低热值气体燃料发动机燃烧稳定性的基础研究

本项目采用数值模拟、理论分析和发动机台架实验相结合的方法开展发动机燃用低热值气体燃料的基础研究。通过研究建立低热值混合气体燃料发动机的燃烧循环变动模型，分析计算低热值气体燃料着火和火焰传播过程中，混合气的组分浓度和温度不均匀度等参数对循环变动的影响，通过实验研究阐明低热值气体燃料中非烃组分与发动机燃烧不稳定性的关系，进一步获得掺氢混合气体燃料对于改善低热值气体稀燃稳定性的基础信息，研究在正常燃烧、部分燃烧到失火过程中，各因素对发动机燃烧循环变动的作用规律，为低热值气体燃料发动机性能完善和优化提供理论依据。本研究对丰富和深化内燃机燃烧理论具有重要的学术意义，对我国环境保护及资源产业具有重要的指导意义和直接的社会效益。

本项目采用数值模拟、理论分析和发动机台架实验相结合的方法开展发动机燃用低热值气体燃料的基础研究。通过试验重点开展了低热值气体发动机正常燃烧、失火和部分燃烧等燃烧稳定性实验研究，分析了不同非烃气体成分（CO2、N2）组分、工质气当量比、点火能量和发动机运行参数等情况下循环变动特征参数的变化规律；在此基础上，采用离子电流的测试方法，分析了点火参数和火焰初始生长速率的变动对低热值气体燃料发动机燃烧循环变动的影响；建立低热值气体发动机燃烧循环变动模型，全面分析了研究着火和火焰传播过程中混合气组分、浓度和温度等参数的不均匀度与发动机不稳定燃烧的相关性。本项目开展的工作及取得的研究成果如下：（1）建立了基于大涡模拟方法及耦合详细反应机理的发动机多维模拟仿真平台；（2）开展低热值气体发动机燃烧循环变动的数值模拟计算研究，研究了点火系统控制参数、混合气流动特性参数、燃气当量比等与稀混合气体燃料燃烧循环变动的相互关系，获得了低热值气体燃料燃烧循环变动特征参数的分布规律；（3）通过发动机燃用低热值气体燃料燃烧循环变动的数值模拟分析，阐明了低热值气体燃料着火和火焰传播过程中组分、浓度和温度的不均匀度与发动机不稳定燃烧的关联性；（4）基于LabVIEW平台开发了发动机缸内离子电流及缸压测量分析系统，在低热值气体燃料发动机上开展了低热值气体燃料发动机的离子电流信号特征及影响因素的试验研究，得到了点火参数和火焰初始生长速率的变动对低热值气体燃料发动机燃烧循环变动的影响；（5）选用ZS1100M型单缸柴油机，将其改装搭建成为电控低热值混合气体燃料循环变动试验台架，开展了低热值气体发动机正常燃烧、失火和部分燃烧等燃烧稳定性实验研究，获得了不同非烃气体成分（CO2、N2）组分、工质气当量比、点火能量和发动机运行参数等情况下循环变动特征参数的变化规律，分析火焰从正常燃烧、部分燃烧到失火的演变过程；（6）搭建了定容燃烧弹系统，开展了低热值气体燃料层流燃烧火焰稳定性的试验研究，获得了不同初始压力、当量比和燃料组分下低热值气体燃料层流燃烧速度和火焰稳定性规律。