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能源与环境危机推动了内燃机代用燃料的发展。天然气由于来源广泛、使用方便得到了较为广泛的应用，但是其较慢的火焰传播速度限制了天然气发动机热效率的进一步提升。氢气由于火焰传播速度快的优势被应用于与天然气的掺烧，天然气-氢气掺混燃料逐渐成为研究热点。但是现阶段我国面临的氢气制备成本及运输储存安全性等问题限制了其作为内燃机代用燃料的广泛应用。在发动机上通过废气余热催化裂解甲醇，不仅能够解决氢气大规模制备、成本、储存运输安全性等问题，而且能够利用发动机的废气余热，提高燃油经济性，同时能够实现煤炭资源的清洁利用。层流燃烧速度从根本上影响着可燃混合气着火极限、着火延迟等燃烧特性，是影响发动机缸内燃烧过程的重要因素，要深入理解燃烧过程，首先就要对燃料的层流燃烧特性有正确的理解。本文在国家科技支撑计划项目“高效清洁增压直喷汽油机开发及产业化应用”子课题“先进燃烧系统开发研究”资助下，针对以甲醇裂解气为代表的合成气，系统地进行了天然气-合成气掺混燃料预混层流燃烧特性的研究。
首先建立了定容燃烧实验系统，其由定容燃烧弹弹体、纹影及高速图像采集系统、进排气及燃料供给系统、控制系统、点火系统以及燃烧压力数据采集及分析系统六部分组成。通过与现有文献数据的对比实验验证了本文定容燃烧实验系统获取数据的可靠性。
基于定容燃烧实验系统研究了不同甲醇裂解气体积分数时CH4-DM-air混合气预混层流燃烧特性。随甲醇裂解气体积分数的增大CH4-DM-air混合气层流火焰的绝热火焰温度与热扩散率均对层流燃烧速度增大产生积极的促进作用，明显提升CH4-DM-air混合气层流燃烧速度。CH4-DM-air混合气马克斯坦长度随甲醇裂解气体积分数的增大单调减小，且其减小幅度随甲醇裂解气体积分数的增大明显扩大。对于稀混合气，火焰厚度是主导火焰流体动力学不稳定性的主要因素，随甲醇裂解气体积分数的增大火焰流体动力学不稳定性与热力学不稳定性均增强，火焰趋于不稳定。对于当量比混合气和浓混合气，火焰不稳定性主要由流体动力学不稳定性主导，而火焰厚度对于火焰流体动力学不稳定性起主导作用，随甲醇裂解气体积分数的增大，火焰流体动力学不稳定性增强，使火焰趋于不稳定。
基于定容燃烧实验系统研究了初始条件时CH4-DM-air混合气预混层流燃烧特性。随初始温度的升高，绝热火焰温度与热扩散率均明显增大，使CH4-DM-air混合气层流燃烧速度随初始温度的升高而增大，马克斯坦长度随初始温度的增大变化不明显。不同初始温度时，CH4-DM-air混合气热力学不稳定性与流体动力学不稳定性均无明显变化，从而使火焰不稳定性对初始温度的变化不敏感。随初始压力的升高，热扩散率随初始压力的升高而出现较大幅度的降低，使CH4-DM-air混合气层流燃烧速度随初始压力的升高而降低。马克斯坦长度随初始压力的升高明显减小。不同初始压力时CH4-DM-air混合气火焰不稳定性由流体动力学不稳定性主导，火焰厚度的减小与热力学膨胀比的增大共同作用，从而使火焰流体动力学不稳定性增强，使火焰随初始压力的升高趋于不稳定。在实验数据的基础上推导了能够实现大部分工况点层流燃烧速度预测的公式。
基于定容燃烧实验系统研究了不同稀释气种类与稀释气体积分数时CH4-DM-diluent-air混合气预混层流燃烧特性。稀释气使绝热火焰温度与热扩散率降低是CH4-DM-diluent-air混合气层流燃烧速度降低的主要原因。由于CO2对绝热火焰温度与热扩散率的降低作用明显强于N2，因此稀释气体CO2对层流燃烧速度的抑制作用明显强于N2。随稀释气体积分数的增大，CH4-DM-diluent-air混合气马克斯坦长度略有减小，N2作为稀释气体对火焰不稳定性的增强作用要弱于CO2。CO2稀释与N2稀释相比，CO2稀释时对热力学不稳定性的增强作用强于N2，而对流体动力学不稳定性的抑制作用强于N2，在两者的共同作用下使火焰不稳定性对稀释气种类的变化不敏感。随稀释气体积分数的增大，以有效刘易斯数为代表的热力学不稳定性增强，而由火焰厚度与热力学膨胀比决定的流体动力学不稳定性被抑制，在两者的共同作用下使火焰不稳定性对稀释气体积分数的变化不敏感。
基于化学反应动力学软件CHEMKIN结合GRI-Mech3.0化学反应机理进行了CH4-DM混合燃料一维平面预混火焰化学反应动力学模拟计算，对基元反应敏感性、反应速率以及自由基特性进行了分析，从宏观与微观相结合的层面深入分析了不同条件下层流燃烧速度变化的根本原因。R38是燃烧过程中占据主导地位的链分支反应，R35和R52是燃烧过程中占据主导地位的链终止反应。随甲醇裂解气体积分数的增大链分支反应R84最大反应速率增长率远大于其他反应，使层流燃烧速度增大。随初始温度的升高链分支反应反应速率的升高将增加自由基浓度，使层流燃烧速度增大。随初始压力的升高链终止反应的最大反应速率增长率明显高于链分支反应，对层流燃烧速度产生明显的抑制作用。随稀释气体积分数的增大链分支反应速率更大的降低和链终止反应速率更小的降低将明显减少自由基浓度，对层流燃烧速度产生明显的抑制作用。CO2稀释时最大反应速率降低率高于N2稀释。
首先建立了定容燃烧实验系统，其由定容燃烧弹弹体、纹影及高速图像采集系统、进排气及燃料供给系统、控制系统、点火系统以及燃烧压力数据采集及分析系统六部分组成。通过与现有文献数据的对比实验验证了本文定容燃烧实验系统获取数据的可靠性。
基于定容燃烧实验系统研究了不同甲醇裂解气体积分数时CH4-DM-air混合气预混层流燃烧特性。随甲醇裂解气体积分数的增大CH4-DM-air混合气层流火焰的绝热火焰温度与热扩散率均对层流燃烧速度增大产生积极的促进作用，明显提升CH4-DM-air混合气层流燃烧速度。CH4-DM-air混合气马克斯坦长度随甲醇裂解气体积分数的增大单调减小，且其减小幅度随甲醇裂解气体积分数的增大明显扩大。对于稀混合气，火焰厚度是主导火焰流体动力学不稳定性的主要因素，随甲醇裂解气体积分数的增大火焰流体动力学不稳定性与热力学不稳定性均增强，火焰趋于不稳定。对于当量比混合气和浓混合气，火焰不稳定性主要由流体动力学不稳定性主导，而火焰厚度对于火焰流体动力学不稳定性起主导作用，随甲醇裂解气体积分数的增大，火焰流体动力学不稳定性增强，使火焰趋于不稳定。
基于定容燃烧实验系统研究了初始条件时CH4-DM-air混合气预混层流燃烧特性。随初始温度的升高，绝热火焰温度与热扩散率均明显增大，使CH4-DM-air混合气层流燃烧速度随初始温度的升高而增大，马克斯坦长度随初始温度的增大变化不明显。不同初始温度时，CH4-DM-air混合气热力学不稳定性与流体动力学不稳定性均无明显变化，从而使火焰不稳定性对初始温度的变化不敏感。随初始压力的升高，热扩散率随初始压力的升高而出现较大幅度的降低，使CH4-DM-air混合气层流燃烧速度随初始压力的升高而降低。马克斯坦长度随初始压力的升高明显减小。不同初始压力时CH4-DM-air混合气火焰不稳定性由流体动力学不稳定性主导，火焰厚度的减小与热力学膨胀比的增大共同作用，从而使火焰流体动力学不稳定性增强，使火焰随初始压力的升高趋于不稳定。在实验数据的基础上推导了能够实现大部分工况点层流燃烧速度预测的公式。
基于定容燃烧实验系统研究了不同稀释气种类与稀释气体积分数时CH4-DM-diluent-air混合气预混层流燃烧特性。稀释气使绝热火焰温度与热扩散率降低是CH4-DM-diluent-air混合气层流燃烧速度降低的主要原因。由于CO2对绝热火焰温度与热扩散率的降低作用明显强于N2，因此稀释气体CO2对层流燃烧速度的抑制作用明显强于N2。随稀释气体积分数的增大，CH4-DM-diluent-air混合气马克斯坦长度略有减小，N2作为稀释气体对火焰不稳定性的增强作用要弱于CO2。CO2稀释与N2稀释相比，CO2稀释时对热力学不稳定性的增强作用强于N2，而对流体动力学不稳定性的抑制作用强于N2，在两者的共同作用下使火焰不稳定性对稀释气种类的变化不敏感。随稀释气体积分数的增大，以有效刘易斯数为代表的热力学不稳定性增强，而由火焰厚度与热力学膨胀比决定的流体动力学不稳定性被抑制，在两者的共同作用下使火焰不稳定性对稀释气体积分数的变化不敏感。
基于化学反应动力学软件CHEMKIN结合GRI-Mech3.0化学反应机理进行了CH4-DM混合燃料一维平面预混火焰化学反应动力学模拟计算，对基元反应敏感性、反应速率以及自由基特性进行了分析，从宏观与微观相结合的层面深入分析了不同条件下层流燃烧速度变化的根本原因。R38是燃烧过程中占据主导地位的链分支反应，R35和R52是燃烧过程中占据主导地位的链终止反应。随甲醇裂解气体积分数的增大链分支反应R84最大反应速率增长率远大于其他反应，使层流燃烧速度增大。随初始温度的升高链分支反应反应速率的升高将增加自由基浓度，使层流燃烧速度增大。随初始压力的升高链终止反应的最大反应速率增长率明显高于链分支反应，对层流燃烧速度产生明显的抑制作用。随稀释气体积分数的增大链分支反应速率更大的降低和链终止反应速率更小的降低将明显减少自由基浓度，对层流燃烧速度产生明显的抑制作用。CO2稀释时最大反应速率降低率高于N2稀释。