甲烷-T425混合燃料的着火特性研究

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研究天然气-柴油双燃料的着火特性对深入理解双燃料着火过程、优化双燃料发动机缸内燃烧具有重要意义。本文分别选取甲烷和T425(摩尔比分别为57.5%、42.5%的正庚烷、甲苯混合物,简称T425)作为天然气和柴油的替代燃料,基于激波管试验平台对甲烷-T425混合燃料在初始温度为11501550 K、初始压力为1.03.0 MPa、当量比为0.52.0以及甲烷掺混比例为0100%条件下的着火特性进行了试验研究,并基于CHEMKIN PRO软件和MEHL机理,对高温下甲烷-T425混合燃料的着火过程进行了相关化学动力学分析和反应路径分析。此外,本文还开展了中低温条件下混合物着火过程的模拟研究,探索了其在中低温下的NTC(Negative Temperature Coefficient)现象和多阶段着火现象。本文的主要结论如下:(1)随着甲烷掺混比例的增大,甲烷-T425混合燃料的着火延迟时间呈非线性增长。在低甲烷含量时,随着甲烷掺混比例的增大,混合物着火延迟时间缓慢增长,而当甲烷含量超过一定值(约82.5%)时,混合物着火延迟时间显著增长。(2)根据高温下甲烷-T425混合燃料着火过程的反应路径分析,随着甲烷掺混比例的增大,甲烷对OH自由基的争夺使得正庚烷和甲苯的反应通道发生较大变化,同时其脱氢产物CH3结合生成稳定化合物C2H6的量显著升高,使得系统的反应活性降低,进而推迟混合物着火。(3)通过对不同初始温度下甲烷-T425混合燃料着火过程的研究发现,甲烷-T425混合燃料的着火延迟时间随初始温度的变化规律可分为低温、中温、高温三个区域。在低温和高温区域,随着初始温度的升高,甲烷-T425混合燃料的着火延迟时间呈指数缩短;在中温区域,混合物着火延迟时间存在NTC现象,但当甲烷掺混比例高于一定值时(约82.5%)时,混合物着火延迟时间的NTC现象消失。(4)高温下,随着初始压力的增大,混合物着火延迟时间缩短,但随着初始压力不断增大,其对着火延迟时间的影响逐渐减弱。根据不同初始温度下混合燃料着火延迟时间随当量比的变化关系发现,随着当量比的增大,混合物的着火延迟时间先缩短后增长,且随着初始温度的升高,其最短着火延迟时间对应的当量比值减小。(5)根据中温下甲烷-T425混合燃料着火过程的反应路径分析,当甲烷掺混比例高于82.5%时,混合燃料着火延迟时间NTC现象的消失是正庚烷的负温度系数现象和甲烷、甲苯正温度系数现象综合作用的结果。(6)中低温下正庚烷主要发生中温链反应和低温链反应,生成较多HO2和OH自由基,引发了甲烷-T425混合物的小幅度着火,即着火过程第一阶段。而任何初始温度下混合物的最终着火都由H2O2的分解反应(H2O2(+M)=2OH(+M))主导。
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