內(nèi)燃機(jī)的自點(diǎn)火過(guò)程主要由低溫氧化化學(xué)所調(diào)控。理想反應(yīng)器與診斷手段的發(fā)展推動(dòng)并促進(jìn)人們對(duì)于低溫氧化機(jī)制的理解和認(rèn)識(shí)。法國(guó)洛林大學(xué)、法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心CNRS研究員Battin-Leclerc研究團(tuán)隊(duì)與合肥光源燃燒線站、原子與分子物理線站合作,首次實(shí)現(xiàn)了高壓燃燒反應(yīng)器與同步輻射光電離質(zhì)譜(SVUV-PIMS)相結(jié)合,開(kāi)展了正庚烷1至10個(gè)大氣壓工況下的低溫氧化實(shí)驗(yàn)研究。
本工作利用三級(jí)差分系統(tǒng)將變壓力射流攪拌反應(yīng)器與同步輻射光電離質(zhì)譜結(jié)合,實(shí)現(xiàn)高壓反應(yīng)室到高真空電離室的過(guò)渡(如圖1所示)。體積為65.4cm3的射流攪拌反應(yīng)器固定于不銹鋼腔體中,反應(yīng)器末端有4mm的微孔用于維持反應(yīng)器內(nèi)部與腔體之間的壓力平衡。反應(yīng)后的氣相產(chǎn)物經(jīng)50μm孔徑的不銹鋼噴嘴取樣,形成超聲分子束,再經(jīng)過(guò)250μm孔徑的石英噴嘴和2mm孔徑的鎳制漏勺,逐級(jí)過(guò)渡至電離室。不銹鋼噴嘴表面沉積了Al2O3涂層,以避免不銹鋼對(duì)氧化反應(yīng)的催化作用。
圖1. (a)不銹鋼噴嘴與取樣系統(tǒng)馬赫數(shù)分布圖及(b)變壓力射流攪拌反應(yīng)器與多級(jí)差分系統(tǒng)示意圖
本研究在1、5和10大氣壓工況下對(duì)千分之五的正庚烷燃料,在當(dāng)量比1和滯留時(shí)間2秒條件下開(kāi)展低溫氧化實(shí)驗(yàn),提供了不同產(chǎn)物的壓力依賴分布曲線。結(jié)果顯示,對(duì)于正庚烷體系,隨著壓力的增加,正庚烷的轉(zhuǎn)化率明顯提升,但是5大氣壓和10大氣壓的結(jié)果相近;羰基過(guò)氧化物(KHP)的相對(duì)摩爾分?jǐn)?shù)變高,這表明高壓有利于鏈分支反應(yīng)的進(jìn)行,進(jìn)而增強(qiáng)低溫氧化活性,促進(jìn)燃料的消耗,提高轉(zhuǎn)化效率。另外,高壓有利于一些反應(yīng)在更低溫度下進(jìn)行,如過(guò)氧化氫的分解生成兩個(gè)OH自由基,該反應(yīng)會(huì)加強(qiáng)體系的反應(yīng)活性,進(jìn)而削弱低溫反應(yīng)的負(fù)溫度系數(shù)區(qū)(NTC)。
圖2. 變壓力工況下(1、5和10大氣壓)千分之五的正庚烷低溫氧化體系中產(chǎn)物的溫度依賴曲線,其中C7H14O3展示的為信號(hào)曲線。
相較于前人的工作,本研究在不同壓力工況下探測(cè)到了更加豐富的低溫氧化物種分布,揭示了活潑中間體隨壓力變化的濃度分布,并闡述物種濃度的壓力依賴效應(yīng),為驗(yàn)證與發(fā)展動(dòng)力學(xué)模型提供實(shí)驗(yàn)支撐,對(duì)于指導(dǎo)更加貼近發(fā)動(dòng)機(jī)工況的氧化反應(yīng)系統(tǒng)的研究具有重要意義。
相關(guān)研究工作以“Variable pressure JSR study of low temperature oxidation chemistry of n-heptane by synchrotron photoionization mass spectrometry”為題,發(fā)表在《國(guó)際燃燒學(xué)會(huì)會(huì)刊》上。
論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010218021006891