不同分子结构含氧燃料掺混正庚烷自着火特性的实验和机理研究

Experimental and kinetic study on the effects of oxygenated fuel on ignition delay characteristics of n-heptane, especially at low and intermediate temperatures, will be conducted in this project by using shock tube and Chemkin packages. Four representative oxygenated fuels will be blended with n-heptane including the conventional oxygenated fuels (dimethoxymethane, methyl carbonate) and recently interested biofuels (pentanol, 2,5-dimethylfuran).The ignition delay time and auto-ignition limit will be determined under different initial temperature, initial pressure, equivalence ratio and oxygenated fuel addition conditions. An Arrhenius-type correlation will be derived to predict the ignition delay time of oxygenated fuel and n-heptane blends over wide range conditions. The detailed kinetic models of oxygenated fuel will be developed and optimized by sensitivity, rate of production and flow reaction analysis. The objectives are to clarify the effect of oxygenated fuels with different molecular structure on negative temperature coefficient (NTC) behaviors of n-heptane especially at high pressure and intermediate-low temperature conditions, to establish relationships between C/O ratio and the inflection point temperature of activation energy and to propose the detailed kinetic models of oxygenated fuel-heptane blends and skeletal kinetic models suitable for CFD simulation. This research has important scientific significance on developing low temperature ignition theory of oxygenated fuel and n-heptane blends and also provides reliable experimental support for designing and improving the combustion chamber of practical burning equipment with different oxygenated fuels to achieve high efficiency and low pollutant emission.

本项目以常规含氧燃料（二甲氧基甲烷、碳酸二甲酯）和新型含氧生物燃料（戊醇、2,5-二甲基呋喃）为研究对象，利用激波管在不同当量比和宽广初始温度压力下（特别是高压、中低温条件）研究不同分子结构含氧燃料对正庚烷着火延迟期和着火极限的影响规律，拟合正庚烷掺混含氧燃料着火延迟期的Arrhenius关系式。利用敏感性分析，生成速率分析和反应流分析探究主导不同含氧燃料着火化学的关键物种和基元反应，验证和优化现有含氧燃料的详细化学反应机理。阐明高压和中低温条件下不同分子结构含氧燃料对正庚烷负温度系数着火行为的影响规律，建立混合燃料碳氧比与总体活化能拐点温度的定量关系式，构建适用于模拟含氧燃料-正庚烷混合燃料燃烧与着火的详细动力学机理和适用于CFD模拟的骨架机理。本研究对发展混合燃料低温着火理论有重要的科学意义，为燃用不同含氧燃料的燃烧设备优化提供指导和可靠的实验支撑，具有重要的工程应用价值。

本项目以含氧燃料在发动机上应用为研究背景，以四种含氧燃料（二甲氧基甲烷、碳酸二甲酯、戊醇、2,5-二甲基呋喃）和正庚烷的混合燃料为研究对象，利用激波管实验平台和化学反应动力学分析的方法完成了如下研究内容。（1）测量了含氧燃料在不同初始条件下的着火延迟期，通过关键基元反应速率常数更新的方法，优化了四种含氧燃料现有的化学反应动力学模型。（2）利用激波管测量了四种含氧燃料和正庚烷混合燃料在不同含氧燃料掺混比条件下的着火延迟期，分别得到了四种含氧燃料/正庚烷混合燃料的化学反应动力学模型，并对混合模型进行优化。（3）基于以上实验数据和优化后的化学反应动力学模型，比较了不同含氧燃料官能团对正庚烷着火延迟期的影响规律，并通过化学反应动力学分析进行了合理的解释。本研究获得的基础实验数据不仅可以补充国际燃烧数据在该方面的空缺，更为不同含氧燃料在实际燃烧装置中应用的可行性提供理论支撑，具有重要的科学意义和工程应用价值。.项目负责人注重国际和国内交流，研究成果共发表期刊论文19篇，其中SCI论文14篇，EI论文4篇，中文核心期刊论文1篇，其中包括《Combustion and Flame》、《Fuel》、《Energy & Fuels》等。研究成果促成项目负责人胡二江成功获得国家自然科学基金委“面向发动机的湍流燃烧基础研究”重大研究计划培育项目一项（91641124）。在执行项目期间，项目负责人胡二江获得国家自然科学二等奖一项（内燃机低碳燃料的互补燃烧调控理论及方法，项目负责人胡二江排名第3，2015年）；教育部自然一等奖一项（内燃机清洁替代燃料燃烧理论与应用，项目负责人胡二江排名第3，2014年）；部分项目研究成果，支撑了项目负责人胡二江获得中国内燃机学会“史绍熙人才奖”（2014年）和第五届西安青年科技人才奖（2016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。