摘 要

能源危机环境问题日趋严重，排放法规日趋严格，这就对发动机提出了更高的要求。而为了能解决相关问题，替代燃料的研究正逐渐变得热门，人们正在积极寻找各种可作为发动机动力燃料的物质。近年来正丁醇作为柴油机替代燃料的研究比较热门。正丁醇是一种可再生燃料来源广，制取方便，它的十六烷值相比于其他醇类也更加接近柴油。而且正丁醇不需要添加任何助溶剂就能与柴油有较高比例的混合，挥发性低，腐蚀性低，有利于储存和运输。由于这些优点，可以看出正丁醇作为替代燃料的潜力。查阅正丁醇的相关研究发现，目前正丁醇作为替代燃料来减少碳烟排放方面的研究比较多，也比较成熟，而对正丁醇减少碳烟前驱物（PAH）的机理研究就相对较少。众所周知，碳烟前驱物是碳烟形成过程中的关键组分，准确的预测碳烟前驱物的生成是预测碳烟生成的前提。所以本文主要是研究正丁醇减少碳烟前驱物的生成机理。在研究中，由于柴油的组分很多，而且柴油燃烧也很复杂，所以本文以正庚烷作为柴油的表征燃料来进行相关的研究。

本文的主要工作是：

（1）介绍了正庚烷/正丁醇-PAH骨架模型的构建思想和验证方法。

（2）大分子骨架机理和PAH生成机理的构建。

（3）正庚烷/正丁醇-PAH机理在滞燃期、层流火焰速度和燃烧关键组分三方面的验证。

（4）机理构建完成后，对不同正丁醇掺混比（0、10%、20%和30%）的混合燃料进行燃烧模拟计算，根据结果分析正丁醇对碳烟前驱物（苯（A₁）萘（A₂）菲（A₃）芘（A₄））生成的影响。

结果表明：

（1）本文所构建的机理能够很好的反应燃料的燃烧过程。

（2）正丁醇的添加可以明显降低四种碳烟前驱物的生成。

（3）随着正丁醇掺混比的增加，碳烟前驱物生成峰值降低的就越多。

（4）含氧燃料正丁醇添加减少碳烟前驱物的生成是通过移除其形成过程中碳原子来实现的。

关键词：正庚烷，正丁醇，碳烟，PAH，机理

Abstract

Energy crisis Environmental problems are becoming increasingly serious, emission regulations become more stringent, which put forward a higher demand for the engine. In order to solve the relevant problems, alternative fuel research is gradually becoming popular, people are actively looking for a variety of engine fuels can be used as fuel. In recent years, butanol as a diesel alternative fuel research is more popular. Butanol is a source of renewable fuels that are readily available and its cetane number is also closer to diesel than other alcohols. And butanol does not need to add any co-solvent can be mixed with a higher proportion of diesel, low volatility, low corrosive, conducive to storage and transportation. Because of these advantages, the potential of n-butanol as an alternative fuel can be seen. The study of n-butanol found that the current butanol as an alternative fuel to reduce the soot emissions of more research, but also more mature, and n-butanol to reduce the mechanism of cigarette smoke precursors is relatively small. It is well known that the soot precursor is a key component in the process of soot formation. Accurate prediction of the generation of soot precursors is a prerequisite for predicting the generation of soot. Therefore, this paper is mainly to study the mechanism of n-butanol to reduce the generation of soot precursor. In the study, due to the many components of diesel, and diesel combustion is also very complex, so this article with n-heptane as diesel fuel to carry out the relevant research.

The main work of this paper is:

(1) This paper introduces the construction idea and verification method of n-heptane / n-butanol-PAH skeleton model.

(2) The mechanism of macromolecule skeleton and PAH formation mechanism.

(3) The n-heptane / n-butanol-PAH mechanism in the time of ignition, laminar flame speed and combustion of key components of the three aspects of verification.

(4) After the construction of the mechanism is completed combustion simulations were carried out for mixed fuels with different n-butanol blending ratios (0, 10%, 20% and 30%).The effects of n-butanol on the formation of propane (A₁) naphthalene (A₂) phenanthrene (A₃) pyrene (A₄) were investigated.

The results show:

(1) The mechanism constructed in this paper is a good way to reflect the combustion process of the fuel.

(2) Addition of n-butanol can significantly reduce the formation of four kinds of soot precursors.

(3) With the increase of n-butanol blending ratio, the more the peak of the soot precursor is reduced.

(4) Affter addition of n-butanol to oxygen-containing fuels,the production of soot is reduced by removing the carbon atoms in its formation.

Key words: n-Heptane ; n-Butanol ; Soot ; PAH ; Mechanism

目 录

第1章 绪 论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 正丁醇作为替代燃料的优点 2

1.3 碳烟的生成机理 2

1.4 柴油-正丁醇、碳烟相关研究现状 4

1.4.1 柴油-正丁醇研究现状 4

1.4.2 碳烟、PAH生成研究现状 5

1.5 本课题研究的内容 7

1.6 本章小结 7

第2章 模型的构建方法和验证方法 8

2.1 模型的构建方法 8

2.1.1 内核的选取 8

2.1.2 大分子骨架机理 8

2.1.3 PAH骨架的构建方法 8

2.1.4 化学反应常数的优化 9

2.2 模型的验证方法 9

2.3 本章小结 10

第3章 正庚烷/正丁醇-PAH机理的构建 11

3.1 正庚烷骨架模型 11

3.2 正丁醇骨架机理的构建 13

3.3 PAH生成机理的构建 14

3.4 正庚烷/正丁醇-PAH机理的验证 16

3.4.1 滞燃期验证 16

3.4.2层流火焰速度验证 18

3.4.3燃烧关键组分的验证 20

3.5 本章小结 23

第4章 正丁醇掺比对正庚烷碳烟前驱物PAH生成的影响 24

4.1 模拟方法 24

4.2 结果与讨论 25

4.2.1 正丁醇添加的热效应分析 25

4.2.2 碳通量的分析 29

4.3 本章小结 31

第5章 结 论 32

5.1 全文总结 32

5.2 展望 32

参考文献 34

致 谢 37

绪 论

1.1 课题研究背景及意义

自从内燃机被发明至现在大约有100多年的历史，而在这一百多年间，内燃机经过一系列的改进和创新，在不断的发展进步。现在，我们生活中的内燃机的优点主要有：结构紧凑、机动性强、热效率高、运行和维修方便等。就是由于这些优点，使得内燃机能在工业、农业、交通运输业以及人们日常生活中得到了广泛而充分的利用。而作为动力机械，内燃机在汽车、船舶、航天以及各种工程机械上的地位也无可替代。目前，全世界内燃机有十几亿台，数量之大，涉及领域之广，不仅方便人们生活，促进人类文明的发展，而且还带来了很多棘手的问题，主要表现在能源危机和环境污染两个方面。

众所周知，内燃机所消耗的能源是不可再生的化石燃料，据报道，目前已探明的石油储量只能够供人类以目前消耗水平消耗35年左右，这是全世界所面临的能源问题。而随着我国近30年经济的不断发展，社会的不断进步，中国取得了举世瞩目的成就，但同时我们对能源的依赖更加明显，我们所面临的能源问题同样更加严峻。据相关数据显示，我国在2006年，仅一年的能源消耗量就达到3.5亿吨，预计等到2020年左右，我国能源年消耗量将达到5.63亿吨^[1]。而中国不仅是世界第一能源消耗国，同时又是一个石油储量贫乏的国家，我国石油人均剩余可采储量仅有世界平均水平的7.7%。综合这两方面可以看出，我国目前就已经面临着十分严重的石油短缺问题。随着我国的不断发展，我们对石油的消耗将进一步加大，但我国石油储量有限，这就造成我们对石油进口的依赖不断加大，而能源依赖进口对我国的能源安全甚至国家安全是一个潜在威胁，这对我国经济的可持续发展也会是个非常不利的因素。