摘要
发展清洁替代燃料是完成“十四五”规划中构建现代能源体系、实现碳中和碳达标的关键，也是解决我国环境污染与资源短缺的重要手段。乙醇燃料作为一种可再生、易制取的清洁能源具有很大的利用价值，然而其自身能量密度低、热值低等特点限制了乙醇燃料的发展。为了改善这一不足，采用储能丰富且具有优秀燃烧性能的天然气作为乙醇燃料的补足剂，并掺氢提高整体燃料在内燃机中的工作性能，探索乙醇/甲烷/氢气混合燃料的应用前景。因此，本文实验研究不同初始压力(0.1MPa、0.2MPa和0.4MPa)、初始温度(370K、400K和450K)、当量比(0.7-1.4)的初始条件下乙醇/甲烷/氢气体积占比分别为50%、40%、10%的预混燃料火焰不稳定性和爆炸特性，并仿真研究燃料在进气道喷射内燃机(PortFuelInjection,PFI)中的燃烧和排放特性。主要内容如下： 首先，通过可视化实验分析了火焰表面形态的发展规律，研究了不同初始压力、初始温度、当量比下乙醇/甲烷/氢气预混火焰的流体动力不稳定性和热扩散不稳定性。结果表明，初始压力的增加显著地扩大了火焰的流体动力不稳定性，加快了火焰表面生成裂纹和胞化的速度；而当量比的增加降低了热扩散效应的稳定作用，因此，火焰在富燃区域的不稳定表现更加明显。此外，分析了所有工况下预混火焰的有效刘易斯数和理论马克斯坦数的变化规律，结果表明全工况下热扩散效应始终对火焰不稳定起抑制作用，流体动力不稳定性在火焰固有不稳定性中起主导作用。 其次，利用线性稳定理论模型确定了预混火焰发生不稳定的临界条件，并通过火焰传播与拉伸率之间的突变点计算火焰实际失稳的临界半径。在此基础上，运用临界佩克莱数(Pecr)和临界Karlovitz数(Kac)判断火焰失稳情况，同时结合火焰自加速理论分析火焰失稳后的速度变化过程。结果表明，火焰理论临界半径和实际临界半径基本吻合，二者在富燃区域表现出的小范围差异主要是由实验系统的不确定性造成的。此外，分析火焰加速度指数发现，当量比越大不稳定火焰达到相似加速度的时间越早。建立了Pecr和Kac与马克斯坦数(Ma)之间的最佳函数关系Pecr=21.95Ma+349.42、Kac=0.03411×e-0.1119Ma。 再次，实验研究了乙醇/甲烷/氢气预混燃料的爆炸压力、压力上升率(dp/dt)、爆燃指数(KG)和爆炸时间(tc)等爆炸特性参数，基于灵敏度系数分析了敏感基元反应的变化规律，以及关键中间产物的氧化还原过程。结果表明，爆炸特性参数在当量比1.2-1.3之间表现出极值。初始压力的增加极大地促进了链支反应R1:H+O2?O+OH，并抑制了链终止反应R127:CH_3+H(+M)?CH_4(+M)，使得反应过程中的H、OH自由基更多，爆炸压力峰值显著增加，这与关键产物的反应路径的结果一致。 最后，仿真研究了乙醇/甲烷/氢气燃料在PFI内燃机中的燃烧与排放特性。结果表明，燃料喷射压力的增加提高了缸内气流速度和燃料质量，使得缸内燃料混合更均匀，导致缸内燃烧过程的平均压力和温度增加。燃料初始温度的增加虽然提高了缸内气体流速，但对缸内平均压力影响很小，提高了缸内温度的同时增加了NOX物的产生。增大内燃机转速将极大的增大缸内空气占比，从而造成稀薄燃烧的情况，并且由于转速过快使得燃烧反应不完全，整体性能降低。
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