微自由活塞发动机HCCI着火界限研究

开展微燃烧室里均质压缩燃烧(Homogeneous charge compression ignition,HCCI)可视化试验,进行定性分析,并以试验为基础建立三维数值模拟计算模型;基于丙烷燃烧化学反应动力学机理,提出自由活塞运动与燃烧过程耦合的计算方式,通过编写STAR-CD软件中的动网格子程序,对微燃烧室里均质气体压缩燃烧过程进行了数值模拟研究;分析了各种参数对微HCCI着火特性的影响,得出在理想模型下的压缩着火界限,即当量纲一参数压缩比不小于55时,均质气体总能压缩着火;并揭示泄漏对均质压缩燃烧过程的影响,得出在不同泄漏间隙尺寸下着火界限的变化情况,为微自由活塞发动机的设计提供一定的理论依据。     

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。     

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.     

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.     

进排气结构参数对微型自由活塞发动机扫气过程影响的数值模拟研究

在微型自由活塞动力装置单缸压燃的研究下,结合单次冲击燃烧可视化试验,针对简化模型的进排气口间距L、进气道倾角α、排气道倾角β,进气道孔径Din及排气道孔径Dout展开数值模拟计算以应用于双气缸研究中,使整个运行工况更加平稳且高效.当进、排气口间距不断增大,其换气过程的扫气效率逐渐下降;进气口与排气口的扫气角成一定夹角时...