低比例乙醇掺混对氨燃料自燃特性的动力学机制研究及模型优化

为提升氨燃料(NH3)在发动机中的燃烧性能，研究人员针对低比例乙醇(C2H5OH)掺混体系的自燃特性展开研究。通过量子化学计算和过渡态理论(TST)构建交叉反应动力学模型，验证了5%-1%乙醇掺混比下NH2?与乙醇衍生物自由基反应的关键作用，显著提升点火延迟时间(IDT)预测精度，为氨-乙醇双燃料发动机设计提供理论支撑。

　　

随着全球碳中和目标的推进，零碳燃料氨(NH₃)因其储氢密度高、基础设施完善等优势成为研究热点，但其缓慢的燃烧动力学和点火困难问题严重制约应用。为解决这一难题，研究人员发现将可再生生物燃料乙醇(C₂H₅OH)与氨混合可显著改善燃烧性能，尤其在低掺混比例(1%-5%)时仍能有效促进燃烧，但现有动力学模型对此类体系的交叉反应机制描述不足。

郑州大学（根据致谢中"郑州创新团队项目"推断）的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，通过高精度量子化学方法结合过渡态理论(TST)，系统构建了NH₂?与乙醇衍生物自由基(CH₃CH₂O?等)的12组交叉反应动力学参数，开发出改进的MNE动力学模型。该研究采用UCCSD(T)/cc-pVQZ//UB3LYP-D3(BJ)方法计算单点能，通过快速压缩机(RCM)实验验证模型精度，并分析温度、压力等参数对自燃特性的影响。

反应路径与热力学参数
研究首次揭示NH₂?优先攻击乙醇α位C-H键的反应路径(R1-R4)，能垒比传统β位攻击低15-20 kcal/mol。势能面分析显示CH₃CHOH?+NH₃通道在800K时占比达62%，成为主导路径。

动力学模型验证
新模型将5%乙醇掺混比下的IDT预测误差从原有模型的35%降至8%，特别在低温区(650-850K)改善显著。RCM实验数据验证显示，更新后的动力学参数能准确反映1%低掺混比下的自由基池加速效应。

自燃特性分析
研究发现：1）5%乙醇掺混时，NH₂?+C₂H₅OH→CH₃CHOH+NH₃反应消耗了78%的乙醇；2）降低乙醇比例会提前触发NH₃消耗，因自由基池规模减小；3）温度升高使C₂H₅OH+HO₂→CH₃CHOH+H₂O₂反应速率提升3个数量级，而当量比增大则抑制CH₃CHO氧化路径。

该研究通过建立高精度交叉反应动力学数据库，解决了低比例乙醇-氨混合燃料的燃烧预测难题。更新的MNE模型为双燃料发动机设计提供关键理论工具，其揭示的"低温区α位主导"反应机制对优化掺混策略具有指导意义。研究获得中国博士后科学基金等项目支持，相关成果将推动氨燃料在交通领域的商业化应用。