等离子体辅助燃烧中的激发态动力学

Plasma assisted combustion (PAC) is a promising technology to improve engine performance and increase flame stability due to its ability to shorten the ignition delay time, broaden the extinction limit and improve the combustion efficacy which will ultimately reduce pollutant emission. The most important promoter are the abundantly produced excited states and reactive radicals that benefit chain propagation and chain branching process during combustion. Hence the low temperature reactivity can be effectively altered by the PAC technique. We selected butane and n-heptane as the prototypical fuel molecules, to study the important excited chemistry involved in the PAC process such as reactions of fuel molecule and fuel radical with O(1D) and O2(a1Δg) by theoretical methods. The objective of this project is to explore the role of electronically excited states and vibrationally excited states in promoting low temperature combustion. With combined approach of multi-reference quantum chemistry method, reaction kinetic calculation and molecular dynamic simulation, new reaction pathways will be probed and the reaction mechanism of PAC will be constructed. This project will give theoretical insights into the excited chemistry involved in PAC as well as providing accurate kinetic data of these reactions which can be useful in the design and optimization of PAC implemented novel combustion engines.

等离子体辅助燃烧（PAC）技术能够缩短点火延迟时间、拓宽可燃极限，在发动机点火和助燃方面有极大的应用前景。在PAC过程产生大量（振动和电子）激发态分子和自由基，可以加快燃料的氧化反应进程，从而促进其低温燃烧活性。然而由于等离子体环境下的中间产物实验探测十分困难，理论研究也面临挑战（量子化学多参考态方法和非绝热动力学），因此前人对等离子体辅助燃烧中的详细化学机理研究十分有限。本项目中拟采用CASPT2等多参考态量子化学方法和考虑非绝热跃迁几率的统计动力学理论探索PAC中的化学效应。选择丁烷和正庚烷为代表，针对重要激发态化学过程-即燃料分子与处于电子激发态的氧原子O(1D)的反应，燃料自由基和处于电子激发态的氧气分子O2(a1Δg)的反应，以及氧气分子与处于振动激发态的燃料自由基反应-展开理论研究。在探索PAC中的化学动力学机制的同时，将为等离子体助燃仿真模拟提供重要理论支撑和数据支持。

等离子体辅助燃烧（PAC）技术能够缩短点火延迟时间、拓宽可燃极限，在发动机点火和助燃方面有极大的应用前景。在PAC过程产生大量（振动和电子）激发态分子和自由基，可以加快燃料的氧化反应进程，从而促进其低温燃烧活性。然而由于等离子体环境下的中间产物实验探测十分困难，理论研究也面临挑战（量子化学多参考态方法和非绝热动力学），因此前人对等离子体辅助燃烧中的详细化学机理研究十分有限。本项目针对等离子体辅助燃烧研究中的实验和理论两个方面面临的挑战，充分依托计算化学方法，发展了非绝热反应速率常数计算方法、近阈值光电离截面模拟方法，分别用于激发态反应常数计算和真空紫外光电离质谱燃烧诊断实验。本项目探索了基于理论计算构建等离子体放电条件下的燃烧动力学模型的可行性，项目提供的反应动力学数据，被用于构建甲烷、丙烷和二甲醚等典型模型燃料分子低温燃烧动力学模型，借助燃烧动力学模拟手段揭示了处于振动和电子激发态的活性中间体尤其是氧气分子在促进低温点火方面反应动力学机理，项目成果为等离子体仿真模拟提供重要理论支撑和数据支持。项目执行期内共发表标注本基金号SCI期刊论文22篇，参加国际国内十余次，组织国际学术研讨会一次。