汽油替代混合物组分比例确定及化学动力学模型研究

摘要

以均质充量压燃着火燃烧(Homogeneous Charge Compression Ignition, HCCI)为代表的高效清洁燃烧方式成为国内外研究热点。汽油燃料用于HCCI燃烧数值模拟研究,需选用某些典型组分代替一族烃类来组成汽油替代混合物。本文将分别以包含三种组分的和四种组分的汽油替代混合物为对象进行化学反应动力学研究。
　　首先,针对包含正庚烷、异辛烷和甲苯三种组分的混合物甲苯掺比燃料(Toluene Reference Fuel,TRF)的组分比例确定问题进行研究。以汽油燃料抗爆性能的表征参数,研究法辛烷值(Research Octane Number,RON)和马达法辛烷值(Motor Octane Number,MON)为汽油燃料匹配目标,运用响应曲面法建立更为准确的TRF辛烷值与组分构成比例关系模型,得到的三阶模型在预测TRF辛烷值和确定TRF构成比例都有可靠的准确性。
　　与此同时,提出新的TRF简化化学动力学机理模型(包含71种组分,196个基元反应),通过对激波管着火延迟时间和HCCI发动机实验缸压、放热率、中间产物光学实验等进行验证,表明构建的TRF简化机理在HCCI燃烧预测的合理性。将此TRF简化机理模型与提出的TRF组分比例确定模型结合,应用于真实汽油的燃烧模拟,较好地模拟了真实汽油燃料激波管条件下着火延迟时间和HCCI发动机中自燃着火的燃烧过程。通过对组分比例确定模型的分析,得到在汽油替代物约束条件中,准确的辛烷值与对应组分比例的关系是必须考虑的匹配目标。使用本文改进的响应曲面方法能将汽油替代物组分的确定方法扩展用于更多的组分的燃料替代物的研究当中。
　　另一方面,由于汽油炼制中催化裂化技术的使用,烯烃在我国汽油中含量较高,是必须考虑的一族烃类。因此本文选用二异丁烯作为烯烃的代表组分,加入TRF中组成TRF/二异丁烯四元燃料。针对HCCI高压低温的使用工况,构建新的TRF/二异丁烯化学反应动力学机理,包含931个组分数,3949个反应数。
　　对四元燃料在10bar、30bar和50bar高压下和三元燃料TRF在不同压力下进行了激波管着火延迟时间的验证,在HCCI发动机实验条件下对燃烧过程也有较好模拟,表明此机理适用于高压低温的工况,可以用于汽油HCCI燃烧模拟。利用化学动力学计算软件分析四元汽油替代混合物机理模型燃烧过程中基元反应速率和重要中间产物,得出燃料整个燃烧过程的反应路径。表明二异丁烯中包含的两个共轭烯烃反应路径差别很大,烯烃在初始阶段出现的链分支反应生成了碳数较少的基团,是烯烃促进燃料整体反应性的根本原因。不同的燃料在低温大分子反应阶段路径各异,而在高温阶段有共同的小碳分子反应路径。