本研究由Xinlei Liu、Hu Wang、Zunqing Zheng、Jialin Liu、Rolf D. Reitz和Mingfa Yao合作完成，作者团队分别来自中国天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室和美国威斯康星大学麦迪逊分校发动机研究中心。研究成果发表于2016年的《Energy》期刊（Volume 114, Pages 542-558），标题为《Development of a combined reduced primary reference fuel-alcohols (methanol/ethanol/propanols/butanols/n-pentanol) mechanism for engine applications》。
学术背景
在全球面临温室气体排放和化石燃料枯竭的背景下，可再生生物醇类燃料（如甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和戊醇）因其清洁燃烧特性和可持续性成为内燃机领域的研究热点。传统石油燃料的替代需求催生了多碳醇（C3-C5）的应用探索，但现有研究多集中于短链醇（C1-C2），对长链醇及其与柴油/汽油混合燃烧的化学动力学机制缺乏系统性研究。本研究旨在开发一个包含161种组分和622个反应的简化PRF（Primary Reference Fuel）-醇类联合化学反应机理，用于发动机燃烧模拟，填补长链醇燃烧机理的空白，并为发动机优化设计提供理论工具。
研究流程与方法
机理构建与简化
- 基础框架：以团队前期开发的PRF-丁醇简化机理（108物种/435反应）为基础，整合AramcoMech 1.3核心机理（C0-C2小分子化学）和PRF子机理（正庚烷/异辛烷）。
- 新增组分：通过定向关系图误差传播法（DRGEP）自动简化了正丙醇、异丙醇（基于Man等详细机理）和正戊醇（基于Heufer等详细机理）的详细机理，分别保留57/267、55/249和161/622个物种/反应。
- 手动优化：通过反应路径分析（ROP）、点火延迟和层流火焰速度敏感性分析，剔除次要物种（如正戊醇的C5H11O异构体），并调整关键反应速率（如R58和R60）以提升低温反应预测精度。
实验验证
- 基础验证：采用Chemkin软件包（Senkin/Premix/Aurora模块）模拟点火延迟、层流火焰速度和射流搅拌反应器（JSR）中的物种浓度分布，与文献数据对比。例如：
- 点火延迟：正丙醇在高压（>1 atm）下的模拟误差<15%，但1 atm时误差达85%（因未考虑激波管热损失）。
- 层流火焰速度：甲醇/乙醇的预测优于AramcoMech 1.3详细机理，C3-C5醇在当量比Φ=0.25-4.0范围内吻合良好。
- HCCI实验：在单缸压燃式发动机上开展75%醇类/25%正庚烷混合燃料的均质充量压缩着火（HCCI）实验，采集缸压和放热率数据。通过KIVA3V-Chemkin耦合模型进行三维模拟，网格采用45°扇形分区（9560个节点），初始条件设为均质混合气。
三维与零维模拟
- DICI燃烧分析：将简化机理与甲苯-多环芳烃（PAH）子机理耦合，模拟柴油/醇类混合燃料（5%氧含量）的直接喷射压燃（DICI）过程。对比不同醇类（甲醇至戊醇）的排放特性，发现物理混合质量（而非碳链结构）主导碳烟生成。
- 零维研究：通过Senkin代码分析纯醇及正庚烷混合燃料的碳烟倾向，以C2H2和芘（A4）为指标，证实燃料分子中的氧原子比O2分子更高效氧化碳烟前驱体。
主要结果
- 机理性能：简化机理成功复现了各类醇的燃烧特性，如正戊醇在低温区（700 K）通过异构化-烯醇酮互变异构路径生成醛类，高温区（1300 K）则以H抽象和裂解为主。
- HCCI实验验证：反应活性排序为n-戊醇 > 异丙醇 > 正丙醇，EGR率增加至30%时，燃烧相位延迟且放热率降低，模拟与实验误差%。
- 排放规律：DICI模拟显示，5%氧含量混合燃料的碳烟排放顺序为甲醇 > 乙醇 > 丁醇 > 戊醇 > 正丙醇，归因于长链醇的较长滞燃期改善了混合均匀性。
结论与价值
- 科学价值：首次构建了涵盖C1-C5醇类的简化PRF-醇联合机理，系统性揭示了长链醇的低温和高温反应路径差异。
- 应用价值：为发动机燃烧优化提供工具，例如正戊醇/柴油混合燃料可同时降低NOx和碳烟排放，且热效率接近纯柴油。
- 创新发现：燃料分子中的氧原子直接参与碳烟氧化，这一发现为含氧燃料设计提供了新思路。
研究亮点
- 方法论创新：结合DRGEP自动简化与基于敏感性的手动优化，实现了复杂机理的高保真降维。
- 多尺度验证：从基础燃烧参数（如层流火焰速度）到实际发动机HCCI/DICI燃烧的全链条验证。
- 工程指导性：明确了长链醇在DICI燃烧中通过改善混合质量而非化学结构抑制碳烟的主导机制。
其他价值
研究还指出，未来需进一步优化C2H2生成路径的预测精度，并探索非粮食原料量产长链醇的技术经济性，以推动其实际应用。