低碳燃料自燃特性的激波管实验研究

摘要

随着能源危机加重和环境恶化，为了提高发动机的热效率、降低有害气体排放，清洁燃料越来越受到人们的关注，包括液化石油气、天然气、甲醇等低碳燃料。深入理解和研究这些低碳燃料的自燃特性，对于化学反应动力学简化机理的验证和提高发动机的燃烧效率具有重要意义，为一项较为基础的燃烧研究。 本文利用激波管实验平台，在不同温度、压力、燃空当量比下，测定了液化石油气、天然气和甲醇三种低碳燃料的着火延时，着重了进行对比研究。主要完成了以下工作： 测量了液化石油气混合物着火延时。实验温度范围1263~1795K，当量比=0.5、1、2，压力为1.2和3atm，氩气稀释比93％。实验表明：固定当量比下，随着温度及压力的升高，着火延时缩短；随点火温度的升高，不同压力之间的实验数据会有交叉，说明点火活化能随压力的增加而增大。在压力和温度一定时，受到反应启动和点火活化能的影响，着火延时随着当量比的增加而增大。不同当量比下，液化石油气着火延时数据拟合线趋于平行，说明点火活化能受当量比影响较小。该着火延时满足Arrhenius关系式，并通过多元回归分析得到了着火延时随温度、压力、当量比和燃料浓度变化的关系式。 在温度1300~1666K，当量比=0.5、1、2，压力分别为1.2和3atm，用氮气稀释的实验条件下，测量了卡塔尔天然气混合物的着火延时，实验表明：天然气着火延时随温度和压力的增大而缩短，并随当量比的增加而增大。并将实验数据与四种常用天然气机理进行对比，与LLNLC1-C4机理吻合，利用该机理对含有不同甲烷含量的澳大利亚和长庆油田天然气进行了模拟对比分析。分析表明：甲烷含量越高，着火延时越长。温度较高时，差距不明显，随着温度的降低，甲烷含量最高的长庆油田天然气着火延时增加幅度远大于另外两种天然气。同时通过模拟计算可得，三类天然气的着火延时随点火活化能和辛烷值的减小而缩短，在发动机缸内较高的温度和压力下，着火延时较短的高辛烷值燃料，更容易出现火花点火之前的异常自燃现象。 在实验温度1063~1366K，当量比=0.5、1、2，压力分别为3、4和5atm，氮气稀释的条件下，测量了甲醇的着火延时。随当量比的增加，甲醇分子碰撞增多，着火延时缩短。并对比分析了液化石油气、卡塔尔天然气和甲醇三类燃料着火延时在不同当量比下产生不同的变化以及原因。高于1580K时，两类气态燃料着火延时普遍长于甲醇，但随温度的增加，甲醇的着火延时实现了反超。由于天然气含有甲烷的缘故，天然气着火延时普遍长于液化石油气。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 能源、环境、安全

1.1.2 研究燃料自燃特性的意义

1.2 低碳燃料

1.2.1 液化石油气

1.2.2 天然气

1.2.3 甲醇

1.3 研究着火延时的试验手段

1.3.1 快速压缩机

1.3.2 定容燃烧弹

1.3.3 激波管

1.4 CHEMKIN软件介绍

1.5 国内外研究现状

1.5.1 国外研究现状

1.5.2 国内研究现状

1.6 本文研究内容

2 激波管实验结构及激波原理

2.1 引言

2.2 激波管结构

2.2.1 管体结构

2.2.2 夹膜机构

2.2.3 配气系统

2.2.4 真空泵组及管路

2.2.5 测量系统

2.3 理想激波管内参数计算

2.3.1 理想状态激波关系式

2.3.2 低压段预混合气参数计算

2.3.3 缝合接触面运行条件

2.4 着火延时及激波衰减

2.4.1 着火延时定义

2.4.2 着火延时参数拟合

2.4.3 激波衰减

2.5 实验误差分析

2.6 本章小结

3 液化石油气着火延时实验及分析

3.1 引言

3.2 稀释气体

3.3 变截面激波管

3.4 激波管可靠性验证

3.5 液化石油气着火延时实验及分析

3.5.1 实验结果分析

3.5.2 液化石油气着火延时参数拟合

3.6 本章小结

4 天然气着火延时实验及分析

4.1 引言

4.2 天然气着火延时实验及分析

4.2.1 卡塔尔天然气着火延时分析

4.2.2 卡塔尔天然气着火延时数据拟合

4.3 不同种类天然气着火延时模拟对比

4.3.1 实验数据与机理数据对比分析

4.3.2 不同种类天然气模拟分析

4.4 不同辛烷值天然气自燃特性分析

4.5 不同压力下天然气自燃特性分析

4.6 液化石油气、天然气和甲醇自燃特性对比分析

4.6.1 甲醇着火延时实验及分析

4.6.2 液化石油气、天然气和甲醇自燃特性对比分析

4.7 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

大连理工大学学位论文版权使用授权书