合肥光源用户在高压燃烧反应研究中获得新进展
时间 : 2022-11-29     

内燃机的自点火过程主要由低温氧化化学所调控。理想反应器与诊断手段的发展推动并促进人们对于低温氧化机制的理解和认识。法国洛林大学、法国国家科学研究中心CNRS研究员Battin-Leclerc研究团队与合肥光源燃烧线站、原子与分子物理线站合作,首次实现了高压燃烧反应器与同步辐射光电离质谱(SVUV-PIMS)相结合,开展了正庚烷1至10个大气压工况下的低温氧化实验研究。  

本工作利用三级差分系统将变压力射流搅拌反应器与同步辐射光电离质谱结合,实现高压反应室到高真空电离室的过渡(如图1所示)。体积为65.4cm3的射流搅拌反应器固定于不锈钢腔体中,反应器末端有4mm的微孔用于维持反应器内部与腔体之间的压力平衡。反应后的气相产物经50μm孔径的不锈钢喷嘴取样,形成超声分子束,再经过250μm孔径的石英喷嘴和2mm孔径的镍制漏勺,逐级过渡至电离室。不锈钢喷嘴表面沉积了Al2O3涂层,以避免不锈钢对氧化反应的催化作用。

 
 
图1. (a)不锈钢喷嘴与取样系统马赫数分布图及(b)变压力射流搅拌反应器与多级差分系统示意图 

本研究在1、5和10大气压工况下对千分之五的正庚烷燃料,在当量比1和滞留时间2秒条件下开展低温氧化实验,提供了不同产物的压力依赖分布曲线。结果显示,对于正庚烷体系,随着压力的增加,正庚烷的转化率明显提升,但是5大气压和10大气压的结果相近;羰基过氧化物(KHP)的相对摩尔分数变高,这表明高压有利于链分支反应的进行,进而增强低温氧化活性,促进燃料的消耗,提高转化效率。另外,高压有利于一些反应在更低温度下进行,如过氧化氢的分解生成两个OH自由基,该反应会加强体系的反应活性,进而削弱低温反应的负温度系数区(NTC)。

 
 
图2. 变压力工况下(1、5和10大气压)千分之五的正庚烷低温氧化体系中产物的温度依赖曲线,其中C7H14O3展示的为信号曲线。 

相较于前人的工作,本研究在不同压力工况下探测到了更加丰富的低温氧化物种分布,揭示了活泼中间体随压力变化的浓度分布,并阐述物种浓度的压力依赖效应,为验证与发展动力学模型提供实验支撑,对于指导更加贴近发动机工况的氧化反应系统的研究具有重要意义。 

相关研究工作以“Variable pressure JSR study of low temperature oxidation chemistry of n-heptane by synchrotron photoionization mass spectrometry”为题,发表在《国际燃烧学会会刊》上。 

论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010218021006891