摘 要

天然气被认为是最有潜力的清洁替代燃料得到了广泛的研究关注，其主要成份甲烷有一些不利的燃烧性能，如点火滞燃期长，火焰传播速度低等。当氢气和二甲醚作为燃料添加剂添加到天然气中时，两者优良的物化特性能有效降低甲烷点火滞燃期，促进燃烧。本文运用CHEMKIN建立封闭均相反应模型和气体火焰燃烧速度模型，分别研究了CH₄/H₂/空气和CH₄/DME/空气混合物在不同燃料混合比、当量比、初始温度和压力下的着火滞燃期和层流燃烧速度。结果表明，氢气和二甲醚的添加都缩短了甲烷的点火滞燃期，增大了层流燃烧速度，改善了燃烧性能。CH₄/H₂/空气的着火滞燃期与H₂混合比几乎是对数线性变化，层流燃烧速度在H₂混合比大于40%以后显著增加，而H₂混合比低于40%时是甲烷占主导的燃烧区，层流燃烧速度随H₂混合比的增加非常缓慢。CH₄/DME/空气的着火滞燃期与DME混合比呈现非线性变化，在低DME混合比（0 ≤ c ≤ 0.2）时，通过DME添加可以大大降低着火滞燃期，在高DME混合比（0.4 ≤ c ≤ 1）时，DME混合的进一步增加对着火滞燃期的减少几乎没有影响，而层流燃烧速度随DME混合比的增加几乎线性增长。

通过本文的研究，能够清晰地了解氢气和二甲醚掺混对甲烷基础燃烧特性的影响，这对于天然气内燃机的发展具有重要的意义。

关键词：甲烷/氢气；甲烷/二甲醚；滞燃期；层流燃烧速度；CHEMKIN

Abstract

Natural gas is considered as the most potential clean alternative fuels, but its main ingredients-methane have some adverse combustion performance, such as the long ignition delay time, the slow flame propagation speed. When hydrogen and dimethyl ether are added to natural gas as fuel additives, the both excellent physicochemical characteristics can effectively reduce the ignition delay time of methane and promote the combustion. This article use CHEMKIN to establish a closed homogeneous reaction model and a Gas flame combustion velocity model, respectively studied CH₄/H₂/air and CH₄/DME/air mixture in different fuel mixing ratio, equivalent ratio, initial temperature and pressure of ignition delay time and the laminar burning velocity. The results showed that the addition of hydrogen and dimethyl ether both reduced the ignition delay time of methane, increased the rate of laminar combustion and improved combustion performance.CH₄/H₂/air ignition delay period mixed with H₂ ratio is almost linear change, laminar burning velocity increased significantly after H₂ mixing ratio is more than 40%, and when the H₂ mixture ratio is below 40% ,the combustion zone is dominated by methane, the laminar burning velocity with the increase of H₂ mixing ratio is very slow. CH₄/DME/air ignition delay period and DME/air mixing ratio present nonlinear variation, at the low DME mixing ratio（0 ≤ c ≤ 0.2） , adding DME can greatly reduce the ignition delay period, at the high DME mixing ratio（0.4 ≤ c ≤ 1） , the adding of DME almost has no impact on the reducing of ignition delay period, but the laminar burning velocity is almost linearly increased with the increase of the DME mixing ratio.

Through the study of this article, we had a clear understanding for the effect of hydrogen and dimethyl ether on the combustion characteristic of methane, it has important significance for the development of the natural gas internal-combustion engine.

Key Words：Methane/hydrogen; Methane/DME; Ignition delay time; Laminar combustion rate; CHEMKIN

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 常用替代燃料的介绍 2

1.2.1 天然气 2

1.2.2 氢气 3

1.2.3 二甲醚 5

1.2.4 天然气/氢气和天然气/二甲醚二元混合燃料的优势 6

1.3 本课题的研究现状 6

1.4 本课题主要研究内容和意义 8

1.4.1 主要研究内容 8

1.4.2 主要研究意义 9

1.5 主要章节概览 9

第2章 数值模型和化学机理 10

2.1 模拟软件CHEMKIN的介绍 10

2.2 建立燃烧数值模型 10

2.2.1 建立封闭均相反应模型 11

2.2.2 建立气体火焰燃烧速度模型 12

2.3 化学反应机理的选取 12

2.4 本章小结 13

第3章 对甲烷滞燃期的影响 14

3.1 燃料混合比 14

3.2 当量比 16

3.3 初始温度 17

3.4 初始压力 18

3.5 本章小结 19

第4章 对甲烷层流燃烧速度的影响 20

4.1 燃料混合比 20

4.2 当量比 21

4.3 初始温度 22

4.4 初始压力 23

4.5 本章小结 24

第5章 结论与展望 25

5.1 结论 25

5.1.1 对甲烷滞燃期的影响 25

5.1.2 对甲烷层流燃烧速度的影响 25

5.2 展望 26

参考文献 27

致 谢 30

第1章 绪论

1.1 研究背景

随着经济的急速发展，能源短缺和环境污染等一系列相关问题也日益突出，如何解决这些问题已经成为当今世界研究关注的热点。对于我国这样一个经济发展状况目前处于中高速的国家来说，解决能源短缺，使经济发展与环境保护相协调是我国可持续发展的重中之重。

汽车及内燃机的发展与这两大问题有着很大关联，他们的应用过程中不仅大量耗费化石燃料，同时还会产生大量毒害气体威胁环境。内燃机从发明至今便与人类的生活息息相关，在工业、农业、交通运输和国防建设事业中都有广泛的应用，已经是社会发展中至关重要的一部分。我国的汽车保有量逐年上升，产量的年增长率已达13%以上。从公安部交通局公布的资料得知，到2014年9月为止，我国汽车保有量达到1.3亿辆，产销量更是连续6年位列全球第一。石油是一种不可再生的矿产资源，也是生产汽油和柴油的原料，而现目前大部分汽车基本上是使用汽油和柴油作为主要燃料，所以对石油资源的需求也就随着汽车工业的发展而不断增加。1993年之后，我国的石油产量已不能满足国内的消耗，开始向国外进口，2014年我国石油进口量超过了3亿吨，石油资源的对外依存度达到59.6%。根据美国能源部等国际能源机构的预测，在2010至2025年期间全球的石油产量将会达到最大值，如果化石燃料依照当前的消耗速度，不久的将来我们就会面临能源枯竭的危机。《2007中国能源发展报告》中指出，能源在增进社会安定和谐、保障国民经济稳定增长和提升人民生产生活水平等方面起着至关重要的作用，但是由于化石能源属于不可再生资源，过分依赖传统的化石能源也限制了经济的发展。因此，提高能源利用效率和开发清洁的新能源已成为当今能源经济方面研究关注的重要课题^[1]。
同时过度使用化石燃料对我们生存的环境造成巨大影响，在大气污染中内燃机排放的有害气体约占工业废气的50%左右。氮氧化物（NO_x），一氧化碳（CO），未燃碳氢（HC）以及碳烟（PM）是这些有害气体主要成分，对人体和动植物危害严重，汽车污染排放已经成为空气污染的最大威胁，引起了各个国家及其政府的高度重视。为了有效降低汽车排放的污染物和有害气体对生存环境的影响，很多国家都制订了严格的排放法规，督促相关部门从源头控制污染物排放，我国对汽车排气污染物排放的管理也越来越受政府及人民群众的重视，1987年颁布了《中华人民共和国大气污染防治法》，同时对汽车排气污染物排放标准也在不断升级，对汽车尾气污染物排放的控制己经进入了法治轨道，有效控制了汽车排气污染物对环境的污染。现在我国采用的是欧洲体系的排放标准，在2000年的时候开始实行欧Ⅰ排放标准，2003年实施了欧Ⅱ排放标准，2008年达到欧洲Ⅲ排放标准，2014年达到欧洲Ⅳ排放标准。尽管如此，汽车排气污染物对环境和人类的危害仍然严重，环境问题依旧是制约着经济发展可持续性增长的一大难题。

能源短缺和环境污染的日益严峻，汽车排放法规也越来越严格，寻求清洁的内燃机替代燃料得到了广泛的研究关注，这对解决能源危机，治理大气污染，提高社会经济效益都有非常重要的现实意义^[2]。