中国汽油的基础燃烧特性和化学反应动力学机理研究

Different types of national V standard gasoline from different commercial companies are selected as the objective fuels in this project. The main components and their mole fractions of national V standard gasoline will be measured and analyzed by using the gas chromatograph and mass spectrometer. The laminar flame speeds and ignition delay times of the national V standard gasoline will be measured by using the high pressure combustion bomb, the high pressure shock tube and the rapid compression machine at engine-relevant conditions. The mole fractions of pyrolysis products will be measured in a flow reactor combined with gas chromatograph and mass spectrometer. Meanwhile, the ignition delay times, laminar flame speeds and mole fractions of pyrolysis products of the olefins will be measured, and the chemical kinetic model of the olefins will be modified and optimized on the basis of the measurements and the quantum chemical calculations. Based on the experimental data and the chemical kinetic models of the key components of the gasoline surrogates, the detailed chemical kinetics models of multi-component surrogates of national V gasoline and skeletal kinetic models suitable for CFD simulations will be developed. Through the experimental measurement, theoretical calculation and numerical simulation, this research will provide the macroscopic and microscopic combustion parameters, such as ignition delay time, laminar flame speed and mole fractions of pyrolysis products of national V standard gasoline, build the chemical kinetic models suitable for the national V standard gasoline of China. This research will provide the basic data and theoretical support for the realization of high efficiency and low pollution combustion of gasoline engine and the design of national VI gasoline standard.

本项目以中国国V汽油为研究对象，利用色谱仪和质谱仪测量汽油的主要组分及其含量，对不同标号的汽油进行组分特性分析。利用高压燃烧弹、高压激波管和快速压缩装置实验平台测量国V汽油在发动机工作条件下的层流燃烧速率和着火延迟期等宏观燃烧参数，利用流动管反应器测量国V汽油热解过程中的物种浓度等微观燃烧参数。同时基于中国汽油烯烃含量高的特点，开展国V汽油替代物关键组分——烯烃宏观和微观燃烧参数的实验测量，结合量子化学计算，构建和优化烯烃的化学反应动力学模型。基于实验数据和汽油替代物组分的化学反应动力学模型，构建汽油多组分替代物的详细化学反应动力学模型和简化模型。本项目实验测量、理论计算和数值模拟相结合，填补了国V汽油宏观和微观燃烧参数的空白，构建了国V汽油多组分替代物的化学反应动力学模型。研究工作为高效低污染汽油机的设计开发和国VI汽油标准的制定提供基础数据和理论支撑。

本项目以中国汽油替代物模型构建为研究背景，以实际汽油为研究对象，利用西安交通大学着火、燃烧、低温氧化实验平台结合化学反应动力学分析开展了以下研究内容：（1）开展了不同标号汽油的组分测量和分析工作，为汽油替代物模型燃料选择提供了依据；（2）利用JSR测量了异辛烷低温氧化过程的主要物种浓度，验证和优化了异辛烷的化学反应动力学模型，并分析了较高温度区间的压力振荡现象及其动力学机理；（3）利用燃烧弹开展了醚类燃料不同温度压力条件下的层流燃烧速度，对现有醚类燃料的化学反应动力学模型进行了优化；（4）利用燃烧弹、激波管、JSR开展了大分子烯烃二异丁烯的基础燃烧特性研究，利用量子化学计算获得了关键基元反应的速率常数，填补了实验数据的空白，构建了宽广温度压力范围多燃烧参数适用的二异丁烯化学反应动力学模型；（5）基于实际汽油的基础燃烧特性和关键组分模型燃料，构建了三组分和五组分汽油替代物模型和化学反应动力学机理，能够对实际汽油的燃烧特性做出很好的预测。. 本研究提供了实际汽油和替代物模型燃料的基础燃烧特性实验数据，阐明了不同初始参数对基础燃烧特性的影响规律，构建了汽油替代物模型和替代物模型燃料及实际汽油的化学反应动力学机理，为高效低污染汽油机的设计开发和更高汽油标准的制定提供基础数据和理论支撑。项目负责人注重国际和国内交流，项目执行期间多次参加国际和国内学术会议，研究成果共发表期刊论文24篇，其中SCI论文21篇，中文核心期刊EI论文3篇，论文发表在《Proceedings of the Combustion Institute》、《Combustion and Flame》、《Fuel》、《Energy & Fuels》等国际期刊上。培养博士生2名，硕士生3名。项目研究成果支撑了项目负责人获得陕西省“特支计划”青年拔尖人才（2017年）、陕西省青年科技新星（2018年）和第一届中国动力工程学会青年科技奖（2018年）。研究成果对于提升我国在相关学术领域的国际影响力起到了一定的促进作用，为项目负责人的后续科学研究打下了坚实的基础。