率的影响最显著。国内2011年华晓筱等人[12]对正十二烷的高温燃烧机理进行了研究,发现小分子自由基与正十二烷不同位置的氢原子发生脱氢反应,产生六种十二烷基,这些烷基可以快速地发生异构反应,也可以进一步通过β-断裂反应,生成小分子的烯烃和烷基;通过敏感性分析方法,找出了对着火延时促进最大的反应H O2lt;=gt;O OH和抑制最大的反应C2H3 O2lt;=gt;CHO HCHO.对于甲烷的研究早在1979年,就有人对甲烷和乙烷混合物开展了着火特性实验[13],结果表明,在甲烷中添加乙烷,可使着火延迟时间明显缩短。在2003年,N.Lamoureux等人 [14]使用红外和紫外发射光谱在温度范围为1485~1900K、压力为0.3~1.3Mpa、当量比0.5~2、95%~99%氩气稀释条件下测量了反射激波后的天然气着火延迟时间,这推进了天然气着火特性的实验和模拟研究。在此之后,N.Lamoureux等人[15]和Joel M.Hall等人[16]又分别开展了甲烷-正丁烷混合燃料和天然气在高压下的着火延时研究。值得关注的是,在2012年Yingjia Zhang等人[17]使用激波管对甲烷-氢气混合燃料的着火特性进行了实验研究,其实验压力约为1.8MPa,温度为900~1750K,当量比0.5~2.0,将使用四种机理(USC Mech 2.0,GRI Mech 3.0,UBC Mech 2.1和NUI Galway Mech)模拟的着火延迟时间与实验数据进行了对比。结果表明,USC Mech 2.0的预测结果最为理想。同时对机理在不同温度下进行了敏感性分析,并得到结论:在高温下,着火延时对化学反应H O2lt;=gt;O OH敏感性最高,因此增加当量比会抑制甲烷/氢混合燃料的着火;在中低温下,甲烷-氢气混合燃料着火延时主要是由HO2和H2O2自由基控制。2016年HilalEl Merhubi 等人[18]研究了甲烷氧气氩气混合物在压力1~50bar,当量比0.2~3.0的条件下所进行的甲烷着火高压实验和数值模拟研究,是目前研究范围最广的一个实验。

目前仅有少量关于甲烷-正十二烷双燃料高压着火特性的模拟研究,实验研究尚未开展,缺乏深入的研究。所以本课题将进一步开展甲烷-正十二烷双燃料高压着火特性的模拟研究,这将有助于对甲烷-正十二烷双燃料机理的分析与优化,从燃烧的角度为发动机的优化提供参考,并对后续的新型燃烧方式、提高燃料热效率、减少污染物排放等提供重要的理论支持。

2. 研究的基本内容与方案

2、基本内容和技术方案

2.1基本内容

1.模拟结果分析:分析实验条件(混合比例、温度、压力、当量比)对甲烷-正十二烷双燃料高压着火特性的影响规律;进行化学动力学分析(敏感性分析等),对燃烧过程中的一系列基元反应进行研究,为天然气-柴油双燃料发动机的燃烧优化控制提供一定的理论支撑。

2.本课题研究的目标:揭示甲烷-正十二烷着火特性的变化规律;掌握着火特性模拟研究和化学动力学分析方法。

2.2技术方案:


3. 研究计划与安排

3、进度安排

第1-2周 完成外文翻译、文献综述和开题报告

第3-4周 学习CHEMKIN的使用方法

第5-6周 收集相关化学动力学机理并进行筛选

第7-11周 完成甲烷-正十二烷双燃料高压着火特性的模拟工作

第12-13周 完成大论文的撰写

第14周 完成小论文的撰写并投稿

第15周 修改提交论文

4. 参考文献(12篇以上)

4、参考文献

[1] 吴浩, 孟艳. 浅谈全球石油危机与能源战争. 化工管理, 2017. 08

[2] 张新春. 浅议船舶柴油机废气排放污染的控制策略[J]. 科技向导, 2014. 12: 191.

[3] 王兆省, 周广丰. 船舶柴油机NOx排放控制探析[J]. 科技创新. 2015. 3. 6: 49#8722;50.

[4] 吴诚. 高压缩比天然气发动机爆震研究. 湖南大学. 2017.05.19

[5] 蒋德明, 黄佐华.内燃机替代燃料燃烧学[M]西安交通大学出版社, 2006.

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