稀释条件下的气体燃料可燃区测定及稀薄燃烧机理研究

通过测试稀释条件下气体燃料着火极限和稀释极限，获得稀释条件下的天然气、液化石油气、煤气以及掺氢天然气、液化石油气的可燃区间，并系统建立掺氢、稀释气体对气体燃料燃烧可燃区的定量影响；对稀释下气体燃料稀薄层流预混燃烧火焰形态和温度分布进行测试，研究火焰燃烧过程中质量燃烧率、燃烧热效率、NOx生成等随燃气参数的变化关系；构建气体燃料化学反应简化机理，获取稀释后气体燃料层流燃烧速度，着火滞燃期等重要参数；基于化学反应机理，研究稀释气体与氢气对火焰输运流动的改变，揭示氢气助燃和EGR燃烧的机理。对着火滞燃期、层流燃烧速度、燃烧效率以及NOx生成等多个燃烧特性参数进行耦合分析，研究稀释后气体燃料物性参数对均质理想燃烧区的影响，获得气体燃料以及掺氢气体燃料EGR燃烧的基础数据，系统建立这些气体燃料稀释条件下的稀薄燃烧、稳定、高效燃烧的理论，为气体燃料发动机EGR及HCCI燃烧应用提供理论支撑。

气体燃料着火极限、稀释极限以及稀薄燃烧特性是发动机稀薄燃烧、EGR燃烧的重要基础数据，它是以层流火焰为研究对象的燃烧基础研究的重要内容。项目以甲烷、氢气、氮气、二氧化碳等气体的层流预混火焰为研究对象，系统测试混合气体火焰的着火极限、稀释极限和层流火焰脱火与回火极限，总结获取了掺氢比率、稀释比率等对气体燃料稳定燃烧的定量影响。掺氢及稀释燃烧是提升内燃机经济性能和降低HC、CO、NOx等常规排放的重要技术手段，也是当前内燃机燃烧研究的主要内容。研究基于McKenna平面层流火焰测试，获取了掺氢及稀释的甲烷气体层流平面火焰的温度分布，并基于火焰内部局部准稳定、准平衡假定，计算获取了层流火焰燃烧过程中放热效率、层流火焰厚度、质量燃烧率、燃烧热效率、关键活性基等随燃气初始温度、燃气当量比、掺氢率以及稀释气比率的变化关系，总结发现了掺氢及稀释对层流火焰全局燃烧特征参数的改变关系。化学反应机理是模拟燃烧过程、预测有害排放生成的基础性数据。研究基于实验测试，利用GRI-3.0详细反应动力学机理，进行掺氢及稀释下的层流预混火焰的燃烧化学反应路径分析，分通过析掺氢及稀释条件下层流火焰关键活性的主要生成与消耗途径，获取了平面火焰系统中放热最大贡献反应及活性基产生与消耗最主要反应，揭示了氢气对层流火焰热效应及活性基生成/消耗的促进作用，拓展了氢气助燃稳燃机理。研究对燃料气液两相预混层流火焰传播特性进行了实验和理论研究。基于Wilson clouds膨胀方法，在容弹内建立了均匀分布的乙醇、异辛烷、含水乙醇气液两相燃料浓度场，利用激光衰减系统和激光Phase Doppler Anemometry (PDA)进行了测试。基于液滴不同温度压力条件下的瞬态蒸发分析，对液滴在层流火焰传播过程中的蒸发特性进行了模拟，总结获取了液滴在层流火焰中的蒸发寿命及大尺寸液滴在火焰片中的穿透距离，为燃料气液两相燃烧中液滴蒸发评估提供了有效方式。基于层流火焰传播理论，建立了气液两相燃烧球形膨胀火焰模型，通过火焰边界的质量守恒推导，分别获得了汽液两相层流火焰的质量燃烧速率和卷吸燃烧速率，总结得出了汽液两相火焰中燃料液滴的介入对层流火焰传播的促进影响。项目目前已发表（录用）论文4篇，其中国际期刊3篇，SCI收录(源)2篇，EI收录(源)2篇；技术报告1部，国内燃烧学会议论文1篇，培养硕士研究生4名，1人获重庆市杰青。