袁晨恒，馮慧華，王夢秋，左正興

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081)

0 引 言

自由活塞直線發(fā)電機(jī)(Free－piston linear alternator，F(xiàn)PLA)是一種新型直線內(nèi)燃發(fā)動/發(fā)電混合動力裝置。FPLA 一般采用對置雙缸的布置形式，兩個自由活塞發(fā)動機(jī)分置于兩端，中間布置有直線發(fā)電機(jī)［1－2］。與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)相比，F(xiàn)PLA 最大特點(diǎn)是沒有曲柄連桿機(jī)構(gòu)，動力輸出不經(jīng)過旋轉(zhuǎn)機(jī)械，而是通過直線電機(jī)將活塞的往復(fù)直線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為電能輸出，具有結(jié)構(gòu)簡單、摩擦損失小、壓縮比可變等特點(diǎn)［3－7］。

目前許多研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)自由活塞直線發(fā)電機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的活塞運(yùn)動規(guī)律存在較大的差異。相對于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)，從整體上看，F(xiàn)PLA 具有相對較慢的有效壓縮行程和較快的膨脹行程［8－9］。由于活塞運(yùn)動學(xué)上的差異可能會導(dǎo)致兩種發(fā)動機(jī)的燃燒過程也出現(xiàn)諸多不同，因此，本文應(yīng)用AVL_FIRE 數(shù)值模擬軟件耦合自由活塞運(yùn)動特點(diǎn)，對其燃燒過程進(jìn)行數(shù)值計算，并將其與傳統(tǒng)往復(fù)活塞式二沖程汽油發(fā)動機(jī)(Conventional engine，CE)的燃燒過程進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)FPLA燃燒放熱可能存在的特點(diǎn)，以便為樣機(jī)燃燒策略的設(shè)計提供依據(jù)。

1 FPLA 運(yùn)動特性試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣機(jī)與測試儀器

自由活塞直線發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)系統(tǒng)如圖1 所示，相關(guān)參數(shù)如下:缸徑為34 mm;活塞質(zhì)量為1.2 kg;額定壓縮比為7.5;過量空氣系數(shù)為1.02;電磁負(fù)載為127 N/(m·s－1)。

圖1 自由活塞直線發(fā)電機(jī)樣機(jī)Fig.1 Experimental prototype of FPLA

系統(tǒng)主要包括4 個部分:點(diǎn)燃式自由活塞直線發(fā)電機(jī)、直線電機(jī)控制器、工作模式轉(zhuǎn)換電路及負(fù)載電阻箱和數(shù)據(jù)采集設(shè)備。其中數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括Dewetron 公司的DEWE3020 型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、Kistler 公司生產(chǎn)的6052C 型壓力傳感器和GSI 公司的M1550 型光柵位移傳感器。

1.2 試驗(yàn)過程與結(jié)果

啟動時，直線電機(jī)工作在電動機(jī)模式，推動活塞運(yùn)動組件運(yùn)動;通過安裝在電機(jī)動子上的光柵位移傳感器實(shí)時檢測整個活塞運(yùn)動組件的位置和速度，并反饋給直線電機(jī)控制器。當(dāng)活塞組件運(yùn)動到達(dá)額定位置時，直線電機(jī)工作模式轉(zhuǎn)換電路將直線電機(jī)和負(fù)載電路導(dǎo)通，此時直線電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)模式，作為負(fù)載，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。工作模式轉(zhuǎn)換完成后，當(dāng)活塞在慣性力的作用下運(yùn)動到額定點(diǎn)火位置時，控制器發(fā)出點(diǎn)火脈沖點(diǎn)燃缸內(nèi)混合氣，推動活塞向?qū)?cè)氣缸運(yùn)動，并壓縮對側(cè)發(fā)動機(jī)缸內(nèi)混合氣體到相同點(diǎn)火壓縮比時，對側(cè)火花塞點(diǎn)燃混合氣;采集到多個循環(huán)的樣機(jī)運(yùn)行狀況后停機(jī)。圖2 為測試得到的缸內(nèi)壓力曲線和活塞位移曲線。

圖2 缸壓曲線和活塞位移曲線Fig.2 Dynamic features and thermodynamic features

1.3 活塞運(yùn)動特性對比

自由活塞直線發(fā)電機(jī)與具有相同缸徑和行程的傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)活塞位移曲線如圖3 所示，其中傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)曲柄連桿比為1/4。

圖3 兩種發(fā)動機(jī)活塞運(yùn)動曲線對比Fig.3 Piston dynamics comparation between FPLA and CE

由兩種發(fā)動機(jī)活塞位移曲線可以發(fā)現(xiàn):自由活塞直線發(fā)電機(jī)活塞加速度在上、下止點(diǎn)較大，而在其余位置加速度較小;上止點(diǎn)附近，F(xiàn)PLA 具有較慢的壓縮行程和較快的膨脹行程?？紤]到二沖程發(fā)動機(jī)的有效壓縮過程是在排氣口關(guān)閉之后進(jìn)行的，因此，模擬計算的范圍為排氣口開始關(guān)閉(EPC)到排氣口打開(EPO)［9］。另外，由于兩種發(fā)動機(jī)活塞運(yùn)動曲線存在差異，這就導(dǎo)致兩種發(fā)動機(jī)在相同轉(zhuǎn)速(頻率)下關(guān)閉和打開排氣口的時刻也不同，F(xiàn)PLA 和CE 的EPC 分別為74.3 ECA、92.2°CA;EPO 分別為266.2 ECA、267.5°CA，詳見圖3。由于自由活塞發(fā)動機(jī)沒有曲軸，用等效曲軸轉(zhuǎn)角(ECA)來表示氣門開閉的時刻，且ECA 與時間的關(guān)系為:

式中:t0為自由活塞運(yùn)動初始時刻;f 為活塞運(yùn)動組件的往復(fù)運(yùn)動頻率［9］。

2 燃燒計算模型

2.1 計算網(wǎng)格模型

圖4 燃燒室網(wǎng)格模型Fig.4 Computational mesh of combustion process

自由活塞發(fā)動機(jī)氣缸的數(shù)值計算網(wǎng)格模型如圖4 所示，在有效壓縮行程開始時刻，整個燃燒室模型網(wǎng)格總數(shù)為42 824，全部為六面體網(wǎng)格。在建立計算動網(wǎng)格模型時，將圖3 中的FPLA 活塞位移曲線做成可讀取的表格，利用插值法讓Fire程序去查詢活塞位置，然后根據(jù)活塞位置生成動網(wǎng)格模型。

2.2 點(diǎn)火時刻

為了使得兩種發(fā)動機(jī)燃燒過程具有對比性，需要確保兩種發(fā)動機(jī)具有相同的點(diǎn)火時刻，然而跟據(jù)前面對兩種活塞動力學(xué)曲線的對比分析可知，兩種發(fā)動機(jī)具有相同的點(diǎn)火時刻意味著兩種發(fā)動機(jī)具有相同的點(diǎn)火提前角或者具有相同的點(diǎn)火壓縮比，如圖5 所示。其中，當(dāng)這兩種發(fā)動機(jī)選擇在相同的曲軸轉(zhuǎn)角點(diǎn)火時，此時傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)已經(jīng)達(dá)到的壓縮比較大;當(dāng)選擇氣缸達(dá)到相同的壓縮比點(diǎn)火時，傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火提前角較大。為了充分說明兩種發(fā)動機(jī)的燃燒差異，選擇具有相同點(diǎn)火壓縮比和相同點(diǎn)火角度這兩種情況下的燃燒過程進(jìn)行計算，并與FPLA 的燃燒過程進(jìn)行對比分析。

圖5 兩種發(fā)動機(jī)點(diǎn)火時刻活塞位置Fig.5 Ignition schedules of FPLA and CE

點(diǎn)火過程所涉及的數(shù)據(jù)如表1 所示。表1中，CE_SA 表示傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)選擇與FPLA 相同的點(diǎn)火角度，CE_SP 表示傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)選擇與FPLA相同的點(diǎn)火位移。

表1 點(diǎn)火時刻數(shù)據(jù)Table 1 Ignition parameters of FPLA and CE

2.3 計算模型

在仿真計算中，汽油發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)湍流流動模型選取了k－ε 方程模型;燃燒模型采用PDF模型，NO 排放模型為Zeldovich 模型，Soot 模型采用Frolov Kinetic 模型。動量方程差分格式采用二階精度、比中心差分穩(wěn)定性和收斂性要好的MINIMOD Relaxed 格式，連續(xù)方程為中心差分格式，能量等方程使用迎風(fēng)格式［10］。

2.4 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證計算模型的有效性，將計算與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。圖6 為自由活塞直線發(fā)電機(jī)氣缸壓力曲線計算值與實(shí)驗(yàn)值的對比。從圖6 的缸壓曲線對比來看，模擬計算的結(jié)果與實(shí)測值曲線走向基本相同，數(shù)據(jù)偏差較小，整個運(yùn)行工況下兩者的最大誤差值在6%以內(nèi)，驗(yàn)證了所建模型的合理性。

圖6 計算模型驗(yàn)證結(jié)果Fig.6 Simulation model validation result

3 燃燒過程特性分析

燃燒過程計算所得的自由活塞發(fā)動機(jī)和傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)壓力變化曲線如圖7 所示。由圖7可見，當(dāng)兩種發(fā)動機(jī)取相同的點(diǎn)火提前角時，F(xiàn)PLA 的最高燃燒壓力較傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)小，最高燃燒壓力出現(xiàn)得也比較早，分別出現(xiàn)在192°CA 和193.2°CA，且最高燃燒壓力保持時間較短;在最高燃燒壓力到達(dá)前，自由活塞直線發(fā)電機(jī)缸內(nèi)氣體壓力升高率總體呈現(xiàn)增大的趨勢，但壓力升高率峰值較傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)小，在最高燃燒壓力出現(xiàn)后，自由活塞直線發(fā)電機(jī)負(fù)向壓力升高率則與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)幾乎無差異，且負(fù)向壓力升高率峰值還略大于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)。當(dāng)兩種發(fā)動機(jī)取相同的點(diǎn)火壓縮比時，F(xiàn)PLA 的最高燃燒壓力也較傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)小，但最高燃燒壓力出現(xiàn)略晚于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī);另外，傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)壓力升高率變化趨勢與兩種發(fā)動機(jī)取相同點(diǎn)火提前角一致，但峰值更明顯。

圖7 兩種發(fā)動機(jī)缸內(nèi)壓力變化曲線Fig.7 Pressure comparation between FPLA and CE

圖8 燃燒放熱特點(diǎn)Fig.8 Heat release comparation between FPLA and CE

兩種發(fā)動機(jī)在不同的點(diǎn)火時刻，燃燒過程放熱量變化狀況如圖8 所示。當(dāng)兩種發(fā)動機(jī)在相同的點(diǎn)火提前角時，相對于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)，自由活塞直線發(fā)電機(jī)燃燒放熱持續(xù)期較長，兩種發(fā)動機(jī)的燃燒放熱具體差異詳見表2。從放熱率整體變化趨勢來看，自由活塞直線發(fā)電機(jī)燃燒放熱率呈現(xiàn)“緩和長”的特點(diǎn)，較多的熱量在上止點(diǎn)過后釋放，燃燒等容度較低，而傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)相對較多的燃料在上止點(diǎn)前已經(jīng)完成燃燒，且后燃期持續(xù)時間較短。當(dāng)兩種發(fā)動機(jī)在相同的點(diǎn)火提前位置時，傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)更早開始燃燒放熱，但兩種發(fā)動機(jī)燃燒持續(xù)期幾乎無差異;傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)放熱率趨勢與兩種發(fā)動機(jī)取相同點(diǎn)火提前角時也基本一致。另外，從指示效率來看，傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)在兩種不同的點(diǎn)火時刻，其指示效率均高于自由活塞直線發(fā)電機(jī)。

表2 燃燒過程主要差異Table 2 Combustion comparison of FPLA and CE

燃燒過程缸內(nèi)氣體平均溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線如圖9 所示。由圖9 可知，無論傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)選取與自由活塞直線發(fā)電機(jī)相同的點(diǎn)火提前位置還是相同的點(diǎn)火提前曲軸轉(zhuǎn)角，燃燒過程中傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)缸內(nèi)氣體平均溫度均高于自由活塞直線發(fā)電機(jī);峰值溫度分別相差198 K 和213 K。

圖9 兩種發(fā)動機(jī)缸內(nèi)平均溫度對比Fig.9 Mean temperature comparison of FPLA and CE

另外，燃燒過程所產(chǎn)生的污染物(NO)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線如圖10 所示。由圖10 可知，燃燒結(jié)束后，自由活塞直線發(fā)電機(jī)NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0043，而傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)在相同的點(diǎn)火提前角時的NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0055，在相同的點(diǎn)火提前位置，NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0056。與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)相比，自由活塞直線發(fā)電機(jī)的NO 排放具有顯著優(yōu)勢。

圖10 兩種發(fā)動機(jī)NO 排放對比Fig.10 NO emission comparison of FPLA and CE

綜上可見，自由活塞直線發(fā)電機(jī)燃燒過程與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)相比存在明顯不同的特征，這是由于兩種發(fā)動機(jī)活塞運(yùn)動規(guī)律差異所導(dǎo)致的。因?yàn)椋?dāng)傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)選取與自由活塞直線發(fā)電機(jī)相同的點(diǎn)火提前角時，由于自由活塞直線發(fā)電機(jī)壓縮行程較慢，在火花塞點(diǎn)火時刻，傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的壓縮比較大，缸內(nèi)氣體壓力和溫度均較高，燃料滯燃期較短，因此較早開始燃燒放熱;著火后，由于此時傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)壓縮比較高，燃燒放熱速率較自由活塞直線發(fā)電機(jī)快，導(dǎo)致缸內(nèi)氣體溫度、壓力升高率和最高燃燒壓力也較自由活塞直線發(fā)電機(jī)大;隨著活塞越過上止點(diǎn)，由于自由活塞直線發(fā)電機(jī)沒有機(jī)械機(jī)構(gòu)的限制，自由活塞加速度非常大，燃燒室容積變化較快，導(dǎo)致負(fù)向壓力升高率較傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)大，缸內(nèi)壓力變化較快，最高燃燒壓力停留的時間也較傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)短。當(dāng)傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)選取與自由活塞直線發(fā)電機(jī)相同的點(diǎn)火提前位置時，由于活塞運(yùn)動規(guī)律的差異，此時傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)具有較大的點(diǎn)火提前角，點(diǎn)火后，傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)較早開始燃燒，并且由于點(diǎn)火提前角大，在壓縮行程階段完成燃燒放熱的可燃混合氣也較多，導(dǎo)致燃燒放熱率、缸內(nèi)氣體溫度、壓力升高率及最高燃燒壓力較自由活塞直線發(fā)電機(jī)大，且由于較多的燃料在上止點(diǎn)前燃燒，因此最高燃燒壓力和峰值溫度也較自由活塞直線發(fā)電機(jī)提前到達(dá)，并且此時傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)活塞加速度小于自由活塞直線發(fā)電機(jī)，因此最高燃燒壓力保持期相對較長。另外，在兩種點(diǎn)火時刻，傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)缸內(nèi)氣體壓力和溫度均較自由活塞直線發(fā)電機(jī)高，且缸內(nèi)壓力和溫度下降速率較慢，因此燃燒過程中產(chǎn)生較多的NO 污染物。

4 結(jié) 論

(1)自由活塞直線發(fā)電機(jī)的最高燃燒壓力和平均溫度較傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)小，且最高燃燒壓力停留時間較短，這有助于減少NO 污染物。

(2)自由活塞直線發(fā)電機(jī)燃燒放熱率呈現(xiàn)“緩和長”的特點(diǎn)，較多的熱量在上止點(diǎn)后釋放，燃燒過程等容度較低。

(3)與自由活塞直線發(fā)電機(jī)相比，傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)較多的混合氣在上止點(diǎn)前完成燃燒，壓縮行程負(fù)功較多，但由于其燃燒等容度較高，實(shí)際指示效率較自由活塞直線發(fā)電機(jī)高。

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