正庚烷添加含氧燃料燃烧物种鉴别及化学反应动力学分析的基础研究

本项目利用合肥国家同步辐射实验室燃烧与火焰站实验装置，系统开展正庚烷添加含氧燃料时燃烧物种鉴别及化学反应动力学研究。研究的含氧燃料有乙醇、二甲氧基甲烷和碳酸二甲酯。探测正庚烷-含氧燃料-氧气-氩气火焰中间产物物种，测量火焰中间产物摩尔分数分布及温度分布。利用化学反应动力学模拟软件CHEMKIN，选用3-4种化学反应机理计算火焰结构，将实验研究与数值模拟相结合，评价现有反应机理对于计算混合燃料的适用性，提出修正机理，阐明含氧燃料与正庚烷燃烧化学反应路径的相互作用机理。本项目系统性基础研究工作将有助于阐明碳氢燃料中添加不同分子结构含氧燃料时的燃烧物种及其对排放物的影响，阐明含氧燃料和碳氢燃料燃烧化学反应路径相互作用机理，研究具有重要的科学意义。研究工作也将为含氧燃料在柴油机上的应用提供理论指导和依据。

本项目利用合肥国家同步辐射实验室燃烧与火焰站实验装置，按照计划任务书系统开展正庚烷添加含氧燃料时燃烧物种鉴别及化学反应动力学分析。探测正庚烷-含氧燃料-氧气-氩气火焰中间产物物种，测量火焰中间产物摩尔分数分布及温度分布。构建了可较为准确地模拟低压正庚烷或正庚烷/含氧燃料火焰的化学反应机理，并基于该机理分析了火焰中相关的化学反应路径。研究了碳氧比、温度、当量比对火焰中间基的影响。阐明了当量比和碳氧比一定时添加甲醇对正庚烷火焰的影响。阐明含氧燃料与正庚烷燃烧化学反应路径的相互作用机理。主要成果有：探索了温度对火焰的影响。随着火焰温度的升高，正庚烷和氧气的消耗速率加快，各燃烧主要产物在焰后区的浓度基本保持不变，C1-C4 脂烃中间体的浓度明显增大，苯和甲苯的浓度基本保持不变；分解反应对正庚烷消耗的贡献率显著增强；以炔丙基为代表的C1-C4 脂烃中间体的各生成与消耗路径的贡献率基本保持不变；所有反应的速率都随之增大。探索了当量比对火焰的影响。随着当量比的增大，火焰中H2O和CO2 的平衡浓度降低，不完全氧化的产物H2和CO的平衡浓度增大；包括苯和甲苯在内的大部分碳氢中间体的浓度峰值明显增大。随着当量比的增大，OH和O进攻反应、以及再化合反应的贡献率明显降低；单分子分解反应在正庚烷、1-丁烯、丙烯基和苯的生成与消耗过程中的贡献率显著增大。探索了添加甲醇对正庚烷火焰的影响。当量比一定时，火焰中C1 至C7 中间体的浓度显著降低；C/O一定时，中间体浓度降低的幅度要小些。甲醇燃烧基本不会生成C-C键，而会大量生成CH2O。添加甲醇会使H进攻反应对正庚烷消耗的贡献率降低，不会引起碳氢中间体生成与消耗路径的变化。添加甲醇前后火焰物种浓度的差异主要由正庚烷和甲醇各自反应路径的不同所致。探索了添加不同分子结构的含氧燃料对火焰的影响。碳酸二甲酯的火焰中CO2 生成较早。添加含氧燃料不会对中间体的生成与消耗路径以及各路径的贡献率造成影响。C2-C6 碳氢中间体浓度的降低是由于部分正庚烷被不易生成C-C键的含氧燃料替代所致。添加含氧燃料，甲醛摩尔分数明显增大，这是由于这些含氧燃料在燃烧过程中容易转化为甲醛。研究工作为含氧燃料在柴油机上的应用提供理论指导和依据。