环己烷类燃料热解与燃烧化学反应动力学机理研究

Cycloalkanes are important chemical components in real fuels, account for more than 30% in conventional diesel. Dehydrogenation of cycloalkanes to produce aromatics is an important pathway leaing to soot formation during cycloalkane combustion. Thus, cycloalkanes are more likely to produce polluant emissions than alkanes when used in engines. Fundamental and in-depth understanding of cycloalkane pyrolysis and combustion kinetics is crucial to address energy and environmental problems by providing much needed knowledge to promote clean combustion of hydrocarbon fuels and design of the next generation high efficiency and low emission engines. The main objective of this research is to identify, quantify and assemble the detailed reaction mechanisms of monoalkylcyclohexanes, one of the major fuel classes in real fuels. Experiments will be conducted using High Temperature High Pressure (HTHP) rapid compression machine, covering a wide range of pressure, temperature, O2 concentration, and equivalence ratio conditions relevant to real engines. Experimental data will include ignition delay, intermediate species concentration， and soot volume fraction. Based on the experimental results, detailed analysis of combustion and pyrolysis pathways, mechanisms of soot formation will be conducted. Physical properties of combustion intermediates and key reaction rates will be calculated based on the theory of quantum chemistry. The ultimate goal is to develop detailed reaction mechanisms for monoalkylcyclohexanes.

环烷烃是碳氢类燃料的重要组成部分，在柴油中所占的比例高达30%以上。环烷烃可能通过脱氢反应生成芳香烃，因此在燃烧的过程中比烷烃更容易生成颗粒物。研究环烷烃的热解和燃烧反应动力学机理将为实现燃料的清洁高效利用、燃料与发动机的综合设计和优化提供燃烧理论基础。 本项目的主要目标是通过实验和理论计算的方法，解析、量化、组合环己烷类燃料的热解和燃烧反应机理并构建详细的化学反应动力学模型。在实验方面，将利用高温高压快速压缩机，研究压力、温度、氧气浓度、空燃比对环己烷类燃料的热解和燃烧过程的影响，并获得具有代表性的实验数据：着火延迟期、反应中间产物、以及碳烟体积浓度变化。在实验的基础上归纳总结环己烷类燃料的热解和燃烧化学反应机理，颗粒物生成机理。结合量子化学理论，分析热解和燃烧化学反应步骤和途径，计算核心基元反应速率并构建热力学数据库，最终构建经实验结果验证的热解和燃烧反应动力学模型。

本项目的主要目标是通过实验、理论计算和计算机辅助机理自动生成的方法，解析、量化、组合、开发环己烷类燃料的热解和燃烧反应机理并构建详细的化学反应动力学模型。主要进展如下：1）完成了快速压缩机快速采样系统的搭建和完善，成功实现了燃烧过程快速取样，并将其应用于异丁醇燃烧化学的研究，为进一步研究环己烷类热解和燃烧提供了更有针对性的实验手段；2）研究了甲基环己烷和异辛烷第一级着火延迟负温度系数特性，分析了控制碳氢燃料低温着火的关键反应类型，为下一步更有效地开发环烷烃燃烧机理提供了指导；3）利用可视化方法研究了快速压缩机中的压力振荡模式，以利于深入理解快速压缩机中的着火过程；4）使用化学机理自动生成工具Reaction Mechanism Generator (RMG)生成甲基环己烷(MCH)的低温燃烧机理；5）使用RMG预测甲基苯酚类添加剂的抗爆性，构建的环己烷类燃料机理应用于发动机工况下的模拟。