柏 金，孫思楠，王 謙

(江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212000)

0 概述

隨著微機(jī)電系統(tǒng)的不斷發(fā)展，微型發(fā)動(dòng)機(jī)成為核心裝置，其中自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)[1-2]是20世紀(jì)30年代提出的一種新型動(dòng)力裝置，取消了曲柄連桿機(jī)構(gòu)[3]，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件數(shù)目少，質(zhì)量輕，適合壓燃，且具有污染物排放少、熱效率高的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合直線發(fā)電機(jī)可使得整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊且能量密度高，前景可觀。均質(zhì)壓燃(homogeneous charge compression ignition, HCCI)燃燒方式具有無(wú)需點(diǎn)火裝置、氣體混合均勻、多點(diǎn)同時(shí)著火等優(yōu)點(diǎn)，微型HCCI[4]自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)既解決了燃燒不充分的問(wèn)題，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能量轉(zhuǎn)化效率高[5]，輸出功率較好。

掃氣過(guò)程是影響微自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率最主要的環(huán)節(jié)[6]，進(jìn)入并存留于氣缸內(nèi)的甲烷與二氧化碳的占比決定了微自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的掃氣效果。在常規(guī)的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)中，由于缺少傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法直接對(duì)外輸出機(jī)械功，通常情況下，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)外輸出功的形式有磁電式和液壓式兩種。磁電式自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)將活塞的運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能以切割磁感線的方式轉(zhuǎn)化為電能輸出；液壓式自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)將活塞的運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能通過(guò)液壓泵的作用在液壓儲(chǔ)能裝置內(nèi)儲(chǔ)存起來(lái)，再對(duì)外輸出功。由于采用液壓儲(chǔ)能裝置增加了微發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對(duì)微尺度加工技術(shù)提出了巨大的挑戰(zhàn)，因此目前對(duì)于微型自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的能量輸出形式的設(shè)計(jì)構(gòu)想主要以磁電式為主。

自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)其活塞布置的不同，主要分為單活塞式、雙活塞式和對(duì)置活塞式3種形式。對(duì)微型自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的研究大部分均針對(duì)燃燒過(guò)程的特性展開(kāi)分析，容易忽視發(fā)動(dòng)機(jī)在掃氣過(guò)程中很可能帶來(lái)的掃氣不充分、爆震、運(yùn)行顛簸等問(wèn)題，故本文中將重點(diǎn)從進(jìn)排氣結(jié)構(gòu)的布置開(kāi)展研究。由于二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)掃氣過(guò)程的特殊性，發(fā)動(dòng)機(jī)的功效主要取決于掃氣是否完全。掃氣[7]過(guò)程的核心是氣體流動(dòng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，要求在有效的氣口條件下使廢氣盡可能地排擠出氣缸。掃氣效果較好的情況是在最短的時(shí)間內(nèi)在排氣口附近快速排氣，且在換氣結(jié)束后燃燒室內(nèi)迅速充入最大的新鮮氣體量。

針對(duì)進(jìn)排氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也開(kāi)展了很多工作。文獻(xiàn)[8]中基于等效曲軸法某一小型(行程為86 mm，缸徑為43 mm)的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)回流掃氣過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了掃氣口的位置及掃氣道的仰角對(duì)掃氣效率及捕獲率的影響。文獻(xiàn)[9]中針對(duì)某一自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)回流掃氣過(guò)程，研究了掃氣道的圓周角的設(shè)計(jì)對(duì)回流掃氣缸內(nèi)氣體流動(dòng)及掃氣效率的影響，認(rèn)為過(guò)大的進(jìn)氣道圓周角會(huì)造成掃氣短路現(xiàn)象，從而出現(xiàn)掃氣死區(qū)。文獻(xiàn)[10]中基于Benson/Bradham模型的評(píng)價(jià)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了正交試驗(yàn)分析，討論了各參數(shù)的意義，得出最佳因素組合，詳細(xì)比較了優(yōu)化前后的比掃氣指標(biāo)(輸送比、捕集效率、掃氣效率等)和常規(guī)性能指標(biāo)及氣缸內(nèi)氣體組成分布截面圖。文獻(xiàn)[11]中針對(duì)回流式自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與模擬，分析了掃氣道仰角和圓周角對(duì)掃氣品質(zhì)的影響，結(jié)果表明小的掃氣道仰角有利于掃氣流沖上氣缸頂部，但排擠廢氣的效果變差。文獻(xiàn)[12]中對(duì)某一對(duì)置式二沖程柴油機(jī)直流掃氣過(guò)程進(jìn)行仿真與優(yōu)化，分析了掃氣口面積對(duì)掃氣效果的影響，得出掃氣口面積增大時(shí)掃氣流易與廢氣摻混，不利于掃氣品質(zhì)的提升。文獻(xiàn)[13]中建立了排氣系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化函數(shù)，包括進(jìn)氣道高度、排氣道高度、進(jìn)氣道周長(zhǎng)比、排氣道周長(zhǎng)比和對(duì)置活塞運(yùn)動(dòng)相位差，考慮了入口高度對(duì)有效壓縮比和有效膨脹比的影響，并以指示平均有效壓力(indicated mean effective pressure, IMEP)作為優(yōu)化目標(biāo)，而不是以掃氣效率為優(yōu)化目標(biāo)。結(jié)果表明，IMEP可以作為單流凈化系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)，排氣口高度是影響發(fā)動(dòng)機(jī)捕集比、掃氣效率和指示熱效率的主要因素，同時(shí)也是影響對(duì)置式二沖程-缸內(nèi)直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)(opposed piston two strokes-gasoline direct injection engine)換氣過(guò)程的最重要因素。

目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究大多針對(duì)常規(guī)尺寸的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，而對(duì)微型自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行研究的文獻(xiàn)較少。常規(guī)尺寸的雙缸對(duì)置式自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)采用液體燃料，需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的高壓噴油控制裝置[14-15]，起動(dòng)困難，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行可靠性且不利于環(huán)保，同時(shí)在以往的單缸微型自由活塞壓燃過(guò)程中常見(jiàn)的點(diǎn)火方式不再適用，需利用高溫燃?xì)馔苿?dòng)活塞做功[16]。

由文獻(xiàn)調(diào)研可知，針對(duì)掃氣過(guò)程的結(jié)構(gòu)研究主要從排氣道高度、排氣道面積等角度擬定方案，故針對(duì)微型自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)也可以類(lèi)比相應(yīng)的模擬方案，考慮到雙氣缸往復(fù)循環(huán)工作過(guò)程首先要解決掃氣效率問(wèn)題，本文中研究的主要影響因素有掃氣方式、掃氣過(guò)程的燃燒方式、活塞壓燃速度、掃氣結(jié)構(gòu)等，重點(diǎn)從單氣缸單次壓燃開(kāi)展換氣研究工程，為后續(xù)雙氣缸往復(fù)換氣過(guò)程研究提供理論依據(jù)。

1 模型建立與試驗(yàn)驗(yàn)證

1.1 物理模型

圖1是進(jìn)排氣結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖。采用GAMBIT軟件與FLUENT軟件建立微燃燒室的多維動(dòng)網(wǎng)格模型，并選取合適的邊界條件，將化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)耦合到自由活塞的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，詳細(xì)分析每個(gè)單元格的溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)及自由活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，綜合定性定量分析研究數(shù)據(jù)。表1是模型建立初始參數(shù)表。針對(duì)進(jìn)排氣口間距大小L、進(jìn)氣道傾角α、排氣道傾角β、進(jìn)氣道直徑Din、排氣道直徑Dout開(kāi)展數(shù)值模擬研究。本文中微型燃燒室的行程、缸徑分別為20 mm、3 mm，且固定了排氣口距燃燒室底部的距離為10 mm，此時(shí)分別研究各影響因素對(duì)掃氣過(guò)程的分析更為準(zhǔn)確。

圖1 進(jìn)排氣結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

表1 模型建立初始參數(shù)

考慮進(jìn)排氣道間距L時(shí)，進(jìn)氣道、排氣道孔徑分別設(shè)置為0.6 mm、0.8 mm，最初設(shè)置L的最小值為 0.5 mm。考慮到進(jìn)排氣傾角過(guò)大或過(guò)小時(shí)計(jì)算網(wǎng)格模型易發(fā)散，布置進(jìn)氣道、排氣道傾角以15°為基點(diǎn)并不斷增大，研究其對(duì)掃氣過(guò)程的影響。微型燃燒室的孔徑為 1.5 mm，相比于常規(guī)尺寸的發(fā)動(dòng)機(jī)缸徑有明顯差別，所以在研究進(jìn)氣道、排氣道孔徑時(shí)，孔徑尺寸不宜超過(guò) 1.5 mm，將進(jìn)氣道初始?jí)毫υO(shè)置為0.5 MPa，相比純壓縮工況下，在壓燃過(guò)程中需要更大的壓力使活塞平穩(wěn)運(yùn)行，綜合考慮下將進(jìn)氣道孔徑設(shè)為0.4 mm～0.8 mm，排氣道孔徑設(shè)為0.5 mm～0.9 mm。

為定量比較掃氣過(guò)程的最優(yōu)方案，將掃氣效率記為c2[10]，活塞返回至初始面時(shí)的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為M1，打開(kāi)排氣口臨界位移點(diǎn)的峰值CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為M2，活塞返回至進(jìn)氣口即將打開(kāi)的臨界位移點(diǎn)的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為M3，活塞壓燃后產(chǎn)生的峰值CO2與排氣口打開(kāi)而進(jìn)氣口即將打開(kāi)前的CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差值為M2-M3，活塞壓燃后產(chǎn)生的峰值CO2與活塞返回至初始端面的位置時(shí)殘留在微型燃燒室的CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差值為M2-M1，則：

(1)

若進(jìn)氣口再次打開(kāi)后充入燃燒室內(nèi)的CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比大，在排氣口持續(xù)打開(kāi)時(shí)間段內(nèi)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小，則此方案下的掃氣效率相對(duì)較優(yōu)。由于單次壓縮情況下不易考慮活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的掃氣工況，所以當(dāng)排氣口打開(kāi)而進(jìn)氣口未打開(kāi)前，存留在燃燒室內(nèi)的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小，且考慮在進(jìn)氣口重新打開(kāi)后與活塞返回至初始位置時(shí)存留在燃燒室內(nèi)的CO2占比較小，兩者結(jié)合后可以定量地認(rèn)為掃氣效果最好。掃氣過(guò)程的研究往往需要多次壓縮沖程，本研究可為雙氣缸往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)的掃氣過(guò)程研究做理論鋪墊。

1.2 數(shù)學(xué)模型

上述物理模型中忽略傳熱因素。流體流動(dòng)要遵循守恒定律，包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律；另外本研究還涉及化學(xué)組分之間的相互作用，因此還要遵循組分守恒定律。守恒定律通過(guò)控制方程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程和組分守恒方程分別見(jiàn)式(2)～式(5)。

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：ρ為流體密度；t為時(shí)間；ui為xi方向絕對(duì)速率；xi為笛卡爾坐標(biāo)(i=1，2，3)；sm為質(zhì)量產(chǎn)生源；uj為流體在yj方向的絕對(duì)速率；yj為笛卡爾坐標(biāo)(j=1,2,3);τij為應(yīng)力張量i、j方向的受力；si為動(dòng)量產(chǎn)生源相；e為單位質(zhì)量流體所具內(nèi)能；qi為xi方向的能量通量；Sh為能量產(chǎn)生源；Ys為組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Fs,j為擴(kuò)散流量；Rs為組分的質(zhì)量產(chǎn)生或分解速率。

表2為求解器參數(shù)設(shè)置。在前期的研究工作中，文獻(xiàn)[16]中開(kāi)展了可視化試驗(yàn)研究，利用耦合動(dòng)態(tài)網(wǎng)格技術(shù)和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)建立了多維計(jì)算模型，結(jié)合FLUENT19.2與CHEMKIN計(jì)算活塞運(yùn)動(dòng)與微型燃燒室內(nèi)的流動(dòng)與傳熱。

表2 求解器參數(shù)設(shè)置

1.3 模型與試驗(yàn)驗(yàn)證

圖2為微型自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)臺(tái)架示意圖。設(shè)置相同的試驗(yàn)與模擬初始條件：微燃燒室長(zhǎng)度為 20 mm，直徑為3 mm，混合均質(zhì)氣體為甲烷與空氣，初始溫度為300 K，初始?jí)毫?.1 MPa，當(dāng)量比為0.5，自由活塞初速度為16 m/s以實(shí)現(xiàn)可靠著火燃燒。

圖2 微型自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)示意圖

展開(kāi)試驗(yàn)研究，單次循環(huán)燃燒室內(nèi)部的燃燒過(guò)程圖像如圖3所示，圖中l(wèi)為自由活塞距燃燒室底部的距離，t0為壓燃著火時(shí)刻。

圖4與圖5為試驗(yàn)與模擬關(guān)于活塞速度和微燃燒室內(nèi)壓力的對(duì)比。從圖4可看出，速度的模擬與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，二者相差在2%范圍內(nèi)。由圖5可知，壓力的試驗(yàn)與模擬計(jì)算相差在5%范圍內(nèi)。微型自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件為微燃燒室，尺寸僅幾毫米，加工精度要求較高，且沒(méi)有相關(guān)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，參考單次壓燃可視化試驗(yàn)臺(tái)架的試驗(yàn)結(jié)果，加上一組進(jìn)氣道和排氣道，故認(rèn)為該模型同樣適用可視化臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，證明該模型正確。

圖3 試驗(yàn)中燃燒室內(nèi)不同階段自由活塞距燃燒室底部不同距離的燃燒過(guò)程拍攝圖像

圖4 活塞壓燃的試驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比圖

圖5 壓力的試驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比圖

2 數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比與分析

2.1 進(jìn)排氣口間距大小L對(duì)掃氣過(guò)程的影響

圖6為進(jìn)排氣間距結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖。

圖6 進(jìn)排氣口間距結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

如圖6所示,以進(jìn)氣道直徑為0.6 mm，排氣道直徑為0.8 mm，進(jìn)氣道、排氣道都垂直于燃燒室軸線為例，由于進(jìn)氣道孔徑及進(jìn)氣口、排氣口傾角會(huì)影響單次壓燃的掃氣效果，故而本小節(jié)暫時(shí)不考慮其余因素。微尺度下進(jìn)氣口、排氣口不宜設(shè)置過(guò)大，若進(jìn)氣口、排氣口直徑過(guò)大，則燃燒室內(nèi)壓力過(guò)大，溫度過(guò)高，很容易出現(xiàn)爆震現(xiàn)象，不利于掃氣過(guò)程的研究分析。在計(jì)算的過(guò)程中，固定排氣道的位置，只改變進(jìn)氣道的相對(duì)位置，對(duì)進(jìn)排氣口間距分別為 0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm、3.5 mm、4.0 mm進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。

圖7和圖8分別為在不同進(jìn)排氣口間距條件下，微燃燒室內(nèi)壓力和溫度隨時(shí)間的變化曲線圖。

圖7 不同進(jìn)排氣口間距條件下壓力變化圖

圖8 不同進(jìn)排氣口間距條件下溫度變化圖

可以看出隨著進(jìn)排氣口間距不斷增大，燃燒室內(nèi)的壓力和溫度也不斷升高。在進(jìn)排氣口間距為 4.0 mm 時(shí)，峰值壓力約為120 MPa，峰值溫度約為 1 800 K?；钊l(fā)動(dòng)機(jī)在掃氣過(guò)程中有熱量損失且單次沖擊燃燒速度極快，在整個(gè)壓燃過(guò)程中應(yīng)保證運(yùn)行工況盡量平穩(wěn)同時(shí)燃燒室內(nèi)溫度不宜過(guò)高?；钊沙跏嘉恢孟蛉紵业撞窟\(yùn)行，在0—0.38 ms時(shí)間段中，進(jìn)氣門(mén)、排氣門(mén)都為打開(kāi)狀態(tài)，甲烷與氧氣的混合氣體開(kāi)始進(jìn)入燃燒室中；在0.32—0.90 ms的時(shí)間段中，隨著活塞的運(yùn)行，混合氣體不斷被壓縮；在0.90—1.35 ms 的時(shí)間段中，混合氣體被壓燃，甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)急劇減少，隨著氣體的燃燒做功，活塞被反向推回，但進(jìn)氣門(mén)、排氣門(mén)都處于關(guān)閉狀態(tài)；在1.35—1.49 ms的時(shí)間段里，排氣門(mén)開(kāi)始打開(kāi)；而在 1.49 ms 后，進(jìn)氣門(mén)、排氣門(mén)都處于開(kāi)啟狀態(tài)。在初次進(jìn)氣過(guò)程中，進(jìn)氣口離排氣口的位置越近，進(jìn)入燃燒室內(nèi)的新鮮氣體越多，從混合氣體著火膨脹到進(jìn)氣口重新打開(kāi)之前，甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒(méi)有發(fā)生太大的變化；當(dāng)進(jìn)氣口重新打開(kāi)時(shí)，由于新鮮氣體的流入，甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)快速增大，特別是進(jìn)排氣口間距為1 mm時(shí)，重新進(jìn)入新鮮預(yù)混氣體的含量快速升高，有明顯變化。

圖9為CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線圖。

圖9 不同進(jìn)排氣口間距下CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化圖

從圖9中可以看出，隨著混合氣壓燃的發(fā)生，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)極劇增加?；钊诜聪蜻\(yùn)行的過(guò)程中，當(dāng)進(jìn)氣口、排氣口都打開(kāi)時(shí)由于廢氣流入排氣道，新鮮氣體流入燃燒室，CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷下降，當(dāng)進(jìn)排氣口間距為 1.0 mm 時(shí)燃燒室中殘余的CO2最少。

圖10為掃氣效率隨進(jìn)排氣口間距變化的曲線圖。隨著進(jìn)排氣口間距的不斷增加，c2呈先升高后下降的趨勢(shì)。

圖10 不同進(jìn)排氣口間距下掃氣效率曲線

進(jìn)排氣口間距為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm、3.5 mm、4.0 mm時(shí)的甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖見(jiàn)圖11。

圖11 活塞返回初始位置時(shí)甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

從圖11中可以看出，在活塞返回至初始位置時(shí)殘留在燃燒室底部的甲烷較少。對(duì)比幾種方案可知，進(jìn)排氣口間距越小，排氣口附近的甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高。這是因?yàn)樵趩胃卓焖贈(zèng)_擊燃燒過(guò)程中，活塞壓燃速度較快，有部分甲烷沒(méi)有得到充分燃燒而被排擠到排氣口附近，同時(shí)由于進(jìn)氣口再次打開(kāi)時(shí)壓力較大，帶動(dòng)部分甲烷向兩邊擴(kuò)散，也能說(shuō)明換氣效率提高，新鮮充量不斷涌入。通過(guò)效率定義可知，在進(jìn)氣口即將打開(kāi)前，存留在燃燒室中的CO2占比越小或進(jìn)氣口打開(kāi)后至活塞返回初始端面的CO2占比越大則說(shuō)明在單次壓縮沖程中進(jìn)排氣的掃氣效果較好。當(dāng)進(jìn)排氣口之間的距離在1.0 mm左右時(shí)，c2最小，此時(shí)微燃燒室中CH4質(zhì)量占比最大，CO2占比最小，可以定性定量地認(rèn)為在其他條件相同時(shí)，進(jìn)排氣口間距為1.0 mm時(shí)掃氣效果最好。

2.2 進(jìn)氣道、排氣道傾角對(duì)掃氣過(guò)程的影響

2.2.1 進(jìn)氣道傾角α對(duì)掃氣過(guò)程的影響

其他參數(shù)保持不變，研究進(jìn)氣道、排氣道傾角大小對(duì)單缸單次壓燃掃氣效果的影響，網(wǎng)格模型及參數(shù)示意圖如圖12所示。在計(jì)算的過(guò)程中，先固定了排氣道的傾角β為90°，改變進(jìn)氣道傾角α的大小，分別取30°、45°、60°、75°。

圖13和圖14分別為α=30°時(shí)CH4和CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖。圖15和圖16分別為不同α下CH4和CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化圖。

圖13 進(jìn)氣道傾角α=30°時(shí)CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

圖14 進(jìn)氣道傾角α=30°時(shí)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

圖15 不同進(jìn)氣道傾角α下CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化圖(L=1.0 mm，β=90°)

圖16 不同進(jìn)氣道傾角α 下CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化圖(L=1.0 mm，β=90°)

可以看出，進(jìn)氣道有一定傾角時(shí)，氣體流向微燃燒室頂部，與活塞壓縮行程的方向相同。分析可知，進(jìn)氣道傾角大，燃燒反應(yīng)時(shí)刻滯后，同時(shí)當(dāng)再次進(jìn)氣時(shí)充入的預(yù)混氣體也減少。進(jìn)氣道傾角越小，在壓縮過(guò)程中CH4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，可以說(shuō)明進(jìn)氣道一定的傾角有利于新鮮氣體流入微燃燒室中。由于進(jìn)氣口、排氣口相距較近，再次進(jìn)氣時(shí)新鮮氣體在高壓廢氣的推動(dòng)下直接流向排氣口，當(dāng)進(jìn)氣道為30°時(shí)活塞返回初始位置時(shí)微燃燒室中CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高。在 1.45 ms 時(shí)刻進(jìn)氣口再次打開(kāi)，殘留在燃燒室內(nèi)的CO2含量最低，此時(shí)充入的新鮮氣體更多，側(cè)面說(shuō)明在掃氣過(guò)程中進(jìn)氣道傾角為30°時(shí)掃氣效果最好。隨進(jìn)氣道傾角α不斷增加，燃燒室內(nèi)的壓力增加，燃燒反應(yīng)時(shí)刻提前。在α為75°時(shí)，峰值壓力達(dá)到最大值，約為140 MPa。在0.92 ms時(shí)刻左右，燃燒室內(nèi)活塞壓縮著火做功，在1.38 ms—1.45 ms時(shí)刻左右開(kāi)始排氣，進(jìn)氣口再次打開(kāi)后充入預(yù)混氣體。分析可知，進(jìn)氣道傾角增大，燃燒反應(yīng)時(shí)刻滯后，同時(shí)當(dāng)再次進(jìn)氣時(shí)充入的預(yù)混氣體減少。獲得結(jié)合圖13及圖14進(jìn)氣道傾角為30°時(shí)的CH4與CO2質(zhì)量分布云圖可以定性分析得出，在進(jìn)氣道傾角為30°時(shí)掃氣效果較好。

2.2.2 排氣道傾角β對(duì)掃氣過(guò)程的影響

為了研究排氣道傾角β對(duì)掃氣效果的影響，在進(jìn)氣道傾角為30°時(shí)，排氣道傾角分別選為30°、45°、60°、75°進(jìn)行了模擬分析，網(wǎng)格模型及參數(shù)示意圖如圖17所示。

圖17 不同排氣道傾角結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

圖18、圖19分別為排氣道傾角為60°時(shí)CH4、CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布圖。從圖中可以看出，在進(jìn)氣道傾角不變時(shí)，當(dāng)活塞返回進(jìn)氣口再次打開(kāi)重新進(jìn)氣后，排氣道傾角為75°時(shí)殘留在燃燒室內(nèi)的CO2較多。在1.45 ms時(shí)燃燒室內(nèi)開(kāi)始排氣，由于整個(gè)燃燒室內(nèi)壓力較高，排氣速度較快，排氣口傾角較小時(shí)高溫廢氣無(wú)法在燃燒室底部形成回流渦旋，從而掃氣效果較差。

圖18 排氣道傾角β=60°時(shí)CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

圖19 排氣道傾角β=60°時(shí)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

圖20為不同排氣道傾角下的掃氣效率折線圖。通過(guò)效率定量分析可知，隨著排氣道傾角增大，在進(jìn)氣口重新打開(kāi)之前，殘留在微燃燒室內(nèi)的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比先小幅增大后下降繼而再增大，說(shuō)明在排氣道傾角增大時(shí)，進(jìn)氣道未打開(kāi)之前排氣道傾角為60°時(shí)掃氣效果較好，進(jìn)氣口再次打開(kāi)時(shí)的新鮮氣體量更多，同時(shí)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降比例最大。

圖20 不同排氣道傾角β掃氣效率曲線圖

2.3 進(jìn)、排氣道孔徑大小對(duì)掃氣過(guò)程的影響

在之前的研究中，確定了最佳進(jìn)氣道傾角、排氣道傾角及間距參數(shù)，因此進(jìn)氣道傾角取30°，排氣道傾角取60°，進(jìn)排氣口間距取1.0 mm，網(wǎng)格模型及結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖如圖21所示。

圖21 不同進(jìn)排氣道孔徑結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

在發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，排氣口相位在前，進(jìn)氣口相位在后，且排氣道孔徑需大于進(jìn)氣道孔徑以利于發(fā)動(dòng)機(jī)掃氣。針對(duì)進(jìn)氣道孔徑為0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm，排氣道孔徑為0.5 mm、0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm開(kāi)展數(shù)值模擬研究。圖22截取了3種最優(yōu)方案活塞返回初始位置時(shí)的CH4與CO2質(zhì)量分布云圖。從圖中可以直觀看出，當(dāng)進(jìn)氣道孔徑為0.5 mm而排氣道孔徑為 0.6 mm 時(shí)，活塞初始位置處的燃燒室底部甲烷含量較高。當(dāng)進(jìn)氣道孔徑為0.4 mm時(shí)，殘留在燃燒室底部的CH4含量相對(duì)較多；而當(dāng)進(jìn)氣道孔徑為0.5 mm時(shí)，一次沖壓結(jié)束后的CH4含量幾乎為0，這是因?yàn)樵趬喝歼^(guò)程中燃燒較充分，換氣效果較好。同時(shí)當(dāng)進(jìn)氣口再次打開(kāi)后返回至活塞初始端面處的甲烷也較少，這說(shuō)明在單次壓燃過(guò)程中進(jìn)氣道孔徑對(duì)掃氣過(guò)程有明顯影響。殘留在燃燒室的CO2含量隨進(jìn)氣道孔徑的增大先減少后增多，當(dāng)進(jìn)氣道孔徑為0.6 mm而排氣道孔徑為0.7 mm時(shí)，燃燒室底部殘留的CO2較多，在排氣口打開(kāi)之前整個(gè)燃燒室分布較均勻，進(jìn)氣口的新鮮氣體量較少。

圖22 3種最優(yōu)方案活塞返回時(shí)的CH4和CO2質(zhì)量分布云圖

在確定進(jìn)氣道孔徑為0.5 mm條件下，選擇排氣道孔徑分別為0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm進(jìn)行對(duì)比。從圖23壓力對(duì)比圖分析可知，隨著進(jìn)氣道、排氣道孔徑不斷增大，充入燃燒室內(nèi)的新鮮氣體量也增多，接觸面積增大使進(jìn)氣與排氣過(guò)程中的壓力相對(duì)減小，也能使整個(gè)運(yùn)行工況更加平穩(wěn)?？紤]到在整個(gè)掃氣過(guò)程中CH4與CO2占比是判斷掃氣過(guò)程好壞的關(guān)鍵，對(duì)比了不同進(jìn)氣道孔徑下的掃氣效率如圖24所示。從圖中可以定量計(jì)算分析出在進(jìn)氣道孔徑Din為0.5 mm時(shí)c2最小，此時(shí)掃氣效果最佳。綜上，在截取的這3種方案下，進(jìn)氣道孔徑為0.5 mm、排氣道孔徑為0.6 mm時(shí)掃氣效果最好。

圖23 不同排氣道孔徑下壓力對(duì)比圖(Din=0.5 mm)

圖24 不同進(jìn)氣道孔徑下的掃氣效率曲線圖

圖25為不同排氣道孔徑下CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)比圖。從圖25中可以看出，在1.39 ms左右進(jìn)氣口打開(kāi)，燃燒室內(nèi)開(kāi)始進(jìn)入新鮮氣體量，結(jié)合CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)比圖可以看出在排氣道孔徑為0.6 mm時(shí)整個(gè)燃燒室內(nèi)的高溫廢氣幾乎排出，即在這種方案下掃氣效果最優(yōu)?？梢园l(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣道孔徑和排氣道孔徑相差越小，則掃氣效果越好。

圖25 不同排氣道孔徑下CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)(Din=0.5 mm)

隨著進(jìn)氣道孔徑、排氣道孔徑差距不斷增大，掃氣效率不斷降低，且在進(jìn)氣道孔徑為0.4～0.6 mm時(shí)，掃氣效率變化幅度較大。這是因?yàn)殡S著進(jìn)氣道孔徑、排氣道孔徑的增加，進(jìn)入微燃燒室內(nèi)的均質(zhì)混合氣也增多，燃燒更加充分，燃燒室內(nèi)壓強(qiáng)變大，溫度明顯上升。由于進(jìn)排氣道伴隨一定傾角，使得壓縮過(guò)程中燃燒室內(nèi)形成氣旋渦流，推動(dòng)活塞壓縮氣體，使著火時(shí)刻提前。因此，改變進(jìn)排氣道孔徑也有助于提高進(jìn)排氣結(jié)構(gòu)掃氣效率。在參考常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸下，將微燃燒室直徑設(shè)為3 mm，而且在設(shè)計(jì)時(shí)理論上排氣道孔徑要略大于進(jìn)氣道孔徑，所以排氣道孔徑必須控制在1.5 mm以?xún)?nèi)，考慮到微尺度下要盡可能保證發(fā)動(dòng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，減少熱量損失，不宜將進(jìn)氣道、排氣道孔徑設(shè)置過(guò)大。綜合以上數(shù)據(jù)，在目前的研究方案中，得到進(jìn)排氣結(jié)構(gòu)最佳設(shè)計(jì)尺寸為：進(jìn)氣道傾角30°，排氣道傾角60°，進(jìn)排氣口間距1.0 mm，進(jìn)氣道孔徑0.5 mm，排氣道孔徑0.6 mm。

3 結(jié)論

(1) 當(dāng)進(jìn)排氣口間距L增大，燃燒室內(nèi)的峰值壓力和溫度也不斷升高，在L為1.0 mm時(shí)，殘留在微燃燒室內(nèi)的CO2占比最少，即掃氣效果最好。

(2) 在排氣道傾角β為90°時(shí)，當(dāng)進(jìn)氣道傾角增大，掃氣效率不斷降低，在α為30°時(shí)掃氣效果最好，此時(shí)進(jìn)氣道傾角α與軸線形成一定夾角從而產(chǎn)生氣流渦旋。排氣道傾角β=60°時(shí)對(duì)微自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的掃氣過(guò)程影響更加明顯。

(3) 當(dāng)進(jìn)氣道孔徑、排氣道孔徑差距不斷減小，其掃氣更充分。隨著進(jìn)氣道孔徑增大， CO2占比呈先減小后增大的趨勢(shì)，在進(jìn)氣道孔徑Din為0.5 mm，排氣道孔徑Dout為0.6 mm時(shí)，微型自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)掃氣效果最佳。