甲醇是煤基燃料,可以通过煤化工方式进行生产,这对于富煤贫油少气的中国来说,不失为一种非常好的选择。诸多研究表明,甲醇是一种最有可能在中国全国范围内大面积推广应用的汽车代用燃料之一。针对甲醇燃料发动机冷启动困难和非常规排放物高的问题,利用非平衡等离子体点火和助燃技术,为改善甲醇燃料燃烧和排放性能提供了新的思路。本文通过数值模拟的方法探索甲醇空气混合气等离子体的放电过程,通过研究甲醇空气等离子体放电过程机理、电子能量分布特性及活性粒子的产生和发展等,分析等离子体放电过程中影响活性粒子产生效率的主要因素;借助化学动力学软件CHEMKIN中的密闭、均匀、完全混合反应器模型在给定温度、压力及反应物组分浓度等初始条件下进行等离子体助燃甲醇燃料着火燃烧的模拟计算,通过耦合等离子体放电计算结果,对等离子体放电产生的活性粒子在燃烧过程中的助燃机理及助燃效果进行分析和研究;针对非平衡等离子体助燃在甲醇发动机中的应用,利用AVL FIRE软件通过建立甲醇发动机模型仿真在进气歧管处电离空气产生的主要活性物质臭氧对甲醇发动机的助燃作用,分析不同比例臭氧的添加对甲醇发动机稳态和冷启动工况燃烧排放特性的影响。研究得到以下结论:1.甲醇空气等离子体放电过程中的反应动力学机理主要有电子碰撞激发、离解和电离反应,激发态与中性分子的猝灭反应,离子/电子的二次结合反应;电子能量分布特性受到约化场强、电离度和气体组分浓度的影响,其中,约化场强、电离度的提高使电场内高能电子比例上升,气体组分浓度对电子能量分布的影响可以忽略不计;等离子放电过程中自由基的产生主要发生在电子能量3~10e V之间的电子碰撞反应中,约化场强由70Td上升至220Td过程中,3~10e V的电子比例迅速升高,因此此时自由基的浓度也将大幅度提高;甲醇空气等离子体中主要活性粒子有自由基O、H、CH2OH、CH3和OH;在约化场强为220Td至400Td区间自由基的产生效率较高,适合应用于等离子体助燃过程中。2.等离子体助燃甲醇燃料燃烧可以有效的缩短着火延迟期,活性粒子中氧原子的浓度对着火延迟期的缩短起着关键的作用;等离子体助燃条件下,系统内温度达到最高时对应的时间提前;由于活性粒子的加入甲醇燃料着火延迟时间缩短,反应物向产物的转变过程也因此提前,主要中间产物浓度达到峰值时间减小。3.在进气歧管处电离空气产生的主要活性物质臭氧对优化甲醇发动机冷启动和燃烧排放特性有一定的促进作用:稳态工况下,活性物质臭氧可以使甲醇发动机燃烧质量得到提高并且可以有效的降低排放物浓度,这主要是由于臭氧发生分解反应生成氧原子,随后氧原子又与气缸内甲醇发生了一系列链式化学反应,产生小分子燃料、自由基等活性物质使缸内温度得到上升并促使缸内火焰传播速度提高,燃烧更加迅速完全,从而使甲醇发动机燃烧排放特性得到了优化;冷起动工况下,在未添加臭氧前发动机燃烧质量差,非常规排放高;随着添加臭氧比例的提高,发动机的燃烧排放质量得到优化,缸内有更多的甲醇燃料参与燃烧,缸内温度和缸内压力上升显著,臭氧的添加可以有效的改善甲醇发动机冷启动性能。综上所述,甲醇空气等离子体助燃可以有效的缩短甲醇燃料燃烧的着火延迟期,燃烧氧化反应速率得到了明显的加速,使甲醇燃料燃烧更加稳定,火焰传播速度得到提高;空气等离子体助燃甲醇发动机过程中,活性物质臭氧的添加可以有效的提高甲醇发动机燃烧质量和降低排放物浓度,并且在解决甲醇发动机冷启动问题方面效果显著。