ABSTRACT A detailed chemical kinetic mechanism has been developed to describe the oxidation of small hydrocarbon and oxygenated hydrocarbon species. The reactivity of these small fuels and intermediates is of critical importance in understanding and accurately describing the combustion characteristics, such as ignition delay time, flame speed, and emissions of practical fuels. The chosen rate expressions have been assembled through critical evaluation of the literature, with minimum optimization performed. The mechanism has been validated over a wide range of initial conditions and experimental devices, including flow reactor, shock tube, jet‐stirred reactor, and flame studies. The current mechanism contains accurate kinetic descriptions for saturated and unsaturated hydrocarbons, namely methane, ethane, ethylene, and acetylene, and oxygenated species; formaldehyde, methanol, acetaldehyde, and ethanol.

The oxidation of syngas mixtures was investigated experimentally and simulated with an updated chemical kinetic model. Ignition delay times for H2/CO/O2/N2/Ar mixtures have been measured using two rapid compression machines and shock tubes at pressures from 1 to 70 bar, over a temperature range of 914–2220 K and at equivalence ratios from 0.1 to 4.0. Results show a strong dependence of ignition times on temperature and pressure at the end of the compression; ignition delays decrease with increasing temperature, pressure, and equivalence ratio. The reactivity of the syngas mixtures was found to be governed by hydrogen chemistry for CO concentrations lower than 50% in the fuel mixture. For higher CO concentrations, an inhibiting effect of CO was observed. Flame speeds were measured in helium for syngas mixtures with a high CO content and at elevated pressures of 5 and 10 atm using the spherically expanding flame method. A detailed chemical kinetic mechanism for hydrogen and H2/CO (syngas) mixtures has been updated, rate constants have been adjusted to reflect new experimental information obtained at high pressures and new rate constant values recently published in the literature. Experimental results for ignition delay times and flame speeds have been compared with predictions using our newly revised chemical kinetic mechanism, and good agreement was observed. In the mechanism validation, particular emphasis is placed on predicting experimental data at high pressures (up to 70 bar) and intermediate- to high-temperature conditions, particularly important for applications in internal combustion engines and gas turbines. The reaction sequence H2+HO˙2↔H˙+H2O2 followed by H2O2(+M)↔O˙H+O˙H(+M) was found to play a key role in hydrogen ignition under high-pressure and intermediate-temperature conditions. The rate constant for H2+HO˙2 showed strong sensitivity to high-pressure ignition times and has considerable uncertainty, based on literature values. A rate constant for this reaction is recommended based on available literature values and on our mechanism validation.

Alcohols, such as butanol, are a class of molecules that have been proposed as a bio-derived alternative or blending agent for conventional petroleum derived fuels. The structural isomer in traditional “bio-butanol” fuel is 1-butanol, but newer conversion technologies produce iso-butanol and 2-butanol as fuels. Biological pathways to higher molecular weight alcohols have also been identified. In order to better understand the combustion chemistry of linear and branched alcohols, this study presents a comprehensive chemical kinetic model for all the four isomers of butanol (e.g., 1-, 2-, iso- and tert-butanol). The proposed model includes detailed high-temperature and low-temperature reaction pathways with reaction rates assigned to describe the unique oxidation features of linear and branched alcohols. Experimental validation targets for the model include low pressure premixed flat flame species profiles obtained using molecular beam mass spectrometry (MBMS), premixed laminar flame velocity, rapid compression machine and shock tube ignition delay, and jet-stirred reactor species profiles. The agreement with these various data sets spanning a wide range of temperatures and pressures is reasonably good. The validated chemical kinetic model is used to elucidate the dominant reaction pathways at the various pressures and temperatures studied. At low-temperature conditions, the reaction of 1-hydroxybutyl with O2 was important in controlling the reactivity of the system, and for correctly predicting C4 aldehyde profiles in low pressure premixed flames and jet-stirred reactors. Enol–keto isomerization reactions assisted by radicals and formic acid were also found to be important in converting enols to aldehydes and ketones under certain conditions. Structural features of the four different butanol isomers leading to differences in the combustion properties of each isomer are thoroughly discussed.

The development of accurate chemical kinetic models capable of predicting the combustion of methane and dimethyl ether in common combustion environments such as compression ignition engines and gas turbines is important as it provides valuable data and understanding of these fuels under conditions that are difficult and expensive to study in the real combustors. In this work, both experimental and chemical kinetic model-predicted ignition delay time data are provided covering a range of conditions relevant to gas turbine environments (T = 600–1600 K, p = 7–41 atm, ϕ = 0.3, 0.5, 1.0, and 2.0 in ‘air’ mixtures). The detailed chemical kinetic model (Mech_56.54) is capable of accurately predicting this wide range of data, and it is the first mechanism to incorporate high-level rate constant measurements and calculations where available for the reactions of DME. This mechanism is also the first to apply a pressure-dependent treatment to the low-temperature reactions of DME. It has been validated using available literature data including flow reactor, jet-stirred reactor, shock-tube ignition delay times, shock-tube speciation, flame speed, and flame speciation data. New ignition delay time measurements are presented for methane, dimethyl ether, and their mixtures; these data were obtained using three different shock tubes and a rapid compression machine. In addition to the DME/CH4 blends, high-pressure data for pure DME and pure methane were also obtained. Where possible, the new data were compared with existing data from the literature, with good agreement.

Laminar flame speeds and ignition delay times have been measured for hydrogen and various compositions of H2/CO (syngas) at elevated pressures and elevated temperatures. Two constant-volume cylindrical vessels were used to visualize the spherical growth of the flame through the use of a schlieren optical setup to measure the laminar flame speed of the mixture. Hydrogen experiments were performed at initial pressures up to 10 atm and initial temperatures up to 443 K. A syngas composition of 50/50 by volume was chosen to demonstrate the effect of carbon monoxide on H2-O2 chemical kinetics at standard temperature and pressures up to 10 atm. All atmospheric mixtures were diluted with standard air, while all elevated-pressure experiments were diluted with a He:O2 ratio of 7:1 to minimize instabilities. The laminar flame speed measurements of hydrogen and syngas are compared to available literature data over a wide range of equivalence ratios, where good agreement can be seen with several data sets. Additionally, an improved chemical kinetics model is shown for all conditions within the current study. The model and the data presented herein agree well, which demonstrates the continual, improved accuracy of the chemical kinetics model. A high-pressure shock tube was used to measure ignition delay times for several baseline compositions of syngas at three pressures across a wide range of temperatures. The compositions of syngas (H2/CO) by volume presented in this study included 80/20, 50/50, 40/60, 20/80, and 10/90, all of which are compared to previously published ignition delay times from a hydrogen-oxygen mixture to demonstrate the effect of carbon monoxide addition. Generally, an increase in carbon monoxide increases the ignition delay time, but there does seem to be a pressure dependency. At low temperatures and pressures higher than about 12 atm, the ignition delay times appear to be indistinguishable with an increase in carbon monoxide. However, at high temperatures the relative composition of H2 and CO has a strong influence on ignition delay times. Model agreement is good across the range of the study, particularly at the elevated pressures.