自由活塞初速度对微发动机燃烧特性的影响

根据自由活塞发动机的动力学特点，提出单次冲击微型均质充量压燃（HCCI）自由活塞发动机工作过程的模拟方法，并对目前定容燃烧模型进行一定的修正．考虑自由活塞的动能变化对燃烧参数的影响，提出自由活塞截断速度的概念，比较改进后的燃烧模型与目前的定容燃烧模型的计算结果，显示出改进模型的合理性．同时运用改进模型对HCCI自由活塞发动机不同初始速度下的燃烧特性进行模拟，得到了工作压力、温度、着火时刻的变化规律，以及自由活塞运动特性，为该微动力装置的设计提供了理论依据．     

基于Matlab的微型发动机燃烧过程仿真建模

为研究微型HCCI自由活塞发动机的工作性能,应用Matlab软件对其单次冲击的燃烧过程进行仿真建模,分别建立考虑传热、漏气的零维总包化学动力学模型和理想气体模型,并将仿真计算结果与试验结果进行比较.运用传热漏气模型对微型HCCI自由活塞发动机不同初始速度下的燃烧特性进行模拟,得到自由活塞初始速度对工作压力、温度、活塞运行位置的变化规律的影响以及不同初始速度下自由活塞的运动特性.结果表明气体泄漏和传热对燃烧过程影响较大,考虑传热漏气模型的微燃烧模拟结果与试验数据吻合较好,为微动力装置的性能评价和设计提供理论依据.     

泄漏对微自由活塞发动机工作过程的影响

为了研究泄漏对微发动机工作过程产生的影响,对自由活塞单次冲击压缩着火过程进行了可视化试验,得到不同漏气工况下微发动机的着火特性.在此基础上,建立了耦合自由活塞运动与燃烧过程的多维计算模型,对微HCCI燃烧过程进行了数值模拟.结果表明:混合气泄漏对着火时刻影响不大,但对活塞运动特性影响很大,漏气使得微燃烧室内压力降低,活塞返回速度变小,微发动机动力性能降低;泄漏间隙和泄漏长度是影响混合气泄漏程度的2个主要因素,也影响微压缩燃烧过程,泄漏间隙越大,最大压力与活塞末速度越小,动力性能越差,而泄漏长度增加,最大压力有所提高,有助于动力性能的提高;在微发动研究与设计过程中,应重视气缸/活塞间的密封效果.     

发动机催化燃烧多维数值模拟

将发动机三维CFD程序KIVA-3V与化学动力学程序CHEMKIN Ⅲ及DETCHEM相耦合,模拟了催化燃烧对均质压燃(HCCI)发动机燃烧过程及排放的影响.发动机以甲烷为燃料,其表面和空间氧化反应采用了详细的动力学机理.利用此模型分析了活塞顶催化剂铂(Pt)或铑(Rh)涂层对HCCI发动机着火时刻、缸内温度场及HC、CO、NOx 排放的影响,结果表明催化燃烧会使HCCI发动机着火时刻提前,同时能降低HC、CO的排放,但会提高NOx 的排放;在相同工况下,相比催化剂Pt,催化剂Rh使HCCI发动机着火时刻提前的幅度要大,同时HC的排放要低,但CO及NOx 的排放要高.     

基础燃料均质压燃燃烧特性的数值计算

结合详细化学反应动力学机理,利用CHEMKIN软件计算了基础燃料均质压燃燃烧(HCCI)的过程,并与单缸HCCI燃烧试验作出对比。研究了燃料成分、压缩比、燃空当量比、初始温度、初始压力对HCCI发动机燃烧的影响。计算结果表明:随着燃料辛烷值的增加,着火延迟期增加;压缩比、当量比、初始温度、初始压力的变化对燃烧着火时刻有显著影响,同时不难看出,基础燃料HCCI燃烧运行工况范围是有限制的。     

自由活塞柴油直线发电机均质充量压燃工况分析

在分析活塞运动规律基础上,针对自由活塞柴油直线发电机HCCI燃烧过程,建立了耦合柴油详细化学反应机理的CFD模型,搭建了对置二冲程自由活塞柴油直线发电机实验样机系统,并通过实验测试结果验证了该CFD模型的有效性.仿真分析了初始温度、初始压力、当量比和压缩比等工况变化对HCCI燃烧的影响.仿真结果表明:自由活塞柴油直线发电机HCCI燃烧具有典型的两阶段特征,先进行低温反应放热阶段,后进行高温反应放热阶段;随初始温度、初始压力、当量比和压缩比的增大,燃烧相位提前,燃烧放热率峰值、缸内最高温度和最大压力随之增大.     

边界参数对HCCI发动机燃烧影响的模拟研究

为了研究边界参数对柴油均质压燃(HCCI)发动机燃烧过程的影响,应用CHEMKIN化学动力学软件包中的SENKIN程序以及正庚烷(n-heptane)氧化反应简化模型,模拟了不同进气温度、进气压力和当量比等边界参数对HCCI发动机燃烧及排放特性的影响.结果表明,在相同当量比条件下,增压可以拓宽HCCI发动机负荷工况范围,同时保持氮氧化物排放基本不变;过浓或过稀的混合气导致CO排放增加;混合气浓度分层增加NO排放.     

纯甲醇发动机均质压燃燃烧特性模拟

以甲醇为燃料,模拟研究了进气温度、过量空气系数、压缩比、EGR率等参数对均质充量压燃(HCCI)发动机燃烧特性的影响,同时确定了HCCI可行的工作范围.采用单区燃烧模型和详细化学反应动力学机理通过CHEMKIN软件模拟了甲醇发动机的燃烧特性.计算结果表明:随着进气温度和压缩比的升高,燃烧始点提前,燃烧持续期缩短,缸内温度、压力、燃烧放热率和压力升高率均升高;过量空气系数对燃烧始点影响很小,对燃烧持续期有一定影响;随着EGR率的增加,着火时刻推迟,燃烧持续期增加,缸内温度、压力、燃烧放热率和压力升高率均降低.发动机转速为1 500 r/min,不使用EGR、过量空气系数为5～9时,可以实现HCCI燃烧,随着EGR率的增加,HCCI燃烧区范围变窄.     

压缩比和CO2对二甲醚燃料均质压燃燃烧的影响

在一台2-135柴油机上实现了纯二甲醚(DME)的均质充量压燃(HCCI)的燃烧方式.为了扩展发动机适用工况,控制HCCI着火,进一步通过调节试验发动机压缩比以及在优化的压缩比下在进气道中加入气体CO2的方法来改进和控制HCCI的燃烧.试验结果表明,DME的HCCI燃烧模式不但可以实现无烟燃烧,还可以有效控制发动机NOx排放,使其接近于零排放.在试验负荷范围内,CO排放随负荷增加而降低;HC的排放随负荷增加而减少.对DME的HCCI燃烧机理等进行研究表明,由于纯DME十六烷值高导致着火较早(上止点前28°左右),该发动机只能在中低负荷较小范围内运行.改进的燃烧方法可以有效地控制HCCI燃烧,拓展HCCI发动机运转范围.     

微型动力装置内掺氢甲烷燃烧特性

针对微型动力装置存在的燃烧不稳定问题,研究了甲烷掺氢在圆柱型微燃烧室内的燃烧特性。确定了甲烷掺氢燃烧的空间气相化学反应机理,建立了自由活塞动力装置三维立体模型。在试验基础上,基于Fluent软件,数值模拟了甲烷掺混氢气和空气的燃烧过程,研究了掺氢比对微压燃着火界限、着火时刻、着火燃烧过程以及临界压燃初动能等的影响,分析了不同掺氢比条件下混合燃料的燃烧特性。研究结果表明:当物质的量比为0. 5时,掺入氢气可拓宽压燃气体着火界限,提高着火燃烧可靠性,使着火时刻提前。因氢气热值远低于甲烷热值,随掺氢比增大,活塞做功能力减小。当掺氢比为10%～20%时,装置具有稳定的燃烧性能和高做功能力。     

Novel Micro Free-Piston Swing Engine and Its Feasibility Validation

To develop high energy-density micro power generation systems, a novel two-stroke cycle micro free-piston swing engine (MFPSE), inspired by the concept of the micro internal combustion swing engine, is proposed to supply mechanical power for a micro power generation system. The working principle, gas exchange and ignition timing control cycles, and structure and operation advantages of the MFPSE are discussed in detail. A prototype where the timing control and geometric parameters are designed with reference to a traditional two-stroke cycle internal combustion engine is fabricated. The successful ignition experiment shows that this new concept engine is feasible and is worthy of further study.     

自由活塞斯特林发电机的动力学特性研究

将自由活塞斯特林发动机与直线发电机耦合,构成自由活塞斯特林发电机.分析了该发电机的系统结构和运行机理,建立了自由活塞斯特林发电机的质量-弹簧-阻尼系统模型.利用力多边形方法对自由活塞斯特林发电机的动力活塞和配气活塞进行了动力学分析,在力多边形图上可以直观地看出自由活塞斯特林发电机的受力情况以及位移或压力相位角之间的关系,并利用示功三角形表征了压缩功和膨胀功.此外,还对直线发电机的输出特性进行了研究,推导了输出功率的计算公式.研究表明,通过调节负载参数,可以控制自由活塞斯特林发电机的输出功率.     

基于优化动力技术的多缸汽油机均质混合气压燃/火花点火模式循环变动

摘要： 采用优化动力技术实现了四缸汽油机的均质混合气压燃（HCCI）稳定燃烧;统计分析了火花点火（SI）与HCCI模式的切换点,2种模式下在相同负荷时缸内、缸间的循环变动特点,以及HCCI燃烧向高负荷范围拓展的限制条件和解决方法.结果表明：在1 400 r/min的较低转速下,适当增加切换点负荷,可使切换后的HCCI燃烧更为平稳;当负荷相同时,HCCI模式下燃烧参数的循环变动系数显著低于SI模式,且其平均指示压力在缸内的循环变动系数小于2.5%,缸间的循环变动系数小于3.0%;各缸之间的燃烧参数存在规律性的差异,可采用重新布置进气管路和冷却水循环管路来解决;拓展HCCI负荷范围,必须采取降低进气温度和采用废气再循环的措施,以抑制着火时刻过早和放热率过大的情况发生.
关键词： 汽油机; 均质混合气压燃; 循环变动; 模式切换; 平均指示压力
中图分类号： TK 401文献标志码： A     

实时燃料设计的均质充量压缩着火燃烧与排放的试验研究

根据燃料设计的思想,提出了混合燃料比例实时优化的均质充量压缩着火(HCCI)燃烧控制新方法,并在HCCI单缸发动机上进行了HCCI异辛烷/正庚烷实时控制试验.结果表明:混合燃料HCCI着火以及燃烧相位主要取决于正庚烷实际的燃空当量比;异辛烷的加入对爆震当量比界限有所拓展,但HCCI爆震主要与混合燃料总当量比有关;随着辛烷值比例的提高,导致HCCI运行范围变窄,但是实时调控证明相对纯正庚烷,混合燃料的HCCI燃烧最大负荷提高了80%.试验证明了实时优化控制HCCI燃烧和降低排放的可行性.     

正庚烷均质压燃燃烧特性和排放特性的实验研究

为进一步了解高十六烷值燃料均质压燃的燃烧特性和排放特性，以正庚烷（n-heptane）为燃料，在一台改装的单缸直喷柴油机上进行正庚烷均质压燃台架实验．结果表明，正庚烷在均质压燃模式下表现出明显的双阶段着火特性；随着混合气浓度增大，缸内最大爆发压力和燃烧放热率峰值升高；随着发动机转速升高，燃烧放热率峰值先降低后升高，高转速的缸内最大爆发压力降低；当废气再循环率增大，缸内最大爆发压力和燃烧放热率峰值均降低，废气再循环使正庚烷均质压燃的运转工况范围向大负荷工况扩展，废气再循环率为75％正庚烷均质压燃运转的最高平均指示压力为0．41MPa．排放测试表明，正庚烷在均质压燃模式下的氮氧化物排放接近零，且可以实现无碳烟排放，但碳氢化合物和一氧化碳排放较高．     

Study the ethanol SI/HCCI combustion mode transition by using the fast thermal management system

In this paper the ethanol homogeneous charge compression ignition (HCCI) is achieved in a modified single cylinder engine by means of a self-developed fast thermal management system (FTMS), and the ethanol SI/HCCI operation regions are defined. It can be concluded that the thermal efficiency is higher and the NOx emission is lower in the HCCI operation region. In addition, the maximum NOx emission drops by 98%. The ethanol SI/HCCI combustion mode transition is conducted in different conditions near the SI/HCCI operation boundaries. It is likely to realize the transition by the utilization of FTMS. However, it is impossible to complete the transition within one operating cycle under current operation conditions. There are fluctuations in engine speed and brake mean effective pressure during the transition process. In order to reduce the fluctuations during the transition, the initial work concerning the effects of the spark ignition on the transition smoothness is carried out and the investigation indicates that the engine speed and brake mean effective pressure fluctuations cannot be eradicated only through spark ignition. Therefore, the control strategies combined with other factors should be further optimized.     

基于离子电流的汽油HCCI发动机燃烧相位传感方法

为了实现HCCI发动机闭环反馈控制,提出了一种采用递归神经网络算法在线检测燃烧相位CA10和CA50的方法.该方法首先提取每个循环的离子电流信号曲线的峰值位置、始点位置、终点位置和拐点位置,将这4个特征信息、发动机转速及4个控制参数进行归一化处理,输入到Elman神经网络,然后计算出燃烧相位CA10或CA50.以基于全可变气门机构的汽油HCCI发动机为对象,选取了台架试验中6个典型的HCCI动态变负荷过程数据作为训练样本,以转速为2 000 r/min和2 500 r/min下的2个动态变负荷数据为测试样本.测试结果标明,该方法对HCCI动态过程的燃烧相位CA10预测误差小于0.8oCA,对CA50预测误差小于0.9oCA;该方法与BP网络和RBF网络相比,具有更低的误差和更强的泛化能力.