自由活塞柴油直线发电机均质充量压燃工况分析

陈光辉，刘春辉，陈宏威



自由活塞柴油直线发电机均质充量压燃工况分析

陈光辉1，刘春辉2，陈宏威2

(1. 天津大学内燃机研究所，天津 300072；2. 北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081)

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．

自由活塞柴油直线发电机；均质充量压燃；化学反应动力学；数值模拟

在车辆节能和限制污染物排放要求越来越严格的今天，开发具有更高能量转化效率、更低排放的新型能量转换装置成为当今各国的研究热点．自由活塞柴油直线发电机(free-piston engine linear generator，FPELG)无曲柄连杆机构，具有结构简单、压缩比可变、能量转换效率高、燃料适用性广等潜在优势[1-3]．均质充量压燃(homogeneous charge compression ignition，HCCI)过程结合了传统汽油机和柴油机燃烧的优点，是一种清洁高效的燃烧方式[4]．自由活塞发动机具有独特的结构和活塞运动规律，其缸内燃烧过程明显不同于传统发动机，直接影响着自由活塞直线发电机的工作效率和稳定性．本文针对自由活塞柴油直线发电机和HCCI燃烧过程的技术特点，在实验测试研究基础上，以数值模拟为主要手段开展了自由活塞柴油直线发电机HCCI燃烧的基础理论研究工作，发现自由活塞柴油直线发电机通过合理配合运行参数可以克服HCCI运行工况范围较小的缺点，从而为开发新一代高效、清洁的内燃动力提供了理论基础.

1 三维HCCI燃烧CFD模型

1.1 活塞运动规律确定

自由活塞柴油直线发电机的活塞运动没有曲柄连杆的限制，其活塞运动规律与传统发动机的活塞运动规律有相当大的区别，在建立三维CFD模型时，不能参照传统发动机给定某些参数(活塞行程、行程与缸径比等)的方法，而是利用活塞运动规律建立动网格模型．活塞运动规律的确定主要通过动力学系统建模和热力学系统建模得到．

1.1.1 动力学系统建模

动力学系统建模的主要目的是求解活塞的运动学特性．图1所示为自由活塞发动机(free-piston engine，FPE)水平方向受力示意．图中e为直线发电机电磁力，Lc为左侧气缸气体压力，Rc为右侧气缸气体压力，Ls为左侧扫气箱扫气压力，Rs为右侧扫气箱扫气压力．两侧扫气箱采用恒压气源供气，故Ls＝Rs．根据牛顿第二定律，自由活塞的运动方程可表 示为

 (1)

对于直线发电机，电磁力e与直线发电机动子速度存在的近似线性关系[5-6]为

 (2)

式中e为直线发电机电磁负载系数．

自由活塞直线发电机活塞运动时存在一定摩擦力，该摩擦力[7]可近似为

 (3)

式中f为黏性摩擦系数．

1.1.2 热力学系统建模

热力学系统建模的主要目的是求解自由活塞发动机缸内气体压力的变化．基于热力学第一定律、质量守恒方程和能量守恒方程及理想气体状态方程，采用零维单区热力学模型，可以求得缸内气体压力变化率[8-9]为

 (4)

 (5)

自由活塞发动机燃烧放热率可用双韦伯函数进行描述，拟合时所用的双韦伯函数[10]为

 (6)

式中：p为预混合燃烧持续期；p为预混合燃烧品质系数；z为燃烧持续期；d为扩散燃烧品质系数；d为扩散燃烧的燃料分数．

自由活塞发动机的传热计算采用Hohenberg公式[11]，即

   (7)

式中：cyl为缸内气体的接触面积；w为壁面温度；avg为活塞运动组件的平均速度．

1.2 动网格模型

将动力学系统建模分析得到的活塞运动位移曲线做成可读取的数据文件，由软件去查找活塞在气缸中的位置，然后生成动网格模型，图2所示为活塞运行到下止点和上止点时的计算网格模型．

实际的HCCI燃烧过程受缸内湍流的影响，考虑缸内的高压缩性和强瞬变性，基于模型的适用性和计算效率两方面的综合考虑，湍流模型选用RNG-模型．

燃烧模型采用详细化学反应模型，柴油化学反应机理选用柴油简化机理，该机理包含109个组分和543个基元反应[12]，在文献[12]中，通过着火延迟期、HCCI燃烧和排放的实验数据等方面对该机理的有效性进行了验证．尽管自由活塞柴油直线发电机的活塞运动规律(有效压缩行程较慢，有效膨胀行程较快)不同于传统发动机，但其工作过程与传统发动机相似，所以在传统发动机上验证的柴油机理，依然可以应用于自由活塞柴油直线发电机．

图2 下止点和上止点计算网格模型

2 CFD模型有效性验证

2.1 实验原理样机

以搭建的原理样机所测得的实验数据来验证CFD模型的有效性．原理样机实验平台包括两个对置二冲程自由活塞柴油机、燃油供给系统、换气系统、直线电机、电机控制系统、负载系统及测试系统，如图3所示．原理样机的主要技术参数如表1所示．

图3 FPELG实验样机组成示意

Fig.3 Composition diagram of FPELG experimental prototype engine

2.2 验证分析

通过反复调试，实现了自由活塞柴油直线发电机HCCI燃烧的稳定运行．但是稳定运行时间很短(几十个循环)，在实验数据采集时发现除缸内压力外，其他的燃烧和排放数据误差较大．本文即以缸内压力实验测试数据来验证CFD模型的有效性．

表1 实验样机技术参数

Tab.1 Technical parameter of experimental prototype engine

以活塞运动规律求取的活塞上、下止点位置，采用与传统二冲程发动机相对应的等效曲轴转角表述活塞工作位置．

图4为缸内初始温度i为345,K、缸内初始压力i为0.114,MPa、当量比为0.335的条件下缸内压力仿真与实验结果的对比，图5为缸内温度和放热率曲线的变化．从图4可以看出仿真计算值与实验测试结果整体趋势吻合较好，从而验证了所建三维CFD模型的有效性．由图5可以看出，低温反应放热阶段大约从173°,CA开始，此时温度大约900,K，随后温度逐渐增加，当温度增加到1,220,K左右时，即大约181°,CA低温反应放热结束．随后进入高温反应放热阶段，该阶段温度和压力都上升很快，大约在188°,CA高温反应放热结束．

图4 缸内压力仿真与实验结果的对比

图5 缸内温度和放热率曲线的变化

3 工况对自由活塞柴油直线发电机HCCI燃烧过程的影响

自由活塞柴油直线发电机相比传统发动机，其活塞在止点附近停留时间较短，有效压缩行程较慢，有效膨胀行程较快，同时，自由活塞柴油直线发电机具有压缩比可变和活塞运动规律可主动控制的特点，其HCCI燃烧放热规律与传统发动机不同，本文以实验验证的CFD模型，通过仿真分析工况变化对自由活塞柴油直线发电机HCCI燃烧的影响．

3.1 初始温度的影响

图6～图8为初始压力i为0.114,MPa、当量比为0.335、压缩比为17.8的条件下，不同初始温度i对自由活塞柴油直线发电机HCCI燃烧过程的影响．可以看出，i＝330,K时，缸内只发生了低温反应放热阶段，未进行高温反应放热；i＝345,K和i＝370,K时，均发生了两阶段放热过程，而且初始温度越高燃烧相位越提前，燃烧持续时间越短，放热率峰值、缸内最高温度和最大压力越大．这主要是因为随着初始温度的升高，气缸内燃料分子的碰撞几率增加，加速了基元反应的进行，使燃料的滞燃期缩短，着火时刻提前．

图6 初始温度对缸内温度的影响

图7 初始温度对放热率的影响

图8 初始温度对缸内压力的影响

3.2 初始压力的影响

图9～图11为初始温度i为345,K、当量比为0.335、压缩比为17.8条件下，不同初始压力i对自由活塞柴油直线发电机HCCI燃烧过程的影响．可以看出，3种初始压力条件下，均发生了两阶段放热过程，随着初始压力的升高，燃烧相位提前，燃烧放热率峰值、缸内最高温度和最大压力也随之增大．这是因为随着初始压力的增大，缸内进气量增多，混合气密度增加，自由基更多并且碰撞几率变大，这些因素加快了燃烧速度．

图9 初始压力对缸内温度的影响

图10 初始压力对放热率的影响

图11 初始压力对缸内压力的影响

3.3 当量比的影响

图12～图14为初始温度i为345,K、初始压力i为0.114,MPa、压缩比为17.8条件下，不同当量比对自由活塞柴油直线发电机HCCI燃烧过程的影响．可以看出，＝0.275时，缸内燃烧过程只经历了低温反应放热阶段，未进行高温反应放热；当增大到0.305时，燃烧过程经历了两阶段放热，但是高温反应放热阶段放热量较少，且放热率峰值较小，导致滞燃期较长，缸内最高温度仅1,168,K，缸内最大压力仅6.9,MPa；随着从0.335增大到0.365，燃烧过程都经历了两阶段放热，高温反应放热阶段放热率峰值随之增大，低温反应放热阶段始点随之小幅度提前，缸内最高温度和缸内最大压力随之提高．这是因为随着当量比的增大，缸内燃料增多，混合气密度增加，自由基更多并且碰撞几率变大，这些因素加快了燃烧速度．

图12 当量比对缸内温度的影响

图13 当量比对放热率的影响

图14 当量比对缸内压力的影响

3.4 压缩比的影响

图15～图17为初始温度i为345,K、初始压力i为0.114,MPa、当量比为0.335条件下不同压缩比对自由活塞柴油直线发电机HCCI燃烧过程的影响．可以看出，当＝15.9时，缸内燃烧过程只经历了低温反应放热阶段，未进行高温反应放热；当＝17.8和＝20.2时，燃烧过程经历了两阶段放热；对比＝17.8和＝20.2，可以看出，随压缩比增大，低温反应放热阶段提前，高温反应放热率峰值、缸内最高温度、最大压力均变大．这是因为随着压缩比的增大，缸内温度升高加快，温度的升高加速了化学反应的进行，较高的化学反应速率导致低温反应放热阶段提前，缸内最高温度、最大压力和放热率峰值增大．

图15 压缩比对缸内温度的影响

图16 压缩比对放热率的影响

图17 压缩比对缸内压力的影响

4 结 论

(1) 自由活塞柴油直线发电机HCCI燃烧为两阶段放热过程．

(2) 初始温度、初始压力、当量比和压缩比对自由活塞柴油直线发电机HCCI的燃烧过程有重要影响，其值的大小决定了HCCI的燃烧能否完成两阶段放热．对于自由活塞柴油直线发电机完整的HCCI燃烧过程，随着初始温度、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．

(3) 良好的HCCI燃烧过程需要初始温度、初始压力、当量比以及压缩比等参数的合理配合；通过运行参数的合理配合，可以克服HCCI运行工况范围较小的缺点．

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(责任编辑：金顺爱)

Operating Mode of HCCI Combustion of Free-Piston Diesel Engine for Linear Generator

Chen Guanghui1，Liu Chunhui2，Chen Hongwei2

(1. Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University，Tianjin 300072，China； 2．School ofE，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China)

Based on the piston motion law analysis，the CFD model coupled diesel mechanism of combustion for free-piston engine linear generator(FPELG)HCCI combustion processes was established and then verified experimentally with horizontally opposed two-stroke FPELG experimental prototype．The influence of some key parameters such as initial temperature，initial pressure，equivalence ratio and compression ratio on HCCI is discussed．The simulation results showed that heat release rate is typically of two-stage auto-ignition，with low temperature reaction(LTR)first and then high temperature reaction(HTR)．With the increases of initial temperature，initial pressure，equivalence ratio and compression ratio，the maximum of heat release，cylinder temperature and cylinder pressure increase.

free-piston engine linear generator(FPELG)；homogeneous charge compression ignition(HCCI)；chemical dynamics model；numerical simulation

the National Key Research & Development Program of China(No.,2016YFD0700800)．

TK441

A

0493-2137(2018)11-1124-06

2018-02-28；

2018-03-27.

陈光辉（1962—  ），男，硕士，高级工程师．

陈光辉，Chen_guanghui@tju.edu.cn．

国家重点研发计划项目(2016YFD0700800)．

10.11784/tdxbz201802035