正庚烷/氨混合燃料自燃特性与层流燃烧速度的动力学建模及排放特性研究

　　本研究针对氨(NH3 )与高活性燃料混合燃烧缺乏高精度数值模型的问题，通过耦合正庚烷(n-heptane)/氨反应机理，系统分析了不同初始条件(当量比、压力、温度)和氨能量替代比(ESR)下混合燃料的自燃特性、层流火焰特性及NOX 生成规律。研究发现ESR增加会延长点火延迟时间(IDT)，而温度升高会缩短IDT；氨化学对层流燃烧速度(LBV)的敏感性随ESR增加而增强；当ESR>20%时可降低层流火焰中NOX 生成，为内燃机近零排放提供了关键理论依据。

　　

在全球碳中和背景下，氨(NH₃
)作为零碳燃料在重型机械、船舶等领域的应用备受关注。然而其低火焰速度、窄可燃范围及高NO_X
排放的特性严重制约实际应用。混合高活性燃料是提升氨燃烧效率的有效方案，但当前缺乏对正庚烷(n-heptane)/氨混合燃烧的详细动力学研究，特别是在600-1000K低温区间的反应机制尚不明确。

针对这一科学问题，中国研究人员在《Journal of Advanced Research》发表研究，通过CHEMKIN平台构建包含1300个组分、5630个基元反应的新型动力学模型，结合恒容绝热模型和预混层流火焰模型，系统研究了不同ESR(0-60%)和初始条件下混合燃料的IDT、LBV及NO_X
生成特性。研究采用Curran正庚烷机理与Zhang氨机理耦合，并通过激波管、快速压缩机等实验数据验证模型准确性。

自燃特性研究
通过反应路径分析发现：在700K低温区，正庚烷通过NC₇
H₁₆
→R→ROOH→QOOH→O₂
QOOH→KET→KETO路径生成大量OH；850K中温区出现β裂解反应与低温链分支竞争，导致负温度系数(NTC)现象；1250K高温区直接发生C-C断裂生成C₁
-C₄
小分子。ESR增加会抑制CO与OH结合，促使其与HNO反应生成CO₂
。两阶段点火分析显示，纯正庚烷第一阶段消耗50%燃料，而ESR=60%时增至80%。

层流燃烧特性
LBV随ESR增加而降低，80%ESR时热释放率峰值下降94%。自由基分析表明H/O/OH/HO₂
浓度随ESR增加而降低，其中HO₂
降幅最大达70%。敏感性分析揭示NH₃
+OH=NH₂
+H₂
O是抑制LBV的关键反应，而HCO+M=H+CO+M在正庚烷主导体系中促进火焰传播。

NO_X
生成机制
混合燃料NO_X
主要来源于氨的燃料型NO_X
，其浓度是正庚烷热力型NO_X
的数十倍。ESR>20%时，NH₂
+NO→NNH→N₂
路径增强，使NO峰值降低。层流火焰中，1atm压力下NO摩尔分数在ESR=20%时达峰值，而30atm高压下NO生成受抑制。

该研究首次阐明了正庚烷/氨混合燃料在宽温域(650-1250K)的反应网络，揭示氨通过影响自由基池抑制燃烧的分子机制，提出ESR>20%可协同降低NO_X
排放的优化策略。所建动力学模型为内燃机掺氨燃烧设计提供了关键工具，对实现交通领域碳中和目标具有重要指导意义。研究创新性地发现氨化学与碳氢燃料的交叉反应路径，特别是HNO+CO→CO₂
+NH的C-N相互作用机制，为低碳燃料开发开辟了新思路。