链烷烃燃料主要反应特征及影响参数分析

发布时间：2020-11-05 14:32

　　 链烷烃经常作为汽油的重要组分和中间产物而被广泛研究。随着石油工业的演变和新型燃烧模式的发展,深入理解链烷烃的化学反应机理,掌握其着火特性和影响参数,有助于实现燃烧过程的控制,为优化实际发动机性能提供理论依据。本文利用CHEMKIN-PRO软件基于定容燃烧弹试验平台的基本参数,建立封闭均质反应器模型,分别引入正庚烷、正戊烷及异辛烷化学反应机理,对链烷烃着火的主要反应特征及着火特性展开研究。主要研究内容包括:第一部分,利用定容燃烧弹中正庚烷着火试验数据完成对仿真模型的可靠性验证;单因素研究不同温度、压力及当量比下链烷烃OH敏感性,根据敏感性分析确定链烷烃主要组分及反应类型,阐述不同条件下正庚烷着火温度变化不敏感的原因,结果表明:(1)链烷烃着火延时对温度变化非常敏感,低温促进着火的主要反应类型有R16、链烷烃脱氢、过氧烷基异构化、过氧化氢酮分解等;中温促进着火的反应在低温反应基础上增加了生成过氧化氢酮的反应,该温度发生大量β裂解反应引起负温度系数现象;高温R1、R16及烷基裂解成小分子间的反应成为促进着火的主要反应类型。(2)初始压力及当量比对链烷烃着火延时的影响远不如温度显著,基本不改变各反应类型,但可以改变各反应速率。初始压力越大,各反应敏感性系数绝对值越大,促进/抑制着火程度加深;当量比越大,着火延时越短。(3)正庚烷在不同条件下多样的反应路径、相同反应路径下多种同类型的反应及非常低的能量壁垒使得正庚烷着火温度随外界条件变化不敏感。(4)异辛烷脱氢生成的CC8H17的着火敏感性不同于A-、B-、D-辛烷基,低温阶段其脱氢、过氧烷基异构化都变成抑制着火的反应。这是由于CC8H17与其他三种辛烷基结构不同才产生这种特异性。第二部分,根据敏感性分析确定链烷烃主要组分及反应类型,通过对各组分进行产率分析,在不同温度下构建链烷烃详细的化学反应路径,明确燃料的氧化历程,结果表明:(1)初始温度900K时正庚烷/正戊烷主要反应路径包括低温反应和中温多组β裂解反应,其中生成过氧化氢酮反应及其分解反应是低温最重要的两个反应,生成大量OH并引发链分支反应,标志着正庚烷/正戊烷发生着火;中温阶段多组β裂解反应包括:过氧烷基裂解生成共轭烯烃+HO2,过氧羟烷基裂解生成醛类+烯烃+OH或生成环醚+OH,β裂解反应是链传播反应,与低温链分支反应竞争中间物质,导致着火延时延长;高温1250K时正庚烷/正戊烷低、中温反应路径受到强烈抑制,脱氢后的烷基直接裂解成小分子的烷基和烯烃。(2)初始温度725K时异辛烷A-、C-、D-辛烷基大部分发生低温反应,CC8H17只有17.58%进行低温反应,其余全部发生裂解反应;初始温度900K时4.1%异辛烷直接高温裂解,B-、D-辛烷基进行极少的低温反应,A-辛烷基只发生中温β裂解及高温裂解反应,C-辛烷基全部发生高温裂解反应;高温1250K异辛烷直接裂解反应占比增至25.6%,A-、D-辛烷基发生β裂解及高温裂解反应,B-辛烷基全部发生β裂解反应,而C-辛烷基仍全部发生高温裂解。相同条件下CC8H17反应类型确实不同于其他三种辛烷基。第三部分,研究链烷烃的着火特性,首先利用方差分析法找出温度、压力及当量比对着火延时的影响权重;其次分析上述参数对着火延时及燃烧温度的影响;最后从碳链差异角度解释产生不同着火延时的原因,结果表明:(1)温度对着火延时影响权重远远超过压力及当量比,链烷烃着火延时可划分为低、中、高温三个阶段。在低、高温阶段着火延时随着温度升高而缩短,中温阶段着火延时随温度升高反而延长,出现负温度系数现象;链烷烃着火延时随初始压力及当量比的增大而缩短。(2)反应器最高燃烧温度随初始温度升高而升高,但与初始压力无关。当量比为1时燃烧温度最高,浓混合气(当量比为1.5)的最高燃烧温度高于稀混合气(当量比为0.5)。(3)异辛烷脱氢反应速率与其氢原子连接的碳原子类型以及碳原子位置(a、d)有关。异辛烷C-H键键能:a位伯碳d位伯碳仲碳叔碳,其脱氢产物稳定性AC8H17DC8H17BC8H17CC8H17,CC8H17低稳定性导致化学反应路径不同于其他三种辛烷基,易发生裂解反应。低温时CC8H17无需进行较长的低温反应路径而直接裂解导致低温反应速率最大。(4)链烷烃着火延时始终为:异辛烷正戊烷正庚烷,低温阶段过氧烷基生成过氧羟烷基的异构化反应和过氧化氢基生成过氧化氢酮反应中出现的过渡环形成及氢原子转移,是导致链烷烃着火特性存在差异的重要原因。异辛烷着火延时最长,是由于其伯碳数量最多,难以发生脱氢及过渡环中氢原子的转移,支链结构不仅在形成过渡环时会增大环应力,而且空间位阻大,降低了O·捕获目标H·的概率;正庚烷/正戊烷碳原子数越多,碳原子间链连接越脆弱,着火延时越短。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK401
【部分图文】：

工况十分受限，因受到化学反应动力学影响，在大负荷下，燃小负荷下，缸内燃烧不充分，易产生未完全燃烧产物和较多的能均会恶化，同时还会造成冷启动困难[14]。（c）均质/准均质压 NOx 和 PM 排放，但是采用更稀的混合气和高 EGR 率，会使分不均匀，不可避免的产生焠熄和狭缝效应，导致 CO 和 HC征燃料的组成燃料中存在的碳氢化合物主要是来自于石油蒸馏炼制出的汽油理化特性相近的单组分燃料。其中，汽油主要是由 C4~C10烃类 等人[15]对汽油替代燃料相关物质组分展开研究，得出汽油中各 1.1 所示。具体包括链烷烃（n,i-Paraffins）、环烷烃（Naph芳香烃（Aromatics）等。在生产加工过程中为了满足一些严格、挥发性及稳定性等参数要求，使得其原油来源、炼制工艺及致了在市场上汽油的组分存在很大的差异。

被认为是汽油的替代燃料，其燃烧的方向，对化石燃料的利用及环境保护都存在着表性的燃料当属正庚烷和异辛烷，正庚烷和异辛量研究结果表明[18,19]，两者混合作为基础燃料能在汽油中的含量不到 1%，但其作为基础燃料（进行试验和模拟研究，在基础燃料中正庚烷的辛为 100，由于两者辛烷值的特点，基础燃料是目烷与柴油的十六烷值很接近[20]，经常被用作柴油应中容易发生 C-C 链断裂及β裂解反应[21]，异辛基结构，除了常规的脱氢反应，更容易发生脱甲显著的代表性。的在常温常压下以液态形式存在的直链烷烃也是物氧化过程的中间产物。由于这些原因，许多学.2、1.3、1.4 分别为正庚烷、正戊烷及异辛烷的分

图 1.3 正戊烷分子结构模型图 1.4 异辛烷分子结构模型外研究现状的研究主要包括试验和模拟研究。试，只能得到表面的一般性规律和现象燃烧过程的本质。为了弥补试验研究机理角度来阐述产生这些结果的原因展开了激烈的研究。
【参考文献】

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本文编号：2871772