甲烷-正庚烷雙燃料二階段著火的動(dòng)力學(xué)特性

李 鋒, 張尊華, 梁俊杰, 萬(wàn) 琦, 李格升

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 武漢 430063)

天然氣是一種清潔高效的發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料，幾乎不含硫、粉塵等有害物質(zhì)，儲(chǔ)量豐富，受到了國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注[1]. 因?yàn)樘烊粴獾男镣橹递^高，不易被壓燃，所以為實(shí)現(xiàn)其在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，可采用柴油作為著火源引燃天然氣的雙燃料運(yùn)行方式[2-3]. 碳?xì)淙剂细鶕?jù)其著火特性的不同，可以被分為只具備單階段著火的燃料，以及具備二階段著火特性的燃料，其中后者的二階段著火現(xiàn)象通常在初始溫度低于850 K時(shí)出現(xiàn)[4]. 柴油有著明顯的二階段著火現(xiàn)象[5]，燃料二階段著火發(fā)生的溫度區(qū)域內(nèi)存在燃料著火的NTC(負(fù)溫度系數(shù))現(xiàn)象，該現(xiàn)象與發(fā)動(dòng)機(jī)的敲缸、爆震等燃燒現(xiàn)象有很大的關(guān)系. 因此，為了深入理解實(shí)際雙燃料在中低溫條件下的著火過(guò)程、優(yōu)化缸內(nèi)燃燒，有必要對(duì)此開(kāi)展研究. 天然氣和柴油都是復(fù)雜的混合物，柴油更是包含上千種組分. 構(gòu)建雙燃料的詳細(xì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理難度非常大，一般對(duì)天然氣和柴油著火特性的研究主要通過(guò)構(gòu)建相關(guān)燃料替代物進(jìn)行分析. 甲烷是天然氣的主要成分，經(jīng)常被用作天然氣的單組分替代燃料[2,6-7]. 柴油的十六烷值(CN)較高，一般為40～56[8]，正庚烷的十六烷值(CN=56)與柴油較為接近，因此以正庚烷作為柴油替代物開(kāi)展的研究也十分廣泛[9-12]. 因此本文選擇甲烷和正庚烷分別作為天然氣和柴油的替代燃料，開(kāi)展甲烷-正庚烷雙燃料二階段著火特性的動(dòng)力學(xué)研究.

關(guān)于燃料的二階段著火特性已有學(xué)者開(kāi)展了一些研究. 早在1998年，Curran等[13]就已經(jīng)通過(guò)激波管、噴射射流攪拌反應(yīng)器及快速壓縮機(jī)等試驗(yàn)設(shè)備對(duì)正庚烷著火特性進(jìn)行了綜合研究. 研究表明正庚烷作為經(jīng)典的高碳烷烴，其具有顯著的二階段著火特性，這也與冷焰及NTC現(xiàn)象有關(guān). Herzler等[14]于2005年對(duì)溫度為720～1100 K、壓力為50 bar條件下正庚烷著火延遲時(shí)間的NTC現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)正庚烷的二階段著火現(xiàn)象只出現(xiàn)在900 K以下，且第一階段著火延遲時(shí)間會(huì)隨溫度和當(dāng)量比發(fā)生明顯變化. 2016年Zhang等[4]采用快速壓縮機(jī)開(kāi)展異辛烷、甲基環(huán)己烷及正庚烷低溫條件下的著火試驗(yàn)，并著重對(duì)正庚烷第一階段著火的NTC現(xiàn)象進(jìn)行分析，研究表明第一階段著火特性與第二階段著火延遲時(shí)間的NTC現(xiàn)象之間存在一定關(guān)系. 目前關(guān)于二階段著火過(guò)程的研究主要是正庚烷等單燃料燃燒，而對(duì)甲烷-正庚烷雙燃料的二階段著火特性研究則鮮見(jiàn)報(bào)道.

關(guān)于甲烷和正庚烷的化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了一些研究. 甲烷的氧化反應(yīng)機(jī)理主要有USC Mech II機(jī)理、Aramco Mech 2.0 機(jī)理[15]和 GRI-Mech 3.0 機(jī)理，正庚烷的氧化機(jī)理主要包括Mehl等[16]的LLNL 3.1機(jī)理和Zhang等[17]的NUI 2016機(jī)理. 甲烷是正庚烷等碳?xì)淙剂先紵^(guò)程中涉及的組分之一，一個(gè)詳細(xì)的正庚烷化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理也包含甲烷燃燒的化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，可以使用正庚烷的化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理對(duì)甲烷-正庚烷雙燃料的燃燒過(guò)程進(jìn)行模擬分析. 對(duì)于正庚烷的化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，還需要燃料著火過(guò)程中特征參數(shù)的進(jìn)一步驗(yàn)證.

綜上所述，本文主要針對(duì)甲烷-正庚烷雙燃料二階段著火特性的動(dòng)力學(xué)開(kāi)展研究.

1 研究方法

利用化學(xué)動(dòng)力學(xué)軟件CHEMKIN PRO中定容絕熱模型對(duì)甲烷-正庚烷雙燃料進(jìn)行著火延遲時(shí)間模擬. 定義OH摩爾濃度最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為著火時(shí)刻.

作為一種典型的高碳烷烴，正庚烷是柴油最主要的替代物模型燃料，其化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理也得到了十分充分的發(fā)展. 其中使用較廣泛的正庚烷機(jī)理是LLNL 3.1機(jī)理，該機(jī)理對(duì)正庚烷在不同條件下的基礎(chǔ)燃燒特性均有較為理想的預(yù)測(cè)效果. 2016年，愛(ài)爾蘭國(guó)立高威大學(xué)發(fā)布了一個(gè)包含1268種組分、5336個(gè)基元反應(yīng)的正庚烷詳細(xì)機(jī)理(本文中簡(jiǎn)稱為NUI 2016機(jī)理)，該機(jī)理的C0-C4子機(jī)理取自經(jīng)典的Aramco Mech 2.0機(jī)理，使得該機(jī)理能夠?qū)θ紵械牡吞挤磻?yīng)表現(xiàn)出較為理想的預(yù)測(cè)效果. 本文將這兩種機(jī)理的數(shù)值模擬結(jié)果分別與同等條件下Heufer等[18]及Ciezki等[19]的正庚烷著火延遲時(shí)間試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以驗(yàn)證機(jī)理的準(zhǔn)確性，對(duì)比結(jié)果如圖1.

(a)

(b)

Fig.1 Comparison between the experimental and modeled values of ignition delay times for n-hanptane

從圖1可以得出，LLNL 3.1機(jī)理與NUI 2016機(jī)理的模擬結(jié)果與文獻(xiàn)中的著火延遲時(shí)間試驗(yàn)數(shù)據(jù)保持良好的一致性. 兩種機(jī)理在不同條件下對(duì)NTC區(qū)域的著火延遲時(shí)間預(yù)測(cè)效果也都較為理想，說(shuō)明所選擇的兩種機(jī)理在中低溫條件下都具有較好的適用性. 二階段著火現(xiàn)象出現(xiàn)在低溫著火過(guò)程中，因此兩種機(jī)理均可以用來(lái)進(jìn)行模擬研究. NUI 2016機(jī)理是在LLNL 3.1機(jī)理的基礎(chǔ)上更新的詳細(xì)機(jī)理. 綜合比較，本文選擇更詳細(xì)的NUI 2016機(jī)理對(duì)甲烷-正庚烷雙燃料在中低溫條件下二階段著火特性的化學(xué)動(dòng)力學(xué)開(kāi)展研究.

2 研究結(jié)果與討論

2.1 甲烷-正庚烷雙燃料著火延遲時(shí)間

圖2是通過(guò)模擬獲得的50%甲烷-50%正庚烷雙燃料在初始條件T=700 K、P=10 atm、φ=1.0時(shí)，OH摩爾濃度和溫度的變化曲線. 分析圖2中OH摩爾濃度曲線可以得出，在雙燃料著火過(guò)程中OH摩爾濃度分別在23.57 ms時(shí)出現(xiàn)一個(gè)較小的峰值，在161 ms時(shí)出現(xiàn)一個(gè)較大的峰值. 伴隨OH摩爾濃度峰值的出現(xiàn)，溫度變化曲線也呈現(xiàn)出兩個(gè)階段的上升過(guò)程，且在OH峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，溫度上升斜率達(dá)到最大值. 因此，甲烷-正庚烷雙燃料的著火過(guò)程可以被劃分為兩個(gè)階段(又稱二階段著火過(guò)程)，第二階段著火為總的著火過(guò)程.

圖2 OH摩爾濃度與溫度變化(50%甲烷-50%正庚烷,T=700 K,P=10 atm,φ=1.0, 95%氬氣稀釋)

Fig.2 Variations of mole fraction of OH and temperature (50%methane-50%n-heptane,T=700 K,P=10 atm,φ=1.0, 95% argon dilution)

基于NUI 2016化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，模擬得到了甲烷-正庚烷雙燃料在不同正庚烷摻混比例下的二階段著火延遲時(shí)間. 正庚烷摻混比例分別為0%、2%、4%、10%、30%、50%、100%，初始條件為T(mén)=600～1200 K、P=10 atm、φ=1.0. 圖3為中低溫條件下雙燃料著火延遲時(shí)間隨正庚烷摻混比例變化關(guān)系圖. 圖3(a)是不同摻混比例下雙燃料的著火延遲時(shí)間，由圖3(a)可知，在中低溫條件下，甲烷-正庚烷雙燃料在初始溫度低于750 K的條件下表現(xiàn)出二階段著火現(xiàn)象. 二階段著火過(guò)程均表現(xiàn)出一定的NTC現(xiàn)象. 當(dāng)正庚烷摻混比例降低時(shí)，總的著火延遲時(shí)間的NTC現(xiàn)象也趨于平緩. 由圖3(b)可知，甲烷-正庚烷雙燃料二階段著火延遲時(shí)間都隨正庚烷摻混比例發(fā)生著非線性變化，且變化趨勢(shì)一致，都是隨正庚烷摻混比例的增加而減小. 正庚烷摻混比例較低時(shí)，正庚烷含量對(duì)雙燃料的著火延遲時(shí)間影響更顯著，在正庚烷摻混比例高于75%時(shí)，正庚烷含量對(duì)雙燃料二階段著火延遲時(shí)間的影響逐漸變小.

2.2 化學(xué)動(dòng)力學(xué)分析

本文為深入了解甲烷-正庚烷的著火過(guò)程，進(jìn)行了甲烷-正庚烷雙燃料的相關(guān)化學(xué)動(dòng)力學(xué)分析，主要對(duì)著火過(guò)程中雙燃料的消耗情況、重要基元反應(yīng)的反應(yīng)速率及自由基濃度等變化規(guī)律進(jìn)行了分析.

(a)

(b)

圖3 不同正庚烷摻混比例下的著火延遲時(shí)間 (虛線代表第一階段著火延遲時(shí)間，實(shí)線代表第二階段著火延遲時(shí)間)

Fig.3 Variations of ignition delay time at different n-heptane contents (The dash lines denote the first stage ignition delay time; the solid lines denote the second stage ignition delay time)

2.2.1 雙燃料的濃度變化

由圖4可知，在不同的正庚烷摻混比例下，甲烷-正庚烷雙燃料系統(tǒng)中甲烷和正庚烷的含量都會(huì)在初始水平維持一段時(shí)間后再開(kāi)始發(fā)生變化，而對(duì)比這些條件下的第一階段著火延遲時(shí)間可以發(fā)現(xiàn)，甲烷和正庚烷含量在初始水平維持的這段時(shí)間正好等于第一階段著火延遲時(shí)間. 在第一階段著火發(fā)生時(shí)刻之前，整個(gè)系統(tǒng)中的燃料濃度變化不是很明顯，此時(shí)雙燃料處于準(zhǔn)備階段，直到第一階段著火發(fā)生時(shí)刻附近系統(tǒng)中才開(kāi)始出現(xiàn)一些較為劇烈的化學(xué)反應(yīng).

由圖4(a)可知，在雙燃料第一階段著火過(guò)程中甲烷濃度的變化與正庚烷摻混比例有關(guān). 當(dāng)正庚烷摻混比例較低時(shí)，甲烷濃度會(huì)在第一階段著火過(guò)程中小幅度降低，其降低速度極其緩慢，說(shuō)明在雙燃料第一階段著火過(guò)程中甲烷的消耗非常少，直到第二階段著火發(fā)生時(shí)甲烷濃度才迅速下降，被完全消耗. 隨著正庚烷摻混比例的增加，甲烷被完全消耗的時(shí)刻逐漸提前，這說(shuō)明正庚烷在一定程度上促進(jìn)了甲烷的消耗. 由圖4(b)可知，在雙燃料第一階段著火發(fā)生時(shí)刻正庚烷濃度迅速下降，說(shuō)明有大量正庚烷在第一階段著火過(guò)程中參與反應(yīng)被消耗. 在第一階段著火結(jié)束后，正庚烷的消耗速度開(kāi)始下降，隨后正庚烷濃度一直在持續(xù)、平緩地下降，最終在第二階段著火過(guò)程中被完全消耗.

(a)

(b)

圖4 著火過(guò)程中雙燃料濃度變化(空心圓代表第一階段著火時(shí)刻，實(shí)心圓代表第二階段著火時(shí)刻)

Fig.4 Variations of mole fractions of dual fuel during the ignition time(The hollow circles denote the first stage ignition time ; the solid circles denote the second stage ignition time)

2.2.2 重要消耗反應(yīng)的反應(yīng)速率

針對(duì)圖4中雙燃料的消耗趨勢(shì)，本文進(jìn)一步對(duì)雙燃料的主要消耗反應(yīng)在二階段著火過(guò)程中的反應(yīng)速率變化進(jìn)行分析. 甲烷和正庚烷在二階段著火過(guò)程中的主要消耗基元反應(yīng)見(jiàn)表1. 由圖5(a)可知，甲烷參與的主要反應(yīng)不僅有R44、R45、R46等消耗反應(yīng)，還有R43、R49等生成反應(yīng). 這說(shuō)明甲烷在低溫條件下，消耗與生成反應(yīng)共同存在，其中甲烷的主要消耗反應(yīng)速率大于其生成反應(yīng)速率. 甲烷的消耗反應(yīng)主要是甲烷與OH、H 、O等自由基進(jìn)行的脫氫反應(yīng). 甲烷在第一階段著火過(guò)程中的R46: CH4+ OH <=> CH3+ H2O反應(yīng)速率峰值最大，這與甲烷在氧化起始反應(yīng)中R46所需的活化能最低有關(guān). 由圖5(b)可知，相較于第一階段，甲烷在第二階段著火過(guò)程中的消耗反應(yīng)的反應(yīng)速率非常高，該現(xiàn)象與圖4(a)中甲烷含量在第二階段著火過(guò)程中大量下降完全一致. 由圖5(c)、5(d)可知，正庚烷在OH作用下發(fā)生的脫氫反應(yīng)是其消耗的主要方式，這些反應(yīng)的反應(yīng)速率在第一階段著火時(shí)就開(kāi)始突然增大，在第一階段著火發(fā)生時(shí)刻之后迅速減小，在第二階段著火過(guò)程中又有小幅上升，比較二階段著火過(guò)程中的正庚烷主要消耗反應(yīng)的反應(yīng)速率可發(fā)現(xiàn)其第一階段反應(yīng)速率是第二階段反應(yīng)速率的近50倍. 綜合來(lái)看，甲烷的消耗主要發(fā)生在雙燃料的第二階段著火過(guò)程，而正庚烷的消耗主要發(fā)生在雙燃料的第一階段著火過(guò)程. 圖5中甲烷和正庚烷的主要消耗反應(yīng)的反應(yīng)速率變化進(jìn)一步解釋了圖4中甲烷和正庚烷含量變化趨勢(shì)的原因.

表1 主要基元反應(yīng)

2.2.3 重要自由基的濃度變化

在雙燃料二階段著火過(guò)程中，重要自由基的濃度變化對(duì)燃料消耗的化學(xué)反應(yīng)非常重要. 如圖6所示，是雙燃料二階段著火過(guò)程中參與甲烷和正庚烷消耗反應(yīng)的主要自由基濃度變化曲線. 在雙燃料的第一階段著火之前，有一定量的H2O2和HO2生成，其中H2O2濃度在第一階段著火之后持續(xù)增加，在第二階段著火時(shí)刻前大量的H2O2通過(guò)分解生成OH，因此H2O2濃度迅速下降. HO2的濃度在第一階段著火發(fā)生時(shí)有所下降，然后維持在相對(duì)穩(wěn)定的水平，在第二階段著火時(shí)刻前大量生成后完全消耗. 在第一階段著火過(guò)程中OH、H、O的濃度相比H2O2及HO2較低，但其在第一階段著火發(fā)生時(shí)均出現(xiàn)了濃度峰值. 在第二階段著火發(fā)生時(shí)，OH、H和O的濃度均達(dá)到最大峰值. 隨著雙燃料第二階段著火的發(fā)生，OH濃度維持在一個(gè)穩(wěn)定的值，其余自由基都被完全消耗.

(a)

(c)

(b)

(d)

圖5 重要消耗反應(yīng)的反應(yīng)速率

Fig.5 Rates of consumption of methane and n-heptane during the main elementary reactions

圖6 重要自由基濃度變化

2.2.4 反應(yīng)路徑分析

為探究甲烷-正庚烷雙燃料在二階段著火過(guò)程中的具體消耗路徑及主要消耗方式，分別進(jìn)行溫度700 K、壓力10 atm、當(dāng)量比1.0、摻混比例50%條件下的第一階段和第二階段著火過(guò)程中的反應(yīng)路徑分析，如圖7、圖8所示. 由于正庚烷脫氫、加氧異構(gòu)化等進(jìn)一步反應(yīng)后會(huì)產(chǎn)生多種同分異構(gòu)體，所以圖7、圖8中正庚烷中間組分的同分異構(gòu)體由同一分子式表示，該分子式相關(guān)反應(yīng)通道旁百分比表示這些同分異構(gòu)體通過(guò)這一通道反應(yīng)的反應(yīng)量占這些同分異構(gòu)體總反應(yīng)量的百分比. 圖中“R”代表正庚烷基(包含C7H15-1、C7H15-2、C7H15-3、C7H15-4)，“Q”代表正庚烷基中失去了一個(gè)氫原子(如C7H141-3、C7H142-4等)，“Q′”和“Q′′”則分別代表物質(zhì)Q再失去一個(gè)和兩個(gè)氫原子.

根據(jù)圖4(a)中甲烷濃度含量變化曲線可知，甲烷在第一階段的消耗量非常微小，即在雙燃料第一階段著火過(guò)程中，只有微量甲烷按圖7(a)反應(yīng)路徑參與反應(yīng). 由圖7(a)可知，在第一階段著火過(guò)程中參與反應(yīng)的CH4幾乎全部與OH反應(yīng)脫氫生成CH3. 這些生成的CH3有85%以上會(huì)發(fā)生加氧反應(yīng)生成CH3O2，其中大部分CH3O2會(huì)進(jìn)一步與OH或HO2反應(yīng)變?yōu)镃H3OH或是CH3O2H，而所生成的這兩種組分不會(huì)在第一階段著火過(guò)程中發(fā)生進(jìn)一步反應(yīng). 剩下的CH3O2則會(huì)反應(yīng)生成CH3O，然后通過(guò)第三體M或是O2轉(zhuǎn)化為CH2O，最后大部分變?yōu)镠CO，再被氧化為CO和HO2.

由圖7(b)可知，在第一階段著火過(guò)程中參與反應(yīng)的絕大部分正庚烷同樣會(huì)與OH反應(yīng)脫氫生成正庚烷基R，然后發(fā)生加氧反應(yīng)變?yōu)檫^(guò)氧化物RO2，其中24.13%的RO2會(huì)繼續(xù)分解為烯烴和HO2，其它RO2則會(huì)發(fā)生異構(gòu)化，即RO2中的一個(gè)C-H鍵斷裂，這個(gè)氫原子會(huì)與末端的O形成O-H鍵，使得RO2變?yōu)镼OOH. 這些QOOH一部分分解為QO和OH，生成的QO不再參與第一階段著火中的反應(yīng). 其他大部分QOOH繼續(xù)發(fā)生加氧反應(yīng)生成O2QOOH，大部分O2QOOH分解為酮類過(guò)氧化物和OH，剩余的發(fā)生異構(gòu)化變?yōu)镠OOQ′OOH，然后分解為OQ′OOH、OH或是Q′OOH、HO2，生成的OQ′OOH和Q′OOH也不再繼續(xù)參與第一階段著火反應(yīng).

(a)

(b)

圖7 雙燃料第一階段著火過(guò)程反應(yīng)路徑分析(50%甲烷-50%正庚烷,T=700 K,P=10 atm,φ=1.0, 95%氬氣稀釋)

Fig.7 Reaction path analyses for first stage ignition of dual fuel (50%methane-50%n-heptane,T=700 K,P=10 atm,φ=1.0, 95% argon dilution)

通過(guò)分析中低溫條件下雙燃料在第一階段著火過(guò)程的反應(yīng)路徑可以發(fā)現(xiàn)，甲烷和正庚烷的脫氫加氧反應(yīng)是其第一階段著火過(guò)程中重要的反應(yīng)路徑之一，在第一階段著火過(guò)程中會(huì)生成許多中間產(chǎn)物(醛類、酮類等)和重要的自由基(OH、HO2等). 第一階段生成的中間產(chǎn)物和自由基為第二階段著火過(guò)程提供了良好的初始條件.

如圖8所示，是雙燃料第二階段著火過(guò)程的反應(yīng)路徑. 圖8(a)與圖7(a)相比較，可發(fā)現(xiàn)甲烷在第二階段著火過(guò)程中表現(xiàn)出比第一階段更為復(fù)雜的反應(yīng)機(jī)理. 由圖8(a)可知，O、H等自由基參與了甲烷的脫氫反應(yīng)，生成的CH3有一部分會(huì)繼續(xù)發(fā)生氧化反應(yīng)，最后生成H、HO2等自由基和CO2等最終產(chǎn)物. 另有相當(dāng)一部分CH3會(huì)在H和HO2的作用下再次生成CH4. 其他CH3則會(huì)在第三體的作用下與自身發(fā)生反應(yīng)生成含碳量更多的C2H6，在雙燃料第二階段著火過(guò)程中C2H6被完全氧化. 由圖8(b)可知，正庚烷在第二階段著火過(guò)程中反應(yīng)路徑的主干部分與其第一階段反應(yīng)路徑相似. 兩個(gè)階段著火過(guò)程的差異僅在于其第一階段著火過(guò)程中生成并停止反應(yīng)的中間產(chǎn)物(如QO、酮類過(guò)氧化物等)會(huì)在第二階段著火過(guò)程中繼續(xù)反應(yīng)，最后生成烯烴、酮類、醛類和烷基等相對(duì)較小的碳?xì)浣M分，最后被完全氧化.

通過(guò)圖7、圖8對(duì)雙燃料二階段著火過(guò)程的反應(yīng)路徑對(duì)比分析. 甲烷在第一階段著火過(guò)程中反應(yīng)量較少且過(guò)程較為簡(jiǎn)單，隨著系統(tǒng)溫度上升，甲烷在第二階段著火過(guò)程中的反應(yīng)變得更為復(fù)雜，結(jié)合圖4(a)可以進(jìn)一步證實(shí)甲烷的主要化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在雙燃料的第二階段著火過(guò)程中. 正庚烷在第一階段著火過(guò)程中主要發(fā)生氧化反應(yīng)，生成有較大分子結(jié)構(gòu)的組分，其在第二階段進(jìn)一步氧化分解形成較小的烯烴、烷基等簡(jiǎn)單分子結(jié)構(gòu)，然后完全氧化. 同時(shí)，對(duì)比第一階段與第二階段雙燃料各組分反應(yīng)路徑變化，可以發(fā)現(xiàn)雙燃料在第一階段著火過(guò)程中雙燃料系統(tǒng)中的組分及自由基種類較少，隨著第二階段著火的發(fā)生，自由基種類快速增加，OH、H、O和CH3等自由基對(duì)燃料的氧化起到了極大的促進(jìn)作用，使系統(tǒng)活性快速增加.

(a)

(b)

Fig.8 Reaction path analyses for second stage ignition of dual fuel (50%methane-50%n-heptane,T=700 K,P=10 atm,φ=1.0, 95% argon dilution)

3 結(jié) 論

1)甲烷-正庚烷雙燃料在初始溫度低于750 K時(shí)表現(xiàn)出二階段著火現(xiàn)象. 二階段著火延遲時(shí)間隨著正庚烷的摻混比例增加而減小，當(dāng)摻混比例小于75%時(shí)影響最顯著. 二階段著火過(guò)程均表現(xiàn)出一定的NTC現(xiàn)象，隨著正庚烷摻混比例降低，總的著火延遲時(shí)間的NTC現(xiàn)象趨于平緩.

2)甲烷-正庚烷雙燃料在二階段著火過(guò)程中燃料的消耗表現(xiàn)為：甲烷的消耗主要在第二階段著火過(guò)程中完成；正庚烷主要在第一階段進(jìn)行分解反應(yīng)，發(fā)生不完全氧化，并在第二階段著火過(guò)程中反應(yīng)完全.

3) 通過(guò)反應(yīng)路徑分析可知，在第一階段著火過(guò)程中參與反應(yīng)的自由基種類較少，且反應(yīng)路徑較為單一，主要生成大量的自由基和中間產(chǎn)物；第二階段著火過(guò)程中，H、O、HO2等自由基參與反應(yīng)，提高了系統(tǒng)活性，促進(jìn)了雙燃料的著火過(guò)程.