中介尺度活塞式内燃机强时变性微燃烧过程的测试与机理研究

国内外中介尺度微燃烧相关研究均指向微细尺度开口热力系稳态或准稳态预混燃烧过程。申请人认为中介尺度液态烃类燃料活塞式内燃机是实现超高能量密度微能源动力系统的最有效途径。项目研究提出中介尺度极小封闭空间强时变性瞬态微燃烧过程的测试与机理研究，针对中介尺度活塞式内燃机，研究极小封闭空间移动边界伴有传热和对外膨胀做功的强时变性瞬态燃烧过程；探索极小封闭空间移动边界条件下预混均质燃烧和非均匀表面催化燃烧反应的适应性修正机理，探求极小封闭空间微燃烧过程存立的极限尺度；研究中介尺度液态烃类燃料活塞式内燃机的微设计制造；完成实际运行状态中介尺度活塞式内燃机的燃烧诊断及控制优化；研制超高能量密度缸径5mm-1mm中介尺度液态烃类燃料活塞式内燃机样机。

液态烃类燃料微型往复活塞式内燃机是最有可能实用化的超高能量密度Power MEMS系统。项目基于测试诊断微型往复活塞式内燃机封闭空间移动边界伴有传热对外膨胀做功的强时变性瞬态燃烧过程，研究极小封闭空间移动边界条件下预混燃烧适应性修正机理，探求极小封闭空间微燃烧过程存立的极限尺度；研究中介尺度液态烃类燃料往复活塞式内燃机的微设计制造。其主要成果体现在：.（1）创造性提出微型往复活塞式内燃机扭矩组合差量性能试验方法，构建微型化试验台，实现微小尺度下活塞式内燃机的性能测试，评估微型往复活塞式内燃机结构缩减的技术方向。.（2）创造性提出微型压电晶体压力传感器测量端面形成燃烧室空间壁面的方法，实现对强时变性微燃烧物理参数的实时直接测量，全面详实测试诊断微型往复活塞式内燃机铂丝炽热点火燃烧的基本特性。.（3）完成调整醇基燃料混合物成分改善微型活塞式内燃机燃烧特征的研究；首次研究了铂丝炽热强度对微空间铂丝炽热点火燃烧特性的影响。.（4）应用温度、浓度敏感性分析和反应速率分析（ROP），对甲醇燃烧微观反应机理进行适应性验证和机理修正。构建适应于微型内燃机燃烧的甲醇-硝基甲烷燃烧化学反应机理，揭示硝基甲烷助燃剂对甲醇燃料燃烧的助燃微观机理。.（5）应用有限速率模型和甲醇氧化详细化学反应模型，结合动态网格方法，对微型往复活塞式内燃机缸内甲醇燃料强时变性微燃烧瞬态过程进行了多维模拟，提出热环境对中介尺度封闭空间微燃烧的敏感性研究，完成微型往复活塞式内燃机燃烧数值模拟与燃烧极限性分析。.（6）完成5mm×5mm量级小封闭空往复活塞式内燃机样机的设计制造。完成关键零部件的结构设计和极限尺寸分析，完成中介尺度活塞式内燃机结构的创新性设计（机体一体化设计，创造性集成微型压力传感器，内嵌式铂丝点火器）。研究了微尺寸条件下高速滑动摩擦副的摩损低减措施。.（7）采用热力学循环模拟方法，明析微型活塞式内燃机充量交换过程效率低下和热力学过程的不完善性；完成微型活塞式内燃机极限尺度数值推演。研究认为，通过改善充量交换和缸内燃烧并提高运行转速，将微型活塞式内燃机缸径缩减至1mm以下的中介尺度范围也是相当具有可能的。