高反应活性物种介入甲苯的着火和化学动力学实验和理论研究

As an important component in commercial fuels and surrogate model fuel, auto-ignition behavior and chemical kinetic model of toluene are a basis of developing combustion mechanisms of large aromatic molecular and simulating combustion in engines, as well as a pre-condition for promoting combustion technology and designing combustor for advanced engines. Through understanding of auto-ignition and chemical kinetic mechanism of toluene at whole temperatures especially at moderate-low temperature (below 900 K) is a challenging but crucial scientific question for international combustion communities. To break the difficult problem that is directly measuring the ignition delay times of non-active molecular at low temperature, this project will systematically conduct an experimental and modeling study on the ignition and oxidation for toluene based on an active-species intervention method. Whether there is a negative temperature coefficient behavior in the toluene ignition at below 900 K will be verify experimentally and theoretically. An accurate and reliable kinetic mechanism will be proposed based on Curran-Westbrook-Class-Reaction and modeling process cycle. New reaction classes will be suggested to further build and improve the mechanisms of aromatic fuels as well as modeling engine combustion. This fundamental research work will put China at the forefront of the research on chemical kinetics and combustion chemistry and provide China with crucial support for scientific and technological innovation in the advanced engine field.

甲苯作为实际燃料和模型燃料的关键组分，其着火特性和动力学模型构建是发展适用于先进发动机燃烧模拟的模型燃料和高碳芳香烃燃料机理的基础，在提高发动机燃烧技术和优化燃烧室方面起到关键性作用。深入理解甲苯着火特性和精准构建其全温度范围下反应动力学机理，特别是负温度区域（900 K以下）甲苯燃烧反应路径的认识是目前国际研究的热点和难点课题之一。本项目拟采用高反应活性物种介入方法系统开展甲苯着火特性和动力学模型的实验和理论研究，力求突破惰反应活性甲苯中低温着火延迟期难以直接测量的难题，获得覆盖全温度区域下具有直接验证性意义的甲苯着火延迟期数据，给出实际发动机工作条件下甲苯是否存在NTC行为的实验和理论证实。基于传统反应级理论和模型循环优化方法发展甲苯的精准动力学模型，提出适用于芳香族燃料模型发展的新反应级理论。本项目成果将提升我国在化学反应动力学领域研究水平，支撑国家在先进发动机燃烧领域的科技创新。

低温燃烧技术被认为是提高燃烧效率、解决soot和NOx trade-off难题的有效途径之一，在太空火灾防护、火箭推进、空天发动机、燃气轮机和内燃机等领域广泛采用。甲苯作为实际燃料的关键组分，其低温点火特性和燃烧机理的认识是理解实际燃料自燃行为的基础，也是实际燃油模型燃料反应动力学模型构建的关键。本项目创新性地提出了高活性物种介入研究低温燃烧反应动力学机理的方法，解决了现有实验手段无法捕获非NTC燃料低温反应活性的国际难题，重构了芳烃基础燃料—甲苯低温燃烧反应动力学模型。在另一分子结构维度下验证了活性物种介入方法的适用性，首次发现Waddington机理对低碳醇氧化过程中乙烯生成的贡献作用，突破了传统动力学理论无法准确预测低温氧化乙烯生成的难题。. 本项目资助下，在燃烧学领域权威期刊Combustion and Flame和Proceedings of the Combustion Institute和物理化学领域权威期刊Journal of Physical Chemistry A上发表SCI论文8篇，应邀在“燃烧应用化学和技术”国际研讨会做邀请报告。本项目开发的甲苯动力学模型已被英国壳牌用于设计高抗暴性新型汽油开发中；以本项目研究为基础构建的航空煤油动力学模型正应用于中国航发四川涡轮研究院组合发动机加力燃烧室设计，承担“两机”专项重点外委课题一项；项目开发的乙醇模型已被英国壳牌用于高含醇新型燃料设计中，德国亚琛工业大学和英国伯明翰大学也相继使用该模型用于醇发动机燃烧室仿真计算。本项目延展性工作得到了首批陕西省杰出青年基金项目资助、西安交通大学“青年教师跟踪”优青培育计划资助、西安交通大学“青年拔尖A类”支持计划。