二甲醚/天然气组合燃料着火及火焰传播特性的实验和理论研究

This project systematically studies the compression ignition characteristics and premixed laminar flame characteristic of dimethyl ether/natural gas fuel blends by using experimental measurement and theoretical analysis. Rapid compression machine, shock tube and combustion bomb will be used to investigate the ignition process, flame propagation process and mechanism of dimethyl ether/natural gas fuel blends under various conditions. In particular, to obtain ignition delay time under high pressure, low temperature conditions and laminar flame speed under high pressure. Detailed chemical kinetic model of the dimethyl ether/natural gas fuel blends will be developed. The project expects to clarify the relationships between ignition delay times and laminar flame speed versus temperature, pressure, equivalence ratio，fuel component and blending ratio; to clarify the formation of unregulated formaldehyde emissions. The fundamental study has important academic value to the understanding of ignition and flame propagation characteristics of dimethyl ether/natural gas fuel blends. Furthermore, this study will provide scientific criterion of engineering application and reliable experimental support for designing and improving the combustion chamber of practical burning equipment with dimethyl ether/natural gas fuel to achieve efficient and low emission combustion

本项目采用实验测量、数值模拟和理论分析相结合的手段，对二甲醚/天然气（C1-C5烷烃）组合燃料的着火特性和层流燃烧特性开展系统研究。采用快速压缩装置、激波管装置和燃烧弹装置获得二甲醚/天然气组合燃料在不同工况下的基础燃烧数据，测量得到高压、中低温条件下组合燃料的着火延迟期和高压下的层流燃烧速率，填补国内外实验数据工况范围的空白处。将实验测量与数值模拟相结合，评价现有动力学模型对于组合燃料的适用性，构建可以在宽广范围内准确预测二甲醚/天然气组合燃料燃烧特性的动力学模型。开展化学动力学分析，研究二甲醚/天然气组合燃料的着火延迟期和层流燃烧速率随温度、压力、当量比和掺混比等燃烧初始条件的演变规律和原因；研究甲醛污染物的排放规律和生成特性。本项目所获得的实验数据和动力学模型，将为二甲醚/天然气组合燃料的燃烧模拟及实际装置中的应用提供必要的理论指导和实验支撑，研究具有重要的科学意义和工程指导价值。

本项目以二甲醚/天然气双组分燃料在发动机上的应用为研究背景，通过实验测量、数值模拟和理论分析相结合的方式，对二甲醚/天然气（C1-C5烷烃）燃料的基础燃烧特性和化学反应动力学进行了深入系统的研究和探索，基本完成了项目计划书的内容。研究获得了宽广初始条件下二甲醚与不同天然气组分掺混燃料的着火延迟期，建立的数据库可以对双燃料化学动力学模型的准确性进行评价。提出了能准确预测二甲醚/天然气燃料着火延迟期的经验关系式，该关系式可直接用于发动机数值模拟。研究发现，二甲醚对不同碳链长度烷烃呈现出不同的着火延迟调控规律，其内在原因是烷烃碳链长度差异导致着火初始自由基积累路径不同。研究揭示出二甲醚在不同温度区域对正丁烷着火的不同促进程度，阐明了在负温度系数NTC区域二甲醚的两阶段着火和低温链分支路径是其能够显著促进正丁烷着火的主要原因；发现在实际发动机条件下，二甲醚/正丁烷燃料具备宽范围着火延迟调控能力。对比了掺氢和掺二甲醚对天然气组分着火特性的影响规律和差异，发现氢气/正丁烷的三阶段着火特性由于不同基元反应所主导。本研究为二甲醚/天然气组合燃料的燃烧模拟及实际应用提供了必要的理论指导和实验支撑，具有重要的科学意义和工程指导价值。. 目前，项目研究成果共在Fuel、Energy & Fuels和Int. J. Hydrogen 等燃烧领域国际权威期刊上发表SCI检索论文5篇，发表国际会议论文2篇，国际会议墙报1篇。在本课题研究成果的支持下，项目负责人姜雪成功获得国家自然科学基金委面上项目资助一项 “低碳活性组分介入的氨燃料着火、火焰传播与反应动力学研究” (51876164 )。