微发动机均质充量蓄热催化压燃过程的研究

在微型自由活塞动力装置均质充量压燃(HCCI)燃烧过程的研究基础上，鉴于自由活塞高的往复频率造成的燃烧时间极短，使燃烧稳定性和微发动机功率受到限制的关键问题，提出一种催化蓄热作用于一体的强化燃烧方式，扩展微燃烧室内混合气压缩着火的可燃极限，突破微尺度和高频往复压缩对燃烧限制的瓶颈，有效提高微发动机的燃烧稳定性和输出功率，为研制高功率微动力系统提供理论基础。通过理论和实验研究，建立均质混合气催化反应动力学模型，揭示微燃烧室内催化燃烧过程中混合气着火、燃烧机理，探讨微催化蓄热作用下压燃方式的限制因素与着火界限，分析催化反应与传热的交互作用对着火点形成的影响，并探讨采用不同催化剂及载体对低温着火的影响；获得催化蓄热燃烧方式下微发动机活塞运动特性和能量转化效率，确定最佳催化燃烧参数，为开发宽可燃界限、良好的燃烧稳定性和高功率的微发动机奠定基础。

通过采用催化和蓄热燃烧方式开展微自由活塞发动机燃烧过程特性的研究，提高微燃烧界限和可靠性，以解决由于小尺度下自由活塞高频往复运动使微燃烧稳定性和微发动机功率受到限制的问题。针对微发动机均质充量压燃(HCCI)蓄热催化燃烧过程，完成了本项目的研究工作并取得预期成果：（1）建立了微燃烧室直径3mm的可视化燃烧实验装置，包括不同时刻燃烧图像拍摄系统，微燃烧压力测量系统，混合气当量比测试系统以及混合气初始温度测试系统，包括带催化表面的自由活塞运动部件，并进行了多参数的实验测试研究。获得了3种典型的微燃烧过程图像，即未着火型、临界着火燃烧型以及完全着火燃烧型图像，重点开展了临界着火燃烧型式的多参数变化的影响测试分析，包括燃料当量比，自由活塞质量和启动速度，混合气初始温度以及是否催化等，获得了包括临界初动能、临界压缩比等关键参数的影响规律。（2）构建了微发动机催化、蓄热燃烧过程的计算模型，开发微自由活塞发动机蓄热催化均质压燃的计算软件，以及基于动网格技术的数值方法的建立。采用多种燃料（甲烷、丙烷和二甲醚等）的详细化学动力学机理(包括表面反应动力学及气相反应动力学)，对活塞上表面和燃烧室顶部涂有Pt (Rh)催化剂的微型发动机催化燃烧过程进行模拟，详细分析催化对微型发动机燃烧特性的影响，包括催化燃烧对微型发动机着火时刻及燃烧过程中主要化学组分浓度变化的影响；蓄热模型主要考虑新鲜混合气的预热作用，从而提高混合气初始温度。蓄热装置申请了国家发明专利。研究结果表明蓄热催化燃烧能有效拓展微自由活塞发动机HCCI着火的界限和可靠性，实现高频自由活塞运动下的微燃烧稳定性。（3）重点研究了微自由活塞发动机临界着火燃烧过程的特点及影响因素实验和计算分析了不同参数和条件对着火燃烧的影响，获得了在其他条件确定的情况下，自由活塞临界初动能这一综合参数可以表示微发动机临界着火条件，并能够与临界压缩比相对应，并获得了临界初动能的相关表达式。同时详细研究分析了燃料当量比、催化条件、泄漏损失等重要参数对临界着火过程的影响，获得了微自由活塞发动机特定燃料下的最低着火界限，对微型发动机的设计具有重要的指导意义。本项目研究成果主要包括：在国际和国内重要期刊及国内外学术会议发表研究论文15篇，申请和授权发明专利4项，相关成果获得省部级以上科技进步二等奖2项，培养博士后1名，博士研究生1名，硕士研究生3名。