摘 要

当前内燃机的主要燃料仍然是石油类燃料，而石油资源的短缺和石油燃烧带来的大气污染问题已经成为全世界面临的重大问题。开发与应用清洁的内燃机代用燃料被认为是目前有效的解决方案之一。2-甲基呋喃可从非粮作物中提取出来，燃料的辛烷值较高，能量密度相对于乙醇可以提高约 16%，微溶于水,是非常具有竞争力的柴油类生物质代用燃料。开展 2-甲基呋喃及其混合燃料在压燃式发动机中的燃烧与排放特性研究，有利于其作为代用燃料的推广和发展，为其进一步的应用和优化提供理论依据。

随着我国经济的快速增长，对能源的需求也日新月异。受资源的限制，2011年我国原油进口数量达2.5亿吨。汽车工业是我国的支柱产业，进入21世纪后得到了飞速发展，汽车保有量不断增长，但我国石油短缺、最终能源枯竭又是不争的事实。一方面是汽车工业的迅速发展，另一方面是能源紧缺，因此开发代用燃料成为解决当前经济的不断发展和能源危机的重要途径之一。因此寻找合适的车用燃料替代品，对于补充我国能源总量的不足，促进汽车工业的发展有重大意义。有关研究表明，目前比较有前途的石油替代燃料包括：气态烃、醇类（甲醇、乙醇）、DME、生物柴油、地沟油等。

首先，本文应用计算机模拟软件CHEMKIN模拟分析了2-甲基呋喃在氧气中的燃烧机理，通过对2-甲基呋喃理想燃烧火焰进行建模，在程序中导入环境模拟数据和反应机理，之后分析了2-甲基呋喃在燃烧时的中间产物及可能的消耗路径。结果表明，燃料燃烧时的化学反应动力学和燃料消耗是一个非常复杂的过程，燃烧中间产物的产生与消耗均不是单一稳定的过程。不同的环境条件下也通常有着不同的结果，但这也只是中间过程的不同，从燃料排放中可知，最终的燃烧产物还是大体相同。但是研究中间过程可以帮助理解2-甲基呋喃的化学反应动力学，通过人为控制中间的步骤来减少污染排放物的生成和有效提高热效率，以此达到节能减排的目的。

除此之外，还对正庚烷/甲苯燃烧进行了分析模拟，正庚烷与甲苯的混合燃料模型是当前普遍被接受的用来模拟柴油的燃烧机理。尤其是甲苯的加入可以模拟燃烧后碳烟的产生，使得燃料性质与真实柴油更为接近。通过分析表明，反应过程与2-甲基呋喃的反应过程相似。在模拟过程中，羟自由基OH和过氧化氢HO₂对正庚烷与甲苯的反应有十分重要的影响，它们对CO以及CO₂的生成起着巨大的重要。在高温反应阶段，需要大量的OH自由基使CO转化为CO₂。

关键词：2-甲基呋喃；柴油发动机；混合燃料；正庚烷/甲苯

Abstract

At present the engine is still mainly rely on petroleum fuel, and the shortage of oil resources and oil pollution caused by air pollution has become a major problem facing the world. The development and application of clean internal combustion engine alternative fuels is considered to be one of the currently effective medium and short term solutions. 2-methylfuran can be prepared from non-grain crops with higher octane levels and an increase in energy density of about 16% with ethanol, which is very competitive and is a very competitive alternative fuel for diesel fuels. The research on the combustion and emission characteristics of 2-methylfuran and its mixed fuel in the compression ignition engine is helpful to the promotion and development of the alternative fuels, which provides the theoretical basis for its further application and optimization.

With the development of China's economy, the demand for energy is also growing. On the one hand, the rapid development of the automobile industry, on the other hand is the energy shortage, so the development of alternative fuels to solve the current economic development and energy crisis, one of the important ways. Therefore, to find the right vehicle fuel alternatives, to supplement the lack of China's total energy to promote the development of the automobile industry is of great significance. Studies have shown that the current promising alternative to oil include: gaseous hydrocarbons, alcohols (methanol, ethanol), DME, biodiesel, waste oil.

In this paper, the combustion mechanism of 2-methylfuran in oxygen was simulated by means of computer simulation software CHEMKIN. The ideal simulation of 2-methylfuran flame was carried out. The environmental simulation data and reaction mechanism were introduced into the program. The results show that the chemical reaction kinetics and fuel consumption during fuel combustion are a very complicated process, and the production and consumption of combustion intermediates are not a single stable process. However, the study of the intermediate process can help to understand the chemical reaction kinetics of 2-methylfuran, through the artificial control of the middle steps to reduce the formation of pollution emissions and effectively improve the thermal efficiency, in order to achieve the purpose of energy conservation.

In addition, the n-heptane / toluene combustion was simulated and simulated. The mixed fuel model of n-heptane and toluene was widely accepted to simulate the combustion mechanism of diesel fuel. In particular, the addition of toluene can simulate the production of soot after combustion, making the fuel properties and real diesel is closer. The reaction process was similar to that of 2-methylfuran by analysis. In the simulation process, hydroxyl radical OH and hydrogen peroxide HO₂ on n-heptane and toluene reaction has a very important impact, they CO and CO₂ generation plays a huge important. In the high temperature reaction stage, a large amount of OH radicals are required to convert CO to CO₂

Key words: 2-methylfuran; diesel engine; mixed fuel; n-heptane / toluene

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 2-甲基呋喃的特点 1

1.3国内外研究现状 3

第2章 2-甲基呋喃的模拟燃烧 5

2.1 模拟软件介绍 5

2.2 2-甲基呋喃燃烧模拟分析 5

2.3 仿真结果分析 6

第3章 柴油模型燃料燃烧机理分析 8

3.1 柴油模型燃料介绍 8

3.2 柴油替代燃料简介 8

3.3 CHEMKIN模拟分析 9

3.4 分析总结 10

第4章 总结与展望 12

4.1 全文总结 12

4.2 工作展望 12

参考文献 13

致 谢 15

第1章 绪论

1.1 研究背景

当今社会是能源的社会，全球经济的快速发展以及人民生活水平全都离不开能源的支持。随着能源需求的急速增长，能源安全问题与供给分配问题已经成为当今世界不得不面对的几大问题之一。根据国际能源署公布的统计资料显示，2016年全年化石燃料占全球初级能源消耗总量的75%甚至更多。大量使用的化石燃料导致了温室气体和各种有毒有害物质源源不断地排放至大气中，直接导致全球变暖、臭氧层变薄以及生物多样性的剧减等环境问题。当今日趋严重的环境与能源问题严重阻碍了世界各国的生态与经济的可持续发展。

化石燃料的各大消耗者中，因为内燃机具有体积小、比质量轻、效率高等优点，所以被广泛应用在运输、轻重型机械等地方，同时也是大气污染的主要来源。有资料表明，60%以上的城市大气污染是由于汽车内燃机排放导致。所以可以说，能源和环境问题的发生与汽车内燃机的发展有着不可或缺的联系。自工业革命以来，世界上众多国家和地区都将汽车产业扶持为支柱产业。我国的汽车产业起步晚，但随着改革开放以来，经济的快速发展带动了汽车产业的高速发展。在2013年，我国汽车年产量已超过2000万辆，位居世界第一。随着汽车行业的快速发展，最终又正反馈于经济层面，极大的促进了社会经济的发展。

然而，在发展迅猛的同时，我们也应该未雨绸缪，看到一些繁华背后的隐患。首先，内燃机的主要动力是来自化石燃料提炼出的汽油与柴油，而我国是以煤炭资源为主，石油储量并不丰厚。石油的主要来源还是依赖于国外进口，主要以油轮海运和石油管道陆运。这就涉及到巨大的进出口贸易顺差，对我国经济发展有着巨大的影响。自1993年我国成为石油进口国以来，石油对外依存度逐年升高，远高于国家能源安全警戒线。其次，为了降低内燃机中对自然有害的燃烧产物，主要为一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、可吸入颗粒物和氮氧化物，世界各个国家和地区都陆续制定了相关的排放法规和环保标准，以此来控制内燃机的性能与燃料的清洁性。从1992年开始，欧盟实施了欧Ⅰ排放标准，至2013年实施了十分严格的欧Ⅵ排放标准。我国的汽车排放标准从2000年的国Ⅰ开始，采用欧洲的排放标准体系，将在2020年全面执行国Ⅴ阶段轻型汽车污染物排放限值及测试方法，届时，氮氧化物、碳氢化合物、可吸入颗粒物、硫化物等有害排放物的排放量将显著降低。