自由活塞汽油直线发电机燃烧过程特性

袁晨恒，冯慧华，王梦秋，左正兴

(北京理工大学 机械与车辆学院，北京100081)

0 引 言

自由活塞直线发电机(Free－piston linear alternator，FPLA)是一种新型直线内燃发动/发电混合动力装置。FPLA 一般采用对置双缸的布置形式，两个自由活塞发动机分置于两端，中间布置有直线发电机［1－2］。与传统发动机相比，FPLA 最大特点是没有曲柄连杆机构，动力输出不经过旋转机械，而是通过直线电机将活塞的往复直线运动转化为电能输出，具有结构简单、摩擦损失小、压缩比可变等特点［3－7］。

目前许多研究人员已经发现自由活塞直线发电机与传统发动机的活塞运动规律存在较大的差异。相对于传统发动机，从整体上看，FPLA 具有相对较慢的有效压缩行程和较快的膨胀行程［8－9］。由于活塞运动学上的差异可能会导致两种发动机的燃烧过程也出现诸多不同，因此，本文应用AVL_FIRE 数值模拟软件耦合自由活塞运动特点，对其燃烧过程进行数值计算，并将其与传统往复活塞式二冲程汽油发动机(Conventional engine，CE)的燃烧过程进行了对比，发现FPLA燃烧放热可能存在的特点，以便为样机燃烧策略的设计提供依据。

1 FPLA 运动特性试验

1.1 试验样机与测试仪器

自由活塞直线发电机实验样机系统如图1 所示，相关参数如下:缸径为34 mm;活塞质量为1.2 kg;额定压缩比为7.5;过量空气系数为1.02;电磁负载为127 N/(m·s－1)。

图1 自由活塞直线发电机样机Fig.1 Experimental prototype of FPLA

系统主要包括4 个部分:点燃式自由活塞直线发电机、直线电机控制器、工作模式转换电路及负载电阻箱和数据采集设备。其中数据采集设备包括Dewetron 公司的DEWE3020 型数据采集系统、Kistler 公司生产的6052C 型压力传感器和GSI 公司的M1550 型光栅位移传感器。

1.2 试验过程与结果

启动时，直线电机工作在电动机模式，推动活塞运动组件运动;通过安装在电机动子上的光栅位移传感器实时检测整个活塞运动组件的位置和速度，并反馈给直线电机控制器。当活塞组件运动到达额定位置时，直线电机工作模式转换电路将直线电机和负载电路导通，此时直线电机工作在发电机模式，作为负载，产生感应电动势。工作模式转换完成后，当活塞在惯性力的作用下运动到额定点火位置时，控制器发出点火脉冲点燃缸内混合气，推动活塞向对侧气缸运动，并压缩对侧发动机缸内混合气体到相同点火压缩比时，对侧火花塞点燃混合气;采集到多个循环的样机运行状况后停机。图2 为测试得到的缸内压力曲线和活塞位移曲线。

图2 缸压曲线和活塞位移曲线Fig.2 Dynamic features and thermodynamic features

1.3 活塞运动特性对比

自由活塞直线发电机与具有相同缸径和行程的传统发动机活塞位移曲线如图3 所示，其中传统发动机曲柄连杆比为1/4。

图3 两种发动机活塞运动曲线对比Fig.3 Piston dynamics comparation between FPLA and CE

由两种发动机活塞位移曲线可以发现:自由活塞直线发电机活塞加速度在上、下止点较大，而在其余位置加速度较小;上止点附近，FPLA 具有较慢的压缩行程和较快的膨胀行程。考虑到二冲程发动机的有效压缩过程是在排气口关闭之后进行的，因此，模拟计算的范围为排气口开始关闭(EPC)到排气口打开(EPO)［9］。另外，由于两种发动机活塞运动曲线存在差异，这就导致两种发动机在相同转速(频率)下关闭和打开排气口的时刻也不同，FPLA 和CE 的EPC 分别为74.3 ECA、92.2°CA;EPO 分别为266.2 ECA、267.5°CA，详见图3。由于自由活塞发动机没有曲轴，用等效曲轴转角(ECA)来表示气门开闭的时刻，且ECA 与时间的关系为:

式中:t0为自由活塞运动初始时刻;f 为活塞运动组件的往复运动频率［9］。

2 燃烧计算模型

2.1 计算网格模型

图4 燃烧室网格模型Fig.4 Computational mesh of combustion process

自由活塞发动机气缸的数值计算网格模型如图4 所示，在有效压缩行程开始时刻，整个燃烧室模型网格总数为42 824，全部为六面体网格。在建立计算动网格模型时，将图3 中的FPLA 活塞位移曲线做成可读取的表格，利用插值法让Fire程序去查询活塞位置，然后根据活塞位置生成动网格模型。

2.2 点火时刻

为了使得两种发动机燃烧过程具有对比性，需要确保两种发动机具有相同的点火时刻，然而跟据前面对两种活塞动力学曲线的对比分析可知，两种发动机具有相同的点火时刻意味着两种发动机具有相同的点火提前角或者具有相同的点火压缩比，如图5 所示。其中，当这两种发动机选择在相同的曲轴转角点火时，此时传统发动机已经达到的压缩比较大;当选择气缸达到相同的压缩比点火时，传统发动机的点火提前角较大。为了充分说明两种发动机的燃烧差异，选择具有相同点火压缩比和相同点火角度这两种情况下的燃烧过程进行计算，并与FPLA 的燃烧过程进行对比分析。

图5 两种发动机点火时刻活塞位置Fig.5 Ignition schedules of FPLA and CE

点火过程所涉及的数据如表1 所示。表1中，CE_SA 表示传统发动机选择与FPLA 相同的点火角度，CE_SP 表示传统发动机选择与FPLA相同的点火位移。

表1 点火时刻数据Table 1 Ignition parameters of FPLA and CE

2.3 计算模型

在仿真计算中，汽油发动机的缸内湍流流动模型选取了k－ε 方程模型;燃烧模型采用PDF模型，NO 排放模型为Zeldovich 模型，Soot 模型采用Frolov Kinetic 模型。动量方程差分格式采用二阶精度、比中心差分稳定性和收敛性要好的MINIMOD Relaxed 格式，连续方程为中心差分格式，能量等方程使用迎风格式［10］。

2.4 模型验证

为验证计算模型的有效性，将计算与试验结果进行了比较。图6 为自由活塞直线发电机气缸压力曲线计算值与实验值的对比。从图6 的缸压曲线对比来看，模拟计算的结果与实测值曲线走向基本相同，数据偏差较小，整个运行工况下两者的最大误差值在6%以内，验证了所建模型的合理性。

图6 计算模型验证结果Fig.6 Simulation model validation result

3 燃烧过程特性分析

燃烧过程计算所得的自由活塞发动机和传统发动机的缸内压力变化曲线如图7 所示。由图7可见，当两种发动机取相同的点火提前角时，FPLA 的最高燃烧压力较传统发动机小，最高燃烧压力出现得也比较早，分别出现在192°CA 和193.2°CA，且最高燃烧压力保持时间较短;在最高燃烧压力到达前，自由活塞直线发电机缸内气体压力升高率总体呈现增大的趋势，但压力升高率峰值较传统发动机小，在最高燃烧压力出现后，自由活塞直线发电机负向压力升高率则与传统发动机几乎无差异，且负向压力升高率峰值还略大于传统发动机。当两种发动机取相同的点火压缩比时，FPLA 的最高燃烧压力也较传统发动机小，但最高燃烧压力出现略晚于传统发动机;另外，传统发动机压力升高率变化趋势与两种发动机取相同点火提前角一致，但峰值更明显。

图7 两种发动机缸内压力变化曲线Fig.7 Pressure comparation between FPLA and CE

图8 燃烧放热特点Fig.8 Heat release comparation between FPLA and CE

两种发动机在不同的点火时刻，燃烧过程放热量变化状况如图8 所示。当两种发动机在相同的点火提前角时，相对于传统发动机，自由活塞直线发电机燃烧放热持续期较长，两种发动机的燃烧放热具体差异详见表2。从放热率整体变化趋势来看，自由活塞直线发电机燃烧放热率呈现“缓和长”的特点，较多的热量在上止点过后释放，燃烧等容度较低，而传统发动机相对较多的燃料在上止点前已经完成燃烧，且后燃期持续时间较短。当两种发动机在相同的点火提前位置时，传统发动机更早开始燃烧放热，但两种发动机燃烧持续期几乎无差异;传统发动机放热率趋势与两种发动机取相同点火提前角时也基本一致。另外，从指示效率来看，传统发动机在两种不同的点火时刻，其指示效率均高于自由活塞直线发电机。

表2 燃烧过程主要差异Table 2 Combustion comparison of FPLA and CE

燃烧过程缸内气体平均温度随曲轴转角的变化曲线如图9 所示。由图9 可知，无论传统发动机选取与自由活塞直线发电机相同的点火提前位置还是相同的点火提前曲轴转角，燃烧过程中传统发动机缸内气体平均温度均高于自由活塞直线发电机;峰值温度分别相差198 K 和213 K。

图9 两种发动机缸内平均温度对比Fig.9 Mean temperature comparison of FPLA and CE

另外，燃烧过程所产生的污染物(NO)随曲轴转角的变化曲线如图10 所示。由图10 可知，燃烧结束后，自由活塞直线发电机NO 质量分数为0.0043，而传统发动机在相同的点火提前角时的NO 质量分数为0.0055，在相同的点火提前位置，NO 质量分数为0.0056。与传统发动机相比，自由活塞直线发电机的NO 排放具有显著优势。

图10 两种发动机NO 排放对比Fig.10 NO emission comparison of FPLA and CE

综上可见，自由活塞直线发电机燃烧过程与传统发动机相比存在明显不同的特征，这是由于两种发动机活塞运动规律差异所导致的。因为，当传统发动机选取与自由活塞直线发电机相同的点火提前角时，由于自由活塞直线发电机压缩行程较慢，在火花塞点火时刻，传统发动机的压缩比较大，缸内气体压力和温度均较高，燃料滞燃期较短，因此较早开始燃烧放热;着火后，由于此时传统发动机压缩比较高，燃烧放热速率较自由活塞直线发电机快，导致缸内气体温度、压力升高率和最高燃烧压力也较自由活塞直线发电机大;随着活塞越过上止点，由于自由活塞直线发电机没有机械机构的限制，自由活塞加速度非常大，燃烧室容积变化较快，导致负向压力升高率较传统发动机大，缸内压力变化较快，最高燃烧压力停留的时间也较传统发动机短。当传统发动机选取与自由活塞直线发电机相同的点火提前位置时，由于活塞运动规律的差异，此时传统发动机具有较大的点火提前角，点火后，传统发动机较早开始燃烧，并且由于点火提前角大，在压缩行程阶段完成燃烧放热的可燃混合气也较多，导致燃烧放热率、缸内气体温度、压力升高率及最高燃烧压力较自由活塞直线发电机大，且由于较多的燃料在上止点前燃烧，因此最高燃烧压力和峰值温度也较自由活塞直线发电机提前到达，并且此时传统发动机活塞加速度小于自由活塞直线发电机，因此最高燃烧压力保持期相对较长。另外，在两种点火时刻，传统发动机缸内气体压力和温度均较自由活塞直线发电机高，且缸内压力和温度下降速率较慢，因此燃烧过程中产生较多的NO 污染物。

4 结 论

(1)自由活塞直线发电机的最高燃烧压力和平均温度较传统发动机小，且最高燃烧压力停留时间较短，这有助于减少NO 污染物。

(2)自由活塞直线发电机燃烧放热率呈现“缓和长”的特点，较多的热量在上止点后释放，燃烧过程等容度较低。

(3)与自由活塞直线发电机相比，传统发动机较多的混合气在上止点前完成燃烧，压缩行程负功较多，但由于其燃烧等容度较高，实际指示效率较自由活塞直线发电机高。

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