微动力系统加氢辅助催化压燃及能量转换过程的研究

In view of the combustion stability and efficiency, and energy density of micro-scale power system were restricted, the hydrogen assisted and regenerative catalytic combustion method of the free piston micro-scale power system was proposed based on Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI). Micro-combustion limits can be extended by the aforementioned combustion method. The combustion limit bottleneck of the micro-scale and the energy conversion efficiency can be broken through also. The combustion stability and efficiency, energy density of micro-scale power system can be improved significantly. Based on theoretical, numerical and experimental investigations, the hydrogen assisted and regenerative catalytic combustion model based on HCCI, and energy conversion model are established. The catalytic combustion mechanism at micro-scales and radical quenching mechanism of micro-flame on catalytic wall can be revealed. The limiting factor and combustion limits at micro-scales will be determined. The kinetic mechanism based on thermal and chemical effects of hydrogen assisted catalytic ignition are analyzed. The effects of pressure on combustion characteristics and improvement of the energy density are discussed. The effects of hydrogen assisted ignition, catalysis, thermal reservasion, heat loss, leakage, and high frequency free piston on the combustion characteristics and the energy conversion process are investigated. The dynamic characteristics and the energy conversion of micro-scale power system are acquired. The intensive and stable micro-combustion best strategy will be determined. Some theoretical basis and technical evidences are provided for improving the operational reliability and the energy density of micro-scale power system.

针对制约微动力系统燃烧稳定性、燃烧效率和能量密度提升的技术瓶颈，提出以自由活塞式微动力系统为研究对象，在均质压燃的基础上，采用加氢辅助着火和蓄热催化双重作用的强化燃烧方式，扩展微燃烧的可燃界限，突破微尺度和能量转换效率对燃烧限制的关键问题，有效提高微动力系统的燃烧稳定性、燃烧效率和能量密度。通过理论分析、数值计算和实验研究，建立微动力系统蓄热催化与加氢辅助均质压燃和能量转换模型，揭示微尺度催化燃烧机理和催化壁面附近微火焰的自由基淬熄机理，确定微燃烧的限制因素与着火界限，探索加氢对碳氢燃料催化着火热作用和化学作用的动力学机理，分析压力对燃烧特性和提升能量密度的作用规律及影响机制，探讨加氢、催化、蓄热、散热、泄漏与高频自由活塞的交互作用对燃烧特性和能量转换过程的影响；获得微动力系统的动力特性和能量转化规律，确定最佳强化稳定燃烧策略，为提高微动力系统的运行可靠性和能量密度提供理论基础和技术支撑。

火焰稳定性差和燃烧效率低是微动力系统面临的关键问题和主要挑战。本项目提出了以自由活塞式微动力系统为研究对象，通过实验和数值模拟研究了蓄热催化与加氢辅助均质压燃过程、探索了能量转换规律，从流动、传热、传质与化学反应之间的相互作用对加氢催化压燃机制进行了全面分析。在高压微尺度燃烧实验台上完成了微动力系统的点火与压燃实验。对燃烧稳定性、燃烧效率、能量密度、质量损失和活塞动态特性等微动力系统性能参数进行了详细地评价。揭示了在0.3毫米尺度条件下可实现高效稳定的燃烧。发现了催化剂可有效提高燃烧效率、改善燃烧室内的温度与压力、并能降低质量损失，最终显著提升微动力系统性能。这主要是由于催化燃烧能降低压缩比并缩短活塞在膨胀冲程和上止点附近的时间。获得了微动力系统能量转换和动力性能的评价指标。建立了预测微动力系统能量转换过程的数值模型。利用详细的化学反应机理和流体力学的耦合模拟了微尺度压燃特性，得到了可燃极限并探讨了压燃机制。分析了热损失和混合气泄漏对燃烧室内温度、压力、组分以及能量转换效率和最佳氢气添加量的影响，确定了稳定的催化燃烧过程的参数极限。研究了加氢对碳氢燃料催化着火的热作用和化学作用，以及对温度、组分和能量转换效率等参数的影响。发现了添加氢气可显著提高碳氢燃料的火焰稳定性。其影响最大发生在添加少量的氢气，然而随着氢气浓度的增加其影响逐渐减小。相应地，氢气在催化燃烧过程中的表观反应级数由正变负。氢气的促进作用可以归因于氢氧自由基的反应途径。此外，还对非均相反应机理进行了灵敏度分析，确定了速率控制步骤。对微动力系统的尺度进行了优化分析，发现了燃烧室尺度对提高燃烧稳定性至关重要。本课题为开发高性能微动力系统提供了有效且可行的新技术，同时丰富了微尺度燃烧的理论。