基于电磁驱动的自由活塞发动机燃烧室结构优化设计

2017-01-10尹凝霞常思勤李深杰

东华大学学报（自然科学版） 2016年4期

关键词：冲程压缩比换气

尹凝霞，常思勤，李深杰

(1. 广东海洋大学工程学院，广东湛江 524088；2. 南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094； 3. 中海油服湛江分公司，广东湛江 524057)

基于电磁驱动的自由活塞发动机燃烧室结构优化设计

尹凝霞1，常思勤2，李深杰3

(1. 广东海洋大学工程学院，广东湛江 524088；2. 南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094； 3. 中海油服湛江分公司，广东湛江 524057)

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.

自由活塞发动机；活塞顶部形状；电磁驱动；优化

集自由活塞与电磁驱动直线电机于一体的自由活塞发动机如图1所示. 自由活塞与直线电机动子相连，在直线电机驱动下往复运动，燃料在燃烧室内燃烧后释放出内能推动自由活塞做功，直线电机既可作为电动机驱动汽车，也可作为发电机存储电能.无曲柄连杆机构，其机械结构进一步简化，摩擦力大大减小[1-2]，且因活塞运动可控、压缩比和膨胀比可变、可燃用多种燃料等诸多优点，成为国内外研究热点[3-4]，非常适合用于混合动力汽车和电动汽车，符合国家对电动汽车的发展技术需要[5]. 改变自由活塞发动机进气冲程长度，可以循环进气量，以满足不同负荷动力要求，但进气冲程长度的改变使得循环时间亦发生变化，进而影响到发动机的输出功率.采用原462发动机缸盖，优化活塞顶部形状，增大压缩比，以充分发挥高辛烷值燃料优势，同时还有利于缸内混合气的形成和燃烧[6-7].

(a) 原理图

(b) 样机试验台架1—直线电机；2—自由活塞；3—电磁气门；4—可逆电能存储单元；5—上位机；6—控制器；7—自由活塞发动机；8—供气系统图1 自由活塞发动机原理图及样机试验台架Fig.1 Schematic and prototype test-bed of free piston engine

本文对原平顶活塞顶部形状进行了优化，并利用三维软件Fluent对基于电磁驱动的不同活塞顶部形状的自由活塞天然气发动机性能进行了预测，为优化自由活塞发动机燃烧室形状提供了理论依据.

1 活塞顶部形状优化

燃烧室形状会影响缸内混合气的形成与燃烧，进而影响发动机性能. 合适的燃烧室形状可引导气流运动，加速火焰传播，使燃烧速度加快，对天然气发动机尤为重要.本文在试验基础上通过仿真计算，在原蓬顶状缸盖基础上，对其燃烧室结构进行了优化设计.4种活塞顶部如图2所示.原活塞顶部如图2中0#所示，由于缺少机械结构对自由活塞往复运动进行约束.为使活塞受力平衡运动平稳，优化的活塞顶部均采用对称结构，且为增加有效压缩比，优化的活塞顶部均采用凸顶，如图2中1#、 2#、 3#所示，有效压缩比平均增长了约20%.

图2 4种活塞顶部Fig.2 Four piston top

表1为进气冲程长度和压缩冲程长度均为66 mm 时，4 种活塞顶部形状与原蓬顶状缸盖组成的燃烧室特性参数.

表1 燃烧室特性参数

由表1可知，除原平顶活塞外， 2#燃烧室的面容比(表面积/容积)最小，其结构是3种凸顶活塞顶部组成的燃烧室中最为紧凑的.

2 计算模型及模型验证

应用Pro/E软件建立几何模型(如图3(a)所示)，导入Gambit软件划分成如图3(b)所示的计算网格.

(a) 几何模型 (b) 计算网格图3 几何模型与计算网格Fig.3 Geometrical model and computational mesh

采用瞬态计算模式，内燃机缸内工作过程计算实质是在满足三大守恒定律和理想气体状态方程及湍流模型方程的同时，对Navies-Stokes(N-S)方程进行数值求解，湍流方程采用RNG 方程[8]，并采用了预混燃烧计算模型和PISO (pressure implicit split operator)算法，动量、能量和湍流方程的计算均选用1阶迎风格式. 为加速收敛，参照试验对初始值进行了设定，气缸和进气道初始压力设为0.1 MPa，天然气入口速度设为2.441 65 g/s，湍流参数给定初始湍流强度与水力直径.边界条件设置[9]如下：进气道入口边界温度设为298 K；活塞顶移动边界温度设为550 K；气缸盖和气缸壁壁面温度分别设为500和450 K.

示功图是验证发动机计算模型准确性的有效途径之一[10]，为验证模型准确性，在图1(b)的自由活塞发动机台架上进行了原理样机试验，样机参数如表2所示. 以压缩天然气为燃料，采用理论空燃比，测得压缩比为7.7和膨胀比为10.3时缸内的实时压力(因原理样机初始设计所限，最大压缩比只能达到7.7)，将此试验结果与仿真计算结果对比如图4所示.

表2 样机参数

图4 缸内压力Fig.4 In-cylinder pressure

由图4可见，仿真计算结果与试验结果吻合较好.因此，通过仿真计算分析自由活塞顶部形状对进气和燃烧的影响，进而对自由活塞的顶部形状进行优化设计的预测方法是可行的.

3 结果分析与讨论

3.1 活塞顶部形状对自由活塞发动机循环进气量和换气效率的影响

发动机对外输出功率与可承受的负载很大程度上取决于发动机的循环进气量，小缸径发动机受其影响更大.活塞顶部形状对自由活塞发动机循环进气量的影响如图5(a)所示. 由图5(a)可知，进气冲程初期凸顶式活塞顶部对气流有一定阻力，但在后期随着进气冲程的增大，活塞顶部形状的影响越来越弱，自由活塞发动机的循环进气量主要受发动机进气冲程长度的影响，活塞顶部形状对其影响较小.

(a) 活塞顶部形状对循环进气量的影响

(b) 活塞顶部形状对换气效率的影响图5 活塞顶部形状对循环进气量和换气效率的影响Fig.5 Effect of piston top on cycle intake quantity and air exchange efficiency

发动机的最大输出功率很大程度上取决于发动机循环进气量，发动机实际运转时由于在排气上止点的余隙容积，使得每个工作循环都有废气残存在余隙容积内，循环进气量差别不大时，残存废气量会影响系统的换气效率.活塞顶部形状对自由活塞发动机换气效率的影响如图5(b)所示. 由图5(b)可知，自由活塞发动机活塞顶部由平顶改为凸顶，排气上止点处余隙容积减小，残存废气量亦随之减少，换气效率提升了1.6%，且凸顶活塞顶部还可对换气过程起到一定的导向作用，有效地改善换气质量.

3.2 活塞顶部形状对自由活塞发动机燃烧的影响

发动机燃烧过程的好坏关系到能量转换效率的高低，直接影响发动机性能的好坏.活塞顶部形状对燃烧过程中火核形成和发展的影响如图6所示.

(a) 燃烧进程10%

(b) 燃烧进程50%

由于在0#平顶活塞顶部形状组成的燃烧室中，火核的形成及火焰的发展最快. 这是因为其面容比最小，但因在相同压缩冲程长度时压缩比最小，点火前发动机缸内温度与压力最低，因而在很大程度上限制了火焰传播的速度，同时，燃烧室形状对火焰的发展影响较大. 由图6可以看出，在由1#、2#和3#凸顶形状活塞顶部组成的燃烧室中，1#凸顶燃烧室面容比最大，散热较多，影响了其内火核的形成和火焰的传播，2#凸顶燃烧室在3个凸顶燃烧室中面容比最小，结构最为紧凑，燃烧最快.

活塞顶部形状对自由活塞发动机缸内流场的影响随着压缩的进程越来越明显.这是因为活塞顶部形状和活塞运动对缸内紊流影响较大，而紊流特性又是发动机缸内火焰传播和燃烧速度的重要影响因素，合适的紊流可加快火核的发展和传播，减少末端未燃混合气因爆震而引起循环变动的可能性，同时还可大大降低未燃碳氢的排放.进气涡流和挤流均可产生紊流.自由活塞发动机内燃烧时的速度场与湍流场分别如图7和8所示.

(a) 燃烧进程10%

(b) 燃烧进程50%

由图7可知，压缩冲程后期凸顶活塞顶部组成的燃烧室内，由于活塞顶部的凸起会产生挤流，且由于受到活塞顶部形状影响，燃烧过程中缸内气体运动速度不同，在3个凸顶活塞组成的燃烧室中，2#燃烧室内气体流速相对较大，气体分子的快速运动和相互碰撞也加速了火焰的传播.

(a) 燃烧进程10%

(b) 燃烧进程50%

由图8可知，在由凸顶活塞组成的燃烧室中形成的挤流在燃烧初期对燃烧影响较大. 2#与3#发动机缸内形成的紊流有助于提高火焰传播速度，缩短滞燃期，燃烧持续期也随之相应缩短，同时对火花塞一侧的主进气流有一定阻碍，使得火花塞附近湍流强度降低，降低火花塞附近的湍流强度有助于点火初期火核的形成，使得点火更趋于稳定，循环变动减小.

虽然凸起的活塞顶部形状增大了压缩终了时刻发动机缸内的压力和温度，并因产生挤流而改善了发动机缸内的湍流场与速度场，进而对燃烧进程和缸内压力也有一定影响，具体影响如图9所示.

(a) 活塞顶部形状对燃烧进程的影响

(b) 活塞顶部形状对缸内压力的影响图9 活塞顶部形状对燃烧进程和缸内压力的影响Fig.9 Effect of piston top on combustion process and in-cylinder pressure

由图9(a)可以看出，在3种不同凸顶活塞组成的燃烧室中，2#燃烧室的燃烧最快，0#平顶燃烧室的燃烧最慢，主要是因为0#压缩比较小(10.077)，影响了其燃烧初期火核的形成和火焰的传播. 由图9(b)可以看出，在1#、2#和3#凸顶活塞组成的燃烧室的压缩比基本相同的情况下，2#燃烧室内的峰值压力比其他燃烧室内的峰值压力提高了约1 MPa，因此提高了发动机的热效率. 但平顶活塞因其加工方便、面容比小、火焰传播快等优点应用较广，只要满足压缩比与对外输出功率要求，则应优先选用平顶活塞.

5 结语

本文在试验的基础上，采用数值模拟方法对原462发动机基础上改建的自由活塞发动机进行仿真分析，重点分析了活塞顶部形状对电磁驱动的自由活塞发动机循环进气量、换气效率及燃烧的影响，得出较优的活塞顶部形状，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.

鉴于原自由活塞发动机初始结构所限，原平顶活塞组成的燃烧室压缩比小，换气效率低，缸内压力低.在进气冲程长度和压缩上止点不变时，活塞顶部形状由平顶改为凸顶，压缩比增大约20%，其中的2#燃烧室面容比小，燃烧速度快，更接近于等容燃烧，峰值压力可达7 MPa，提高了发动机的热效率.

[1] 常思勤，徐照平. 内燃-直线发电集成动力系统概念设计[J]. 南京理工大学学报(自然科学版)，2008，32(4)：449-452.

[2] MIKALSEN R, ROSKILLY A P. A review of free-piston engine history and applications[J]. Applied Thermal Engineering, 2007, 27(14/15): 2339-2352.

[3] 吴维，刘嘉，胡纪滨,等. 液压自由活塞发动机自激的控制[J]. 机械工程学报, 2012, 48(22), 133-138.

[4] MAO J L, ZUO Z X, LIU D. Numerical simulation of a spark ignited two-stroke free-piston engine generator[J]. Journal of Beijing Institute of Technology, 2009, 18(3): 283-287.

[5] 中华人民共和国国务院. 国家中长期科技与技术发展规划纲要(2006—2020)[R]. 2006.

[6] ALKIDAS A C. Combustion advancements in gasoline engines[J]. Energy Conversion & Management, 2007， 48(11): 2751-2761.

[7] ZHENG Z L, LIU C T, TIAN X F, et al. Numerical study of the effect of piston top contour on GDI engine performance under catalyst heating mode[J]. Fuel, 2015, 157: 64-72.

[8] KONG S C, HAN Z Y, REITZ R D. The development and application of a diesel ignition and combustion model for multidi-mensional engine simulation[C] // SAE Paper 950278. 1995.

[9] 尹凝霞. 四冲程自由活塞天然气发动机的研究[D]. 南京：南京理工大学机械工程学院，2014.

[10] 郑清平，黎苏，李丽. 燃烧室形状对甲醇发动机燃烧过程的影响[J]. 河北工业大学学报，2011, 40(8):37-41.

[11] GRIMALDI C N, BATTISTONI M, UCCELLANI M. Depen-dence of flow characteristics of a high performance SI engine intake system on test pressure and tumble generation conditions-part 1: Experimental analysis[C] // SAE Paper 2004-01-1530. 2004.

Optimum Design of Free Piston Engine Combustion Chamber Shape Based on Electromagnetic-Driving

YINNing-xia1,CHANGSi-qin2,LIShen-jie3

(1. Engineering College, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China；2. School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China；3. China Oilfield Services Limited (Zhanjiang Branch), Zhanjiang 524057, China)

In order to improve the combustion quality of free piston engine, the multi-dimensional transient numerical simulation model of the free piston engine’s working process based on electromagnetic-driving is established. The burning process of the free piston engine is discussed by adapting the numerical simulation and experiment, and the piston top shape is optimized. The result shows that the air exchange efficiency is improved, the compression ratio is increased and its peak pressure is also raised. The study will provide academic support for organizing cylinder gas flow of the electromagnetic-driving free piston engine, and it also can provide the engine foundation for the development of electric and hybrid vehicles as well.

free piston engine; piston top shape; electromagnetic-driving; optimization

1671-0444 (2016)04-0537-05

2016-03-07

国家自然科学基金资助项目(50876043)；广东省创新强校工程资助项目(GDOU2015050225)

尹凝霞(1975—)，女，河北吴桥人，讲师，博士，研究方向为CFD/CAE分析. E-mail: yinningxia2002@163.com

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