尹凝霞，常思勤，李深杰

(1. 廣東海洋大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 湛江 524088；2. 南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094； 3. 中海油服湛江分公司，廣東 湛江 524057)

基于電磁驅(qū)動的自由活塞發(fā)動機燃燒室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

尹凝霞1，常思勤2，李深杰3

(1. 廣東海洋大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 湛江 524088；2. 南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094； 3. 中海油服湛江分公司，廣東 湛江 524057)

為改善自由活塞發(fā)動機的燃燒質(zhì)量，依據(jù)建立的電磁驅(qū)動自由活塞發(fā)動機仿真模型，采用數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合的方法對自由活塞發(fā)動機燃燒過程進(jìn)行了仿真分析，并對活塞頂部形狀進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計.結(jié)果表明，通過對電磁驅(qū)動的自由活塞發(fā)動機燃燒室的優(yōu)化設(shè)計，提高了換氣效率，增大了壓縮比，缸內(nèi)峰值壓力隨之增大.該研究為組織好電磁驅(qū)動自由活塞發(fā)動機缸內(nèi)氣體流動提供依據(jù)，為電動汽車和混合動力汽車的發(fā)展提供發(fā)動機基礎(chǔ).

自由活塞發(fā)動機；活塞頂部形狀；電磁驅(qū)動；優(yōu)化

集自由活塞與電磁驅(qū)動直線電機于一體的自由活塞發(fā)動機如圖1所示. 自由活塞與直線電機動子相連，在直線電機驅(qū)動下往復(fù)運動，燃料在燃燒室內(nèi)燃燒后釋放出內(nèi)能推動自由活塞做功，直線電機既可作為電動機驅(qū)動汽車，也可作為發(fā)電機存儲電能.無曲柄連桿機構(gòu)，其機械結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡化，摩擦力大大減小[1-2]，且因活塞運動可控、壓縮比和膨脹比可變、可燃用多種燃料等諸多優(yōu)點，成為國內(nèi)外研究熱點[3-4]，非常適合用于混合動力汽車和電動汽車，符合國家對電動汽車的發(fā)展技術(shù)需要[5]. 改變自由活塞發(fā)動機進(jìn)氣沖程長度，可以循環(huán)進(jìn)氣量，以滿足不同負(fù)荷動力要求，但進(jìn)氣沖程長度的改變使得循環(huán)時間亦發(fā)生變化，進(jìn)而影響到發(fā)動機的輸出功率.采用原462發(fā)動機缸蓋，優(yōu)化活塞頂部形狀，增大壓縮比，以充分發(fā)揮高辛烷值燃料優(yōu)勢，同時還有利于缸內(nèi)混合氣的形成和燃燒[6-7].

(a) 原理圖

(b) 樣機試驗臺架1—直線電機；2—自由活塞；3—電磁氣門；4—可逆電能存儲單元；5—上位機；6—控制器；7—自由活塞發(fā)動機；8—供氣系統(tǒng)圖1 自由活塞發(fā)動機原理圖及樣機試驗臺架Fig.1 Schematic and prototype test-bed of free piston engine

本文對原平頂活塞頂部形狀進(jìn)行了優(yōu)化，并利用三維軟件Fluent對基于電磁驅(qū)動的不同活塞頂部形狀的自由活塞天然氣發(fā)動機性能進(jìn)行了預(yù)測，為優(yōu)化自由活塞發(fā)動機燃燒室形狀提供了理論依據(jù).

1 活塞頂部形狀優(yōu)化

燃燒室形狀會影響缸內(nèi)混合氣的形成與燃燒，進(jìn)而影響發(fā)動機性能. 合適的燃燒室形狀可引導(dǎo)氣流運動，加速火焰?zhèn)鞑ィ谷紵俣燃涌?，對天然氣發(fā)動機尤為重要.本文在試驗基礎(chǔ)上通過仿真計算，在原蓬頂狀缸蓋基礎(chǔ)上，對其燃燒室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計.4種活塞頂部如圖2所示.原活塞頂部如圖2中0#所示，由于缺少機械結(jié)構(gòu)對自由活塞往復(fù)運動進(jìn)行約束.為使活塞受力平衡運動平穩(wěn)，優(yōu)化的活塞頂部均采用對稱結(jié)構(gòu)，且為增加有效壓縮比，優(yōu)化的活塞頂部均采用凸頂，如圖2中1#、 2#、 3#所示，有效壓縮比平均增長了約20%.

圖2 4種活塞頂部Fig.2 Four piston top

表1為進(jìn)氣沖程長度和壓縮沖程長度均為66 mm 時，4 種活塞頂部形狀與原蓬頂狀缸蓋組成的燃燒室特性參數(shù).

表1 燃燒室特性參數(shù)

由表1可知，除原平頂活塞外， 2#燃燒室的面容比(表面積/容積)最小，其結(jié)構(gòu)是3種凸頂活塞頂部組成的燃燒室中最為緊湊的.

2 計算模型及模型驗證

應(yīng)用Pro/E軟件建立幾何模型(如圖3(a)所示)，導(dǎo)入Gambit軟件劃分成如圖3(b)所示的計算網(wǎng)格.

(a) 幾何模型 (b) 計算網(wǎng)格圖3 幾何模型與計算網(wǎng)格Fig.3 Geometrical model and computational mesh

采用瞬態(tài)計算模式，內(nèi)燃機缸內(nèi)工作過程計算實質(zhì)是在滿足三大守恒定律和理想氣體狀態(tài)方程及湍流模型方程的同時，對Navies-Stokes(N-S)方程進(jìn)行數(shù)值求解，湍流方程采用RNG 方程[8]，并采用了預(yù)混燃燒計算模型和PISO (pressure implicit split operator)算法，動量、能量和湍流方程的計算均選用1階迎風(fēng)格式. 為加速收斂，參照試驗對初始值進(jìn)行了設(shè)定，氣缸和進(jìn)氣道初始壓力設(shè)為0.1 MPa，天然氣入口速度設(shè)為2.441 65 g/s，湍流參數(shù)給定初始湍流強度與水力直徑.邊界條件設(shè)置[9]如下：進(jìn)氣道入口邊界溫度設(shè)為298 K；活塞頂移動邊界溫度設(shè)為550 K；氣缸蓋和氣缸壁壁面溫度分別設(shè)為500和450 K.

示功圖是驗證發(fā)動機計算模型準(zhǔn)確性的有效途徑之一[10]，為驗證模型準(zhǔn)確性，在圖1(b)的自由活塞發(fā)動機臺架上進(jìn)行了原理樣機試驗，樣機參數(shù)如表2所示. 以壓縮天然氣為燃料，采用理論空燃比，測得壓縮比為7.7和膨脹比為10.3時缸內(nèi)的實時壓力(因原理樣機初始設(shè)計所限，最大壓縮比只能達(dá)到7.7)，將此試驗結(jié)果與仿真計算結(jié)果對比如圖4所示.

表2 樣機參數(shù)

圖4 缸內(nèi)壓力Fig.4 In-cylinder pressure

由圖4可見，仿真計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好.因此，通過仿真計算分析自由活塞頂部形狀對進(jìn)氣和燃燒的影響，進(jìn)而對自由活塞的頂部形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的預(yù)測方法是可行的.

3 結(jié)果分析與討論

3.1 活塞頂部形狀對自由活塞發(fā)動機循環(huán)進(jìn)氣量 和換氣效率的影響

發(fā)動機對外輸出功率與可承受的負(fù)載很大程度上取決于發(fā)動機的循環(huán)進(jìn)氣量，小缸徑發(fā)動機受其影響更大.活塞頂部形狀對自由活塞發(fā)動機循環(huán)進(jìn)氣量的影響如圖5(a)所示. 由圖5(a)可知，進(jìn)氣沖程初期凸頂式活塞頂部對氣流有一定阻力，但在后期隨著進(jìn)氣沖程的增大，活塞頂部形狀的影響越來越弱，自由活塞發(fā)動機的循環(huán)進(jìn)氣量主要受發(fā)動機進(jìn)氣沖程長度的影響，活塞頂部形狀對其影響較小.

(a) 活塞頂部形狀對循環(huán)進(jìn)氣量的影響

(b) 活塞頂部形狀對換氣效率的影響圖5 活塞頂部形狀對循環(huán)進(jìn)氣量和換氣效率的影響Fig.5 Effect of piston top on cycle intake quantity and air exchange efficiency

發(fā)動機的最大輸出功率很大程度上取決于發(fā)動機循環(huán)進(jìn)氣量，發(fā)動機實際運轉(zhuǎn)時由于在排氣上止點的余隙容積，使得每個工作循環(huán)都有廢氣殘存在余隙容積內(nèi)，循環(huán)進(jìn)氣量差別不大時，殘存廢氣量會影響系統(tǒng)的換氣效率.活塞頂部形狀對自由活塞發(fā)動機換氣效率的影響如圖5(b)所示. 由圖5(b)可知，自由活塞發(fā)動機活塞頂部由平頂改為凸頂，排氣上止點處余隙容積減小，殘存廢氣量亦隨之減少，換氣效率提升了1.6%，且凸頂活塞頂部還可對換氣過程起到一定的導(dǎo)向作用，有效地改善換氣質(zhì)量.

3.2 活塞頂部形狀對自由活塞發(fā)動機燃燒的影響

發(fā)動機燃燒過程的好壞關(guān)系到能量轉(zhuǎn)換效率的高低，直接影響發(fā)動機性能的好壞.活塞頂部形狀對燃燒過程中火核形成和發(fā)展的影響如圖6所示.

(a) 燃燒進(jìn)程10%

(b) 燃燒進(jìn)程50%

(c) 燃燒進(jìn)程90%圖6 活塞頂部形狀對燃燒進(jìn)程溫度場的影響Fig.6 Effect of piston top on combustion process temperature

由于在0#平頂活塞頂部形狀組成的燃燒室中，火核的形成及火焰的發(fā)展最快. 這是因為其面容比最小，但因在相同壓縮沖程長度時壓縮比最小，點火前發(fā)動機缸內(nèi)溫度與壓力最低，因而在很大程度上限制了火焰?zhèn)鞑サ乃俣?，同時，燃燒室形狀對火焰的發(fā)展影響較大. 由圖6可以看出，在由1#、2#和3#凸頂形狀活塞頂部組成的燃燒室中，1#凸頂燃燒室面容比最大，散熱較多，影響了其內(nèi)火核的形成和火焰的傳播，2#凸頂燃燒室在3個凸頂燃燒室中面容比最小，結(jié)構(gòu)最為緊湊，燃燒最快.

活塞頂部形狀對自由活塞發(fā)動機缸內(nèi)流場的影響隨著壓縮的進(jìn)程越來越明顯.這是因為活塞頂部形狀和活塞運動對缸內(nèi)紊流影響較大，而紊流特性又是發(fā)動機缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ズ腿紵俣鹊闹匾绊懸蛩?，合適的紊流可加快火核的發(fā)展和傳播，減少末端未燃混合氣因爆震而引起循環(huán)變動的可能性，同時還可大大降低未燃碳?xì)涞呐欧?進(jìn)氣渦流和擠流均可產(chǎn)生紊流.自由活塞發(fā)動機內(nèi)燃燒時的速度場與湍流場分別如圖7和8所示.

(a) 燃燒進(jìn)程10%

(b) 燃燒進(jìn)程50%

(c) 燃燒進(jìn)程90%圖7 活塞頂部形狀對燃燒進(jìn)程速度場的影響Fig.7 Effect of piston top on combustion process velocity

由圖7可知，壓縮沖程后期凸頂活塞頂部組成的燃燒室內(nèi)，由于活塞頂部的凸起會產(chǎn)生擠流，且由于受到活塞頂部形狀影響，燃燒過程中缸內(nèi)氣體運動速度不同，在3個凸頂活塞組成的燃燒室中，2#燃燒室內(nèi)氣體流速相對較大，氣體分子的快速運動和相互碰撞也加速了火焰的傳播.

(a) 燃燒進(jìn)程10%

(b) 燃燒進(jìn)程50%

(c) 燃燒進(jìn)程90%圖8 活塞頂部形狀對燃燒進(jìn)程湍流場的影響Fig.8 Effect of piston top on combustion process turbulent kinetic energy

由圖8可知，在由凸頂活塞組成的燃燒室中形成的擠流在燃燒初期對燃燒影響較大. 2#與3#發(fā)動機缸內(nèi)形成的紊流有助于提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?，縮短滯燃期，燃燒持續(xù)期也隨之相應(yīng)縮短，同時對火花塞一側(cè)的主進(jìn)氣流有一定阻礙，使得火花塞附近湍流強度降低，降低火花塞附近的湍流強度有助于點火初期火核的形成，使得點火更趨于穩(wěn)定，循環(huán)變動減小.

雖然凸起的活塞頂部形狀增大了壓縮終了時刻發(fā)動機缸內(nèi)的壓力和溫度，并因產(chǎn)生擠流而改善了發(fā)動機缸內(nèi)的湍流場與速度場，進(jìn)而對燃燒進(jìn)程和缸內(nèi)壓力也有一定影響，具體影響如圖9所示.

(a) 活塞頂部形狀對燃燒進(jìn)程的影響

(b) 活塞頂部形狀對缸內(nèi)壓力的影響圖9 活塞頂部形狀對燃燒進(jìn)程和缸內(nèi)壓力的影響Fig.9 Effect of piston top on combustion process and in-cylinder pressure

由圖9(a)可以看出，在3種不同凸頂活塞組成的燃燒室中，2#燃燒室的燃燒最快，0#平頂燃燒室的燃燒最慢，主要是因為0#壓縮比較小(10.077)，影響了其燃燒初期火核的形成和火焰的傳播. 由圖9(b)可以看出，在1#、2#和3#凸頂活塞組成的燃燒室的壓縮比基本相同的情況下，2#燃燒室內(nèi)的峰值壓力比其他燃燒室內(nèi)的峰值壓力提高了約1 MPa，因此提高了發(fā)動機的熱效率. 但平頂活塞因其加工方便、面容比小、火焰?zhèn)鞑タ斓葍?yōu)點應(yīng)用較廣，只要滿足壓縮比與對外輸出功率要求，則應(yīng)優(yōu)先選用平頂活塞.

5 結(jié) 語

本文在試驗的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法對原462發(fā)動機基礎(chǔ)上改建的自由活塞發(fā)動機進(jìn)行仿真分析，重點分析了活塞頂部形狀對電磁驅(qū)動的自由活塞發(fā)動機循環(huán)進(jìn)氣量、換氣效率及燃燒的影響，得出較優(yōu)的活塞頂部形狀，為組織好電磁驅(qū)動自由活塞發(fā)動機缸內(nèi)氣體流動提供依據(jù)，為電動汽車和混合動力汽車的發(fā)展提供發(fā)動機基礎(chǔ).

鑒于原自由活塞發(fā)動機初始結(jié)構(gòu)所限，原平頂活塞組成的燃燒室壓縮比小，換氣效率低，缸內(nèi)壓力低.在進(jìn)氣沖程長度和壓縮上止點不變時，活塞頂部形狀由平頂改為凸頂，壓縮比增大約20%，其中的2#燃燒室面容比小，燃燒速度快，更接近于等容燃燒，峰值壓力可達(dá)7 MPa，提高了發(fā)動機的熱效率.

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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

國家自然科學(xué)基金資助項目(50876043)；廣東省創(chuàng)新強校工程資助項目(GDOU2015050225)

尹凝霞(1975—)，女，河北吳橋人，講師，博士，研究方向為CFD/CAE分析. E-mail: yinningxia2002@163.com

TK 441

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