柴油添加c3c5醇类燃料对燃烧和排放的影响研究【字数：17581】
随着汽车保有量的增加，汽车尾气排放已成为城市大气污染的重要来源，引起了广泛的关注。醇类燃料属于清洁代用燃料，汽车燃用柴油添加C3-C5（丙醇、丁醇、戊醇）醇类燃料有助于实现燃料多元化，同时降低CO和NOx排放污染物。因此，开展柴油添加C3-C5醇类燃料的燃烧动力学过程研究，有助于理解柴油添加C3-C5醇类燃料对燃烧过程及芳香烃形成的影响规律，为降低颗粒排放提供理论依据。针对柴油添加C3-C5醇类燃料，研究掺混不同比例的正丙醇、异丙醇对燃烧过程和芳香烃生成过程的影响规律。结果表明，随着柴油/正丙醇、柴油/异丙醇掺混比例的增加，A1-A4的摩尔分数峰值随之减小，A1峰值最高，A1-A4摩尔分数曲线向高温方向移动。同时随着PAHs中苯环数量的增加，生成PAHs的起始温度也在升高。而OH、C2H2和C3H3的φ-T形成图的数量级逐渐下降，表明生成的OH和C2H2较多，生成的C3H3较少。针对柴油添加C3-C5醇类燃料，研究掺混不同比例的正丁醇、正戊醇对燃烧过程和芳香烃生成过程的影响规律。研究结果表明，随着柴油/正丁醇、柴油/正戊醇掺混比例的增加，A1-A4的摩尔分数峰值随之减小，A1峰值最高，A1-A4摩尔分数曲线向高温方向移动。同时随着PAHs中苯环数量的增加，生成PAHs的起始温度也在升高。而OH、C2H2和C3H3的φ-T形成图的数量级逐渐下降，表明生成的OH和C2H2较多，生成的C3H3较少。
目 录
1. 绪论 1
1.1选题的背景及意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.2.1柴油添加C3C5醇类燃料的基础燃烧的研究 2
1.2.2醇类燃料在发动机上的应用 3
1.3本文的主要研究工作 4
2. 模型的构建和验证 5
2.1软件的学习运用 5
2.2机理的来源 5
2.3机理的验证 6
2.3.1点火延迟的验证 6
2.3.2火焰速度的验证 9
2.4本章小结 10
3.柴油/正丙醇、柴油/异丙醇燃烧过程和产物分析 11
3.1正丙醇和异丙醇燃烧生成芳香烃分析 11
3.1.1正丙醇燃烧生成芳香烃分析 11
3.1. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
2异丙醇燃烧生成芳香烃分析 13
3.2柴油掺混正丙醇的芳香烃和小分子物质生成分析 15
3.2.1芳香烃 15
3.2.2小分子物质 18
3.3柴油掺混异丙醇的芳香烃和小分子物质生成分析 20
3.3.1芳香烃 20
3.3.2小分子物质 22
3.4本章小结 24
4. 柴油/正丁醇、柴油/正戊醇燃烧过程和产物分析 26
4.1正丁醇和正戊醇燃烧生成芳香烃分析 26
4.1.1正丁醇燃烧生成芳香烃分析 26
4.2.2正戊醇燃烧生成芳香烃分析 28
4.2柴油掺混正丁醇的芳香烃和小分子物质生成分析 30
4.2.1芳香烃 30
4.2.2小分子物质 33
4.3柴油掺混正戊醇的芳香烃和小分子物质生成分析 35
4.3.1芳香烃 35
4.3.2小分子物质 37
4.4本章小结 39
5.全文总结与展望 41
5.1全文总结 41
5.2工作展望 41
参考文献 42
致谢 43
1. 绪论
1.1选题的背景及意义
现代社会的发展和繁荣，离不开以内燃机为首的各类动力机械装置。有许多的交通工具都以内燃机作为动力来源。自1879年卡尔本茨发明世界上第一台二冲程试验性发动机距今已有140年的历史。随着汽车产业的蓬勃发展，汽车保有量迅猛增长，有力地推动了国民经济水平。但是，这也给部分城市带来了较为严重的污染问题，在我国的一些大中型城市，汽车已成为CO、NOX、HC等排放污染物的主要来源。同时，能源危机日趋严重，世界石油资源面临开采成本高、即将枯竭等问题。作为一个贫油国家，中国的石油资源并不乐观同时面临需求量不断增大的趋势，石油消费量持续增加。伴随着环境与能源问题的双重压力，寻求高效低污染的替代燃料已成为国内外研究热点[1]。
醇类燃料由于来源广泛，丰富，抗爆性良好，完全可以作为新型车用燃料的替代品。汽油或柴油能与醇类燃料按一定比例掺混，配制成混合燃料，也可以直接使用醇类燃料作为发动机的燃料[2]。与汽油相比而言，C3C5醇类燃料由于具有较高的输出效率，能源消耗量较低，相同工况下燃烧较为充分，有害气体排放较少，更为清洁。醇类燃料中，国内外研究比较多的主要集中在甲醇和乙醇。甲醇能够从天然气、煤碳、生物中提取；乙醇能够由含糖或淀粉的农作物发酵制成。但甲醇有毒，乙醇生产成本较高，且有腐蚀性。因此，近年来针对丙醇、丁醇、戊醇的研究逐渐受到重视。与丙醇有关的研究很少，并且主要限于均质混合压燃（HCCI）燃烧和火花点火（SI）发动机。正丁醇和正戊醇由于其优良的物理和化学性质, 可以作为柴油的添加剂，也可以与生物柴油一起使用，近年来广泛受到研究人员的关注。随着技术的不断提高，开发醇类燃料的余地将会很大。
本文以C3C5醇类燃料（丙醇、丁醇、戊醇）的简化机理在CHEMKIN软件中模拟分析为主要手段，通过对各个醇类燃料的机理验证和试验分析，来预测燃料的实验点火延迟、层流火焰速度和物质摩尔分数曲线，从而更全面的分析此类醇类燃料的优势。计算柴油添加不同比例的丙醇、丁醇、戊醇燃料时，柴油/正丙醇、柴油/异丙醇、柴油/正丁醇、柴油/正戊醇混合燃料的燃烧过程和产物形成，分析芳香烃以及小分子燃烧产物、自由基的生成云图。以更深入的了解添加C3C5酒精燃料对柴油发动机燃烧和排放的影响，为在不久的将来在柴油发动机上推广醇类燃料提供了一定参考。
1.2国内外研究现状
1.2.1柴油添加C3C5醇类燃料的基础燃烧的研究
目前，许多国内外科研团队都针对醇类燃料的添加燃烧进行了研究分析。荣英飞，张纪鹏，王德昌等人根据对正丁醇的物理和化学特性的研究，通过CHEMKIN软件模拟了正丁醇的延迟点火特性，研究了不同的边界条件对正丁醇点火延迟时间的影响，同时将其与乙醇的点火延迟时间进行对比分析[3]。从反应机理的角度，详细来分析影响正丁醇点火延迟的几个主要原因。结果表明，正丁醇混合燃料的点火延迟随着温度、压力和量比增加而缩短，正丁醇相较于乙醇点火延迟时间明显更长；点火延迟时间受到高温的严重影响，主要原因是脱氢反应在低温下引发丁醇链反应，很难迅速形成点火自由基；而随着温度的增加，正丁醇的C—C断裂反应加快，活性自由基数量的增加则会使得点火延迟随之缩短。
刘旋等人研究了不同比例的正丁醇和不同涡流比率对发动机经济性、动力性和排放的影响[4]。互溶性试验结果显示，在正常温度和正常压力下，正丁醇和柴油可迅速混合，无需添加溶解物质，且互溶性和稳定性良好。燃烧性能试验显示，在100%负荷的工况下， B0 B30范围内，混合燃料的延迟时间将逐渐延长，缸内的最大爆发压力将逐渐增加。在额定工况下， B40混合燃料的最大爆发压力比纯柴油降低10.5%，同时功率降低，不能满足能源需求。排放性能试验显示，在小负荷的情况下(10%，25%)，碳烟排放和一氧化氮排放略低于清洁柴油。中等负荷时(50%)，随着正丁醇比率的增加，混合燃料的碳烟排放量逐渐减少，但一氧化碳排放量基本保持不变。在大负荷时(75%，100%)，随着正丁醇的增加，一氧化氮排放不会增加，碳烟排放量也会大幅减少。在相同负荷的条件下，随着丁醇含量的增加，碳氢的排放量首先下降，然后增加。其中，B15混合燃料的碳氢排放量最低。在大负荷时，一氧化氮排放量随着正丁醇比例的增加而逐渐减少，而中小负荷时，一氧化氮排放量逐渐增加。经济性能试验表明，B5 ~ B20混合燃料消耗率与纯柴油相比，差异并不明显。B30混合燃料的消耗量比纯柴油增加了4.7%，B40混合燃料增加了23%。数值模拟结果表明，如果使用柴油，随着涡流比率的增加，气缸内的平均压力峰值将增加，缸内最高平均温度将上升，累积热量的释放和一氧化氮的排放量将逐渐减少。在B20情况下，随着涡流比率的增加，缸内平均压力和平均温度将逐渐上升，累积放热量和碳烟排放将逐渐减少，氧化氮的排放将首先增加，然后减少。在B30情况下，随着漩涡的增加，缸内平均压力、缸内平均温度、氮氧化物的逐渐升高，然后减少，累积放热量和碳烟排放逐渐减少。
目 录
1. 绪论 1
1.1选题的背景及意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.2.1柴油添加C3C5醇类燃料的基础燃烧的研究 2
1.2.2醇类燃料在发动机上的应用 3
1.3本文的主要研究工作 4
2. 模型的构建和验证 5
2.1软件的学习运用 5
2.2机理的来源 5
2.3机理的验证 6
2.3.1点火延迟的验证 6
2.3.2火焰速度的验证 9
2.4本章小结 10
3.柴油/正丙醇、柴油/异丙醇燃烧过程和产物分析 11
3.1正丙醇和异丙醇燃烧生成芳香烃分析 11
3.1.1正丙醇燃烧生成芳香烃分析 11
3.1. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
2异丙醇燃烧生成芳香烃分析 13
3.2柴油掺混正丙醇的芳香烃和小分子物质生成分析 15
3.2.1芳香烃 15
3.2.2小分子物质 18
3.3柴油掺混异丙醇的芳香烃和小分子物质生成分析 20
3.3.1芳香烃 20
3.3.2小分子物质 22
3.4本章小结 24
4. 柴油/正丁醇、柴油/正戊醇燃烧过程和产物分析 26
4.1正丁醇和正戊醇燃烧生成芳香烃分析 26
4.1.1正丁醇燃烧生成芳香烃分析 26
4.2.2正戊醇燃烧生成芳香烃分析 28
4.2柴油掺混正丁醇的芳香烃和小分子物质生成分析 30
4.2.1芳香烃 30
4.2.2小分子物质 33
4.3柴油掺混正戊醇的芳香烃和小分子物质生成分析 35
4.3.1芳香烃 35
4.3.2小分子物质 37
4.4本章小结 39
5.全文总结与展望 41
5.1全文总结 41
5.2工作展望 41
参考文献 42
致谢 43
1. 绪论
1.1选题的背景及意义
现代社会的发展和繁荣，离不开以内燃机为首的各类动力机械装置。有许多的交通工具都以内燃机作为动力来源。自1879年卡尔本茨发明世界上第一台二冲程试验性发动机距今已有140年的历史。随着汽车产业的蓬勃发展，汽车保有量迅猛增长，有力地推动了国民经济水平。但是，这也给部分城市带来了较为严重的污染问题，在我国的一些大中型城市，汽车已成为CO、NOX、HC等排放污染物的主要来源。同时，能源危机日趋严重，世界石油资源面临开采成本高、即将枯竭等问题。作为一个贫油国家，中国的石油资源并不乐观同时面临需求量不断增大的趋势，石油消费量持续增加。伴随着环境与能源问题的双重压力，寻求高效低污染的替代燃料已成为国内外研究热点[1]。
醇类燃料由于来源广泛，丰富，抗爆性良好，完全可以作为新型车用燃料的替代品。汽油或柴油能与醇类燃料按一定比例掺混，配制成混合燃料，也可以直接使用醇类燃料作为发动机的燃料[2]。与汽油相比而言，C3C5醇类燃料由于具有较高的输出效率，能源消耗量较低，相同工况下燃烧较为充分，有害气体排放较少，更为清洁。醇类燃料中，国内外研究比较多的主要集中在甲醇和乙醇。甲醇能够从天然气、煤碳、生物中提取；乙醇能够由含糖或淀粉的农作物发酵制成。但甲醇有毒，乙醇生产成本较高，且有腐蚀性。因此，近年来针对丙醇、丁醇、戊醇的研究逐渐受到重视。与丙醇有关的研究很少，并且主要限于均质混合压燃（HCCI）燃烧和火花点火（SI）发动机。正丁醇和正戊醇由于其优良的物理和化学性质, 可以作为柴油的添加剂，也可以与生物柴油一起使用，近年来广泛受到研究人员的关注。随着技术的不断提高，开发醇类燃料的余地将会很大。
本文以C3C5醇类燃料（丙醇、丁醇、戊醇）的简化机理在CHEMKIN软件中模拟分析为主要手段，通过对各个醇类燃料的机理验证和试验分析，来预测燃料的实验点火延迟、层流火焰速度和物质摩尔分数曲线，从而更全面的分析此类醇类燃料的优势。计算柴油添加不同比例的丙醇、丁醇、戊醇燃料时，柴油/正丙醇、柴油/异丙醇、柴油/正丁醇、柴油/正戊醇混合燃料的燃烧过程和产物形成，分析芳香烃以及小分子燃烧产物、自由基的生成云图。以更深入的了解添加C3C5酒精燃料对柴油发动机燃烧和排放的影响，为在不久的将来在柴油发动机上推广醇类燃料提供了一定参考。
1.2国内外研究现状
1.2.1柴油添加C3C5醇类燃料的基础燃烧的研究
目前，许多国内外科研团队都针对醇类燃料的添加燃烧进行了研究分析。荣英飞，张纪鹏，王德昌等人根据对正丁醇的物理和化学特性的研究，通过CHEMKIN软件模拟了正丁醇的延迟点火特性，研究了不同的边界条件对正丁醇点火延迟时间的影响，同时将其与乙醇的点火延迟时间进行对比分析[3]。从反应机理的角度，详细来分析影响正丁醇点火延迟的几个主要原因。结果表明，正丁醇混合燃料的点火延迟随着温度、压力和量比增加而缩短，正丁醇相较于乙醇点火延迟时间明显更长；点火延迟时间受到高温的严重影响，主要原因是脱氢反应在低温下引发丁醇链反应，很难迅速形成点火自由基；而随着温度的增加，正丁醇的C—C断裂反应加快，活性自由基数量的增加则会使得点火延迟随之缩短。
刘旋等人研究了不同比例的正丁醇和不同涡流比率对发动机经济性、动力性和排放的影响[4]。互溶性试验结果显示，在正常温度和正常压力下，正丁醇和柴油可迅速混合，无需添加溶解物质，且互溶性和稳定性良好。燃烧性能试验显示，在100%负荷的工况下， B0 B30范围内，混合燃料的延迟时间将逐渐延长，缸内的最大爆发压力将逐渐增加。在额定工况下， B40混合燃料的最大爆发压力比纯柴油降低10.5%，同时功率降低，不能满足能源需求。排放性能试验显示，在小负荷的情况下(10%，25%)，碳烟排放和一氧化氮排放略低于清洁柴油。中等负荷时(50%)，随着正丁醇比率的增加，混合燃料的碳烟排放量逐渐减少，但一氧化碳排放量基本保持不变。在大负荷时(75%，100%)，随着正丁醇的增加，一氧化氮排放不会增加，碳烟排放量也会大幅减少。在相同负荷的条件下，随着丁醇含量的增加，碳氢的排放量首先下降，然后增加。其中，B15混合燃料的碳氢排放量最低。在大负荷时，一氧化氮排放量随着正丁醇比例的增加而逐渐减少，而中小负荷时，一氧化氮排放量逐渐增加。经济性能试验表明，B5 ~ B20混合燃料消耗率与纯柴油相比，差异并不明显。B30混合燃料的消耗量比纯柴油增加了4.7%，B40混合燃料增加了23%。数值模拟结果表明，如果使用柴油，随着涡流比率的增加，气缸内的平均压力峰值将增加，缸内最高平均温度将上升，累积热量的释放和一氧化氮的排放量将逐渐减少。在B20情况下，随着涡流比率的增加，缸内平均压力和平均温度将逐渐上升，累积放热量和碳烟排放将逐渐减少，氧化氮的排放将首先增加，然后减少。在B30情况下，随着漩涡的增加，缸内平均压力、缸内平均温度、氮氧化物的逐渐升高，然后减少，累积放热量和碳烟排放逐渐减少。
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