基于CHEMKIN的异辛烷燃烧化学反应过程仿真研究
基于CHEMKIN的异辛烷燃烧化学反应过程仿真研究[20200408213226]
摘要
随着汽车保有量的不断增加，汽车排放的污染越来越严重，氮氧化物、一氧化碳等燃烧产物对环境造成了很严重的影响。异辛烷作为汽油的一种组分，研究其燃烧过程的仿真过程有一定的现实意义。
本文以异辛烷作为仿真研究对象，介绍了异辛烷的物理化学性质以及国内外的研究发展的现状，利用CHEMKIN软件来仿真研究异辛烷的燃烧产物，并对其进行分析。当曲轴转角在25°左右时，气缸内的温度、压强达到反应中的最大值，氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物以及甲醛，都在这个时候达到生成量的最大值，之后随着反应物的减少、温度的降低而降低。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:异辛烷均质燃烧CHEMKIN燃烧产物
目 录
1、绪论 6
1.1 选题背景及意义 6
1.2 国内外的研究现状和发展趋势 7
1.2.1 异辛烷的来源与理化性质特点 7
1.2.2 内燃机燃烧模式 8
1.2.3 目前异辛烷燃烧的研究热点 11
1.3 本文主要的研究工作 12
2.CHEMKIN软件与发动机理论模型 13
2.1 CHEMKIN简介 13
2.1.1 化学反应动力学机理 13
2.1.2 软件的发展历程及计算流程 15
2.1.3 燃烧机理研究的最新进展 19
2.2 发动机仿真模型 21
2.2.1 单区模型 21
2.2.2 多区模型 22
2.2.3 多维模型 23
2.3 模型的建立与验证 24
2.3.1 化学反应动力学模型的建立 24
2.3.2 模型验证 24
2.4 本章小结 26
3.仿真结果及分析 27
3.1 氮氧化物（NOX） 27
3.2 一氧化碳（CO） 28
3.3碳氢（HC） 29
3.4甲醛（CH2O） 30
3.5 本章小结 30
4、结语 31
4.1 全文总结 31
4.2 工作展望 31
参考文献 32
致谢 34
1、绪论
1.1 选题背景及意义
人类的日常生活都离不开能源不论在社会生产发展还是现代社会，能源是否能够开发利用和持续供应直接关系到国民经济的稳定发展。经过一些权威机构对2009 年世界能源的统计，调查结果表明示：在2008年这一年中，全世界一次能源消耗总量大概是 11294.9 百万吨油当量，在这其中，石油占比约为34.8%、煤炭 占比约29.2%、天然气 占比24.1%，还有一些其他一次能源，他们主要是核能和水电，核能约占5.5%和水电约占 6.4%。目前，由化石燃料的燃烧生成的能源占全世界能源供应的近90%。进入工业化时代以来，因为有了蒸汽机、内燃机和电力的发明应用，人类社会发生了很大的变革，人类社会的生产力水平和生活质量得到了显著的提高，燃烧在这里面起到了巨大的推动作用。至于交通运输方面，人类所使用的动力几乎全都来自于固体、液体和气体的燃烧；至于在工业生产这个方面，冶金、陶瓷、炼焦、玻璃以及水泥等一些工业材料，他们也都与燃烧息息相关；另外，人类的建筑采暖也大多依靠燃烧供应。燃烧与经济发展以及人类日常生活有着紧密的联系。
随着汽车工业的发展和环境保护日益严格，我国对车用汽油质量的要求也越来越高。新标准要求 2005 年车用汽油必须符合欧Ⅱ、欧Ⅲ的标准, 对烯烃含量及硫含量提出了更高的要求，且高标号汽油的吨价格较高。在内燃机汽缸里燃烧中，异辛烷的抗震性比较好，因此它是汽油抗爆震度的一个标准，它的辛烷值是100，是很好的发动机燃料。
世界经济飞速发展，人类对于燃料的需求越来越大，造成化石燃料被过度开采，有限自然资源和人们大量的需求两者矛盾越来越突出，能源问题已经是影响经济发展中的一个很严重的问题。伴随着化石能源的大量利用，人类的生存环境遭到了很大的破坏，由于燃烧产生大量二氧化碳、氮氧化物等，给环境带来的很呆的危害，比如全球气候变暖、酸雨、以及大气污染。经过了改革开放，我国的经济得到了飞速的发展，但是由于我国高耗能型产业占有的比重很大，还有就是我国的能源利用率很低，在我国，单位 GDP 是世界平均水平的一倍还多，是美国的3.5倍、日本的9倍。同时，我国的温室气体 CO2的排放量位居世界第二位，仅次于美国。
要解决化石能源燃烧引起的问题需要从两个方面来入手：一要调整一次能源的结构，搜寻代替能源；二要控制燃烧过程来提高燃烧效率、降低污染物的排放。虽然随着科学技术水平提高了，核能将是人类可以利用的另一种重要能源，太阳能、风能、潮汐及地热等也正在被人类开发利用，但是，石油、煤炭和天然气等化石燃料目前还是世界一次能源最主要的来源，并且在二十一世纪上半叶内将会一直占据一次能源的主导地位[1]。我国作为发展中国家，随着经济的不断发展，环境与经济之间的不到平衡，环境日益被破坏，保护环境，减少有害气体的排放是一件迫在眉睫的事情，寻找优质原料来替代化石燃料。
通常用来评价汽油的指标是辛烷值和十六烷值。辛烷值是汽油在稀混合气情况下抗爆震性能指标，柴油在柴油机中自燃性能指标是十六烷值。因为汽油和柴油的主要成分分别是 C4-C10和 C9-C18的烃类，二者都是混合物，成分十分复杂，直接分析他们的燃烧化学动力学过程是一项非常复杂和繁重的事情，并且他们的组分不一定是固定不变，这也给研究工作带来一定的困难。因此，通常选取一些具有代表性的燃料作为汽油和柴油的模型燃料来进行分析研究。
全球能源危机，能源矛盾，环境污染日趋严重，机动车代用燃料的研发已经引起了各国的广泛关注和大力投入，研究异辛烷的燃烧化学反应，分析其燃烧产物对环境的影响，具有十分广阔的市场前景和现实意义。对于异辛烷的研究，它所得到的一些结论，为以后发动机的燃烧排放提供了一定的依据。
1.2 国内外的研究现状和发展趋势
1.2.1 异辛烷的来源与理化性质特点
以二异丁烯为原料，利用叠合装置，在固定床加氢装置上进行加氢反应, 在一定的条件下，以氢做催化剂，二异丁烯加氢以后生成异辛烷，这样反应的到纯度为93%的异辛烷。再通过分馏进行提纯， 最终得到纯度为99.8%的异辛烷[2]。
2,2,4-三甲基戊烷俗称异辛烷（在主链的2位有一个甲基的称为“异”，在2位有两个甲基的称为“新”。一般地，还是把2,2,4-三甲基戊烷称“异辛烷”），是辛烷的一种异构体。异辛烷的理化性质特点见下表1-2所示。
表1-2 异辛烷的理化性质特点
标 识 中文名：异辛烷；2-甲基庚烷 危险货物编号：32009
英文名：Isooctane；2-Methyl heptane UN编号：1262
分子式：C8H18 分子量：114.23 CAS号：26635
理 化 性 质 外观与性质 无色液体，有气味
熔点℃ -109 相对密度 0.6980
沸点℃ 117.6 饱和蒸气压（kpa） /
溶解性 不溶于水，可溶于醇、酮、醚、氯仿。
燃烧爆炸危险性 燃烧性 易燃 燃烧产物 一氧化碳、二氧化碳
禁忌物 氧化剂
危险特性 其蒸气与空气课形成爆炸性混合物，遇明火、高热极易燃烧爆炸。与氧化剂接触猛烈反应。流速过快，容易产生和积聚静电。若遇高热，容器内压增大，有开裂和爆炸的危险
1.2.2 内燃机燃烧模式
均质燃烧（HCCI）：空气与燃料混合在一起，形成一定浓度的可燃混合气，在整个燃烧室内，混合气的空燃比是相同的,把火花塞点燃，均质燃烧使燃料和空气充分混合，燃料可以实现完全燃烧，从而可以得到更大输出的功率。要更均匀的把混合气混合，要借助横向的紊流和纵向旋转气流。圆锥形的喷油扩散角是其特点,燃烧室内的燃料更加均匀。并且因为气缸内空气的冷却作用，从而使充气效率得到提高，不容易产生敲缸现象，进而可以增大压缩比,最终提高热效率，均质燃烧它的目的是在高速行驶、加速时获得大功率。相比分层燃烧是为了在低转速、低负荷时节省燃油。缸内直喷式汽油机是按照运转工况恰当地利用均质燃烧和层状燃烧，在不降低输出功率的基础上和普通的进气管喷射方式相比，它提高了燃油经济性。
摘要
随着汽车保有量的不断增加，汽车排放的污染越来越严重，氮氧化物、一氧化碳等燃烧产物对环境造成了很严重的影响。异辛烷作为汽油的一种组分，研究其燃烧过程的仿真过程有一定的现实意义。
本文以异辛烷作为仿真研究对象，介绍了异辛烷的物理化学性质以及国内外的研究发展的现状，利用CHEMKIN软件来仿真研究异辛烷的燃烧产物，并对其进行分析。当曲轴转角在25°左右时，气缸内的温度、压强达到反应中的最大值，氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物以及甲醛，都在这个时候达到生成量的最大值，之后随着反应物的减少、温度的降低而降低。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:异辛烷均质燃烧CHEMKIN燃烧产物
目 录
1、绪论 6
1.1 选题背景及意义 6
1.2 国内外的研究现状和发展趋势 7
1.2.1 异辛烷的来源与理化性质特点 7
1.2.2 内燃机燃烧模式 8
1.2.3 目前异辛烷燃烧的研究热点 11
1.3 本文主要的研究工作 12
2.CHEMKIN软件与发动机理论模型 13
2.1 CHEMKIN简介 13
2.1.1 化学反应动力学机理 13
2.1.2 软件的发展历程及计算流程 15
2.1.3 燃烧机理研究的最新进展 19
2.2 发动机仿真模型 21
2.2.1 单区模型 21
2.2.2 多区模型 22
2.2.3 多维模型 23
2.3 模型的建立与验证 24
2.3.1 化学反应动力学模型的建立 24
2.3.2 模型验证 24
2.4 本章小结 26
3.仿真结果及分析 27
3.1 氮氧化物（NOX） 27
3.2 一氧化碳（CO） 28
3.3碳氢（HC） 29
3.4甲醛（CH2O） 30
3.5 本章小结 30
4、结语 31
4.1 全文总结 31
4.2 工作展望 31
参考文献 32
致谢 34
1、绪论
1.1 选题背景及意义
人类的日常生活都离不开能源不论在社会生产发展还是现代社会，能源是否能够开发利用和持续供应直接关系到国民经济的稳定发展。经过一些权威机构对2009 年世界能源的统计，调查结果表明示：在2008年这一年中，全世界一次能源消耗总量大概是 11294.9 百万吨油当量，在这其中，石油占比约为34.8%、煤炭 占比约29.2%、天然气 占比24.1%，还有一些其他一次能源，他们主要是核能和水电，核能约占5.5%和水电约占 6.4%。目前，由化石燃料的燃烧生成的能源占全世界能源供应的近90%。进入工业化时代以来，因为有了蒸汽机、内燃机和电力的发明应用，人类社会发生了很大的变革，人类社会的生产力水平和生活质量得到了显著的提高，燃烧在这里面起到了巨大的推动作用。至于交通运输方面，人类所使用的动力几乎全都来自于固体、液体和气体的燃烧；至于在工业生产这个方面，冶金、陶瓷、炼焦、玻璃以及水泥等一些工业材料，他们也都与燃烧息息相关；另外，人类的建筑采暖也大多依靠燃烧供应。燃烧与经济发展以及人类日常生活有着紧密的联系。
随着汽车工业的发展和环境保护日益严格，我国对车用汽油质量的要求也越来越高。新标准要求 2005 年车用汽油必须符合欧Ⅱ、欧Ⅲ的标准, 对烯烃含量及硫含量提出了更高的要求，且高标号汽油的吨价格较高。在内燃机汽缸里燃烧中，异辛烷的抗震性比较好，因此它是汽油抗爆震度的一个标准，它的辛烷值
世界经济飞速发展，人类对于燃料的需求越来越大，造成化石燃料被过度开采，有限自然资源和人们大量的需求两者矛盾越来越突出，能源问题已经是影响经济发展中的一个很严重的问题。伴随着化石能源的大量利用，人类的生存环境遭到了很大的破坏，由于燃烧产生大量二氧化碳、氮氧化物等，给环境带来的很呆的危害，比如全球气候变暖、酸雨、以及大气污染。经过了改革开放，我国的经济得到了飞速的发展，但是由于我国高耗能型产业占有的比重很大，还有就是我国的能源利用率很低，在我国，单位 GDP 是世界平均水平的一倍还多，是美国的3.5倍、日本的9倍。同时，我国的温室气体 CO2的排放量位居世界第二位，仅次于美国。
要解决化石能源燃烧引起的问题需要从两个方面来入手：一要调整一次能源的结构，搜寻代替能源；二要控制燃烧过程来提高燃烧效率、降低污染物的排放。虽然随着科学技术水平提高了，核能将是人类可以利用的另一种重要能源，太阳能、风能、潮汐及地热等也正在被人类开发利用，但是，石油、煤炭和天然气等化石燃料目前还是世界一次能源最主要的来源，并且在二十一世纪上半叶内将会一直占据一次能源的主导地位[1]。我国作为发展中国家，随着经济的不断发展，环境与经济之间的不到平衡，环境日益被破坏，保护环境，减少有害气体的排放是一件迫在眉睫的事情，寻找优质原料来替代化石燃料。
通常用来评价汽油的指标是辛烷值和十六烷值。辛烷值是汽油在稀混合气情况下抗爆震性能指标，柴油在柴油机中自燃性能指标是十六烷值。因为汽油和柴油的主要成分分别是 C4-C10和 C9-C18的烃类，二者都是混合物，成分十分复杂，直接分析他们的燃烧化学动力学过程是一项非常复杂和繁重的事情，并且他们的组分不一定是固定不变，这也给研究工作带来一定的困难。因此，通常选取一些具有代表性的燃料作为汽油和柴油的模型燃料来进行分析研究。
全球能源危机，能源矛盾，环境污染日趋严重，机动车代用燃料的研发已经引起了各国的广泛关注和大力投入，研究异辛烷的燃烧化学反应，分析其燃烧产物对环境的影响，具有十分广阔的市场前景和现实意义。对于异辛烷的研究，它所得到的一些结论，为以后发动机的燃烧排放提供了一定的依据。
1.2 国内外的研究现状和发展趋势
1.2.1 异辛烷的来源与理化性质特点
以二异丁烯为原料，利用叠合装置，在固定床加氢装置上进行加氢反应, 在一定的条件下，以氢做催化剂，二异丁烯加氢以后生成异辛烷，这样反应的到纯度为93%的异辛烷。再通过分馏进行提纯， 最终得到纯度为99.8%的异辛烷[2]。
2,2,4-三甲基戊烷俗称异辛烷（在主链的2位有一个甲基的称为“异”，在2位有两个甲基的称为“新”。一般地，还是把2,2,4-三甲基戊烷称“异辛烷”），是辛烷的一种异构体。异辛烷的理化性质特点见下表1-2所示。
表1-2 异辛烷的理化性质特点
标 识 中文名：异辛烷；2-甲基庚烷 危险货物编号：32009
英文名：Isooctane；2-Methyl heptane UN编号：1262
分子式：C8H18 分子量：114.23 CAS号：26635
理 化 性 质 外观与性质 无色液体，有气味
熔点℃ -109 相对密度 0.6980
沸点℃ 117.6 饱和蒸气压（kpa） /
溶解性 不溶于水，可溶于醇、酮、醚、氯仿。
燃烧爆炸危险性 燃烧性 易燃 燃烧产物 一氧化碳、二氧化碳
禁忌物 氧化剂
危险特性 其蒸气与空气课形成爆炸性混合物，遇明火、高热极易燃烧爆炸。与氧化剂接触猛烈反应。流速过快，容易产生和积聚静电。若遇高热，容器内压增大，有开裂和爆炸的危险
1.2.2 内燃机燃烧模式
均质燃烧（HCCI）：空气与燃料混合在一起，形成一定浓度的可燃混合气，在整个燃烧室内，混合气的空燃比是相同的,把火花塞点燃，均质燃烧使燃料和空气充分混合，燃料可以实现完全燃烧，从而可以得到更大输出的功率。要更均匀的把混合气混合，要借助横向的紊流和纵向旋转气流。圆锥形的喷油扩散角是其特点,燃烧室内的燃料更加均匀。并且因为气缸内空气的冷却作用，从而使充气效率得到提高，不容易产生敲缸现象，进而可以增大压缩比,最终提高热效率，均质燃烧它的目的是在高速行驶、加速时获得大功率。相比分层燃烧是为了在低转速、低负荷时节省燃油。缸内直喷式汽油机是按照运转工况恰当地利用均质燃烧和层状燃烧，在不降低输出功率的基础上和普通的进气管喷射方式相比，它提高了燃油经济性。
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