微自由活塞动力装置均质压缩燃烧过程的试验研究

为了研究微自由活塞动力装置燃烧过程及特征,搭建了燃烧过程可视化试验平台,结合高速摄像技术获得单次冲击压缩燃烧试验过程影像,分析了活塞运动特性及混合气燃烧特性。研究结果表明:混合气在微尺度空间里可以压缩着火燃烧。通过变参数试验对比,分别得出活塞初始速度、微燃烧室几何形状及活塞质量等因素对燃烧过程的影响规律。对于二甲醚与空气的混合气,研究表明存在临界压缩比,当压缩比大于18时混合气才能完全压缩燃烧。     

微动力装置均质催化压燃过程的模拟

基于甲烷气相反应化学动力学机理,耦合甲烷在铂(Pt)表面催化反应机理对微型自由活塞式动力装置带有催化燃烧的均质充量压缩燃烧(HCCI)过程进行数值模拟研究,实现了自由活塞运动与燃烧过程耦合的计算方法.在此基础上对微燃烧室底部添加催化剂的模型与未添加催化剂的模型模拟结果进行了对比.根据H2O2质量分数变化曲线定义了微自由活塞动力装置开始着火时段.通过数值模拟发现,催化燃烧可以使着火时刻提前,压缩比减小,滞燃期缩短,燃料燃烧产生能量的使用效率提高,拓宽微自由活塞压缩均质混合气着火界限;而且得到了催化作用对微燃烧室内温度、压力等因素的影响情况.结果表明:催化作用可以降低微燃烧室内最高燃烧压力及最大压力升高率,从而降低微自由活塞动力装置运行粗暴性,使工作过程平稳.     

泄漏间隙对微自由活塞动力装置做功能力的影响

基于微自由活塞动力装置(micro-free piston engine,Micro-FPE)的单次压燃过程,建立考虑自由活塞与燃烧室壁面泄漏间隙的物理数值模型;比较试验与模拟结果,验证泄漏间隙模型的正确性。在此基础上通过数值计算,研究分析泄漏间隙对Micro-FPE做功能力的影响。数值模拟结果表明:与无泄漏间隙比较,合适的泄漏间隙能够提升Micro-FPE的做功能力;存在某一个特定的泄漏间隙能使Micro-FPE的做功达到最大值。针对输出功率为100W的Micro-FPE直径3mm的微小燃烧室,在文中的计算条件下,当径向间隙为2μm时,Micro-FPE的指示功高于无泄漏间隙情况;但当径向间隙进一步增加,Micro-FPE燃烧压力升高率减小,做功能力下降;存在临界径向间隙δcrit,大于该临界径向间隙值时Micro-FPE无法着火燃烧及对外做功。     

微型动力装置燃烧过程及做功能力评价

为研究微型动力装置燃烧室内燃烧特性及动力性能,对微燃烧室内燃烧过程进行可视化试验,分析了微燃烧过程中混合气的燃烧特性及不同自由活塞初速度对微燃烧室内压力及做功能力的影响.结果表明:二甲醚/氧气混合气体在微均质充量压缩着火(HCCI)燃烧过程中存在两阶段着火特性,随着自由活塞初速度的增加,微燃烧室内峰值压力增加,压力升高率峰值增大,平均指示压力增大,指示热效率提高.当微燃烧室直径为3,mm、体积为0.26,cm3、自由活塞初速度为22.5,m/s和平均指示压力为3.4,MPa时,微型动力装置可产生70,W的功率,功率密度为269,MW/m3,具有较大功率密度优势.     

混合气初始状态对微型燃烧室内HCCI燃烧的影响

基于微型燃烧室内自由活塞单次压缩实现均质充量压燃(homogeneous charge compress ignition,HCCI)燃烧的可视化试验,结合甲烷的详细化学反应动力学机理及动网格技术,建立了三维动网格模型,将自由活塞运动与燃烧过程相耦合,对不同初始状态下微型燃烧室内HCCI燃烧特性进行了数值模拟,得到了不同初始温度、初始压力、当量比及混合气泄漏下的燃烧特性及动力特性的变化规律。研究结果表明:初始温度、初始压力及当量比对微型燃烧室内HCCI燃烧影响较大,随着初始温度的升高,微型燃烧室内HCCI压缩着火范围扩大,但随着初始压力的增大,压缩比降低,压缩着火范围减小,当量比的变化显著影响微型燃烧室内HCCI压缩燃烧的最高温度和最高压力,混合气泄漏主要影响膨胀过程,对动力性能影响非常显著。     

点燃式液压自由活塞发动机高增压燃烧过程的试验与仿真研究

在快速压缩-膨胀机上进行试验,模拟液压自由活塞发动机(hydraulic free piston engine,HFPE)在不同缸内初始压力下的单次燃烧做功过程,并利用OpenFOAM和CONVERGE三维计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)仿真平台进行增压仿真研究。结果表明:液压自由活塞发动机随着缸内初始压力的增大,相同压缩比下发动机循环周期缩短,活塞在上止点附近停留时间缩短,爆震极限压缩比增大,抗爆能力增强。适当提高缸内初始压力有利于提高指示效率,当缸内初始压力提高至0.15MPa时,发动机指示效率由0.30提高至0.31,但当初始压力达到0.20MPa后,指示效率又降至0.30。针对缸内初始压力进一步增大后出现的效率降低问题,在仿真研究中发现采用多火花塞点火方案,即使在初始压力0.80MPa的条件下也能得到较高的指示效率而不发生爆震。     

液压自由活塞柴油机控制参数影响特性试验

在研制的单活塞式液压自由活塞柴油机上开展了控制参数影响特性、启动特性及运行特性等规律性试验.结果表明:改变压缩压力可以实现压缩比的控制,随着压缩压力的增大压缩比将增大;循环喷油量、喷油正时和排气门正时等参数对自由活塞发动机的膨胀行程、压缩比和下止点位置等具有决定作用;频率控制阀信号脉宽影响发动机的启动过程,脉宽较小时会导致活塞运动速度减慢甚至启动困难.对其特性的研究结果表明:活塞运动规律呈明显的非对称性,膨胀行程用时较压缩行程短;缸内燃烧过程呈近等容燃烧;液压输出能量受单向阀响应性影响会损失掉一部分高压能.     

耦合动力学的微发动机燃烧过程研究

基于丙烷燃烧化学动力学机理并考虑传热、漏气过程对微型自由活塞发动机均质充量压缩燃烧(HC-CI)过程进行数值模拟研究,结合Star-CD/Kinetics软件实现了自由活塞运动与燃烧过程耦合的计算方法,在此基础上,详细研究了不同参数下微型发动机燃烧过程压力、温度的变化规律,探讨了微发动机循环过程中传热损失和混合气泄漏对微尺度燃烧过程的影响,研究结果表明:当量比、压缩比和自由活塞频率显著影响微发动机燃烧过程,传热损失对微HCCI自由活塞发动机燃烧过程的影响不大,而混合气泄漏损失的影响比较明显.     

HCCI发动机着火过程控制参数的研究

为了研究HCCI发动机着火控制时刻影响因素,建立了模拟HCCI发动机燃烧的计算模型,以甲烷/丙烷混合物和正庚烷/异辛烷混合物作为燃料,考察了十六烷值、辛烷值、压缩比、燃空当量比、进气温度和压力等因素对HCCI发动机着火时刻的影响.计算结果表明:随着燃料十六烷值的减小或辛烷值的增加,相同条件下燃料的着火延迟期增加;压缩比、燃空当量比和进气温度的变化会引起燃料着火时刻的显著变化;进气压力的变化对燃料着火延迟期的影响较小;气体十六烷值越低,辛烷值越大,着火延迟期受上述参数变化影响越大.研究结果为HCCI发动机的优化设计和燃烧控制提供指导依据.     

CO_2掺混比对甲烷HCCI燃烧特性的影响

基于微型均质充量压燃(HCCI)自由活塞动力装置内自由活塞单次冲击过程,通过试验与数值模拟的方法,对比分析了甲烷掺混不同比例的CO_2时,混合气着火时刻、微燃烧室内的温度、压力以及装置做功能力的变化.结果表明:在初始当量比为0.5时,甲烷中CO_2的掺混使混合气着火时刻延迟、燃烧速率变慢,微燃烧室内的压力与温度峰值后移且降低,混合气体的爆燃现象得到改善.随着甲烷中CO_2掺混比的增加,混合气的着火与燃烧不断恶化,装置的做功能力不断减弱,同时装置所需的启动能量不断增加;当CO_2掺混比达到40%时,自由活塞的速度增量减少2.67 m/s,平均有效指示压力减少0.584 MPa,同时装置所需的启动能量增加至0.182 4 J.当CO_2掺混比达到58%时,混合气无法被压燃,微动力装置不对外做功.在保证装置做功能力的基础上,甲烷掺混一定比例的CO_2,微燃烧室内平均温度能够降低30～100 K,微动力装置可以降低对微燃烧室材料的依赖,实现低温燃烧.     

如何保持“压缩余隙”值基本不变

如何保持“压缩余隙”值基本不变江苏省启东市农机校张鼎明何谓“压缩余隙”？活塞在上止点时，活塞顶部至气缸盖平面之间的距离称为“压缩余隙”。设计上，各种机型的发动机，都有自己规定的“压缩余隙”。一般情况下，压缩比越大，压缩余隙越小，反之压缩比小，压缩余隙...     

二甲醚、乙醇和甲烷均质压燃的模拟比较

在相同条件下对二甲醚(methoxymethane,DME)、乙醇和甲烷进行均质压燃(homogeneous charge compression ignition,HCCI)燃烧的模拟,改变压缩始点的缸内温度及压力、压缩比、燃空当量比中的一个以考察其对三种燃料HCCI燃烧过程的影响.随着压缩始点温度和压力、压缩比的提高,三种燃料的着火时刻都提前;提高燃空当量比,DME的着火时刻提前,而甲烷和乙醇则相反;三种燃料低温下的主要脱氢途径都是与OH自由基发生的脱氢反应;三种燃料实现HCCI燃烧的条件不一样,模拟结果给出了大致的趋势.     

高压缩比活塞顶形状对湍流动能和缸内气流的影响

基于一台排量1.0L的小型涡轮增压直喷汽油机,研究了压缩比、活塞形状和结构尺寸对缸内气流和湍流动能的影响。结果显示,随着压缩比的提高,缸内滚流在压缩过程中减弱,压缩末期的湍流动能减小,压缩比16.0的活塞在压缩末期的湍流动能大约为压缩比9.6活塞的27%。而对于活塞形状来说,较大尺寸的球面凹坑形状有利于压缩末期湍流动能的保持,而不规则的活塞会使得压缩末期的湍流动能下降41%。凹坑的尺寸存在一个最佳值,凹坑深度过浅或过深都会降低缸内湍流动能。选择压缩比为12.0且湍流动能最高的活塞加工并试验,基于4种不同形状的活塞和最佳油耗的工况分析燃烧特性,结果显示随着工况的改变,缸内湍流动能的峰值和相位会改变,但结构对湍流动能影响的优劣基本不变。火焰扩散方向为缸内湍流动能较大的位置,缸内平均湍流动能越大,火焰传播越快,燃烧特性越好。     

液压自由活塞发动机活塞运动规律动态仿真研究

为研究液压自由活塞发动机(HFPE)的活塞运动特性,建立了液压自由活塞发动机动态仿真模型,针对循环供油量、喷油定时、气门正时、压缩压力、负载压力等主要控制变量对活塞运动情况的影响进行了规律性研究.结果表明:各控制变量的变化影响活塞受力的变化,进而使活塞的下止点位置和压缩比发生变化,并影响发动机的正常运转和性能;循环油量与活塞膨胀行程长度、压缩能量与压缩比均近似呈线性关系;HFPE循环工作是一个多参数耦合和能量重新分配的复杂过程;执行器滞后引入的正时控制误差将是影响控制精度的重要因素.     

咨询服务

1如何检查柴油机的压缩比？答：柴油机压缩比的大小，除技响柴油机的功率指标、经济指标外，还关系到柴油机的起动性和运转均匀性．柴油机压缩比的检查一般都比较复杂，因而常用检查活塞在上止点位置时活塞项与气缸盖平面的距离来代替。此距离值，通常称为压缩定高度，俗称存气间隙．影响活塞在气缸内上止点位置的因素有：a．曲柄半径尺寸；b．连杆大小头轴孔中心线的巨高；。活塞顶到活塞销孔中心线的迈向；d．气缸体上平面到曲轴回转中心线的区高；e·气缸垫的厚度．除＜缸势的厚度外，以上各个因素主要决定于柴油机制造加工精度，以及在…     

火花点火式液压自由活塞发动机的模拟试验研究

使用液压快速压缩-膨胀机(RCEM)对火花点火式液压自由活塞发动机(SI-HFPE)的单次工作过程进行了模拟试验研究,研究了在使用甲醇燃料的情况下,液压源压力、点火提前相位、混合气浓度等因素对SI-HFPE活塞运动规律、放热率及指示效率的影响,提出了使用双火花塞同时点火方案。研究结果表明:SI-HFPE的实际压缩比主要受液压源压力和点火提前相位的影响,液压源压力越高或点火提前相位越小,则实际压缩比越大。在10MPa的驱动液压力下,使用双火花塞同时点火,调整合适的点火提前相位,指示效率可以大于45%,此时的实际压缩比达到18。     

四冲程自由活塞天然气发动机原理样机的试验研究与分析

在单缸四冲程自由活塞汽油机(free piston engine,FPE)原理样机试验基础上,为验证FPE多燃料可行性和仿真模型可靠性,并探索气体燃料在FPE中燃烧特性,设计了天然气供气系统,对FPE进行了多循环对比试验研究。结果表明:缸内峰值压力随压缩比增大而增大;输出功率随膨胀比增大而增大;FPE通过增大压缩比和膨胀比在由汽油改用天然气后动力性不再降低;与天然气在传统发动机中燃烧相比,FPE适当推迟点火定时可减小压缩负功;受初始设计活塞最大行程所限,一代原理样机试验性能未达最优,有较大提升空间。     

SI燃烧过程优化途径的试验和仿真研究

在快速压缩-膨胀机上通过试验和仿真手段,研究了火花塞数目、活塞运动规律、压缩比对单次循环指示功和爆震倾向的影响。研究表明:使用多火花塞点火能缩短燃烧持续期和提高指示功,但是爆震倾向明显增加;提高活塞运动速度,减少活塞在上止点附近的停留时间,可以减少爆震倾向,但是相同条件下指示功有所降低;综合使用多火花塞点火,提高活塞运行速度和采用高达17.5的压缩比,可以提高指示功并抑制爆震,使SI燃烧过程得到优化。     

低温余热驱动的吸收压缩复合式热泵(ACHP)系统压缩特性研究

针对地热尾水驱动的吸收压缩复合式热泵系统建立了数学模型,模拟分析了压缩比对系统性能的影响,根据获得的优化参数,搭建了实验台并以氨水为工质进行了试验研究。结果表明,系统的浓度差随着压缩比和吸收压力的增大而增大,吸收压力越高则系统COP越大,但是随着压缩比的变化,系统COP先增加后减小。对比模拟结果和试验结果,两者具有较好的一致性,当压缩比为3.8,稀溶液浓度为38%时,浓度差约为14%。通过优化计算后建立的实验台,试验结果与计算结果误差在5%以内。     

自由活塞氢内燃机性能仿真分析

利用MATLAB/Simulink对自由活塞氢内燃机建立动力学与热力学模型,运用状态机描述工作过程中离散状态及事件,并对工作过程进行数值模拟,研究点火位置与燃空当量比对自由活塞氢内燃机性能的影响。仿真研究结果表明：点火位置适当推后有助于提高自由活塞氢内燃机指示功率与指示热效率;增大燃空当量比可以提高自由活塞氢内燃机压缩比与运行频率,指示功率显著增大,指示热效率在燃空当量比为0.7时最高。