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.     

耦合动力学的微型发动机燃烧特性

为了获得微型均质充量压燃(HCCI)自由活塞发动机着火燃烧特性参数,根据自由活塞发动机的动力学特点,建立了理想状态下的数学模型,提出了单次冲击微型HCCI自由活塞发动机工作过程的模拟方法.在单次活塞冲击情况下,耦合丙烷详细化学动力学反应机理,对微型HCCI自由活塞发动机着火燃烧过程进行了变参数研究,获得了不同混合气初始条件下着火时刻变化特性以及燃烧特性变化规律.计算结果表明:初始温度、初始压力以及燃料当量比对微型HCCI自由活塞发动机着火燃烧过程有重要的影响.     

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.     

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.     

基于电磁驱动的自由活塞发动机燃烧室结构优化设计

为改善自由活塞发动机的燃烧质量,依据建立的电磁驱动自由活塞发动机仿真模型,采用数值模拟与试验相结合的方法对自由活塞发动机燃烧过程进行了仿真分析,并对活塞顶部形状进行了优化设计.结果表明,通过对电磁驱动的自由活塞发动机燃烧室的优化设计,提高了换气效率,增大了压缩比,缸内峰值压力随之增大.该研究为组织好电磁驱动自由活塞发动机缸内气体流动提供依据,为电动汽车和混合动力汽车的发展提供发动机基础.     

耦合详细化学动力学的HCCI发动机工作过程三维数值模拟

将详细化学动力学的HCCI单区模型嵌入三维流体力学程序中，取代传统内燃机三维数值模拟中简化燃烧模型，利用详细化学反应动力学计算三维燃烧过程，建立三维CFD耦合详细化学反应动力学模型.生成了带复杂进气道的实际燃烧系统的贴体计算网格，建立了缸内直喷HCCI燃烧系统进气-喷雾-混合气形成-压缩-燃烧工作过程的模型.为满足模拟整个HCCI发动机物理化学过程（包括进气，压缩，喷雾，燃烧和排放）执行时间的要求，提出了一套能使计算工作量大为减少的详细化学反应动力学与三维CFD耦合的模拟策略，利用试验方法确定计算边界条件，预测了进气-喷雾-燃烧-排放的HCCI发动机工作过程，通过发动机台架试验对比验证了模型的准确性.     

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.     

均质压燃(HCCI)发动机数学模拟:进展与挑战

均质压燃(HCCI)发动机由于其突出的优越性已成为世界范围的研究热点,数学模拟在其中发挥着目益重要的作用。因此,对近年来HCCI数学模拟研究的进展做了较全面的评述,着重介绍了化学反应动力学模型的研究方法和最新成果,对HCCI发动机计算机模拟的发展现状按单区模型、多区模型和多维模型分别进行了讨论。前二者在HCCI总体燃烧特性预测与分析方面已取得了显著的成绩;而后者由于计算机资源的限制,目前尚处于发展初期。最后,针对该领域存在的问题和今后重点研究方向提出了建议。     

LPG浓度对DME/LPG混合燃料HCCI燃烧的影响

通过分析二甲醚（DME）与液化石油气（LPG）的化学反应机理,构建了反映DME／LPG混合燃料均质压燃（HCCI）燃烧的化学反应机理．采用该机理应用单区燃烧模型对DME／LPG混合燃料HCCI燃烧的化学反应动力学过程进行了数值计算,模拟研究了混合燃料中LPG浓度对HCCI燃烧的影响．计算结果与试验结果对比表明,所构建的DME／LPG混合燃料氧化的化学反应机理能够准确预测DME／LPG混合燃料的两阶段放热特性,对低温和高温着火始点的预测很好．模拟结果显示,改变DME／LPG混合燃料中LPG的浓度可以控制HCCI着火和燃烧;在DME中添加LPG可以拓宽发动机的负荷运行范围．     

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.     

单活塞式液压自由活塞柴油机冷启动过程研究

基于所研制的单活塞式液压自由活塞柴油机原理样机,对冷启动过程中的循环波动进行了试验研究.研究结果表明,约150循环后发动机完成冷启动过程,进入稳定工作状态.冷启动过程中,随着工作循环数的不断增加,下止点位置、反弹量和停留位置的波动逐渐减小;气缸内最大燃烧压力值逐渐减小;压升率极值波动较大并大于临界值.稳定运转后,最大压升率波动减小并趋于稳定;燃烧放热率峰值随工作循环数的增加有所降低,速燃期持续时间没有明显变化;缓燃期和后燃期持续时间逐渐增加;燃烧过程逐渐趋于稳定.     

液压自由活塞发动机液压阀组特性研究

研究液压自由活塞发动机液压阀组动态特性.基于单活塞液压自由活塞发动机活塞运动规律,给出了其液压阀组形式,建立了阀组数学模型,对阀组的稳定性、频率响应、位移时间响应和流量特性进行了分析.结果表明:单活塞液压自由活塞发动机吸排油应分别采用反向和正向外流式锥阀;减小阀组的阀芯质量和黏性阻尼系数可减小阀芯运动与活塞运动之间的相位差,提高系统容积效率;排油阀开启过程瞬时开度大且阀芯运动受限位装置影响.     

自由活塞式柴油机缸内流动过程研究

基于活塞运动规律对缸内流动过程的意义,采用等效转速变换法分析压燃式自由活塞内燃发电动力系统活塞运动特点,通过理论计算及三维数值仿真研究了活塞运动对缸内流动影响。CFD仿真的结果与理论计算结果基本一致。研究表明:与传统机型相比,自由活塞机型在上下止点附近的等效转速较高,中途位置相对较低。这导致其挤流与逆挤流峰值偏高,持续时间较短,二者平均湍动能曲线存在一定差异。      

液压自由活塞发动机配流阀工作特性

研究液压自由活塞发动机配流阀工作特性,以提高系统效率和可靠性.建立了液压自由活塞发动机配流阀工作全过程动态模型及其试验装置,结合仿真和试验分析了配流阀动作过程与泵腔压力变化之间的关系,研究了配流阀工作特性对系统性能的影响.结果表明提高吸油阀关阀速度可以提高系统燃油经济性.排油阀在下止点相对于活塞位移的滞后响应降低了系统低频工作的可控性.配流阀阀芯在开启时易与限位装置发生高速碰撞.降低配流阀构件的工作寿命.     

用特征时间燃烧模型模拟直喷式柴油机的燃烧

为了更好地模拟直喷式柴油机的喷雾及燃烧过程，对Kiva-3程序的喷雾和燃烧模型进行了改进，引入Kelvin-Helmholtz和Rayleigh-Taylor模型来模拟油滴破碎过程，采用改进的SheU自燃模型来模拟着火过程，为了综合考虑化学动力学和湍流对燃烧的影响，采用层流和湍流多重特征时间尺度燃烧模型来模拟燃烧过程．计算结果表明：在不同工况下计算所得的缸内压力、滞燃期和燃烧放热速率与实验结果吻合良好，着火点位于油束下游当量比略小于1的稀混合气区域；用改进的Kiva-3程序可以较好地研究直喷式柴油机的喷雾和燃烧过程，为进一步利用三维数值模拟计算来指导直喷式柴油机的参数优化奠定了基础。     

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.     

单活塞液压自由活塞发动机活塞振动特性研究

研究单活塞液压自由活塞发动机原理样机活塞组件振动特性.建立活塞组件动力学模型,导出了活塞振动方程,研究了活塞的幅频特性并运用相平面法分析了活塞运动的稳定性.活塞组件运动属于单自由度变阻尼、变刚度自振振动.活塞运动频率与振幅间存在单调上升关系且受压缩比的限制,其稳定极限环存在的区域由进气口位置和活塞行程决定,下止点位置位于稳定极限环存在区域是实现自激振动的关键,工作频率可以在零和自激振动频率之间调整.     

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.