学术研究报告：氢/合成气-甲醇混合燃料氧化机理及其在发动机性能预测中的应用

一、研究团队与发表信息
本研究由大连理工大学内燃机研究所的Yongjian Wang、Wuqiang Long、Hua Tian、Pengbo Dong*（通讯作者）、Mingfei Lu、Yuanyou Tang、Yang Wang及Weiqi Zhang共同完成，发表于期刊《Fuel》第365卷（2024年），文章编号131211，在线发布于2024年2月15日。

二、学术背景与研究目标
在全球碳减排倡议下，甲醇（methanol）作为碳中和燃料备受关注，因其可通过捕获二氧化碳与氢气合成，且具有较高的层流燃烧速度（laminar burning velocity, LBV）和低排放特性。然而，甲醇发动机在冷启动和低负荷工况下存在燃烧不稳定的问题。氢（hydrogen）和合成气（syngas，主要成分为H₂和CO）作为添加剂可改善甲醇燃烧性能，但现有化学动力学机理对混合燃料的预测精度不足，且缺乏对合成气-甲醇混合燃料在发动机中应用的系统性研究。

本研究的目标包括：
1. 开发适用于氢/合成气-甲醇混合燃料氧化的化学动力学机理（chemical mechanism）；
2. 定量分析氢与合成气对甲醇点火延迟时间（ignition delay time, IDT）和层流燃烧速度的影响差异；
3. 结合台架试验数据，预测氢/合成气-甲醇发动机的爆震（knock）与燃烧特性；
4. 提出基于甲醇重整器（methanol reformer）的发动机运行方案，提升系统综合热效率（comprehensive thermal efficiency）。

三、研究流程与方法
1. 机理开发与简化
- 初始机理选择：基于Burke等（2016）的甲醇详细化学机理（含173种组分和1011个反应），结合Keromnes等的H₂-O₂机理和AramcoMech的烃类模型。
- 简化方法：采用误差传播有向关系图（DRGEP, Directed Relation Graph with Error Propagation）方法，以点火延迟时间和关键物种（如CO、CH₂O）的预测误差为阈值（3%），最终获得包含39种组分和193个反应的简化机理（ARAOP）。
- 关键反应优化：更新了CH₂OH、CH₃O等自由基的反应速率常数（表3），参考了Aranda、Olm等团队的实验数据。

1. 机理验证

   • 点火延迟时间验证：通过Chemkin软件模拟激波管（shock tube）实验，对比Burke、Li、San Diego等模型的预测结果。结果显示，ARAOP机理在高压（30.88 bar）、低温（900 K）及不同当量比（0.6–2.0）下均与实验数据吻合良好（图1-3）。
     
   • 层流燃烧速度验证：利用预混层流火焰速度模块，验证了甲醇及氢/合成气混合燃料的LBV。ARAOP机理在富燃条件（φ=1.2–1.8）下的预测误差显著低于其他模型（图4-5）。
     
   • 物种演化验证：在喷射搅拌反应器（jet-stirred reactor）和流动反应器（flow reactor）中，ARAOP机理对CH₃OH、H₂、CH₂O等关键物种的浓度演化预测准确（图6）。
     

2. 动力学分析

   • 点火延迟特性：氢/合成气添加会延长甲醇的点火延迟时间，且合成气的抑制作用更强（图9-10）。通过敏感性分析（sensitivity analysis）发现，反应CH₃OH + HO₂→CH₂OH + H₂O₂和H₂O₂→2OH对温度变化最敏感（图11）。
     
   • 层流燃烧速度特性：氢/合成气均能提升LBV，但氢的促进作用更显著（图13）。敏感性分析表明，链分支反应O₂ + H→O + OH是主导因素（图15）。
     

3. 发动机性能预测

   • 数值模型构建：基于CONVERGE软件建立三维CFD模型，耦合ARAOP机理，模拟重型甲醇发动机的燃烧过程（图7）。
     
   • 爆震与燃烧特性：合成气添加可降低爆震强度（knock intensity, KI），但会轻微降低指示平均有效压力（IMEP）（图18）。
     
   • 热效率优化方案：提出利用排气废热驱动甲醇重整器生成合成气的方案，在爆震限制内（合成气体积分数0.076），系统综合热效率提升1.96%（图20）。
     

四、主要结果与逻辑关联
1. 机理验证结果：ARAOP机理在IDT、LBV及物种演化预测中均表现优异，为发动机模拟提供了高精度工具。
2. 动力学差异：合成气因含CO，其抑制点火和促进燃烧的效果弱于纯氢，这解释了发动机中合成气-KI较低的现象。
3. 发动机性能：氢/合成气缩短燃烧持续期（CA10-CA90），但合成气对容积效率（volumetric efficiency）的影响更小，适合实际应用。

五、研究结论与价值
1. 科学价值：ARAOP机理填补了氢/合成气-甲醇混合燃料动力学模型的空白，为发动机优化设计提供了理论依据。
2. 应用价值：甲醇重整器方案实现了废热回收与排放控制的协同优化，为碳中和燃料发动机的推广提供了技术路径。

六、研究亮点
1. 机理创新：首次开发了适用于氢/合成气-甲醇混合燃料的简化机理，兼顾精度与计算效率。
2. 应用创新：提出“甲醇重整器+发动机”集成方案，验证了合成气在提升热效率方面的潜力。
3. 方法创新：结合DRGEP简化与多目标优化，为复杂燃料机理开发提供了范式。

七、其他有价值内容
研究还发现，CO对甲醛（CH₂O）生成的抑制作用（图17）可降低甲醇发动机的醛类排放，这对控制有毒污染物具有实际意义。