甲醇掺入对不同不饱和度环烃化学反应动力学特性扰动作用机制研究

Cylic hydrocarbons are important components of engine fuel. This study aims to learn the influence of methanol addition on the chemical kinetic characteristics of the six-carbon cylic hydrocarbons with different unsaturation degrees, considering the wide application of the blends of methanol with the engine fuel. Experimental study will be developed at wide conditions to obtain the data of ignition delay, laminar flame speed and the concentrations of the species with the apparatuses of high pressure shock tube, rapid compression machine (RCM), the combustion chamber and the jet-stirred reactor (JSR), respectively. The model including methanol and different six-carbon cyclic hydrocarbons will be constructed. Quantum chemistry calculations will be accurately developed on the important initial reactions of cyclohexane and cyclohexadiene, deducing the reaction rates and thermophysical parameters. With these parameters, the model will be improved combining the experimental data. Chemical kinetic analysis will be carried out to identify the intrinsic relationship between the six-carbon cyclic hydrocarbons with different unsaturation degrees and seek the chemical effect of methanol addition into the cyclic hydrocarbons. The study will provide new sight for soot formation and significant reference for promoting the future use of alcohol fuel on engines.

环烃是常规燃料中的重要组分。本项目基于常规燃料掺混甲醇使用的背景，系统开展甲醇介入对不同不饱和度六碳环烃化学反应动力学特性的扰动作用机制研究。利用高压激波管、快速压缩装置（RCM）、高温高压燃烧弹和射流搅拌反应器（JSR）开展实验，获取宽广初始条件下的着火延迟期、层流燃烧速率和氧化反应物种浓度变化的实验数据。构建并完善耦合不同不饱和度环烃和甲醇的化学反应动力学模型，对环己烯和环己二烯相关初始反应开展高精度量子化学计算，获取高精度的化学反应动力学和热力学参数，结合实验数据对模型进行可适应性评价和深度优化。通过化学反应动力学分析揭示不同不饱和度环烃氧化反应机理的内在关系，阐明甲醇掺入环烃后对化学反应过程的影响机制。本研究可以为认识碳烟的生成规律提供思路，对醇燃料在发动机上的推广使用具有重要科学意义和参考价值。

本项目基于环烃燃料的重要作用以及甲醇掺混燃料使用的背景，通过采用实验结合数值模拟的手段针对不同不饱和度环烃及其掺混甲醇的基础燃烧特性和化学反应动力学特性进行了深入的研究和讨论，基本按照项目计划书的目标完成任务。本项目研究获取了宽广初始条件下五种不同不饱和度环烃的层流燃烧速率，补充了基础实验数据库。研究发现，在不考虑苯的情况下，两种环己二烯的层流燃烧速率非常接近，其次是环己烯，环己烷的速度最慢，表明不饱和度越高，层流燃烧速率越大。但这一结果不适用于苯，苯的层流燃烧速率比环己二烯小，和环己烯比较接近，而高于环己烷。这一结果主要是由于苯燃烧较高的火焰温度和热扩散性能较好所致。考虑到现有模型均不能同时较好的预测不同环烃的实验结果，基于本研究及文献中的着火延迟期等基础燃烧实验数据，本项目发展了耦合五种不饱和环烃的化学反应动力学模型，该模型可以较好的预测除苯之外的大部分环烃，但对苯和其他燃料之间的差异预测效果较差，还需要进一步的改善。本项目还对甲醇掺入甲基环己烷和甲苯的基础燃烧特性进行了研究，结果发现甲醇介入后将会在浓混合气一侧导致层流燃烧速率逐渐增大，但在稀混合气一侧影响较小。基于实验数据，本研究优化了现有模型，并基于模型开展了反应路径、敏感度及关键物种浓度分析，指出了层流燃烧速率发生改变的原因和关键反应过程有密切的关系。本研究还采集了环烃及甲醇掺混环烃混合燃料的基础燃烧压力曲线，对不饱和度和甲醇介入对燃烧压力及爆炸特性的影响规律及内在作用机制进行了解析，阐明了爆炸指数和爆炸延迟之间的指数关系。研究的最后，考虑到不饱和烃尤其是不饱和环烃是碳烟生成的重要前驱体，本研究还探索研究了不饱和烃火焰碳生成的规律和影响因素。本研究结果可以为甲醇燃料的推广使用和碳烟颗粒物的控制提供参考。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6篇。