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。     

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。     

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。     

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。     

对置式液压自由活塞发动机扫气过程的仿真

根据所开发的对置式液压自由活塞发动机样机的基本参数,基于AVL FIRE平台建立了缸内流场的三维仿真模型.分析了扫气口几何参数、活塞下止点停留时间对扫气过程的影响,探讨了利用扫气口几何参数实现缸内混合气分层的方法.结果表明:扫气口径向夹角为5°时,扫气效率和扫气捕获率都达到最大值;随着活塞下止点停留时间的加长,扫气效率呈现先提高再稳定的过程,扫气捕获率则随停留时间的加长而单调下降;采用较大的扫气口径向夹角,可以在压缩上止点附近,实现缸内轴心处废气浓度高、外围废气浓度低的分层分布.     

利用快速压缩膨胀机研究火花点火LPG发动机的燃烧过程

利用快速压缩膨胀机对火花点火LPG发动机的燃烧过程进行了模拟与测量，分析了混合气浓度，点火提前角，压缩比以及燃烧室形状等对LPG燃烧过程的影响，可供汽油机改装成汽油／LPG双燃料发动机的参考。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

自由活塞发动机关键设计参数及其性能的仿真优化研究

针对拟开发设计的用于混合动力汽车的自由活塞发动机-发电机系统,对其自由活塞发动机的关键设计参数(活塞组件质量、压缩比、点火提前角及其经济性和动力输出特性),进行了仿真优化研究。研究结果表明:经参数优化后的自由活塞发动机标定功率为7.42 kW,相比原机的标定功率提高了1.17 kW;最低燃油消耗率为313.4 g/(kW·h),相比原机节省燃油34%。     

甲醇-汽油双燃料火花点火发动机试验研究

基于一台由缸内直喷汽油机改装而成的高压缩比双燃料汽油机,研究了甲醇-汽油双燃料喷射方式(M-G,是指进气道喷射甲醇,缸内直喷汽油)和汽油-甲醇双燃料喷射方式(G-M,是指进气道喷汽油,缸内直接喷甲醇)两种双燃料双喷方式对火花点火发动机燃烧排放特性、热效率和爆震抑制的影响。在试验过程中甲醇的喷射比例范围为0~100%。试验结果表明:相比于汽油单燃料发动机,两种双燃料喷射方式(M-G和G-M)都能够显著提高经济性、抑制爆震同时降低微粒排放;G-M双燃料喷射方式相比M-G双燃料喷射方式在抑制爆震、降低微粒排放上效果更加显著。     

火花点火发动机爆震燃烧的实验研究

本介绍了采用高速摄影法对火花点火发动机爆震进行的实验研究，总结了各种因素对爆震的影响，实验结果表明，末端体自燃点通常是多个同时发生，分布在末端所体的不同部位，自燃通常会但并不总是会导致爆震。爆震强度并不都取决于自燃时未燃混合气量的多少，而与自然发生时末产气体的热力状态下有关，自燃出现与爆震发生之间的时间间隔愈短，则爆震愈强，当爆震发生在上止点之后时，其随自燃发生的时刻接近上止点而增强。