基于電磁驅(qū)動(dòng)的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(jī)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(dòng)的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(jī)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(dòng)機(jī)的燃燒質(zhì)量，依據(jù)建立的電磁驅(qū)動(dòng)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型，采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)活塞頂部形狀進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì).結(jié)果表明，通過對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(dòng)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氣體流動(dòng)提供依據(jù)，為電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的發(fā)展提供發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ).

自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)；活塞頂部形狀；電磁驅(qū)動(dòng)；優(yōu)化

集自由活塞與電磁驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)于一體的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)如圖1所示. 自由活塞與直線電機(jī)動(dòng)子相連，在直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，燃料在燃燒室內(nèi)燃燒后釋放出內(nèi)能推動(dòng)自由活塞做功，直線電機(jī)既可作為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車，也可作為發(fā)電機(jī)存儲(chǔ)電能.無曲柄連桿機(jī)構(gòu)，其機(jī)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(yùn)動(dòng)可控、壓縮比和膨脹比可變、可燃用多種燃料等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)[3-4]，非常適合用于混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車，符合國家對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展技術(shù)需要[5]. 改變自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)力要求，但進(jìn)氣沖程長度的改變使得循環(huán)時(shí)間亦發(fā)生變化，進(jìn)而影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率.采用原462發(fā)動(dòng)機(jī)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(shì)，同時(shí)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(jī)試驗(yàn)臺(tái)架1—直線電機(jī)；2—自由活塞；3—電磁氣門；4—可逆電能存儲(chǔ)單元；5—上位機(jī)；6—控制器；7—自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)；8—供氣系統(tǒng)圖1 自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)原理圖及樣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架Fig.1 Schematic and prototype test-bed of free piston engine

本文對(duì)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(duì)基于電磁驅(qū)動(dòng)的不同活塞頂部形狀的自由活塞天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行了預(yù)測，為優(yōu)化自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)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(huì)影響缸內(nèi)混合氣的形成與燃燒，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能. 合適的燃燒室形狀可引導(dǎo)氣流運(yùn)動(dòng)，加速火焰?zhèn)鞑?，使燃燒速度加快，?duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)尤為重要.本文在試驗(yàn)基礎(chǔ)上通過仿真計(jì)算，在原蓬頂狀缸蓋基礎(chǔ)上，對(duì)其燃燒室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì).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(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)自由活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行約束.為使活塞受力平衡運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，優(yōu)化的活塞頂部均采用對(duì)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(shí)，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(jì)算模型及模型驗(yàn)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(jì)算網(wǎng)格.

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

采用瞬態(tài)計(jì)算模式，內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)工作過程計(jì)算實(shí)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(shí)，對(duì)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(jì)算模型和PISO (pressure implicit split operator)算法，動(dòng)量、能量和湍流方程的計(jì)算均選用1階迎風(fēng)格式. 為加速收斂，參照試驗(yàn)對(duì)初始值進(jìn)行了設(shè)定，氣缸和進(jìn)氣道初始?jí)毫υO(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(qiáng)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(dòng)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(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算模型準(zhǔn)確性的有效途徑之一[10]，為驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性，在圖1(b)的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行了原理樣機(jī)試驗(yàn)，樣機(jī)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(shí)缸內(nèi)的實(shí)時(shí)壓力(因原理樣機(jī)初始設(shè)計(jì)所限，最大壓縮比只能達(dá)到7.7)，將此試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖4所示.

表2 樣機(jī)參數(shù)

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

由圖4可見，仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好.因此，通過仿真計(jì)算分析自由活塞頂部形狀對(duì)進(jìn)氣和燃燒的影響，進(jìn)而對(duì)自由活塞的頂部形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)進(jìn)氣量 和換氣效率的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)外輸出功率與可承受的負(fù)載很大程度上取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)進(jìn)氣量，小缸徑發(fā)動(dòng)機(jī)受其影響更大.活塞頂部形狀對(duì)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)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(dòng)機(jī)的循環(huán)進(jìn)氣量主要受發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣沖程長度的影響，活塞頂部形狀對(duì)其影響較小.

(a) 活塞頂部形狀對(duì)循環(huán)進(jìn)氣量的影響

(b) 活塞頂部形狀對(duì)換氣效率的影響圖5 活塞頂部形狀對(duì)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(dòng)機(jī)的最大輸出功率很大程度上取決于發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)進(jìn)氣量，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于在排氣上止點(diǎn)的余隙容積，使得每個(gè)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(shí)，殘存廢氣量會(huì)影響系統(tǒng)的換氣效率.活塞頂部形狀對(duì)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)活塞頂部由平頂改為凸頂，排氣上止點(diǎn)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(duì)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(duì)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)性能的好壞.活塞頂部形狀對(duì)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(duì)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?yàn)槠涿嫒荼茸钚?，但因在相同壓縮沖程長度時(shí)壓縮比最小，點(diǎn)火前發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度與壓力最低，因而在很大程度上限制了火焰?zhèn)鞑サ乃俣龋瑫r(shí)，燃燒室形狀對(duì)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(gè)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(duì)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)流場的影響隨著壓縮的進(jìn)程越來越明顯.這是因?yàn)榛钊敳啃螤詈突钊\(yùn)動(dòng)對(duì)缸內(nèi)紊流影響較大，而紊流特性又是發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)的可能性，同時(shí)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(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒時(shí)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(duì)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(huì)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(yùn)動(dòng)速度不同，在3個(gè)凸頂活塞組成的燃燒室中，2#燃燒室內(nèi)氣體流速相對(duì)較大，氣體分子的快速運(yùn)動(dòng)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(duì)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(duì)燃燒影響較大. 2#與3#發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)對(duì)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(qiáng)度降低，降低火花塞附近的湍流強(qiáng)度有助于點(diǎn)火初期火核的形成，使得點(diǎn)火更趨于穩(wěn)定，循環(huán)變動(dòng)減小.

雖然凸起的活塞頂部形狀增大了壓縮終了時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的壓力和溫度，并因產(chǎn)生擠流而改善了發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的湍流場與速度場，進(jìn)而對(duì)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(duì)燃燒進(jìn)程的影響

(b) 活塞頂部形狀對(duì)缸內(nèi)壓力的影響圖9 活塞頂部形狀對(duì)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?yàn)?#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(dòng)機(jī)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(diǎn)應(yīng)用較廣，只要滿足壓縮比與對(duì)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(yàn)的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法對(duì)原462發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上改建的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真分析，重點(diǎn)分析了活塞頂部形狀對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氣體流動(dòng)提供依據(jù)，為電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的發(fā)展提供發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ).

鑒于原自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)不變時(shí)，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(dòng)機(jī)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(xiàng)目(50876043)；廣東省創(chuàng)新強(qiáng)校工程資助項(xiàng)目(GDOU2015050225)

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

TK 441

A