（工程热物理专业论文）微型hcci自由活塞发动机工作过程实验及数值模拟研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 基于碳氢燃料燃烧的微型动力机电系统具有体积小、寿命长、能量密度高等 优点，在当今工业生产中具有极为广阔的应用前景。微型h c c i 自由活塞发动机 是微燃烧动力中的一种，它不仅可以解决发动机尺寸减小所导致的燃烧室壁面火 焰淬熄问题，还可以解决h c c i 燃烧面临的控制难题，对微动力机电系统装置的 开发具有重要意义。 为了验证微尺度下h c c i 燃烧方案的可行性，同时为泄漏工况下自由活塞运 动特性的研究提供实验依据，本文首先搭建了微型自由活塞单次冲击压缩着火的 可视化实验平台，并进行了相关实验研究。接着，结合微型h c c i 自由活塞发动 机的工作特点，建立了发动机工作过程的多维模型，其中包括传热子模型和泄漏 子模型，并进行了模型验证。模型通过f l u e n t 软件u d f 中的6 d o f 模块实现 了活塞运动和缸内压力间的耦合，通过c h e m k i n 软件实现了c f d 与详细化学 反应动力学问的耦合。 应用所建模型进行相关数值模拟研究。首先，应用理想模型( 不考虑传热和 泄漏) 对微自由活塞单次冲击压缩着火过程进行变参量研究，分析了混合气着火 特性和活塞运动特性的影响因素及影响规律，为微h c c i 燃烧过程的控制提供了 理论依据；其次，应用传热子模型和泄漏子模型对发动机工作过程进行研究，得 到传热对微h c c i 自由活塞发动机工作过程影响相对较小，而泄漏对其影响较大 的结论：最后，利用泄漏子模型研究了气缸活塞密封效果的主要影响因素并根 据模拟结果提出增强密封效果的相应措施。 本文详细研究了微h c c i 自由活塞发动机工作过程中的燃烧特性及微发动 机动力特性，为该微动力装置的进一步开发提供了实验基础及理论依据。 关键词：微型发动机；自由活塞；h c c i 燃烧；可视化实验；数值模拟 江苏大学硕士学位论文 p o w e rm e m sb a s e do nt h ec o m b u s t i o no fh y d r o c a r b o nf u e l sh a st h ea d v a n t a g e s o fs m a l lv o l u m e ，l o n gl i f e t i m ea n dh i g he n e r g yd e n s i t y , m a k i n gi th a v eaw i d e a p p l i c a t i o np r o s p e c ti nm o d e mi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n m i c r oh c c if r e ep i s t o ne n g i n e i sak i n do fm i c r oc o m b u s t i o np o w e ra n di tc o u l dn o t o n l ya v o i df l a m e - q u e n c h i n gi n t h ec o n t e x to fm i c r oc o m b u s t i o n ，b u ta l s os o l v et h ep r o b l e mo fi g n i t i o nc o n t r o lo f h c c ic o m b u s t i o n ，w h i c hp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h e d e v e l o p m e n to fp o w e r m e m sd e v i c e s i nt h i sp a p e r , s i n g l e - s h o te x p e r i m e n tp l a t f o r mo fm i c r of r e ep i s t o ni sb u i l tf i r s t l y , a n dr e l e v a n te x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e d ，a i m i n ga tv e r i f y i n gt h ef e a s i b i l i t yo fh c c i c o m b u s t i o na n dp r o v i d i n ge x p e r i m e n t a lb a s i sf o r t h es t u d yo ff r e e p i s t o n m o t i o n c h a r a c t e r i s t i c si nt h ec o n t e x to fl e a k a g e n e x t ，c o n s i d e r i n gw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so f m i c r oh c c if r e e p i s t o ne n g i n e ，t h e a u t h o rc o n s t r u c t sm u l t i d i m e n s i o n a lm o d e l i n c l u d i n gh e a tt r a n s f e rm o d e la n dl e a k a g em o d e lo fe n g i n ew o r k i n gp r o g r e s s t h e c o u p l i n gb e t w e e np i s t o nm o t i o na n dc y l i n d e rp r e s s u r ei sr e a l i z e db yu s i n g6 d o f m o d u l eo fu d fi nf l u e n tw h i l et h ec o u p l i n gb e t w e e nc f da n dd e t a i l e dc h e m i c a l r e a c t i o nk i n e t i c si sr e a l i z e db yu s i n gc h e m k i n t h e n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nu s i n gb u i l tm o d e li sc o n d u c t e d f i r s t ，i no r d e rt o s t u d yt h ei g n i t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fm i x e dg a s ，m o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ff r e ep i s t o na s w e l la st h e i ri n f l u e n c i n gf a c t o r s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h eh c c ic o m b u s t i o n p r o g r e s su s i n gi d e a lm o d e l ( n o tc o n s i d e r i n gh e a tt r a n s f e ra n da i rl e a k a g e ) a r ea l s o c o n d u c t e d ，p r o v i d i n gt h et h e o r yb a s i sf o rt h ec o n t r o l l i n go ft h ec o m b u s t i o np r o c e s s n e x t ，t h ei n f l u e n c eo fh e a tt r a n s f e ra n dl e a k a g eo nt h em i c r oc o m b u s t i o ni sr e s e a r c h e d r e s p e c t i v e l yb yu s i n gt h em o d e lc o n t a i n e dh e a tt r a n s f e ra n dt h el e a k a g e ，a n dt h e c o n c l u s i o n st h a th e a tt r a n s f e ri m p a c to nt h ee n t i r eo p e r a t i o np r o c e s si sr e l a t i v e l ys m a l l a n dt h ei n f l u e n c eo f l e a k a g ei sr e l a t i v e l yl a r g e ra r eg o t a tl a s t ，i n f l u e n c i n gf a c t o r so n s e a l i n gb e t w e e nc y l i n d e ra n dp i s t o na r es t u d i e da n de f f e c t i v em e a s u r e st oe n h a n c e s e a l i n ge f f e c ta r ep r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h es t u d y t h ep a p e rs t u d i e st h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i ci nt h em i c r oh c c if r e e - p i s t o n e n g i n eo p e r a t i o n p r o c e s sa n dt h em i c r o e n g i n ed y n a m i cp e r f o r m a n c e ，w h i c hp r o v i d e s e x p e r i m e n t a lb a s i sa n dt h et h e o r yb a s i sf o rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fm i c r o - p o w e r d e v i c e s k e y w o r d s ：m i c r oe n g i n e ；f r e e - p i s t o n ；h c c ic o m b u s t i o n ；v i s u a l e x p e r i m e n t ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i 1 1 课题背景 第一章绪论 随着微机电系统( m e m s ) i 拘发展，对高能量密度电源装置的需求日益迫切， 传统的电池能量密度低、供能不连续，已成为微机电系统发展的主要障碍。碳氢 燃料的能量密度可达4 5 m j k g 左右，即便是转化效率只有1 0 的发动机，也可 产生目前最好电池几倍的能量密度( 见图1 1 ) ，从而有望带来动力机械发展的新 的里程碑【1 1 。因此，基于碳氢燃料燃烧的微动力系统( p o w e rm e m s ) 应运而生， 成为国内外研究热点。 图1 1 电池、发动机及烃燃料的能量密度对比 f i g 1 1c o m p a r i s o no fe n e r g yd e n s i t ya m o n gb a t t e r y , e n g i n ea n df u e l 作为一种全新的系统，国内外著名大学及科研单位对其展开了大量研究，并 提出了众多研究方案，其中具有代表性的主要有：微型发动机，包括微型燃气轮 机、微型三角转子发动机、微型摆式发动机和微型h c c i 自由活塞式发动机等， 微型热电系统以及微型热光电系统。 ( 1 ) 微型燃气轮机 1 9 9 6 年，美国麻省理工学院的e p s t e i n 等人【2 】首次提出“p o w e rm e m s 的 概念，并设计出一种工作原理与常规尺寸燃气轮机类似的三层硅基微型燃气轮机 样机，如图1 2 所示。该装置直径为1 0 m m ，厚度为3 m m ，燃烧室体积为6 6 m m 3 。 燃料为氢气，当氢气空气预混气体流量为o 0 4 5 9 s 时，排气温度超过1 8 0 0 k ， 输出功率接近1 0 w ，燃烧效率可达到7 0 左右。 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o 0 0 0 0 0 0 4 2 0 8 6 4 2 1 上 l 1 上 静曼v毯御捌翟 微型h c c i 自由活塞发动机工作过程实验及数值模拟研究 氢气一+ 空气甏 鉴掣坌零板一e = ：= = 茹= = ! = ) 混篙匿芒燃烧室l 厂 、 5 m m 中心线! 氢气 咤 空气： 图1 2 美国m i t 研制的层硅基微型燃气轮机 f i g 1 2m i c r og a st u r b i n eb a s e dt h r e el a y e r so fs i l i c o nd e v e l o p e db ym i t o fu s a 随后，m e h r a 等人【3 l 开发出带有再循环系统的六层硅片微型燃烧室，如图1 3 所示。该装置区径为2 1 r a m ，厚度为3 7 m m ，燃烧室体积约为1 9 5 m m 3 。当混合 ，流量为0 1 1 9 s 时，排气温度为1 6 0 0 k ，燃烧效率接近8 0 ，系统最大能量密 度可达5 0 0 m w m 3 。 图1 3 美国m i t 到制的八层锤基微举燃气轮秽l f i g 1 3m i c r og a st u r b i n eb a s e ds i xl a y e r so fs i l i c o nd e v e l o p e db ym 1 1 ro fu s a 几本东北大学的t a n a k a 等人1 4 ，5 】，宣称研制出世界一卜最小的燃气轮机，如图 1 4 所示。该装置外部直径为1 0 0 m m ，k 度为1 5 0 m m ，内部包含直径1 6 r a m 的 压缩机、直径1 7 4 r a m 的透平、环状燃烧室以及电磁发生装置，总质量约3 7 9 。 燃料采用氧气，压缩机的转速为3 6 0 0 0 r m i n ，燃烧室温度为8 0 0 。c - 9 0 0o c 。 主线垂 蝗盘 斗一：著享 压缩机 、轴承 透平 虚拟磁铁 蜗壳 轴承 图1 4 日本东北入学研制的微犁燃气轮机 f i g 1 4m i c r og a st u r b i n ed e v e l o p e db yt o h o k uu n i v e r s i t yo fj a p a n r甲；【暂#节竺b 江苏大学硕士学位论文 目前该系统面临的一大挑战是：对于喷射燃料( 如液态碳氢燃料) ，如何获得 高燃烧效率下的稳定燃烧。另外，涡轮转速的提高和压缩机压缩比的增大，也使 得材料的热稳定性、热绝缘性以及透平机的冷却、轴承的磨损等问题加剧【6 】o ( 2 ) 微型三角转子发动机 三角转子发动机最早由德国工程师f e l i xw a n k e l 提出【6 1 ，工作原理是：转子 在一个长圆形的燃烧室内转动，依次压缩三个空腔内的混合气，使其燃烧做功。 这类发动机具有比动力高、平面结构简单、运动部件少等优点，但燃烧室磨损相 对较大导致燃烧室的密封性能不佳。 美国加州大学伯克利分校f e m a n d e z p e l l o 等【7 9 】在前人基础上开发出微型三 角转子发动机样机，如图1 5 所示。样机由不锈钢材料通过电火花技术加工制成， 燃烧室直径为1 2 5 m m ，转子直径为1 0 m m 。燃料采用氢气，发动机转速为 9 0 0 0 r r a i n ，净功率达到3 7 w ，系统总热效率为0 2 。 奠寺黟转王 排气口 进气口 讲 旨灭起女蕊r 孓谲：滋 i 转子 嚣 图1 5 加州人学伯克利分校珂f 制的微型二角转子发动机 f i g 1 5m i c r ot r i a n g l er o t a r yp i s t o ne n g i n ed e v e l o p e db yb e r k e l e y , c a l i f o r n i a 在国内，浙江大学刘宜胜等人【1 0 】也成功研制出厘米级和毫米级微型三角转 子发动机样机。其中，厘米级样机内部核心尺寸最大不超过4 c m ，稳定输出功率 为1 5 0 w ，单次运行时间超过1 小时；毫米级样机内部核心尺寸最大不超过8 m m ， 输出功率可达2 5 w 。 ( 3 ) 微型摆式发动机 美国密执安大学设计出一种微摆式发动机 1 1 , 1 2 1 ，如图1 6 所示。中心动子把 燃烧室分为四个独立的空腔，从而使得每个燃烧室的空间利用效率更高。发动机 运行遵循四冲程奥托循环，通过燃烧室外部的感应发电机将机械能转化为电能输 出。其设计目标是在几个d m 3 的空间内产生2 0 w 左右的电能。该结构运动相对 更简单且振动更小，但混合和燃烧时问的缩短使得发动机机械转矩效率偏低。 微型h c c i 自由活塞发动机工作过程实验及数值模拟研究 ，位置l i 位置2；迸摊气口 心摆 图1 6a - 国密执安人学设计的四冲程微摆式发动机 f i g 1 6f o u rs t r o k em i c r os w i n ge n g i n ed e v e l o p e db ym i c h i g a nu n i v e r s i t yo fu s a 清华人学郭志平等【1 3 j 设计出种新型的二冲程微摆式发动机样机，如图1 7 所示。该发动机空间利用率更高，且易于装配和制造，具有很好的微型化潜力。 火花塞孔 图1 7 清华大学设计的二冲程微摆式发动制i f i g 1 7t w o s t r o k em i c r os w i n ge n g i n ed e v e l o p e db yt s i n g h u au n i v e r s i t yo fc h i n a h ) 微型热电系统 南加州大学的r o n n e y 等人【1 4 】用热电材料制作出“瑞上面包卷式”微型燃烧 器，如图1 8 所示。通过内部微尺度燃烧加热燃烧室表面，再利用热电材料的塞 贝克效应直接将热能转化成电能。 4 图1 8 南加州人学制作的二维微犁热电系统 f i g 1 8t w o d i m e n s i o n a lm i c r ot h e r m o e l e c t r i cs y s t e md e v e l o p e db ys o u t h e r nc a l i f o r n i a u n i v e r s i t y 江苏大学硕士学位论文 随后他们在二维结构的基础上开发出三维结构，如图1 9 所示。系统独特的 结构使得燃料释放的热量能够与待反应气体进行充分的热交换，从而降低了热量 损失，有效地控制了微燃烧室壁面火焰淬熄问题。除此之外，该系统还具有无运 动部件、无摩擦损失和无泄漏等优点。目前该系统面临的主要挑战是：如何在复 杂的三维结构中制备性能良好的热电装置。 图1 9 南加州大学制作的二维微型热电系统 f i g 1 9t h r e e - d i m e n s i o n a lm i c r ot h e r m o e l e c t r i cs y s t e m d e v e l o p e db ys o u t h e r nc a l i f o r n i a u n i v e r s i t y ( 5 ) 微型热光电系统 2 0 0 2 年，新加坡国立大学设计出了一种圆柱结构碳化硅材质燃烧器的微热 光电系统【1 5 】，如图1 1 0 所示。工作原理是：燃烧器内的微燃烧加热外壁面， 高温壁面释放出辐射能打到光电池上，利用光电效应转换为电能输出。该系统具 有无运动部件等优点，但目前存在燃料转化效率偏低的问题。 无效辐射 氢气和氧气 光电池 焉瀚 7 。j ，- 1 过滤层 幽1 1 u 新刀玎圾国立大学设计的微拶t p v 系统 f i g 1 1 0m i n i a t u r et p vs y s t e md e v e l o p e db yn a t i o n a lu n i v e r s i t yo fs i n g a p o r e 在国内，江苏大学李德桃、潘剑锋等人【1 5 , 1 6 】通过国际合作，率先开展了微型 热光电系统的研究工作，并先后开发设计出圆柱式和平板式燃烧器的微热光电系 统样机，如图1 1 1 和图1 1 2 所示。通过对圆柱式热光电系统样机的测试，得到 兰一 h ，p 每等；， 夤毒 微燃烧室 微型h c c i 自由活塞发动机工作过程实验及数值模拟研究 了各种流率和h z 0 2 当虽比下样机的输出功率，当氢气流率为4 1 3 3 9 h r 时，系 统能在容积为o 1 9 5 c m 3 的微型燃烧窀内产生1 3 5 5 w 的电能输出，系统总效率可 达0 8 1 。 真空隔热室选择性涂层 、 7 徽蝴辙艺杉一：夕 笺 礤“、，一 ，光电池 微燃烧室攀= ( 辐射器) 撼一 ：0 - * 。“- 十 弧义 j 影一， 氢氧混合燃气进入被返回的无效辐射 图1 11 圆柱式微热光电系统图1 1 2 平板式微热光电系统 f i g 1 1 1c y l i n d r i c a lt y p em i n i a t u r et p vs y s t e m f i g 1 1 2h a tt y p em i n i a t u r et p vs y s t e m 总的说来， ：述微动力系统都各有优点和缺点，但作为微动力装置，e f l j 都 遇到一个相同的难题，即燃烧室尺寸急剧减小使得热损失急剧增加，从而导致燃 烧宦表面发生火焰淬熄现象。火焰淬熄彳 在扫气装置上：采用单流向设计。认为一般的凸轮机构不适用于h c c i 方式，所以采用压力差来驱动进出气阀门。 接着，明尼苏达大学成功进行了活塞气缸单次冲击压缩着火的实验【猢，实 验装置如图1 1 3 和图1 1 4 所示。实验的原理是通过气锤撞击缸内左端的自由活 塞，使其具有一个向右初速度。活塞向右运动，压缩缸内预先充好的均质稀薄混 合燃料，最终使其着火燃烧。通过高速摄像机记录整个实验过程，来观察缸内微 燃烧情况以及自由活塞运动情况( 如图1 1 5 所示) ，从而为微型h c c i 自由活塞发 动机燃烧过程的进一步研究提供了实验依据。 h t a i c h l m a y r l 等在上述实验的基础上，建立了单次冲击压缩着火过程的 零维模型，并进行了相关参数研究，得到了影响混合气燃烧特性的主要因素。 剑桥大学s h e ri 等【2 7 】进行了相关数值模拟，分析了发动机尺寸与活塞运动 特性问的关系，并据此提出了微型h c c i 发动机的尺度极限。 在国内，江苏大学王谦等人【2 8 1 建立了微型h c c i 自由活塞发动机燃烧过程的 一维模型，利用m a t l a b 软件通过改变初始当量比和活塞初始速度等，获得了 单次冲击过程中着火时刻特性以及燃烧特性的变化规律。 图1 1 3 单玖押币买验j 泉理图 f i g 1 1 3s i n g l e - s h o te x p e r i m e n ts c h e m a t i c 幽1 1 4 单次冲击实验安装图 f i g 1 1 4s i n g l e - s h o te x p e r i m e n ta s s e m b l y 微型h c c i 自由活塞发动机工作过程实验及数值模拟研究 压缩冲程，忙【：，活塞距离气缸底17 m r r 压缩冲程。t = t ：一1 6 岬，活塞距离气缸底ij 黜t 压缩冲程，t = t ：一! ! 业m ，活塞距离气缸底c 虹城 压缩冲程，t - - t 一6 4 0 t m , 活塞距离气缸底0 s t n 强 压缩冲程，t - - t - 一9 6 l m ，活塞距离气缸底o 4 m m ；啜烧和膨胀开始阶段，l - 一- t ：一1 2 8 p m 活塞距离气 缸底8 7 m m 跨胀冲程，t = t ：一1 6 0 “m ，活塞距离气缸底09 m m l 彰胀冲程，净t l p 2 u m 。活塞距离气缸庇1 2 m m 膨胀冲程，t = t ：一二二 m 。活塞距离气缸底17 m 瑾 蟛胀冲程，t - 一二j 6 姐m 活塞距离气缸底22 r m r 悸胀冲程，t = t o - 2 5 6 p m ，活塞距离气缸底二9 m m 图1 1 5 单次冲h 实验的典型实验照片 f i g 1 15at y p i c a ls e q u e n c eo fi m a g i n e sf r o mas i n g l e s h o te x p e r i m e n t 1 3 研究思路及主要工作 目前，国内外对微h c c i 自由活塞发动机工作过程的研究主要为数值模拟研 究，所建模型多为零维或御! ，且对缸内混合气泄漏研究较少。而由实验可知： 缸内混合气泄漏对自由活塞发动机着火特性及活塞运动特性均有很大影响。鉴于 此，本文丌展如下研究： ( 1 ) 结合微h c c i 自由活塞发动机的特性，开发并验证一个合理的多维模型； ( 2 ) 搭建可视化实验平台，进行微自由活塞单次冲击压缩着火的实验研究； ( 3 ) 利用所建模型对微h c c i 自山活塞发动机工作过程进行数值模拟研究； 手要工作具体如卜： 阅读微尺度燃烧、h c c i 新型燃烧方式及自由活塞发动机的相关文献， 总结微燃烧特点及主要影响凶素，了解h c c i 燃烧的模拟方法及微h c c i 江苏大学硕士学位论文 自由活塞发动机燃烧过程的模拟特点，确定研究目标与研究方法。 学习f l u e n t 软件，了解动网格生成方法；学习c h e m k i n 软件，了 解燃料氧化反应的化学动力学机理。 通过f l u e n t 软件u d f 模块编写子程序，实现活塞运动与缸内压力的 动态耦合，生成了计算区域动网格：利用c h e m k i n 软件，实现燃料详 细化学反应动力学与c f d 软件的耦合，提高了数值模拟的计算精度。 搭建可视化实验平台，进行微自由活塞单次冲击压缩着火实验研究。研 究了不同工况下缸内着火特性及活塞运动特性，为数值计算提供了实验 验证。 根据自由活塞发动机特点，建立了微型h c c i 自由活塞发动机工作过程 的多维模型，其中包括传热子模型和泄漏子模型，并进行了模型验证。 利用理想模型对微自由活塞单次冲击压缩着火过程进行变参量研究，得 到不同因素对发动机着火特性以及自由活塞运动特性的影响规律。 利用传热子模型和泄漏子模型进行数值计算，得到了燃烧室传热和混合 气泄漏对微燃烧的影响规律。 探讨了气缸活塞密封效果的影响因素，并根据数值模拟结果提出增强密 封效果的相应措施，为发动机的进一步研究设计提供理论依据。 9 微型h c c i 自由活塞发动机工作过程实验及数值模拟研究 第二章微型h c c i 自由活塞发动机的相关理论分析 2 1自由活塞发动机 1 9 2 8 年，p e s c a r a 提出自由活塞发动机的概念，但直到上世纪5 0 年代，自由 活塞发动机j 真正引起人们的广泛关注【2 9 1 。与传统的发动机相比，自由活塞发 动机取消了曲柄连杆、i # l 轴、气阀和凸轮轴等装置，使得结构大为简化。其特出 优点是可执行二冲稗循环，即每一个膨胀冲程都是做功冲程，因而热效率和能量 转化效率都较高。一个简单而完整的自由活塞发动机包括燃烧窀、反弹室以及负 载= 三大部分，图2 1 和图2 2 给出了最为常见的两种自由活塞发动机结构| 3 0 】。 图2 1 单缸自活塞式发动机结构 f i g 2 1s i n g l ep i s t o nf r e e p i s t o ne n g i n e 2 1 1自由活塞动力耦合分析 一i a ! 口， 士j 图2 2 舣缸白由活塞式发动机结构 f i g 2 2d u a lp i s t o nf r e e p i s t o ne n g i n e 自由活塞之所以称作“自由”，足因为活塞在运动方向上没有刚性约束，其 运动仅由作用在它上面的合力所决定。由于自由活塞位置的这种不可预知性，要 生成计算区域的动网格进行数值模拟，首先要了解自由活塞的受力特性。为此， 对自 j 活塞的受力情况进行分析( 以单缸为例) ，如图2 3 所示。 i - 1 b ，a 。 负载|p t 彦：重量焉暑墨_ 淼 i = _ = 弓囊 一m r 一 匕董o x k 一二：p 一， 幽2 3 半虬e l 田活零缩俐叟力情况 f i g 2 3f o r c eb a l a n c eo ff r e e p i s t o nw i t hs i n g l ep i s t o n 图2 3 ( a ) 图给出了单缸式自 ； _ j 活塞发动机的结构简图，图2 3 ( b ) 图给出了自 江苏大学硕士学位论文 由活塞对应的受力平衡情况( 不及摩擦) 。结合2 3 ( b ) 图，应用午顿第二定律司得： 只= 朋p 箬= 艺& 一名气一e ( 2 1 ) 其中，m p 为活塞质量，厶为活塞距离气缸底部的距离，e 为作用在活塞 上的负载，易和足分别为反弹压力和缸内燃烧压力，且岛和最均为时间的函数。 根据式( 2 1 ) ，将其应用到本文涉及的模型( 如图2 4 所示) 中，可得到自由活 塞的受力平衡情况如下： m p 篆2 如( p 一只) ( 2 2 ) 式中a c = 要仁2 一d p 2 ) 为活塞截面积，p 和只分别为缸内压力和环境压力。 f i g 2 4p h y s i c a lm o d e l i nt h i sp a p e r ( n o tc o n s i d e r i n gf r i c t i o n ) 因为如和圪均为定值，可令如只= f ，则式( 2 2 ) 可变为： 朋p 窘= 如卜f 假设活塞是从而位置运动到x 2 位置，则所需要的功是： w i - 2 = m e 【2 争= a c 【2 p c d x 一2 f d x 活塞的速度定义如下： d x l ，= d t 将式( 2 5 ) 带入式( 2 4 ) ，可得： 啊一：= m pe 面= 如i ：2 艺出一2 f d x 从式亿6 ) n - - j 得： w i - 2 = m p ( 华卜肛一肛 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 微型h c c i 自由活塞发动机工作过程实验及数值模拟研究 假设而位置和而位置分别是活塞运动的上止点和下止点，即此位置活塞速 度为0 ，那么式( 2 7 ) 可简化为： a ci ：2 最出：j ：2 融 q 砷 从式( 2 8 ) 可看出，只要给出燃烧室缸内压力变化规律p c = 最 ) 及活塞的初 始位置为，即可得到活塞的终点位置而。 2 1 2 自由活塞运动特性 由于自由活塞不像常规发动机活塞那样受到曲柄连杆的限制，其运动过程完 全取决于活塞表面所受的合力，因而自由活塞发动机有着与常规发动机大为不同 的运动特性。r m i k a l s e n 和a e r o s k i u y 等人【3 1 删对此进行了大量研究，得到一 些研究结果，如图2 5 和图2 6 所示。 叠仅憾 瓴锚 瞻量 基 v 谯l 塑瑚 脚锵 炮螂 饿 o 时间( f i t s )时间( m s ) 图2 5 自由活塞发动机与常规发动机的活塞运动位置对比 f i g 2 5c o m p a r i s o no fp i s t o np o s i t i o nb e t w e e nf r e ep i s t o ne n g i n ea n dc o n v e n t i o n a le n g i n e 图2 5 a 给出了相同速度下，一个工作循环中自由活塞发动机与常规发动机 ( 曲轴半径连杆长度比为0 3 ) 的活塞位置随时间的变化关系，可以明显看出相 比于常规发动机活塞，自由活塞在上止点附近运动所用时间更短。 图2 5 b 给出了在上止点附近两种发动机活塞位置变化的对比情况。可看出 在上止点之后的膨胀冲程中，自由活塞的速度明显大于常规发动机活塞的速度， 同时还可看出自由活塞位置曲线并不像常规发动机活塞那样位于上止点两侧对 称分布，且自由活塞在压缩过程中所花时间比在膨胀过程所花时间更长。 图2 。6 a 给出了自由活塞发动机与常规发动机相比，活塞的速度随时问的变 化情况。可以看出常规发动机活塞最高速度要高于自由活塞发动机，且两者的速 度曲线也大为不同：常规发动机的活塞速度曲线近似于正弦形，而自由活塞发动 机的活塞速度曲线则更趋近于方波形。 1 2 江苏大学硕士学位论文 a俦 螗 啊 童。 篱。 筵5 一l o + l |；，粼 ；，。 | l 差，7、 l ，ll 、 f纠i i b ，l | ，；_* m ，嘿 ；l 一目田清垂友砌硼u b 躺 嘲 j 咖 趔舢 煅 。 口 嗣 确勰 蜒糊 常规发动机 自由活塞发动机f ii ， j ； ， 卜 i ，r y 、_ 岬 厂 7 ， 、 - ， ， t o 5 1 9婚 鼯舔瓣 时闻( 螂) 时闻( 粥) 图2 6 自由活塞发动机与常规发动机活塞速度及加速度对比 f i g 2 6c o m p a r i s o no fp i s t o ns p e e da n da c r e l e m t i o nb e t w e e n f r e ep i s t o na n dc o n v e n f i o n f le n g i n e 图2 6 b 给出了自由活塞发动机与常规发动机相比，活塞加速度的变化情况。 可以看出在燃烧结束后，由于缸内压力很高，自由活塞因不受曲柄连杆机构的限 制，其加速度比常规发动机要大很多。另外，因为自由活塞运动与缸内压力是相 互耦合的，所以自由活塞发动机的燃烧开始时刻和排气阀开启时刻均可从活塞加 速度曲线上看出，图中燃烧开始时间大约在1 7 m s ，排气阀开启时间大约在2 7 m s 。 2 1 3自由活塞发动机的动力学限制 虽然与常规发动机相比，自由活塞发动机具有众多优点，如结构简单、摩擦 力小使得燃料转化效率更高，可变压缩比、可使用多种燃料使得发动机工作灵活 性更高等，但自由活塞发动机本身也存在一些缺陷，比如发动机的启动、阀门的 控制问题【2 9 】。 2 2h c c i 燃烧方式 1 9 7 9 年，o n i s h i 首次提出h c c i ( h o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ) 燃烧的概念【3 5 】。h c c i 燃烧，简单来说，就是通过压缩缸内均匀的燃料混合气， 使其在上止点附近实现自燃。到了上世纪9 0 年代以后，随着发动机经济性能要 求的不断提高以及排放法规的日益严格，再加上发动机控制技术的迅速发展， h c c i 燃烧在内燃机节能及降低排放发面的潜力引起国内外研究机构及知名企业 的研究热潮【刚。 作为一种新型的燃烧方式，h c c i 燃烧综合了传统汽油机和柴油机的优点， 但又与它们有着本质的区别，如图2 7 所示。与传统的汽油机相比，两者都属于 均质混合燃烧，但h c c i 燃烧方式采用压燃代替了汽油机的火花塞点火；与传统 的柴油机相比，两者都属于压燃燃烧，但h c c i 燃烧方式采用的混合气是均质的。 实验证实，这种采用稀薄混合气多点同时着火的新型燃烧方式，避免了火焰的传 微型h c c i 自由活塞发动机工作过程实验及数值模拟研究 播和局部高温区，在高燃烧效率的同时可大大降低n o x 和碳烟排放1 3 7 】。 鼙圭 ， 专。虫 一 i1 一：真主- ，_ t 二_一_ ，；，：，j 。 f 一。_ 1 f i g 2 7c o m p a r i s o no f t h r e ec o m b u s t i o nm e t h o d s 2 2 1h c c i 燃烧计算模型 在h c c i 发动机研究热潮中，数学模拟从始至终都发挥着不可代替的作用。 与实验研究相比，数学模拟不受试验环境和试验条件的限制，且获得数据更迅速 更简单。除此之外，数学模拟还可揭示实验研究难以了解的更深层的物理现象， 如发动机缸内流场、温场和浓度场的分布等。 迄今为止，出现了不少h c c i 燃烧过程的计算模型【3 5 , 3 6 】，但基本卜可概括为 以f 四类：零维模型、准维模型、一维循环模拟耦合模型和多维模型。 亿) 零维模型。 零维模型又称单区模型，该模型认为整个燃烧室为个体积可变的反应腔， 通过积分与时f h j 相关的能量守恒方程以及物质守恒方程，得到整个工质的温度、 压力、浓度关丁时间的变化关系。 单区模型具有预测h c c i 燃烧过程的能力，特别是在计算着火时刻和滞燃期 方面比较准确，因而单区模型主要用了二单参数变化对h c c i 燃烧的影响趋势方面 的研究，如压缩比、转速、空燃比、进气温度和压力、燃料成分、e g r 率等参 数的变化对h c c i 燃烧的影响。然向，单区模型将整个气缸视为均匀场，该缺 陷使单区模型对n o x 排放、燃烧持续期、最高爆发压力以及燃烧放热率预测误 差较大，同时也不能预测c o 和h c 排放。 ( b ) 准维模型 准维模型又称多区模型，该模型考虑到真实情况卜缸内温度的非均匀性，即 缸内存在的温度梯度，将整个燃烧窀分成若干温度不同的区域分别进行计算，但 认为各区域内部的温度和混合气的组分是均匀的。 由丁考虑到缸内温度分御及边界层厚度，多区模型比单区模型更能准确真实 1 4 渗；?灌德墨 江苏大学硕士学位论文 地模拟h c c i 发动机的燃烧过程。但多区模型结合流体理论和详细化学动力学 来模拟燃烧过程的计算量非常大，因而多区模型往往结合其它近似方法来模拟非 均质过程，比如，把燃烧室分成“核心区”和“边界层区”或者求解燃烧室内的 简化反应流问题，这样在保证一定的模拟精度的同时，使得多区模型的计算量大 大减少。另外，由于多区模型完全忽略了气体的运动过程，因而无法描述和模拟 一系列对燃烧过程起重要作用的机理。 一维循环模拟耦合模型 初始条件的确定，在单区或多区模型计算中是一个非常重要的问题。单区模 型的初始压力以及当量比一般可以通过实验来确定，但初始温度却难以准确确 定；而多区模型各区初始温度及组分的确定则更为困难。为此在单区或多区模型 中加入包括换气过程在内的一维发动机工作循环，从而避免了初始条件设置的任 意性。 ( d ) 多维模型 尽管多区模型可在一定程度上考虑考虑缸内工质的非均匀性影响，但多区模 型忽略了气体的运动过程，因而无法描述和模拟对燃烧过程起重要作用的一些机 理，譬如湍流混合对燃烧的影响。为此，只有求助于将c f d 与详细化学动力学 模型相耦合的多维模型。多维c f d 耦合详细化学动力学模型能够模拟实际 h c c i 发动机工作过程中复杂的物理化学现象，分析燃烧控制机理，进而研究 h c c i 控制方法，但计算量很大使得计算成本很高。 为了解决多维c f d 耦合详细化学动力学模型计算量过大的问题，可以采用 一种折中的方法，即二者不必全面耦合，而是按照时间顺序将二者“串连 起来。 将缸内的流动与化学反应的计算过程分开求解。基本流程是：首先，在一个时问 步长内利用c f d 程序算出各个网格单元的温度、压力及组分浓度等热力参数。 然后，利用这些数据进行化学反应的计算，更新参数，供c f d 程序进行下一步 的计算使用，不断交替进行此过程直到燃烧结束。 2 2 2 化学反应动力学模型 h c c i 发动机的着火及燃烧过程及传统的汽油机以及柴油机有着本质的区 别：在h c c i 燃烧过程中，化学反应动力学起着至关重要的作用。因而，与传统 发动机数值模拟的研究重点在湍流混合与燃烧模型上不同，h c c i 发动机燃烧模 拟的重点是燃料的反应机理和化学动力学模型【3 6 1 。 h c c i 发动机的着火过程和燃烧过程的现象和机理十分复杂。首先，它涉及 微型h c c i 自由活塞发动机工作过程实验及数值模拟研究 重烃燃料的双阶段氧化过程，即低温氧化过程( 6 0 0 8 0 0 k ) 和高温氧化过程 ( 1 0 0 0 - - 一l l o o k ) ，中间还存在一个过渡期。其中，低温氧化过程意义更为重要， 因为h c c i 燃烧正是始于该范围。烷烃等有机化合物的低温氧化过程包含各种不 同的链传播与分支反应。这些反应的相互作用使得在一定温度范围内出现负温度 系数( n t c ) 现象，由此出现振荡火焰、单级着火、双级着火乃至多级着火现象。 人们试图通过数值模拟计算的手段来正确描述上述现象，并在这基础上寻求 合适的物理手段和化学手段来实现对h c c i 燃烧的有效控制。而化学动力学模型 要满足这一目标要求，就不仅需要具备传统燃烧模型的预测滞燃期( 着火延迟) 、 燃烧率、放热率、等参数的功能，还需具备模拟上述复杂现象以及燃料分子结构、 燃料成分