自由活塞汽油直線發電機燃燒過程特性

袁晨恒，馮慧華，王夢秋，左正興

(北京理工大學 機械與車輛學院，北京100081)

0 引 言

自由活塞直線發電機(Free－piston linear alternator，FPLA)是一種新型直線內燃發動/發電混合動力裝置。FPLA 一般采用對置雙缸的布置形式，兩個自由活塞發動機分置于兩端，中間布置有直線發電機［1－2］。與傳統發動機相比，FPLA 最大特點是沒有曲柄連桿機構，動力輸出不經過旋轉機械，而是通過直線電機將活塞的往復直線運動轉化為電能輸出，具有結構簡單、摩擦損失小、壓縮比可變等特點［3－7］。

目前許多研究人員已經發現自由活塞直線發電機與傳統發動機的活塞運動規律存在較大的差異。相對于傳統發動機，從整體上看，FPLA 具有相對較慢的有效壓縮行程和較快的膨脹行程［8－9］。由于活塞運動學上的差異可能會導致兩種發動機的燃燒過程也出現諸多不同，因此，本文應用AVL_FIRE 數值模擬軟件耦合自由活塞運動特點，對其燃燒過程進行數值計算，并將其與傳統往復活塞式二沖程汽油發動機(Conventional engine，CE)的燃燒過程進行了對比，發現FPLA燃燒放熱可能存在的特點，以便為樣機燃燒策略的設計提供依據。

1 FPLA 運動特性試驗

1.1 試驗樣機與測試儀器

自由活塞直線發電機實驗樣機系統如圖1 所示，相關參數如下:缸徑為34 mm;活塞質量為1.2 kg;額定壓縮比為7.5;過量空氣系數為1.02;電磁負載為127 N/(m·s－1)。

圖1 自由活塞直線發電機樣機Fig.1 Experimental prototype of FPLA

系統主要包括4 個部分:點燃式自由活塞直線發電機、直線電機控制器、工作模式轉換電路及負載電阻箱和數據采集設備。其中數據采集設備包括Dewetron 公司的DEWE3020 型數據采集系統、Kistler 公司生產的6052C 型壓力傳感器和GSI 公司的M1550 型光柵位移傳感器。

1.2 試驗過程與結果

啟動時，直線電機工作在電動機模式，推動活塞運動組件運動;通過安裝在電機動子上的光柵位移傳感器實時檢測整個活塞運動組件的位置和速度，并反饋給直線電機控制器。當活塞組件運動到達額定位置時，直線電機工作模式轉換電路將直線電機和負載電路導通，此時直線電機工作在發電機模式，作為負載，產生感應電動勢。工作模式轉換完成后，當活塞在慣性力的作用下運動到額定點火位置時，控制器發出點火脈沖點燃缸內混合氣，推動活塞向對側氣缸運動，并壓縮對側發動機缸內混合氣體到相同點火壓縮比時，對側火花塞點燃混合氣;采集到多個循環的樣機運行狀況后停機。圖2 為測試得到的缸內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 活塞運動特性對比

自由活塞直線發電機與具有相同缸徑和行程的傳統發動機活塞位移曲線如圖3 所示，其中傳統發動機曲柄連桿比為1/4。

圖3 兩種發動機活塞運動曲線對比Fig.3 Piston dynamics comparation between FPLA and CE

由兩種發動機活塞位移曲線可以發現:自由活塞直線發電機活塞加速度在上、下止點較大，而在其余位置加速度較小;上止點附近，FPLA 具有較慢的壓縮行程和較快的膨脹行程。考慮到二沖程發動機的有效壓縮過程是在排氣口關閉之后進行的，因此，模擬計算的范圍為排氣口開始關閉(EPC)到排氣口打開(EPO)［9］。另外，由于兩種發動機活塞運動曲線存在差異，這就導致兩種發動機在相同轉速(頻率)下關閉和打開排氣口的時刻也不同，FPLA 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。由于自由活塞發動機沒有曲軸，用等效曲軸轉角(ECA)來表示氣門開閉的時刻，且ECA 與時間的關系為:

式中:t0為自由活塞運動初始時刻;f 為活塞運動組件的往復運動頻率［9］。

2 燃燒計算模型

2.1 計算網格模型

圖4 燃燒室網格模型Fig.4 Computational mesh of combustion process

自由活塞發動機氣缸的數值計算網格模型如圖4 所示，在有效壓縮行程開始時刻，整個燃燒室模型網格總數為42 824，全部為六面體網格。在建立計算動網格模型時，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，然后根據活塞位置生成動網格模型。

2.2 點火時刻

為了使得兩種發動機燃燒過程具有對比性，需要確保兩種發動機具有相同的點火時刻，然而跟據前面對兩種活塞動力學曲線的對比分析可知，兩種發動機具有相同的點火時刻意味著兩種發動機具有相同的點火提前角或者具有相同的點火壓縮比，如圖5 所示。其中，當這兩種發動機選擇在相同的曲軸轉角點火時，此時傳統發動機已經達到的壓縮比較大;當選擇氣缸達到相同的壓縮比點火時，傳統發動機的點火提前角較大。為了充分說明兩種發動機的燃燒差異，選擇具有相同點火壓縮比和相同點火角度這兩種情況下的燃燒過程進行計算，并與FPLA 的燃燒過程進行對比分析。

圖5 兩種發動機點火時刻活塞位置Fig.5 Ignition schedules of FPLA and CE

點火過程所涉及的數據如表1 所示。表1中，CE_SA 表示傳統發動機選擇與FPLA 相同的點火角度，CE_SP 表示傳統發動機選擇與FPLA相同的點火位移。

表1 點火時刻數據Table 1 Ignition parameters of FPLA and CE

2.3 計算模型

在仿真計算中，汽油發動機的缸內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、比中心差分穩定性和收斂性要好的MINIMOD Relaxed 格式，連續方程為中心差分格式，能量等方程使用迎風格式［10］。

2.4 模型驗證

為驗證計算模型的有效性，將計算與試驗結果進行了比較。圖6 為自由活塞直線發電機氣缸壓力曲線計算值與實驗值的對比。從圖6 的缸壓曲線對比來看，模擬計算的結果與實測值曲線走向基本相同，數據偏差較小，整個運行工況下兩者的最大誤差值在6%以內，驗證了所建模型的合理性。

圖6 計算模型驗證結果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動機和傳統發動機的缸內壓力變化曲線如圖7 所示。由圖7可見，當兩種發動機取相同的點火提前角時，FPLA 的最高燃燒壓力較傳統發動機小，最高燃燒壓力出現得也比較早，分別出現在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前，自由活塞直線發電機缸內氣體壓力升高率總體呈現增大的趨勢，但壓力升高率峰值較傳統發動機小，在最高燃燒壓力出現后，自由活塞直線發電機負向壓力升高率則與傳統發動機幾乎無差異，且負向壓力升高率峰值還略大于傳統發動機。當兩種發動機取相同的點火壓縮比時，FPLA 的最高燃燒壓力也較傳統發動機小，但最高燃燒壓力出現略晚于傳統發動機;另外，傳統發動機壓力升高率變化趨勢與兩種發動機取相同點火提前角一致，但峰值更明顯。

圖7 兩種發動機缸內壓力變化曲線Fig.7 Pressure comparation between FPLA and CE

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

兩種發動機在不同的點火時刻，燃燒過程放熱量變化狀況如圖8 所示。當兩種發動機在相同的點火提前角時，相對于傳統發動機，自由活塞直線發電機燃燒放熱持續期較長，兩種發動機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，自由活塞直線發電機燃燒放熱率呈現“緩和長”的特點，較多的熱量在上止點過后釋放，燃燒等容度較低，而傳統發動機相對較多的燃料在上止點前已經完成燃燒，且后燃期持續時間較短。當兩種發動機在相同的點火提前位置時，傳統發動機更早開始燃燒放熱，但兩種發動機燃燒持續期幾乎無差異;傳統發動機放熱率趨勢與兩種發動機取相同點火提前角時也基本一致。另外，從指示效率來看，傳統發動機在兩種不同的點火時刻，其指示效率均高于自由活塞直線發電機。

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

燃燒過程缸內氣體平均溫度隨曲軸轉角的變化曲線如圖9 所示。由圖9 可知，無論傳統發動機選取與自由活塞直線發電機相同的點火提前位置還是相同的點火提前曲軸轉角，燃燒過程中傳統發動機缸內氣體平均溫度均高于自由活塞直線發電機;峰值溫度分別相差198 K 和213 K。

圖9 兩種發動機缸內平均溫度對比Fig.9 Mean temperature comparison of FPLA and CE

另外，燃燒過程所產生的污染物(NO)隨曲軸轉角的變化曲線如圖10 所示。由圖10 可知，燃燒結束后，自由活塞直線發電機NO 質量分數為0.0043，而傳統發動機在相同的點火提前角時的NO 質量分數為0.0055，在相同的點火提前位置，NO 質量分數為0.0056。與傳統發動機相比，自由活塞直線發電機的NO 排放具有顯著優勢。

圖10 兩種發動機NO 排放對比Fig.10 NO emission comparison of FPLA and CE

綜上可見，自由活塞直線發電機燃燒過程與傳統發動機相比存在明顯不同的特征，這是由于兩種發動機活塞運動規律差異所導致的。因為，當傳統發動機選取與自由活塞直線發電機相同的點火提前角時，由于自由活塞直線發電機壓縮行程較慢，在火花塞點火時刻，傳統發動機的壓縮比較大，缸內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，由于此時傳統發動機壓縮比較高，燃燒放熱速率較自由活塞直線發電機快，導致缸內氣體溫度、壓力升高率和最高燃燒壓力也較自由活塞直線發電機大;隨著活塞越過上止點，由于自由活塞直線發電機沒有機械機構的限制，自由活塞加速度非常大，燃燒室容積變化較快，導致負向壓力升高率較傳統發動機大，缸內壓力變化較快，最高燃燒壓力停留的時間也較傳統發動機短。當傳統發動機選取與自由活塞直線發電機相同的點火提前位置時，由于活塞運動規律的差異，此時傳統發動機具有較大的點火提前角，點火后，傳統發動機較早開始燃燒，并且由于點火提前角大，在壓縮行程階段完成燃燒放熱的可燃混合氣也較多，導致燃燒放熱率、缸內氣體溫度、壓力升高率及最高燃燒壓力較自由活塞直線發電機大，且由于較多的燃料在上止點前燃燒，因此最高燃燒壓力和峰值溫度也較自由活塞直線發電機提前到達，并且此時傳統發動機活塞加速度小于自由活塞直線發電機，因此最高燃燒壓力保持期相對較長。另外，在兩種點火時刻，傳統發動機缸內氣體壓力和溫度均較自由活塞直線發電機高，且缸內壓力和溫度下降速率較慢，因此燃燒過程中產生較多的NO 污染物。

4 結 論

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

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

(3)與自由活塞直線發電機相比，傳統發動機較多的混合氣在上止點前完成燃燒，壓縮行程負功較多，但由于其燃燒等容度較高，實際指示效率較自由活塞直線發電機高。

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