汽车潜在代用燃料叔丁醇对异丁烷燃烧芳香烃生成的影响研究【字数：18699】
随着我国汽车保有量的大幅增加，环境被严重污染，危及人们的健康和生活。丁醇属于清洁替代燃料，在汽车燃料中添加丁醇可以实现清洁燃烧，有助于实现燃料多元化，有效地降低发动机有害排放物。开展汽油添加丁醇燃料的燃烧动力学过程研究，有助于理解丁醇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。本文构建了异丁烷掺混丁醇燃烧的化学反应动力学机理，研究燃烧生成的芳香烃前驱物A1-A7的变化过程。针对异丁烷掺混叔丁醇，研究当量比不同、叔丁醇比例不同情况下生成A1-A7和小分子物质的摩尔分数图及A1-A7的反应速率图，分析异丁烷掺混叔丁醇燃烧芳香烃生成的影响。针对不同叔丁醇掺混比例对燃烧过程和芳香烃生成过程的影响规律，研究结果表明，随着叔丁醇掺混比例的增加，A1-A7的摩尔分数峰值逐渐增加。A1-A7的摩尔分数曲线随温度的升高先上升后下降，在一定区间温度达到峰值。针对不同叔丁醇掺混比例对燃烧过程和芳香烃生成路径的影响规律，研究结果表明，随着叔丁醇掺混比例的增加，A1-A7相关反应的速率不同；随着当量比的增加，A1-A7相关反应的速率逐渐升高。
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 烷烃燃烧的研究 2
1.2.2 添加丁醇对燃烧与排放的影响 3
1.2.3 芳香烃的形成 4
1.3 本文的主要研究工作 5
2 机理的构建与验证 6
2.1 化学计算软件CHEMKIN简介 6
2.2 机理的来源 6
2.3 机理的验证 7
2.4 本章小结 8
3 掺混叔丁醇对PAHs和小分子摩尔分数的影响 9
3.1 计算条件 9
3.2 叔丁醇掺混比例对PAHs生成的影响分析 10
3.3 当量比对PAHs生成的影响分析 14
3.4 叔丁醇掺混比例对小分子生成的影响分析 18
3.5本章小结 20
4 掺混叔丁醇对PAHs生成路径的影响 21
4.1 计算条件 21
4.2 叔丁醇掺混比例的分析 22
4.3 当量 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
比对PAHs生成的影响分析 25
4.4本章小结 29
5 全文总结与展望 30
5.1全文总结 30
5.2工作展望 31
参考文献 32
致谢 33
1.绪论
1.1 选题的背景及意义
近十几年来，在工业革命不断发展的背景下，由于我国经济和城镇化进程的快速发展，汽车生产数量和保有量飞速增长。人类社会在不断进步和发展当中，人民生活水平在不断提高和美满当中，汽车已经成为现代社会不可或缺的组成部分。
汽车产业的快速发展体现了我国国民经济实力快速增强，汽车产业的发展状况代表了我国国民经济的发展趋势，同时影响了国家工业的发展的方向。随着世界各国的飞速发展，能源需求越来越多，能源紧张和环境污染问题愈发严重。在我国，车用发动机主要有汽油机和柴油机两大基本机型，而汽油和柴油都是不可再生资源。经历了第一次石油危机后，通过对发动机经济性方面的研究，世界各国发动机设计制造企业改善了发动机的经济性能。随着汽车工业的迅猛发展，对石油的需求量越来越大，同时，由于世界汽车保有量的增加和各国对环保的重视，降低汽车排放问题迫在眉睫。
汽车虽然给我们带来了便捷，但是它很大程度上也破坏了全球生态环境。我国的大气主要污染源是汽车排放物，其有害排放物主要为HC、CO、NOx以及颗粒物。有研究表明，汽车排放的有害污染物已经超过了整个大气污染物的50%，排放出的污染物对人们的健康生活造成了很大伤害和影响。一些文献表明，汽油机燃用无铅汽油后尾气排放中多环芳香烃的含量约为含铅汽油的2.2倍。此外，化石燃料的不断燃烧使得大气中的CO2含量剧增，加剧了温室效应，破坏了生态环境，使人类时刻处于危险的环境当中。在面临能源消耗和环境污染的双重问题下，各国的研究者都着重探索高效清洁的代替型能源，达到降低石油燃料的开采和排放污染，提高汽车能效的目的。
芳香烃是一种分布广泛且而且难于降解的有机物，对环境而言，城市大气中多环芳香烃的含量随着无铅汽油的普遍推广使用产生相应的变化；对人体而言，汽油机排出的多环芳香烃所吸附的处于呼吸性粉尘范围内的微粒随着呼吸运动可带入人肺组织深处，其中有一些还会被直接吸收到血液中，诱发多种癌症，给人们的身体健康造成极大的危害。
由此可见，资源匮乏和污染排放是我们急需解决的问题，同时对研究者们来说是一个巨大挑战。各国的研究者需要通过努力找寻和研究出具有高效清洁特点的替代燃料，来改善内燃机排放造成的污染问题和能源短缺问题。
1.2 国内外研究现状
醇类燃料包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇等高碳醇，是有机化合物的一大类。醇类燃料具有热值低、辛浣值高、沸点及蒸汽压低、汽化潜热大、着火界限宽等特点，正是由于辛烷值高而十六烷值低，醇类燃料有利于汽油机上的应用，而不太有利于运用在柴油机上。
乙醇是一种液体生物燃料，乙醇的理化和热工性能和汽油相似，被认为是最有前景的汽车清洁代用燃料之一，由于乙醇的十六烷值低，其着火性能变差，但是其含氧有助于完全燃烧，而且蒸发性能好，可以产生微爆效应，综合乙醇燃料的理化特性，能影响发动机的燃烧和排放。
1.2.1 烷烃燃烧的研究
针对烷烃燃烧的研究，国内谭满志、刘召震等学者进行了烷烃燃烧特性的研究，做了大量的实验，得到了关于烷烃燃烧特性的一些规律。
吉林大学的谭满志等人[1]按替代燃料的要求，在满足国Ⅳ排放要求的柴油发动机结构和参数不做变动情况下，选用生物柴油（BTL）和天然气合成柴油（GTL）两种液体燃料，分别配制六种不同含量的混合燃料，对混合燃料进行理化特性分析，在同一柴油机机型全工况下深入研究替代燃料对柴油机燃烧特性、常规排气污染物、稳态和瞬态工况排气微粒粒径分布的影响规律，探究燃料理化特性参数变化对柴油机燃烧和排放特性的影响程度，确定排气污染物和排气微粒粒径分布特征和关键影响因素。他们基于实时数据测量与采集，搭建了满足国Ⅳ排放要求的增压中冷高压共轨柴油机的测试平台。开发设计了分流式排气微粒稀释采样系统和排气微粒粒径分布测量稀释采样系统。
针对正庚烷/异戊醇混合燃料HCCI燃烧与排放特性的研究，刘召震[2]等人建立了混合燃料HCCI试验台架系统，采用正庚烷/异戊醇混合燃料，以发动机台架试验为基础，分析了燃料混合比例、进气温度、过量空气系数和发动机转速对混合燃料HCCI燃烧特性和排放特性的影响，并且研究了HCCI的运行范围。得到的结果显示，经过对HCCI运行范围的分析发现，为了扩大混合燃料HCCI的运行范围，可在小负荷工况下适当增加正庚烷比例，以获得较好的小负荷工况适应性；在大负荷工况下适当增加异戊醇比例，以获得较好的大负荷工况适应性。其次，他们发现恰当的升高进气温度能够扩大HCCI运行范围。
他们发现随着混合燃料中生物柴油含量的增加，燃烧特性的滞燃期略有延长。当柴油机中大负荷工况时，最高燃烧压力降低，最大放热率和最大压力升高率增加；CO、HC、PM和碳烟排放减少，NOx排放增加。但在小负荷工况表现出相反的规律。而当稳态工况时，柴油燃料的排气微粒粒径分布呈单峰结构，生物柴油呈核态模式和积聚态模式的双峰结构。
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 烷烃燃烧的研究 2
1.2.2 添加丁醇对燃烧与排放的影响 3
1.2.3 芳香烃的形成 4
1.3 本文的主要研究工作 5
2 机理的构建与验证 6
2.1 化学计算软件CHEMKIN简介 6
2.2 机理的来源 6
2.3 机理的验证 7
2.4 本章小结 8
3 掺混叔丁醇对PAHs和小分子摩尔分数的影响 9
3.1 计算条件 9
3.2 叔丁醇掺混比例对PAHs生成的影响分析 10
3.3 当量比对PAHs生成的影响分析 14
3.4 叔丁醇掺混比例对小分子生成的影响分析 18
3.5本章小结 20
4 掺混叔丁醇对PAHs生成路径的影响 21
4.1 计算条件 21
4.2 叔丁醇掺混比例的分析 22
4.3 当量 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
比对PAHs生成的影响分析 25
4.4本章小结 29
5 全文总结与展望 30
5.1全文总结 30
5.2工作展望 31
参考文献 32
致谢 33
1.绪论
1.1 选题的背景及意义
近十几年来，在工业革命不断发展的背景下，由于我国经济和城镇化进程的快速发展，汽车生产数量和保有量飞速增长。人类社会在不断进步和发展当中，人民生活水平在不断提高和美满当中，汽车已经成为现代社会不可或缺的组成部分。
汽车产业的快速发展体现了我国国民经济实力快速增强，汽车产业的发展状况代表了我国国民经济的发展趋势，同时影响了国家工业的发展的方向。随着世界各国的飞速发展，能源需求越来越多，能源紧张和环境污染问题愈发严重。在我国，车用发动机主要有汽油机和柴油机两大基本机型，而汽油和柴油都是不可再生资源。经历了第一次石油危机后，通过对发动机经济性方面的研究，世界各国发动机设计制造企业改善了发动机的经济性能。随着汽车工业的迅猛发展，对石油的需求量越来越大，同时，由于世界汽车保有量的增加和各国对环保的重视，降低汽车排放问题迫在眉睫。
汽车虽然给我们带来了便捷，但是它很大程度上也破坏了全球生态环境。我国的大气主要污染源是汽车排放物，其有害排放物主要为HC、CO、NOx以及颗粒物。有研究表明，汽车排放的有害污染物已经超过了整个大气污染物的50%，排放出的污染物对人们的健康生活造成了很大伤害和影响。一些文献表明，汽油机燃用无铅汽油后尾气排放中多环芳香烃的含量约为含铅汽油的2.2倍。此外，化石燃料的不断燃烧使得大气中的CO2含量剧增，加剧了温室效应，破坏了生态环境，使人类时刻处于危险的环境当中。在面临能源消耗和环境污染的双重问题下，各国的研究者都着重探索高效清洁的代替型能源，达到降低石油燃料的开采和排放污染，提高汽车能效的目的。
芳香烃是一种分布广泛且而且难于降解的有机物，对环境而言，城市大气中多环芳香烃的含量随着无铅汽油的普遍推广使用产生相应的变化；对人体而言，汽油机排出的多环芳香烃所吸附的处于呼吸性粉尘范围内的微粒随着呼吸运动可带入人肺组织深处，其中有一些还会被直接吸收到血液中，诱发多种癌症，给人们的身体健康造成极大的危害。
由此可见，资源匮乏和污染排放是我们急需解决的问题，同时对研究者们来说是一个巨大挑战。各国的研究者需要通过努力找寻和研究出具有高效清洁特点的替代燃料，来改善内燃机排放造成的污染问题和能源短缺问题。
1.2 国内外研究现状
醇类燃料包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇等高碳醇，是有机化合物的一大类。醇类燃料具有热值低、辛浣值高、沸点及蒸汽压低、汽化潜热大、着火界限宽等特点，正是由于辛烷值高而十六烷值低，醇类燃料有利于汽油机上的应用，而不太有利于运用在柴油机上。
乙醇是一种液体生物燃料，乙醇的理化和热工性能和汽油相似，被认为是最有前景的汽车清洁代用燃料之一，由于乙醇的十六烷值低，其着火性能变差，但是其含氧有助于完全燃烧，而且蒸发性能好，可以产生微爆效应，综合乙醇燃料的理化特性，能影响发动机的燃烧和排放。
1.2.1 烷烃燃烧的研究
针对烷烃燃烧的研究，国内谭满志、刘召震等学者进行了烷烃燃烧特性的研究，做了大量的实验，得到了关于烷烃燃烧特性的一些规律。
吉林大学的谭满志等人[1]按替代燃料的要求，在满足国Ⅳ排放要求的柴油发动机结构和参数不做变动情况下，选用生物柴油（BTL）和天然气合成柴油（GTL）两种液体燃料，分别配制六种不同含量的混合燃料，对混合燃料进行理化特性分析，在同一柴油机机型全工况下深入研究替代燃料对柴油机燃烧特性、常规排气污染物、稳态和瞬态工况排气微粒粒径分布的影响规律，探究燃料理化特性参数变化对柴油机燃烧和排放特性的影响程度，确定排气污染物和排气微粒粒径分布特征和关键影响因素。他们基于实时数据测量与采集，搭建了满足国Ⅳ排放要求的增压中冷高压共轨柴油机的测试平台。开发设计了分流式排气微粒稀释采样系统和排气微粒粒径分布测量稀释采样系统。
针对正庚烷/异戊醇混合燃料HCCI燃烧与排放特性的研究，刘召震[2]等人建立了混合燃料HCCI试验台架系统，采用正庚烷/异戊醇混合燃料，以发动机台架试验为基础，分析了燃料混合比例、进气温度、过量空气系数和发动机转速对混合燃料HCCI燃烧特性和排放特性的影响，并且研究了HCCI的运行范围。得到的结果显示，经过对HCCI运行范围的分析发现，为了扩大混合燃料HCCI的运行范围，可在小负荷工况下适当增加正庚烷比例，以获得较好的小负荷工况适应性；在大负荷工况下适当增加异戊醇比例，以获得较好的大负荷工况适应性。其次，他们发现恰当的升高进气温度能够扩大HCCI运行范围。
他们发现随着混合燃料中生物柴油含量的增加，燃烧特性的滞燃期略有延长。当柴油机中大负荷工况时，最高燃烧压力降低，最大放热率和最大压力升高率增加；CO、HC、PM和碳烟排放减少，NOx排放增加。但在小负荷工况表现出相反的规律。而当稳态工况时，柴油燃料的排气微粒粒径分布呈单峰结构，生物柴油呈核态模式和积聚态模式的双峰结构。
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