微型能源动力装置及微尺度燃烧研究

基于燃料燃烧的微型能源动力装置具有高能量密度特性,可提供瓦到百瓦级的能量输出,因此在过去的20年间受到广泛关注。国内外学者研制了微型的燃气轮机、内燃机、推进装置、燃烧器、热电转换装置及热光电转换系统等不同类型的能源动力装置。然而,由于微尺度条件下燃烧环境和常规尺度存在差异,材料、密封及润滑等方面的技术瓶颈,目前大部分微型能源动力装置的性能未能到达预期的目标。由于微尺度燃烧基础理论有别于传统的常规尺度燃烧理论,随着其重要性的凸显,国内外学者对其进行了广泛深入的研究,更加清晰地揭示了微尺度火焰及燃烧的基本特性。本文首先介绍了国内外微型能源动力装置及系统的研究进展,然后对微尺度条件下预混及非预混火焰的研究现状进行了总结,在本文的最后部分提出了微燃烧相关亟待解决的科学及工程问题。     

微细通道内可燃气体预混燃烧实验与微型发动机燃烧方案

针对微型涡轮气体发动机的研制现状,讨论了微细通道稳定燃烧面临的难题。开展了微细通道内燃气与空气预混燃烧的火焰稳定性实验研究,通过测试获得了氢气和乙炔燃烧的着火浓度极限。结果表明：微细通道内可燃气体与空气的预混燃烧具有可行性,但可燃浓度范围明显缩小;采用增压燃烧,可以扩大其可燃浓度范围,提高燃烧稳定性;与大通道相比,微细通道不易发生回火,但容易发生火焰吹熄,而燃气浓度较高的混合气流相对不易被吹熄,燃烧稳定性较好。     

热力参数对微尺度发动机燃烧特性影响机理分析

为了研究初始温度和压力对微尺度活塞式内燃机微燃烧特性的影响机理,采用层流有限速率模型和甲醇燃烧化学反应机理及动态网格技术,对其闭口热力系的瞬态预混层流燃烧过程进行动态多维仿真。结合化学反应机理温度敏感性分析和产物反应速率分析技术,从宏观和微观两个角度分析仿真结果,结果表明仿真结果与试验结果吻合较好。随着气体初始温度提高,自由活性基团浓度增加,以具有最大正温度敏感系数的反应为代表的基元反应速率增大,燃烧过程加快,缸内压力和温度增加。随着气体初始压力提高,由于H基竞争基元反应速率随压力增加的增加规律不同,使得部分曲轴转角下燃烧速率反而下降,缸内温度有所下降,但压力显著增加。从整体过程来看,燃烧速率随着初始压力的增大而增大。随着初始温度的增加,以具有最大生成排放物反应速率的反应为代表的基元反应速率增大,排放增加。     

开发微型发动机燃烧器遇到的问题和解决途径

论述了当前微型发动机燃烧器研究所遇到的主要问题及解决的途径,介绍了国外正在研究的三种微型发动机燃烧器。这三种微型燃烧器反映了微型发动机开发和应用的良好前景。在此基础上研制了一种新型的微型TPV燃烧系统,该系统具有热量利用效率高、制造成本低等优点。     

微型发动机的燃烧模型和数值模拟

提出了微型发动机燃烧过程的数学模型,并对采用氢气为燃料的微型涡轮机中环形燃烧室内的燃烧,建立了阿累尼乌斯有限反应速率模型,在考虑对流和辐射传热损失的条件下,采用CFD软件包FLUENT进行了数值模拟。根据所得到的模拟结果分析了影响燃烧的主要因素：结构、燃料、质量流率、H2与空气比和壁面材料,提出了克服尺寸减小对燃烧带来的困难的途径。     

微型发动机的若干发展动态及分析

微动力系统以其体积小、输出功率密度大等优点越来越受到研究者的关注。本文在全面分析微尺度条件燃烧所面临的各种困难的基础上，重点介绍了几种典型的微型发动机的研究概况。归纳了包括微型发动机在内的各种微动力系统的特点。报道了作者所在的科研群体正在进行的微热光电系统的最新研究进展。     

微型摆动式发动机内间歇着火和火焰传播试验研究

为了试验研究微摆发动机燃烧室内的间歇着火和火焰传播特性,设计了一套电机驱动倒拖运行的两冲程微型摆动式发动机单缸燃烧可视化试验系统,倒拖运动摆臂模拟了真实发动机自由摆臂的运动特性,并建立了对应摆臂位置的电火花正时点火系统。在微摆发动机单缸内实现了正丁烷/空气的稳定间歇着火,用高速相机拍摄火焰传播图像,并用Matlab程序分析图像中火焰面积变化特征。考察了摆臂频率f和预混气流量Q对着火和火焰传播的影响。研究结果表明:随预混气流量的增加,火焰传播越快;单次扫气量Q/f不变,随摆臂频率的增加,火焰传播变快。     

微转子发动机的三区准维模型燃烧计算研究

分析了微转子发动机的燃烧特点,在双区准维模型的基础上引入壁面熄火区,提出了三区准维模型.编制了适用于微转子发动机燃烧的计算程序,计算了三区准维模型和双区准维模型下的微转子发动机燃烧过程.通过对计算结果与U. C.Berkeley试验数据比较分析,说明了三区准维模型的合理性.     

点燃式天然气发动机性能燃烧模型的研究

提出一种利用热力学－化学反应建立点式天然气发动机燃烧过程数学模型，此模型采用准维模型，计算和试验表明此模型能较好的预测天然气发动机的性能。     

摩托车发动机燃烧和性能的试验研究

对CG150摩托车发动机进气道进行了优化,并开展了燃烧和性能的试验研究。结果表明:气道优化后,最大功率和最大扭矩两种工况时,发动机缸内最高爆发压力增大,且出现时刻提前,最大压力升高率稍有增大,燃烧开始时刻提前,燃烧持续期变短;在外特性曲线上,发动机的功率、扭矩均有所提高,燃油消耗率降低;配合使用两级触媒和二次补气后,发动机有害物排放满足"国Ⅲ"排放法规。     

能源技术在微型无人机的应用

动力装置是微型飞行器发展的关键技术之一。目前比较成熟的微型飞行器的能源技术主要有锂电池、微型内燃机和微型燃料电池，已有部分定型产品出现在微型无人机样机中。而新型能源技术，主要包括往复式仿生化学肌肉和波束推进等，正处于实验研制阶段。本文重点综述了上述几种微型无人机能源技术在国内外的研究现状，比较各自的优缺点，并提出了未来微型飞行器能源技术研究发展的趋势。     

柴油机用空压泵的性能改善

介绍了中型以上货车或客车用空压泵现状、存在的常见问题及其原因分析;通过我司的一个实例和相关的试验和测试方法分别研究了提高压缩比、增大排气量对柴油机用空压泵性能的改善情况:缩短充气时间,控制排气温度,减少窜油量的影响和作用,并通过试验数据对比了两种方案;同时为整车用户提出了一些应对建议;最后阐述了结论。     

空气变组分富氧进气发动机性能及其排放作用影响分析

针对富氧进气发动机性能及其排放作用和影响开展分析,并在单缸四冲程风冷点燃式发动机上进行试验,分别选择不同工况及21%、23%、25%的3种富氧进气浓度,进行发动机性能和排放研究.研究结果表明:富氧进气发动机动力性增强,经济性改善,排放性能优劣并存,其中功率提升、燃油消耗率降低、HC和CO排放改善,在较低富氧程度下作用更加明显,随着富氧程度的增加,作用逐渐减小;在较高富氧浓度下,尽管C0、HC排放仍然降低,但是N0x排放却大幅度提高,因此将富氧程度控制在23%左右.     

气动-柴油混合动力空气管理策略研究

根据不同经济性指标,对并联式气动-柴油混合动力发动机提出了相应的空气管理方案,并进行了数值仿真研究.计算结果表明:以气动缸最高效率为目标的优化方案适合在常规工况下使用;以最低气耗率为目标的优化方案可作为短时间、高负荷工况时的补充,而以两缸流量相等的方案不宜在该混合动力发动机中使用.此外还对柴油缸采用增压技术、改变两缸转速比等方案进行了探讨.     

小马力柴油机的空气滤清

根据小马力柴油机的使用工况,提出对其空气滤清的要求,介绍了一种较为理想的配套空滤器-KL0810空滤器的设计和性能特点。     

汽油机进气动态特性建模与仿真研究

从汽油机实际工作过程出发,运用平均值建模方法构建了汽油机进气管内空气动态特性模型,并基于稳态试验数据对模型待定参数进行了辨识。通过引入转速修正项对模型结构进行了修正,特别是对节气门处空气质量流量的饱和非线性特性进行了补偿,解决了原节气门处空气质量流量子模型在较大节气门开度下误差较大的问题。台架试验和计算机仿真对比结果显示,在稳态工况下,进气压力模型仿真与实测值的最大相对误差不超过±2%,在节气门阶跃的瞬态工况下,最大误差不超过±3%。相关模型可直接用于基于模型的进气口空气流量预测、空燃比控制器设计,也可作为汽油机模型的一部分,为空燃比控制策略软硬件在环仿真提供条件。     

增压多缸柴油机各缸进气不均匀性的研究

在某增压8缸柴油机性能试验和多个气缸压力测量的基础上,利用试验数据对该柴油机的一维性能仿真计算模型进行了标定和校核,计算和分析了不同试验工况下柴油机各缸进气流量的不均匀性。结果表明:在相同转速的情况下,各气缸进气量的大小对比关系不随负荷的变化而变化,随着负荷的增加,各缸的平均进气流量增加,各缸的进气不均匀度增加;不同转速时,各气缸进气量的大小对比关系有所变化,进气不均匀度也不相同。     

快速空气加热器减少汽油机冷起动排放的试验研究

利用汽油机自身的燃油供应系统,建立了高压点火、低压喷射的快速空气加热器(RAH),使用这种加热器对汽油机冷起动过程的排放进行了试验研究.研究表明:RAH能快速加热进气,并且本身排放量较少.在环境温度为-2 ℃时,仅需加热32 s就能使进气温度由9 ℃上升至30 ℃,在发动机起动后还会继续升高.在发动机起动后最初40 s内,经预热的进气可使HC和CO排放分别降低46 %和36.4 %,在同样的时间燃用乙醇汽油,可使HC和CO排放分别降低33.4 %和11.1 %.结果表明RAH为有效的降低汽油机冷起动排放的装置.     

进气系统阻力对柴油机性能影响的试验研究

通过发动机台架试验,研究进气系统阻力对柴油机性能的影响。得到D9-220柴油机进气系统和空滤器的最大阻力限值,为进气管路的设计和空滤器的选择提供了依据。