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.     

基于活塞运动规律的自由活塞发动机燃烧放热规律

自由活塞发动机具有异于传统发动机的活塞运动规律,为研究其对自由活塞发动机燃烧放热规律的影响,提出了等效转速变换的概念,将试验示功图反算得到的燃烧放热规律以曲轴转角为计量单位表示,分析了自由活塞发动机与传统发动机放热规律的差异,最后采用三维仿真与试验的结论进行对比.结果表明:自由活塞发动机在压缩行程比传统发动机有较高的运动速度与加速度,这使其在压缩行程有良好的雾化与油气混合效果,预混燃烧量达到80%,;膨胀行程缸内容积变化率较大,缸内压力温度下降较快,因而缓燃期和后燃期持续时间远低于传统柴油机;双韦伯函数拟合的自由活塞内燃发电动力系统(FPEG)放热规律预混合燃烧品质系数和扩散燃烧品质系数分别为3.451和10.24,与传统柴油机相比均偏大;受活塞运动规律的影响,自由活塞发动机与相同缸径的传统发动机相比最高爆发压力较小,出现最高爆发压力的时间较晚,且滞燃期较短.     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

对置式液压自由活塞发动机的HCCI燃烧过程仿真分析

基于AVL FIRE仿真软件平台,利用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)耦合详细化学反应机理建立了对置式液压自由活塞发动机的三维仿真模型。根据特殊运动规律下的燃烧过程,讨论了工作频率、当量比及压缩比对燃烧过程的影响。仿真研究表明:燃烧中的各参数对自由活塞式发动机的燃烧过程的影响主要通过燃烧相位来体现,燃烧相位过早会造成较高的压缩负功和过高的压力升高率,最高燃烧压力和燃烧负功均大幅度增加;燃烧相位过晚会导致燃烧条件恶化,出现燃烧中断。工作频率、当量比和压缩比三者良好配合,能够以较小的机械负荷获得较高的指示热效率。     

自由活塞发动机活塞环密封特性研究

为获得自由活塞发动机活塞环密封特性,基于热力学方程和一维等熵流动方程建立了工作过程活塞环密封数学模型,对比发动机静态密封试验数据对模型进行了修正。运用所建密封模型和已有工作过程计算模型分析了自由活塞发动机和传统发动机活塞环密封特性之间的差异,并研究了相关参数对自由活塞发动机漏气损失的影响规律。研究发现:一个循环时间内,自由活塞发动机活塞环密封工作的时间较传统发动机长,但缸内气体泄漏质量较少;压缩过程中,自由活塞发动机缸内气体泄漏质量较多,但燃烧过程和膨胀过程泄漏的质量较少;选取适当的压缩比、活塞环间距和电磁负载有助于减小漏气损失。     

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.     

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。     

双燃料发动机电液协同控制天然气喷射阀运动特性研究

研究了天然气/柴油双燃料发动机电液协同控制燃气喷射阀的运动特性,确定了影响喷射运动特性的主要因素,掌握了喷射阀喷射规律,并通过装机试验分析了喷射阀的适用性。研究结果表明:泄油口孔径一定时,喷射阀最大升程受液压活塞泄油孔位置影响,控制脉宽越大,喷射阀喷射持续时间越长,进气量越大;在喷射阀结构一定的情况下,液压压力及控制脉宽是影响喷射阀运动特性的重要因素,增大液压压力可以增加喷射阀启动及回落响应性,同时也会增大喷射阀的进气流量。     

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.     

LNG发动机缸内气体流动及其对燃烧过程影响的数值分析

应用STAR-CD软件对缸内直喷LNG发动机建立工作过程的计算模型,分析了缸内流场的运动及对发动机燃烧过程的影响.模拟结果表明:进气过程所产生的涡流运动能够维持到压缩上止点附近,压缩行程后期缸内的滚流破裂成众多小尺度的涡,湍流强度增大,可以提高火焰传播速率;压缩冲程接近终了时,缸内混合气呈明显分层现象,在火花塞及LNG喷嘴附近聚集较浓的可燃混合气,利于实现天然气发动机的稀薄燃烧.     

微自由活塞动力装置中混合气泄漏对燃烧过程的影响

利用数值模拟计算软件,结合甲烷详细化学反应动力学机理及动网格技术,对微自由活塞动力装置中自由活塞与微燃烧壁面之间不同间隙条件下压缩着火过程进行模拟计算。计算结果表明:相同条件下,随着间隙的增大,单次压缩着火周期增长,工作频率变小,但着火时刻点基本不变;间隙大小相同的条件下,活塞初速度越大,压缩比越大,动力输出性能越差。同时,对临界压缩比随着间隙大小的变化规律进行计算,分析得出在无泄漏条件下临界压缩比值为48,微动力装置压缩比大于临界压缩比时,混合气体才能压缩着火,且随着泄漏间隙的增大,临界压缩比值也随之增大。     

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。     

对置活塞二冲程汽油机活塞运动相位差的匹配

通过对对置活塞二冲程缸内直喷汽油机的活塞运动规律、扫气过程及缸内工作过程进行数值模拟,研究了对置活塞运动相位差对扫气过程、混合气的形成和燃烧过程及整机性能的影响。研究结果表明:活塞运动相位差影响活塞相对运动规律的同时,直接影响扫气正时和有效压缩比进而影响扫气过程、缸内工作过程和整机性能及对置活塞非对称做功特性。随着活塞运动相位差的增大,扫气效率增大,火焰发展期和快速燃烧期增大,循环指示功先增大后减小,在相位差为15°曲轴转角时达到最大值。综合相位差对扫气和缸内工作过程的影响,在15kW、6 000r/min、全负荷工况时最佳活塞运动相位差为15°曲轴转角。     

液压快速压缩-膨胀试验机的开发研究

研制了一台基于液压工作原理的光学快速压缩-膨胀机用以研究爆震机理。仿真结果表明:提高液压源压力或增大节流孔孔径,压缩比增大;点火相位靠后时,爆震发生期增加。燃烧试验表明:该装置能够用于HCCI、火花点燃、爆震燃烧等多种燃烧过程的试验模拟研究。     

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。