液压自由活塞发动机活塞运动规律自适应特性的研究

在一台液压自由活塞发动机(HFPE)样机上进行了活塞运动规率的试验。研究表明:活塞的运动规律对于燃烧相位和累积放热量的变动具有自适应性;随着燃烧相位的提前或累积放热量的增大,活塞换向提前,最大升程和压缩比降低;这种自适应性可有效避免均质压燃过程中的爆震与后燃现象,保证缸内最高压力、最大放热速率的稳定,减少指示功的损失。     

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。     

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。     

压力自适应活塞在船用发动机上的试验与仿真研究

为兼顾发动机低负荷热效率和高负荷爆震倾向,研制了一种适用于高压缩比的压力自适应活塞。采用试验研究方法在发动机台架上测试了压力自适应活塞对发动机性能的影响,在此基础上采用数值模拟的方法建立了发动机工作过程数值计算模型和爆震模型,研究了活塞头部位移和活塞对缸内压力、燃烧循环波动、燃油消耗率的影响及活塞的爆震抑制性能。台架试验和仿真研究结果表明：通过提高压缩比,在负荷较低时,活塞头部无位移或位移较小,缸内压力相较原机有所提升,燃油消耗率相较原机有所降低,如25%负荷工况下的燃油消耗率相较原机降低了6.67 g/（kW·h）;在负荷较高时,活塞头部位移较大,降低了过高的缸内压力和压力升高率,爆震得到有效抑制,峰值压力循环波动系数的最大降幅为1.11%,100%负荷工况下的爆震诱导时间积分相较原机降低了0.19。     

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.     

对置活塞二冲程汽油机多点点火燃烧特性研究

由于取消了气缸盖,对置活塞二冲程(OP2S)汽油机的火花塞只能布置于气缸侧壁。因此在单火花塞点火时,缸内火焰传播不对称,导致OP2S汽油机具有较明显的爆震倾向。为了有效地抑制爆震的发生,利用三维CFD软件对OP2S直喷汽油机在不同火花塞数目下缸内的燃烧过程进行了数值仿真,并结合试验研究了火花塞数目对混合气燃烧特性的影响,分析了不同火花塞数目对缸内燃烧压力、燃烧持续期及燃烧放热率的影响规律。研究结果表明,增加火花塞数量可以有效改善缸内的燃烧情况,而对侧布置双火花塞的布置形式为最佳方案。     

多火花塞点火实现快速燃烧的试验研究

使用快速压缩-膨胀机改装的多火花塞点火试验台架,研究了火花塞数目对指示功大小、最高燃烧压力和最大压升率、燃料放热速率及爆震特性的影响。得到结果如下:液压源压力及混合气浓度相同,点火相位从上止点前5~35mm逐渐增大时,指示功先增大后减少,即存在最佳点火相位;随着火花数目的增加,最佳点火时刻后移;多火花塞点火的放热速率、最高燃烧压力和压升率、指示功均比单火花塞点火有明显提升,提升幅度和火花塞数目并不成线性关系;在混合气稀薄时,多火花塞点火对燃烧速率及指示功的提升作用更加明显;随着液压源压力的增大,相同点火相位时,多火花塞比单火花塞点火爆震倾向更加严重。     

自由活塞发动机结构传热特性

建立了系统动力学、缸内热力学与结构传热耦合仿真模型,并试验验证了仿真模型准确性.通过仿真对比了相同结构及工况下燃烧室各部件在自由活塞式发动机与曲轴式发动机两种形式运行时热负荷、传热损失及结构温度上的差异性.结果表明:自由活塞发动机燃烧室部件所受热负荷的峰值和作用时间小于曲轴式发动机,具有较小的传热损失与较高的能量转换效率;受活塞运动规律的影响,其缸内燃气与缸套对流传热量占结构总传热量的比例较高;各结构关键点的温度值与温度波动幅度低于曲轴式发动机,热负荷较小,性能有进一步提升的潜力.     

内燃机爆震燃烧探测及其临界爆震判析

利用光纤传感器对内燃机缸内燃烧及其爆震进行探测，探索光纤传感技术在燃烧测量中应用的可行性。介绍光纤传感器在测量燃烧过程的燃烧时刻、临界爆震和爆震燃烧等燃烧特征方面的应用。分别对火花点燃式和双燃料工内燃机的爆震燃烧进行了测试分析。     

活塞式航空煤油发动机性能优化及爆震抑制研究

本文基于一台压缩比可变的单缸热力学发动机,使用自主开发的空气辅助喷射系统,在全负荷条件下,开展了活塞式航空煤油发动机性能优化及爆震抑制的试验研究。探究了采用双点火、降低压缩比以及使用CO2辅助喷射对航空煤油发动机的性能及爆震抑制的影响研究。结果表明,采用双点火可以有效提高航空煤油火焰传播速率,提高燃烧相位,降低循环波动,并且有抑制爆震的作用;通过降低压缩比有效实现了爆震抑制,解决在较高压缩比下航空煤油发动机只能运行在小负荷区间的难题,压缩比降至6,发动机实现全负荷运行,动力性、经济性较好,且不易发生爆震;采用CO2辅助航空煤油喷射时,随着CO2脉宽的增加,同一点火时刻下,发动机的动力性经济性下降,但由于CO2的抑制爆震的作用,MBT点火时刻最大可提前至14 °CA BTDC,使得燃烧相位提前,发动机燃烧效率提高。     

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。     

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。     

高滚流Atkinson循环燃烧系统研究

为进一步提高发动机热效率,提出高滚流Atkinson循环燃烧系统概念。其特征是采用高滚流气道和活塞组合,配合Atkinson循环和废气再循环(EGR)技术,提高缸内的滚流和湍流水平,加快燃烧速度,同时降低汽油机爆震倾向。利用GT-Power和AVL FIRE软件针对某型汽油机进行了一维整机工作过程和三维计算流体动力学(CFD)模拟分析。结果表明:高滚流气道有利于促进缸内滚流运动,滚流比由原机的0.5提高到2.6;配合高滚流活塞后,使进气过程中产生的缸内初始滚流和压缩过程中的滚流维持作用都比原机有所增强,湍动能水平提升6.3%,瞬时放热率与原机相比平均提高15%;在此基础上,采用进气门晚关的方式实现Atkinson循环,并增加EGR系统,降低高压缩比带来的爆震倾向,比油耗在整个万有特性中均呈下降趋势,最低比油耗区明显变大,最低比油耗相比原机下降11.3g/(kW·h)。     

Visualization of auto-ignition and pressure wave during knocking in a hydrogen spark-ignition engine

Visualizations of auto-ignition inside the end-gas region due to flame propagation and pressure waves that occur during knocking were carried out in a hydrogen spark-ignition engine using a high-speed camera. Our results demonstrated that auto-ignition in an end-gas region that was compressed by the propagating flame front could be visualized using the high-speed color camera. A large amount of unburned mixture caused by the auto-ignited kernel explosion generated the strong pressure waves. Strong pressure wave oscillations induced by the initial auto-ignition could be visualized using a video camera with a speed of 250 kframes/s. The auto-ignition and pressure waves caused the thermal boundary layer to breakdown near the cylinder wall and piston head, therefore combustion of the lubricant oil grease was visible inside burned gas region. This auto-ignition and pressure waves may result in damage to the cylinder wall and piston head during engine knocking.     

有限速率过程对活塞式斯特林发动机性能的影响

本文讨论在给定热源温度和压缩比的情况下,过程进行的速率有限,并受热传导不可逆影响的内可逆活塞式斯特林发动机的最优性能,导出以理想气体或范德瓦尔斯气体为工质的斯特林发动机的最大输出功率与热效率的关系,以及最大热效率与输出功率的关系,并推出了一些新的有限时间热力学的性能界限。