基于CHEMKIN软件的正庚烷燃烧化学反应过程仿真研究
基于CHEMKIN软件的正庚烷燃烧化学反应过程仿真研究[20200408213244]
中文摘要
汽车的排放污染是学者们一直研究的课题，如何追求良好的经济性、低油耗和低排放一直被人们所关注。均质充量压燃（HCCI）燃烧技术有效控制了汽车的排放。本文利用正庚烷作为柴油替代燃料来研究均质充量压燃（HCCI）发动机的燃烧状况，主要结论有：
（1）在低温反应阶段，正庚烷(C7H16)的经历了脱氢（H）和加氧(O)的过程。在高温反应阶段主要是甲醛(CH2O)氧化成一氧化碳(CO)，CO向二氧化碳(CO2)转变的过程。
（2）在低温燃烧阶段开始时，N2开始被氧化消耗生成NOx，随着温度的升高，但过了上止点之后，部分NOx具备了分解的条件会生成少量N2，因此N2的浓度会有一个少许的上升，但是这种变化不明显。
（3）在整个系统反应中O2是一直是消耗减少的，但是CHEMKIN仿真的过程中发现上止点前O2浓度有一个少量的上升过程，分析这一过程可能是存在NOx，H2O2和其他烃类分解生成微量的O2。
（4）该仿真过程计算出CH2O浓度在低温反应开始阶段迅速升高，当CH2O增大到最大浓度时，随即被消耗为零，大量的OH自由基和CH2O结合生成CHO自由基，CO主要依靠CHO自由基和O2反应生成，观察CHEMKIN图像可以看到高温反应进行后半段CO被消耗，主要发生反应CO和O2生成CO2。
（5）NO的含量是最稳定的，高温阶段开始时N2和O离子结合生成，NO的含量会升高到一定浓度时保持不变，充分说明了NO价态的稳定性。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:均质充量压燃（HCCI）正庚烷化学反应动力学模型CHEMKIN
目录
一、绪论 1
1.1选题背景及意义 1
1.2 国内外的研究现状 4
1.2.1 正庚烷的定义及理化性质特点 4
1.2.2 正庚烷的燃烧特性 5
1.2.3 正庚烷燃烧的化学反应动力学仿真 6
1.3 本文的主要工作 7
二、CHEMKIN软件介绍与化学反应动力学模型 8
2.1 软件运行及计算原理 8
2.2 子模块介绍 14
2.3 正庚烷燃烧反应过程 15
2.3.1 低温反应阶段 15
2.3.2 高温反应阶段 16
2.4 正庚烷燃烧模型的建立与验证 17
2.4.1 模型建立 17
2.4.2 模型验证 17
2.5 本章小结 18
三、正庚烷的燃烧化学反应过程仿真与分析 19
3.1 计算边界条件 19
3.2 燃烧中间产物分析 20
3.2.1 N2（N2） 20
3.2.2 氧气（O2） 20
3.2.3 甲醛（CH2O） 21
3.3 燃烧过程分析 22
3.3.1 缸内压力和温度 22
3.4 燃烧污染物分析 24
3.4.1 碳氢化合物（HC） 24
3.4.2 一氧化碳（CO） 24
3.4.3 氮氧化物（NOx） 25
3.5 本章小结 26
四、全文总结与展望 28
4.1 全文总结 28
4.2 工作展望 29
参考文献 30
致谢 31
一、绪论
1.1选题背景及意义
随着科学技术的不断进步，人们对于汽车的购买力也在日益增加，所以汽车的废气污染问题越来越受到广大学者们的关心。汽车内燃机CO,HC和NOx的排放量已经对内地各大城市空气造成了严重性污染。图1-1反映了各大城市尾气污染物的排放占城市总污染的比例情况，充分说明了汽车尾气对环境和人们的健康造成了严重的危害。
21世纪人类呼吸道疾病的发病率日益升高，严重影响了人们的生活质量和身体健康。现在科学研究者们一直着力研究低污染排放率，高动力性和经济性的发动机。这将直接影响到汽车行业的可持续发展之路。
表1-1 各大主要城市汽车尾气中CO、HC、NOx排放比例（%）
城市 CO HC NOx
北京 63.4 73.5 46
上海 87.0 97.0 74.0
重庆 85.8 36.6 86.3
西安 98.6 - 69.7
青岛 70.0 20.0 10.0
乌鲁木齐 88.7 - 48.5
天津 83.0 81.0 55.0
成都 62.0 70.0 45.0
广州 84.1 - 25.7
众所周知，现在的内燃机主要分为点燃式发动机（汽油机为例）和压燃式发动机（柴油机为例）。汽油发动机是以汽油为燃料的电火花点火燃烧驱动的发动机。分为进气，压缩，做功，排气四个冲程。汽油机因为转速高，轿车用汽油机转速可高达5000—6000r/min，货车用汽油机转速达4000r/min,质量轻、工作时噪声小、起动容易、制造和维修费用低等特点，故在轿车和中、小型货车及军用越野车上得到广泛应用。其不足之处是燃油消耗较高，燃油经济性较差。
柴油发动机是以柴油为原料的压燃式发动机。包括进气，压缩，燃烧膨胀，排气四个冲程。柴油发动机和汽油机相比 ，压缩比高，因此气体燃烧充分，从而热效率高于汽油机。因为柴油机的节能性，燃油经济性和高效率，国内外很多学者在积极推广柴油发动机的使用。柴油发动机比汽油发动机功率大，寿命长，动力性更好的，二氧化碳的排放率比低于汽油机，一氧化碳与碳氢排放率相比汽油机也低，在整车的使用寿命期氮氧化合物的排放较汽油机大些。柴油机的主要缺陷是会产生大量有害颗粒。近年来，柴油发动机采用涡轮增压、中冷、直喷、尾气催化转换和颗粒捕集器等先进技术，柴油发动机汽车的排放已达到欧III和欧IV排放标准。在欧洲，柴油轿车比较普及，随着环保与节能可持续发展的严格要求，柴油发动机汽车将会得到普及。
国内外很多学者针对柴油机CO、NOx和颗粒的排放问题进行了深入的研究。一般在汽车尾气中NOX主要成分以NO和NO2为主，其中NO2的含量较NO少些，所以NO在汽车尾气中占了主导地位。NO可以在空气中被O3氧化成NO2，NO2是一种毒性很强的腐蚀剂，当空气中的NO2被吸入肺内，就会在肺泡内形成亚硝酸和硝酸，导致胸闷、咳嗽、气喘甚至肺气肿等症状的疾病，严重影响人们的健康。尾气中的CO与血红细胞的亲和力比氧气与血红细胞的亲和力大300倍以上，造成人体组织缺氧。当吸入一氧化碳气体后，一氧化碳进入肺部抢先与血红细胞结合，使血红细胞丧失运输氧气的能力，造成人体多个器官缺氧，导致组织受损甚至死亡。而汽车排放的颗粒物，一旦被人体吸收会对人体内血红蛋白的输血能力造成严重伤害，现今PM2.5是主要污染源。因为PM2.5直径很小，它能较长时间悬浮于空气中，其在空气中含量浓度越高，就代表空气污染越严重。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但是它带来的危害是非常大的，严重影响了空气质量和人们的生活健康，具有极强的吸附性，活性大，空气滞留时间长，带有毒性有害物质，传播远等特点， 图1-1反映了PM2.5进入人体的过程和对人体造成的危害。
图1-1 PM2.5对人体造成的危害
图1-2 美国及欧洲重型车用柴油机的排放法规
因为PM和NOx对大气环境和人类健康危害极大，同时，柴油机又是PM和NOx的主要生成者，所以为了保护大气环境和人类健康，每个国家或地区相继制定了各种分阶段更加严格的应对柴油机排放物的法规。图1.2是欧洲及美国的重型车用柴油机排放法规。
为了满足排放法规的要求，许多国家的发动机学者针对柴油机的控制排放做了许多研究，有一定的进展，表1-2是反应了欧洲和美洲各大公司为达到标准排放量而采取的一系列改进措施来完善节能减排的宗旨。
表1-2 欧美公司为标准排放量所采取的技术改进措施
目前HCCI燃烧技术受到了各界人士的好评。HCCI燃烧技术结合了点燃式和压燃式的两种燃烧方式特点。混合气为均质气体，受热时多点同步点火放热，燃烧速度快，热效率高，是一种理想的燃烧方式。可以大幅度降低NOx等有害物的排放图1-3介绍了发动机的三种燃烧方式。
图1-3 发动机的三种燃烧方式
一般柴油的成分及其复杂，如果要研究柴油机燃烧机理，难度很大，因此选取合适的单一分子作为柴油的模拟燃烧很重要。16烷值是燃料自燃性的衡量指标，决定着着火延迟期的长和短，对碳烟的形成和整个燃烧的过程都有重要影响。一般商用柴油的十六烷值约为56，正庚烷的十六烷值大约为60,两者非常接近，所以可以利用正庚烷氧化反应动力学模型研究实际商用柴油燃烧时的一些特性。
中文摘要
汽车的排放污染是学者们一直研究的课题，如何追求良好的经济性、低油耗和低排放一直被人们所关注。均质充量压燃（HCCI）燃烧技术有效控制了汽车的排放。本文利用正庚烷作为柴油替代燃料来研究均质充量压燃（HCCI）发动机的燃烧状况，主要结论有：
（1）在低温反应阶段，正庚烷(C7H16)的经历了脱氢（H）和加氧(O)的过程。在高温反应阶段主要是甲醛(CH2O)氧化成一氧化碳(CO)，CO向二氧化碳(CO2)转变的过程。
（2）在低温燃烧阶段开始时，N2开始被氧化消耗生成NOx，随着温度的升高，但过了上止点之后，部分NOx具备了分解的条件会生成少量N2，因此N2的浓度会有一个少许的上升，但是这种变化不明显。
（3）在整个系统反应中O2是一直是消耗减少的，但是CHEMKIN仿真的过程中发现上止点前O2浓度有一个少量的上升过程，分析这一过程可能是存在NOx，H2O2和其他烃类分解生成微量的O2。
（4）该仿真过程计算出CH2O浓度在低温反应开始阶段迅速升高，当CH2O增大到最大浓度时，随即被消耗为零，大量的OH自由基和CH2O结合生成CHO自由基，CO主要依靠CHO自由基和O2反应生成，观察CHEMKIN图像可以看到高温反应进行后半段CO被消耗，主要发生反应CO和O2生成CO2。
（5）NO的含量是最稳定的，高温阶段开始时N2和O离子结合生成，NO的含量会升高到一定浓度时保持不变，充分说明了NO价态的稳定性。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:均质充量压燃（HCCI）正庚烷化学反应动力学模型CHEMKIN
目录
一、绪论 1
1.1选题背景及意义 1
1.2 国内外的研究现状 4
1.2.1 正庚烷的定义及理化性质特点 4
1.2.2 正庚烷的燃烧特性 5
1.2.3 正庚烷燃烧的化学反应动力学仿真 6
1.3 本文的主要工作 7
二、CHEMKIN软件介绍与化学反应动力学模型 8
2.1 软件运行及计算原理 8
2.2 子模块介绍 14
2.3 正庚烷燃烧反应过程 15
2.3.1 低温反应阶段 15
2.3.2 高温反应阶段 16
2.4 正庚烷燃烧模型的建立与验证 17
2.4.1 模型建立 17
2.4.2 模型验证 17
2.5 本章小结 18
三、正庚烷的燃烧化学反应过程仿真与分析 19
3.1 计算边界条件 19
3.2 燃烧中间产物分析 20
3.2.1 N2（N2） 20
3.2.2 氧气（O2） 20
3.2.3 甲醛（CH2O） 21
3.3 燃烧过程分析 22
3.3.1 缸内压力和温度 22
3.4 燃烧污染物分析 24
3.4.1 碳氢化合物（HC） 24
3.4.2 一氧化碳（CO） 24
3.4.3 氮氧化物（NOx） 25
3.5 本章小结 26
四、全文总结与展望 28
4.1 全文总结 28
4.2 工作展望 29
参考文献 30
致谢 31
一、绪论
1.1选题背景及意义
随着科学技术的不断进步，人们对于汽车的购买力也在日益增加，所以汽车的废气污染问题越来越受到广大学者们的关心。汽车内燃机CO,HC和NOx的排放量已经对内地各大城市空气造成了严重性污染。图1-1反映了各大城市尾气污染物的排放占城市总污染的比例情况，充分说明了汽车尾气对环境和人们的健康造成了严重的危害。
21世纪人类呼吸道疾病的发病率日益升高，严重影响了人们的生活质量和身体健康。现在科学研究者们一直着力研究低污染排放率，高动力性和经济性的发动机。这将直接影响到汽车行业的可持续发展之路。
表1-1 各大主要城市汽车尾气中CO、HC、NOx排放比例（%）
城市 CO HC NOx
北京 63.4 73.5 46
上海 87.0 97.0 74.0
重庆 85.8 36.6 86.3
西安 98.6 - 69.7
青岛 70.0 20.0 10.0
乌鲁木齐 88.7 - 48.5
天津 83.0 81.0 55.0
成都 62.0 70.0 45.0
广州 84.1 - 25.7
众所周知，现在的内燃机主要分为点燃式发动机（汽油机为例）和压燃式发动机（柴油机为例）。汽油发动机是以汽油为燃料的电火花点火燃烧驱动的发动机。分为进气，压缩，做功，排气四个冲程。汽油机因为转速高，轿车用汽油机转速可高达5000—6000r/min，货车用汽油机转速达4000r/min,质量轻、工作时噪声小、起动容易、制造和维修费用低等特点，故在轿车和中、小型货车及军用越野车上得到广泛应用。其不足之处是燃油消耗较高，燃油经济性较差。
柴油发动机是以柴油为原料的压燃式发动机。包括进气，压缩，燃烧膨胀，排气四个冲程。柴油发动机和汽油机相比 ，压缩比高，因此气体燃烧充分，从而热效率高于汽油机。因为柴油机的节能性，燃油经济性和高效率，国内外很多学者在积极推广柴油发动机的使用。柴油发动机比汽油发动机功率大，寿命长，动力性更好的，二氧化碳的排放率比低于汽油机，一氧化碳与碳氢排放率相比汽油机也低，在整车的使用寿命期氮氧化合物的排放较汽油机大些。柴油机的主要缺陷是会产生大量有害颗粒。近年来，柴油发动机采用涡轮增压、中冷、直喷、尾气催化转换和颗粒捕集器等先进技术，柴油发动机汽车的排放已达到欧III和欧IV排放标准。在欧洲，柴油轿车比较普及，随着环保与节能可持续发展的严格要求，柴油发动机汽车将会得到普及。
国内外很多学者针对柴油机CO、NOx和颗粒的排放问题进行了深入的研究。一般在汽车尾气中NOX主要成分以NO和NO2为主，其中NO2的含量较NO少些，所以NO在汽车尾气中占了主导地位。NO可以在空气中被O3氧化成NO2，NO2是一种毒性很强的腐蚀剂，当空气中的NO2被吸入肺内，就会在肺泡内形成亚硝酸和硝酸，导致胸闷、咳嗽、气喘甚至肺气肿等症状的疾病，严重影响人们的健康。尾气中的CO与血红细胞的亲和力比氧气与血红细胞的亲和力大300倍以上，造成人体组织缺氧。当吸入一氧化碳气体后，一氧化碳进入肺部抢先与血红细胞结合，使血红细胞丧失运输氧气的能力，造成人体多个器官缺氧，导致组织受损甚至死亡。而汽车排放的颗粒物，一旦被人体吸收会对人体内血红蛋白的输血能力造成严重伤害，现今PM2.5是主要污染源。因为PM2.5直径很小，它能较长时间悬浮于空气中，其在空气中含量浓度越高，就代表空气污染越严重。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但是它带来的危害是非常大的，严重影响了空气质量和人们的生活健康，具有极强的吸附性，活性大，空气滞留时间长，带有毒性有害物质，传播远等特点， 图1-1反映了PM2.5进入人体的过程和对人体造成的危害。
图1-1 PM2.5对人体造成的危害
图1-2 美国及欧洲重型车用柴油机的排放法规
因为PM和NOx对大气环境和人类健康危害极大，同时，柴油机又是PM和NOx的主要生成者，所以为了保护大气环境和人类健康，每个国家或地区相继制定了各种分阶段更加严格的应对柴油机排放物的法规。图1.2是欧洲及美国的重型车用柴油机排放法规。
为了满足排放法规的要求，许多国家的发动机学者针对柴油机的控制排放做了许多研究，有一定的进展，表1-2是反应了欧洲和美洲各大公司为达到标准排放量而采取的一系列改进措施来完善节能减排的宗旨。
表1-2 欧美公司为标准排放量所采取的技术改进措施
目前HCCI燃烧技术受到了各界人士的好评。HCCI燃烧技术结合了点燃式和压燃式的两种燃烧方式特点。混合气为均质气体，受热时多点同步点火放热，燃烧速度快，热效率高，是一种理想的燃烧方式。可以大幅度降低NOx等有害物的排放图1-3介绍了发动机的三种燃烧方式。
图1-3 发动机的三种燃烧方式
一般柴油的成分及其复杂，如果要研究柴油机燃烧机理，难度很大，因此选取合适的单一分子作为柴油的模拟燃烧很重要。16烷值是燃料自燃性的衡量指标，决定着着火延迟期的长和短，对碳烟的形成和整个燃烧的过程都有重要影响。一般商用柴油的十六烷值约为56，正庚烷的十六烷值大约为60,两者非常接近，所以可以利用正庚烷氧化反应动力学模型研究实际商用柴油燃烧时的一些特性。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/qcgc/2019.html
