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.     

液压自由活塞发动机点火系统的研制

液压自由活塞发动机是将内燃机与液压泵集成为一体的新型特种发动机，由于无曲轴-连杆等旋转部件，使得其点火系统与曲轴式发动机有着诸多不同，本文结合液压自由活塞发动机的结构及运动特点，设计了液压自由活塞发动机的基本点火电路及外围电路，以数字仿真为基础，为主要元器件结构选型及参数选择提供根据，并在样机的调试过程中，对点火系统进行了实测。仿真研究和实测结果说明了所设计的计算机控制点火系统是简单易行的。     

液压自由活塞发动机中HCCI燃烧优化的试验研究

使用液压自由活塞发动机(HFPE)进行试验,研究了正庚烷在均质压燃(HCCI)燃烧过程中,当量比与压缩比对低温反应始点、高温反应始点、两阶段放热量比例及指示效率的影响。研究结果表明:压缩比一定时,混合气当量比越低,低温反应始点越提前,高温反应始点越推迟,同时低温反应释放热量与高温反应释放热量的比例越高;当量比一定时,压缩比越大,低温反应始点与高温反应始点均提前,同时低温反应释放热量与高温反应释放热量比例越低;当量比从0.30增大到0.40的过程中,最大指示热效率有略微减小的趋势,其中最大值与最小值相差为3.0%;当量比一定时,存在一个效率最高的压缩比,压缩比过低或过高都会影响热功转化效率的提高。     

液压自由活塞发动机的能量平衡分析

液压自由活塞发动机是将一次动力机－内燃机与二次动力机－液压泵的集成为一体，以液体为工作介质，利用油液压力能来实现动力非刚性传输的复合发动机，针对稳态运转的液压自由活塞发动机，分析了其能量输入，耗散，分配及输出情况，给出了各能量组分所占的比例，并估算了活塞的最大运动速度和负载压力，为HFPE的结构设计，控制和效率提高指明方向。     

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。     

适用于HCCI发动机的异辛烷氧化的化学动力学模型（I）——现有模型的比较分析

通过分析各种不同的异辛烷反应机理的概况，发现由于反应机理构造的目的和方法的不同，各反应机理适用的范围有所限制。为了评价反应机理对HCCI发动机燃烧过程的适用性，必须将它们的计算结果与HCCI燃烧相关的实验进行综合比较。采用零维单区模型，通过5种不同反应机理的计算与速压机、激波管和HCCI发动机等实验数据的比较发现，各反应机理在不同实验状况下性能各异，在此基础上提出了构造适用于HCCI燃烧过程的异辛烷简化机理的必要性。     

液压自由活塞柴油机喷油特性研究

针对液压自由活塞柴油机的特点提出了共轨液压式柴油喷油系统,即利用液压自由活塞柴油机的高压油路替代供油系统的高压油泵。通过对共轨液压式喷油系统的原理分析,利用活塞式供油规律测试仪对其喷油规律展开离线研究,研究了不同驱动压力、不同喷射频率条件下的循环喷油量、喷油延迟时间的变化规律。为进一步研究发动机实际运行过程中气门控制油路等对喷油过程产生的影响,在线对循环喷油量进行了测量。结果表明:由于喷油器驱动油路和气门驱动油路连接在一起,气门驱动供油造成了喷油器驱动油路的压力波动,从而使得循环喷油量变动范围变大(-6.9%9.5%),最终影响发动机稳定运行。对发动机气门及喷油驱动油路改进后进行连续运行试验,试验研究结果表明:循环喷油量的波动及实际喷油位置的变化都会影响液压自由活塞发动机连续稳定运行,要实现液压自由活塞发动机连续可靠稳定运行,必须减小循环喷油量波动和喷油延迟时间。     

HCCI发动机多区燃烧模型的比较研究

多区模型作为现阶段均质压燃（HCCI）发动机高效准确的数值模型得到了世界范围的广泛关注。讨论了不同子模型对多区模型预测性能的影响。以实验为基准,比较了多区模型中区间划分、缸壁传热模型、区间热量交换模型、区间质量交换模型和边界层模型对HCCI发动机燃烧和排放模拟结果的影响,全部计算均基于异辛烷的详细化学动力学机理。结果表明：在区间划分时对温度较低的区域细化可以提高排放的计算效果,而对高温区域的细化对计算结果影响不大;改进的Woschni传热模型更准确地模拟了缸壁的传热过程;区间的质量和热量交换对计算结果影响显著,特别是质量交换模型的加入使CO排放的预测与实验值更为接近;而边界层厚度模型对整个结果影响不大。     

二冲程液压自由活塞发动机半直接喷射的仿真研究

利用CONVERGE软件建立了半直喷式液压自由活塞发动机的三维计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)仿真模型,研究了喷射角度、喷油定时、缸头倾角、进气压力对燃料捕集和混合气生成的影响.结果表明:随喷射时刻的推迟,燃料捕获率增加,蒸发时间变长;喷射角度越大,燃料捕获率越高,蒸发时...     

活塞运动规律对点燃式HFPE燃烧过程影响的仿真研究

使用仿真软件Converge,建立了点燃式液压自由活塞发动机(HFPE)的三维仿真模型。为了解决HFPE的爆震问题,提升其热效率,研究了不同活塞运动规律对HFPE的燃烧过程、爆震倾向与热功转换效率的影响。结果表明:火花点燃式HFPE的爆震燃烧发生在活塞边缘的末端混合气区域,是由若干个爆震核快速扩展而成,与曲柄连杆式火花点燃发动机爆震的发生地点和机理相同;通过改变活塞的运动规律,使活塞上行速度加快,在上止点附近停留时间变短,可以明显减小发动机的爆震倾向与爆震强度。利用优化的活塞运动规律,加上高达14的高压缩比,可以在一定程度上提升发动机的热功指示效率。     

多点点火对高强化液压自由活塞发动机燃烧过程影响的仿真研究

利用CONVERGE仿真平台建立点燃式液压自由活塞发动机(hydraulic free piston engine,HFPE)三维仿真模型,并实时求解作用在活塞顶表面的压力,从而使缸内燃烧气体力和液压力耦合。在此基础上研究了增压多点点火HFPE的指示热效率情况。研究结果表明:采用多点点火能改善增压HFPE的指示热效率。采用多点点火之后,最佳指示热效率对应的压缩比变小。多点点火使增压比较大时的工况也呈现较高的指示热效率。采用多点点火后,高效区能够扩大到增压比为4以上。适当增加活塞组质量能够延长活塞在上止点附近停留时间,从而进一步提高指示热效率。     

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。     

二冲程液压自由活塞发动机换气过程影响因素的仿真研究

利用CONVERGE软件建立了二冲程液压自由活塞发动机换气过程的三维计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）仿真模型，并且基于液压自由活塞发动机的独特结构，研究了气口比时面值、扫气箱压缩比、活塞顶倾角和活塞杆直径对换气过程的影响。结果表明：在未发生废气倒流时，扫气效率主要与扫气比时面值有关，增大扫气比时面值有利于提高扫气效率；捕获率主要与排气比时面值有关，减小排气比时面值有利于增大捕获率；提高扫气箱压缩比有利于提高扫气效率，扫气箱压缩比从1.2增加到2.1，扫气效率提升9.8%；适当增大活塞顶倾角有利于扫气效率和捕获率的提高；减小活塞杆直径有利于提升扫气效率，但同时会导致捕获率下降。     

基于MC9S12的自由活塞式内燃机电控系统设计

利用MC9S12DP512针对性地设计了适合自由活塞式内燃机的电控系统硬件,并匹配编制了对应软件。分析了ECU的具体功能,阐述了设计使用的微处理器模块、电源模块、传感器信号处理模块、驱动模块以及通信模块的基本设计方法。试验结果表明:电控系统采用模块化设计,功能性强,能够精确地完成对自由活塞式内燃机的监测和控制,实现目标控制功能。     

压缩比对均质充量压缩燃烧发动机燃烧特性影响的研究

在一台改装TY1100单缸发动机上试验研究了10．7和14两种压缩比对均质压燃二甲醚发动机的燃烧特性的影响。研究结臬表明：两种压缩比均能使发动机稳定工作,实现近“零”NOx排放和无烟燃烧;压缩比为10．7时,均质压燃的两阶段燃烧特性明显,燃烧始点由缸内压缩温度决定,燃烧始点随负荷无明显变化;压缩比为14时,缸内压缩温度提高,燃烧始点随负荷增大相对曲轴转角提前,燃烧始点与负荷（混合气浓度）密切相关;两种压缩比下燃烧持续期均随负荷增大而缩短。     

乙醇燃料均质压燃(HCCI)燃烧边界

在一个单缸排量为1．14L、压缩比为17：1的自然吸气发动机上,使用乙醇燃料采用进气道低压喷射,进行了HCCI燃烧区域的实验研究,结果表明,在进气温度为150℃时,乙醇燃料可以在较宽的范围内（φa=1～9）实现HCCI燃烧,并且以过量空气系数为标志存在着明显的边界,当过量空气系数φa〉9时,燃烧不完全、甚至熄火,φa=9为该实验条件下的稀燃界限,当过量空气系数φa〈3时,不加EGR则产生爆震燃烧;加入EGR则爆震现象消失,可以实现HCCI燃烧,φa=3为该实验条件下的爆震限,当过量空气系数咖。〈1时,加入较多的EGR可以实现HCCI燃烧,但由于燃烧不完全,CO排放大幅度增加,指示效率下降,φa=1为该实验条件下的浓燃界限。