摘 要

甲醇和乙醇是清洁的可再生能源。相比于汽油等传统碳氢燃料，醇类燃料能够有效地减小发动机的颗粒物等污染物排放。系统研究醇类燃料燃烧污染物（如氮氧化物、一氧化碳、甲醛）的生成规律成为重要的研究方向。本文基于预混火焰模型和详细化学反应机理，研究了甲醇和乙醇预混火焰污染物生成的规律和机制。计算并分析了不同当量比、不同压强等条件下甲醇和乙醇火焰NO_x、CO和CH₂O等污染物的生成情况，结果表明：

（1）随着当量比的增加，甲醇火焰和乙醇火焰CO的排放将增加。且同一当量比下，乙醇火焰的CO排放比甲醇火焰的CO大；随当量比的增加，甲醇火焰NO的排放呈现先增后减的趋势，而乙醇火焰随当量比增大NO先增后减，在大当量比时又再次增加；随着当量比的增加，甲醇和乙醇火焰甲醛排放的峰值逐渐增大。且同一当量比下，乙醇火焰的甲醛排放峰值比甲醇火焰的低。

（2）随着压强的增加，甲醇和乙醇火焰CO的排放逐渐减少且两种火焰CO的排放相差不大；甲醇和乙醇火焰NO的排放会随压强的升高而增加，相比于甲醇火焰，乙醇火焰具有较高的NO排放；随着压强的增加，乙醇火焰甲醛的峰值逐渐减小而甲醇的峰值在逐渐增大。

本文的研究促进了对醇类燃料燃烧污染物排放规律的认识，为减少发动机的排放提供了理论支撑。

关键词：醇类燃料；预混火焰；NO_x；醛类

Abstract

Methanol and ethanol are clean and renewable energy sources. Compared to traditional gasoline such as hydrocarbons, alcohol fuel can effectively reduce the emissions of particulate matters and other pollutant in engine. It is important to study the formation of pollutants (such as nitrogen oxides, carbon monoxide and formaldehyde) of alcohol combustion. Based on the premixed flame model and detailed chemical reaction mechanism, the regularity and mechanism of the formation of pollutants in methanol and ethanol premixed flame were studied. The mechanism of the formation of pollutants such as NO_x, CO and CH₂O in methanol and ethanol flames under different equivalence ratios and different pressures was calculated and analyzed. The results showed as follows:

1. With the increase of the equivalent ratio, the CO emission of methanol and ethanol flames increased. At the same equivalent ratio, the CO emission of the ethanol flame is larger than that of the methanol flame; With the increase of the equivalent ratio, the NO emission of methanol flame increased first and then decreased. As for ethanol flames, the NO emission increased first and then decreased with the increase of equivalent ratio, but it will increased again with the ratio increasing continuously; With the increase of the equivalent ratio, the emission peak of formaldehyde in methanol flames and ethanol flames both increased. And the peak of ethanol flames is lower than that of methanol flames.
2. As the pressure increases, the CO emissions of methanol flames and ethanol flames will gradually decrease. And the emissions of these two flames are nearly in the same level. As the pressure increases, the NO emissions of methanol flames and ethanol flames will increase, and the emissions of methanol flames is slightly lower than that of methanol. As the pressure increases, the emission peak of formaldehyde of ethanol flames will gradually decrease while that of methanol flames will increase.

The research of this paper has further improved the emission laws of alcohol fuel, and provided the theoretical basis for reducing the emission of the engine.

Key Words：Alcohol fuel；premixed flame；NO_x； aldehydes

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 能源、环境问题 1

1.1.2 醇类燃料发动机及污染物 2

1.2 国内外的研究现状 3

1.3 本文主要研究内容 6

第2章 数值计算模型 8

2.1软件及火焰模型介绍 8

2.1.1 CHEMKIN软件介绍 8

2.1.2预混火焰模型 9

2.2 反应机理 9

第3章 当量比对污染物生成规律影响的计算分析 11

3.1 CO的生成情况 11

3.2 NO的生成情况 13

3.3 CH₂O的生成情况 17

第4章 压强对污染物生成规律影响的计算分析 21

4.1 CO的生成情况 21

4.2 NO的生成情况 22

4.3 CH₂O的生成情况 23

第5章 总结 25

5.1 结论 25

5.2 不足与展望 25

参考文献 27

致谢 29

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 能源、环境问题

能源问题是工业社会的发展与进步过程中不可避免的一个话题。迄今为止，人类社会经历了三次能源革命，从最初的钻木取火到后来的蒸汽机时代，再到核能时代^[1]，每一次能源体系上的重大变革，都会引起工业水平上的飞速进步。而随着工业的快速发展，越来越多的环境问题也逐渐地显现出来。环境问题的表现之一就是全球变暖现象。全球变暖的危害是显而易见的，冰川消融、海平面上升，这一系列的变化将导致人类的生存空间进一步减少，随之而来的就是一系列的气候灾害。近年来全球变暖的现象有所停滞，学者研究表明，这种停滞现象只是暂时，而在这种停滞之后，迎接我们的将是更加严峻的变暖问题。全球变暖的形式并不容乐观^[2]。

提到环境问题，不得不提到的另一点就是雾霾现象。雾霾形成的很大一部分原因就是汽车的尾气排放。在我国改革开放的四十年内，社会有了很快的发展，汽车产业作为国民经济的支柱产业之一，发展更为迅猛。我国的人均汽车保有量也在逐年增长。而汽车保有量的增加，除了导致温室气体的排放增加^[3-5]，还在一定程度上导致了雾霾的形成。因此，汽车产业有着义不容辞的责任为减少排放出一份力。所以，减少汽车排放是现在汽车领域的一大研究热门。大量的学者在减少尾气排放上，做了丰富的研究。他们在传统内燃机上做着不断的改进，争取在降低燃油消耗的同时力求减小排放。这种形势下各种新兴技术层出不穷，如高压共轨技术、HCCI等。