随着化石燃料的日益短缺和排放法规的日趋严格,替代燃料清洁高效燃烧成为燃烧学和发动机研究领域的重要课题。天然气和氢气被认为是最有潜力的清洁替代燃料,天然气和氢气在发动机上使用时的一个很大的问题是其相对于汽油能量密度低,导致发动机功率下降。缸内直喷技术具有提高热效率和降低排放的潜力,气体燃料采用直喷燃烧方式可以提高充气效率,恢复功率。缸内直喷燃烧技术的难点在于在宽广的工况下实现理想的混合气分层分布非常困难,不合适的混合气分布将导致失火和缸内火焰传播过程出现局部淬熄,HC排放增加,同时在浓区NOx排放增加,在缸内直喷分层稀燃条件下,排气富氧,富氧环境下NOx转化很困难。氢气在宽广的空燃比条件下具有较高的层流火焰速率,掺混氢气可以提高天然气火焰传播速率和稀燃稳定性,从而提高直喷分层燃烧火焰传播过程稳定性。天然气-氢气混合燃料结合缸内直喷燃烧技术是实现发动机清洁高效燃烧的可行方式。本文围绕天然气-氢气混合燃料缸内直喷燃烧方式开展系统的燃烧基础研究,获得的主要创新性成果如下:(1)通过天然气-氢气混合燃料直喷发动机燃烧与排放特性试验研究得到了掺混氢气对直喷天然气发动机燃烧和排放特性影响的宏观规律。随着掺氢比的增加,中、低负荷下发动机有效热效率增加,大负荷下有效热效率高且不随掺氢比变化。随着掺氢比的增加,混合燃料放热率曲线上最大值相位提前,快速燃烧期缩短,放热率增加,缸内最高燃气平均温度、最大压力升高率和最大放热速率增加。此现象在低转速工况下更为明显,表明缸内气流速度较低时掺混氢气对提高混合燃料燃烧速率作用明显。随着掺氢比的增加,HC和CO2排放降低,大负荷下NOx排放增加,掺氢比大于20%后,NOx排放大幅增加。从性能和排放分析来看,本试验研究表明天然气-氢气混合燃料最佳掺氢比为20%左右。(2)在定容弹上开展的高压天然气喷射射流特性试验研究得到了天然气高压喷射射流特性和射流与介质气体相互作用的特性。射流发展分为两个阶段,射流初期阶段和射流主体阶段。射流初期阶段,射流贯穿距离随时间快速增加,主体阶段,射流贯穿距离随时间呈线性增加。射流贯穿距离、射流体积和射流内整体过量空气系数随时间呈增加趋势,射流发展过程中射流锥角基本保持不变。随着喷射压力的提高,射流贯穿距离和体积增加,射流锥角减小,射流内整体过量空气系数增大。随着容弹背压的增加,射流贯穿距离和射流体积减小,射流锥角增加,射流内整体过量空气系数增大。(3)在定容燃烧弹上开展的天然气-氢气混合燃料直喷燃烧特性试验研究得到了掺混氢气、湍流强度和混合气分层分布对天然气燃烧的影响规律。利用高速摄影纹影技术得到了火焰发展过程图片,同时采集了燃烧过程压力。研究结果表明:直喷燃烧火焰外围表现出不规则的强褶皱,火焰传播方向具有随机性,预混层流火焰外围为光滑的规则球型火焰。随着掺氢比增加,火焰形态更规则且更集中于点火电极。随着预混比的增加,混合气着火过程更稳定,火焰初始传播过程火核集中于点火电极。点火时刻提前(对应于强湍流强度)缩短了燃烧火焰发展期和主燃烧期。在稀燃条件下,对于直喷燃烧和预混层流燃烧,火焰发展期和主燃烧期均随掺氢比增加而缩短。在化学计量比混合气条件下,掺混氢气对燃烧过程影响不大。燃烧循环变动起始于火焰发展初期阶段,直喷燃烧方式由于混合气分层分布,因此能够实现低循环变动的稳定稀燃。循环变动随着掺氢比的增加而减小,这种趋势在稀燃工况(φ=0.6)下更加明显。在直喷燃烧方式下,由于混合气分层分布减弱了火焰发展初期阶段对后续燃烧过程的影响,因此燃烧特征参数间呈现较弱的关联性。天然气直喷燃烧速率随预混比增加而降低,随掺氢比增加而增加。部分预混直喷燃烧结合天然气-氢气混合燃料可以实现稳定的稀薄燃烧和快速燃烧。(4)利用同步辐射真空紫外单光子电离结合分子束取样质谱技术开展了甲烷-氢气-氧气-氩气低压层流预混火焰实验研究,探测了火焰中间产物物种,定量测量了火焰主要产物和中间产物的摩尔分数分布曲线。质量数为15,26、28和42的中间产物分别对应CH3、C2H2、C2H4、和C2H2O。质量数为40的中间产物有两种同分异构体,分别为丙二烯和丙炔。质量数为44的中间产物也对应有两种同分异构体,分别为乙烯醇和乙醛。掺混氢气可以降低CO,CO2和未燃CH4摩尔分数。掺混氢气后实验测得的火焰中间产物摩尔分数均大幅减小,表明掺混氢气后火焰中H和OH摩尔分数增加,H的强扩散性和化学反应活性增大了火焰化学反应速率,以及掺混氢气后混合燃料H/C比值增加,使火焰碳基中间产物摩尔分数减小,有助于实现快速燃烧以及降低未燃及不完全燃烧排放物。掺氢比低于40%时,掺混氢气没有改变CH4燃烧主要化学反应路径,只是改变了火焰中基元反应的反应率。(5)利用大型化学反应动力学模拟软件CHEMKIN子程序PREMIX,采用GRI 3.0化学反应机理开展了甲烷-氢气-空气一维平面预混火焰化学反应动力学模拟研究,表明掺混氢气增强甲烷燃烧化学反应是由于火焰中自由基H、O和OH随掺氢比增加而增加。CH2O和CH3CHO摩尔分数随掺氢比增加而降低,表明掺混氢气具有降低甲烷燃烧醛类排放的潜力。掺混氢气将使甲烷燃烧化学反应向低碳路径移动,这具有降低碳烟排放的潜力。掺混氢气对甲烷燃烧反应过程中NO生成化学反应途径影响不大。