科学家们探索了以氢/甲烷燃料运行的发动机中超级爆震随机发生的来源

在CombustionandFlame上发表的一项研究中，研究人员研究了非热反应化学对H2-CH4燃料混合物在空气中燃烧的有界域(代表理想化发动机气缸)的燃烧前沿传播的影响。

以往的工作表明，在某些燃烧环境中，H+CH3和H+OH自由基-自由基重组和H+O2自由基-分子缔合反应可以形成长寿命的激发态中间体(如CH4*，H2O*,HO2*)可以在进行碰撞稳定之前与H、O、OH和O2进行后续反应(变为CH4、H2O、HO2)。

由桑迪亚国家实验室领导的国际团队在模型中加入了非热“分子间”反应，特别研究了这种自由基-自由基重组和自由基-分子缔合反应的影响。该团队使用空间分辨率为1微米的S3D直接数值模拟(DNS)代码表明，在高压H2-CH4燃烧过程中，包含非热化反应化学物质会影响化学反应通量以及爆燃前沿向高压过渡-压力、快速移动的爆轰前沿。

另一方面，化学爆炸模式分析(CEMA)是一种可靠的计算火焰诊断工具，用于系统地检测燃烧过程中形成的重要物质和反应，表明无论是否存在非热反应性、温度和氧气浓度仍然是影响发动机相关条件下H2/CH4空气混合物中爆轰形成的两个最主要变量。

研究人员指出，这一特殊观察结果可能会随着H2/CH4混合比例的不同而发生变化。研究人员提出的模型出现在上图中。首先，火花触发的火焰以速度Sf伴随着以速度a传播的压力波向外传播，其中a远大于Sf(a>>Sf)。在没有三分子反应的情况下，气缸壁附近未燃烧的气体在被火花触发的火焰消耗之前自发点燃。

随后，出现的点火前沿以速度“SSp”向外传播，使其与压力波(SSp>>a)保持分离，从而导致正常爆震的形成。然而，在存在三分子反应的情况下，火花触发的火焰前锋和压力波之间发生聚结，其中“a”大约与Sf一样大。压力波和火花触发的火焰前锋之间的完美同步导致爆燃到爆轰的转变，即超级爆震，而未燃烧的尾气中没有任何自燃。研究人员提出，在模拟H2-CH4的燃烧时，需要包括他们的非热反应化学混合物以准确预测火焰行为的重要方面。

小排量涡轮增压内燃机可以经历“爆震”而不会遭受持久损坏。当燃料比预期更早点燃时，就会发生爆震。更具破坏性的是“超级敲击”。与正常爆震不同，超级爆震是由爆震波引起的，这是由于与火焰相关的放热和发动机气缸内的压力之间存在反馈回路。

一种替代燃料氢气比其他燃料具有更高的超级爆震风险，因为发动机必须以氢气高效运行的方式运行。一种解决方案是由氢气和甲烷混合制成的燃料。在氢燃料中加入甲烷可以平稳燃烧并减少某些类型的排放。发动机中的燃烧极其复杂，因此研究人员需要研究氢/甲烷燃料反应以帮助发动机设计。

使用氢气和甲烷的混合物作为内燃机燃料是减少二氧化碳排放最有前途的策略之一。在火花点火发动机中燃烧这些燃料时的一个问题是从“理想”燃烧机制到爆震波形成的转变。在理想的燃烧中，燃料燃烧波(称为爆燃)传播远离火花点火源。

在错误的条件下，这种燃烧反而会导致爆炸波的形成。这种波会迅速消耗掉所有燃料，并在发动机中产生称为超级爆震的强烈压力峰值。为了避免超级爆震，科学家们研究了从爆燃到爆炸转变的原因。这项研究将有助于为在内燃机中使用可行的化石燃料替代品铺平道路。