高碳混合醇着火、火焰传播的实验和机理研究

Experimental study on the combustion characteristics of higher mixed alcohols (C1-C8 straight chain alcohols) will be conducted on constant volume chamber and spherical propagating flame at different temperatures, pressures, equivalence ratios and blending ratios. Laminar flame speed will be obtained, and correlation will be provided between C/H/O ratio and laminar flame speed. Ignition delay times of higher mixed alcohols will be experimentally measured with shock tube setup over wide range. Detailed chemical kinetics network of C7 and C8 alcohol fuels will be hierarchically constructed with RMG（Reaction Mechanism Generator）software. For the higher alcohols in the mixed fuels, the reaction rates of the initial reactions like the H abstraction reactions, the decomposition reactions and the β-scission reactions will be accurately calculated with quantum chemistry to improve the kinetics network. Mole fractions of main species, sensitivity analysis and reaction pathway will be developed to seek the rule of sensitive species and reactions at different initial conditions. This fundamental study on higher mixed alcohols has great scientific and engineering value, which will provide significant reference for the future industrial production and the practical application in engine.

本项目以高碳混合醇（C1-C8直链醇）为研究对象，利用高温高压定容燃烧弹和高速纹影摄像系统在不同压力、当量比、掺混比条件下开展高碳混合醇的燃烧特性研究，获取层流燃烧速率，拟合C/H/O组分与层流燃烧速率之间的关系式。利用激波管开展不同温度、压力、当量比和掺混比条件下的高碳混合醇的着火延迟特性研究，揭示着火延迟期与混合气特性间的内在关系。利用化学反应机理生成器RMG（Reaction Mechanism Generator）软件逐级构建C7和C8醇的详细化学反应机理；对高碳混合醇中的高碳醇的主要初始反应开展CBS-QB3的高精度量子化学计算，获取反应速率常数和热力学参数，优化混合醇化学反应机理。基于敏感性分析、反应路径分析、主要物种浓度评价机理，探究不同初始条件下主要敏感物种和基元反应的变化规律。本研究可以为高碳混合醇的工业生产和在发动机上的实际应用提供理论参考，具有重要的科学意义和工程价值。

本项目以醇类燃料未来在发动机上使用的前景为动机，通过实验测量与数值模拟相结合的方式对低碳醇、高碳醇和高碳混合醇的基础燃烧特性和化学反应动力学特性进行了系统深入的研究和探索，基本完成了项目计划书的要求。研究获取了宽广初始条件下不同醇类燃料及混合燃料的层流燃烧速率的基础实验数据，补充了基础实验数据库；实验结果发现甲醇的层流燃烧速率最大，尤其是在浓混合气一侧，其次是乙醇，C3-C8的直链醇的层流燃烧速率非常接近；甲醇添加到高碳醇中会导致层流燃烧速率在浓混合气一侧明显上升，而在稀混合气一侧变化较小。实验获取了火焰传播过程中的不稳定性特征参数，结合火焰面的纹影图片，分析了火焰动力学特征变化规律，指出常压下高碳醇中添加甲醇会使马克斯坦长度在稀、浓混合气两侧产生相反的变化规律；基于本研究获取的实验数据，结合文献中的数据，发展并优化了低碳醇、高碳醇及高碳混合醇的化学反应动力学机理；利用获得的机理，通过敏感度分析、反应路径分析和ROP分析对比不同碳链长度碳醇的化学反应动力学特性差异，揭示了高碳醇掺入低碳醇所产生的动力学影响机制。基于实验过程中采集到的燃烧压力曲线，本研究还对不同碳链长度的直链醇、戊醇同分异构体的燃烧压力特性进行了深入分析和研究，结合层流预混燃烧特性的研究，阐明了不同醇类燃料燃烧特征规律的异同。本项目还将对混合醇的研究进一步拓展到对碳氢燃料掺混醇类燃料的研究上，构建并优化了异辛烷-甲醇二元燃料的化学反应动力学模型，提出了可以更准确地预测异辛烷掺醇混合燃料层流燃烧速率的经验公式。本项目的研究结果补充了高碳混合醇的基础实验数据库，为高碳混合醇的发动机模拟及燃烧过程优化提供了理论基础，为工业化生产不同组分的高碳混合醇提供了理论指导。到目前为止，本项目研究成果共发表在国际能源与燃烧领域高水平SCI期刊论文5篇，国际会议论文2篇。