基于電磁驅動的自由活塞發動機燃燒室結構優化設計

尹凝霞，常思勤，李深杰

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

基于電磁驅動的自由活塞發動機燃燒室結構優化設計

尹凝霞1，常思勤2，李深杰3

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

為改善自由活塞發動機的燃燒質量，依據建立的電磁驅動自由活塞發動機仿真模型，采用數值模擬與試驗相結合的方法對自由活塞發動機燃燒過程進行了仿真分析，并對活塞頂部形狀進行了優化設計.結果表明，通過對電磁驅動的自由活塞發動機燃燒室的優化設計，提高了換氣效率，增大了壓縮比，缸內峰值壓力隨之增大.該研究為組織好電磁驅動自由活塞發動機缸內氣體流動提供依據，為電動汽車和混合動力汽車的發展提供發動機基礎.

自由活塞發動機；活塞頂部形狀；電磁驅動；優化

集自由活塞與電磁驅動直線電機于一體的自由活塞發動機如圖1所示. 自由活塞與直線電機動子相連，在直線電機驅動下往復運動，燃料在燃燒室內燃燒后釋放出內能推動自由活塞做功，直線電機既可作為電動機驅動汽車，也可作為發電機存儲電能.無曲柄連桿機構，其機械結構進一步簡化，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點，成為國內外研究熱點[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展技術需要[5]. 改變自由活塞發動機進氣沖程長度，可以循環進氣量，以滿足不同負荷動力要求，但進氣沖程長度的改變使得循環時間亦發生變化，進而影響到發動機的輸出功率.采用原462發動機缸蓋，優化活塞頂部形狀，增大壓縮比，以充分發揮高辛烷值燃料優勢，同時還有利于缸內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—自由活塞發動機；8—供氣系統圖1 自由活塞發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行了優化，并利用三維軟件Fluent對基于電磁驅動的不同活塞頂部形狀的自由活塞天然氣發動機性能進行了預測，為優化自由活塞發動機燃燒室形狀提供了理論依據.

1 活塞頂部形狀優化

燃燒室形狀會影響缸內混合氣的形成與燃燒，進而影響發動機性能. 合適的燃燒室形狀可引導氣流運動，加速火焰傳播，使燃燒速度加快，對天然氣發動機尤為重要.本文在試驗基礎上通過仿真計算，在原蓬頂狀缸蓋基礎上，對其燃燒室結構進行了優化設計.4種活塞頂部如圖2所示.原活塞頂部如圖2中0#所示，由于缺少機械結構對自由活塞往復運動進行約束.為使活塞受力平衡運動平穩，優化的活塞頂部均采用對稱結構，且為增加有效壓縮比，優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.

表1 燃燒室特性參數

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，其結構是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

應用Pro/E軟件建立幾何模型(如圖3(a)所示)，導入Gambit軟件劃分成如圖3(b)所示的計算網格.

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

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

示功圖是驗證發動機計算模型準確性的有效途徑之一[10]，為驗證模型準確性，在圖1(b)的自由活塞發動機臺架上進行了原理樣機試驗，樣機參數如表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時缸內的實時壓力(因原理樣機初始設計所限，最大壓縮比只能達到7.7)，將此試驗結果與仿真計算結果對比如圖4所示.

表2 樣機參數

圖4 缸內壓力Fig.4 In-cylinder pressure

由圖4可見，仿真計算結果與試驗結果吻合較好.因此，通過仿真計算分析自由活塞頂部形狀對進氣和燃燒的影響，進而對自由活塞的頂部形狀進行優化設計的預測方法是可行的.

3 結果分析與討論

3.1 活塞頂部形狀對自由活塞發動機循環進氣量 和換氣效率的影響

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

(a) 活塞頂部形狀對循環進氣量的影響

(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進氣量和換氣效率的影響Fig.5 Effect of piston top on cycle intake quantity and air exchange efficiency

發動機的最大輸出功率很大程度上取決于發動機循環進氣量，發動機實際運轉時由于在排氣上止點的余隙容積，使得每個工作循環都有廢氣殘存在余隙容積內，循環進氣量差別不大時，殘存廢氣量會影響系統的換氣效率.活塞頂部形狀對自由活塞發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向作用，有效地改善換氣質量.

3.2 活塞頂部形狀對自由活塞發動機燃燒的影響

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

(a) 燃燒進程10%

(b) 燃燒進程50%

(c) 燃燒進程90%圖6 活塞頂部形狀對燃燒進程溫度場的影響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，點火前發動機缸內溫度與壓力最低，因而在很大程度上限制了火焰傳播的速度，同時，燃燒室形狀對火焰的發展影響較大. 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，結構最為緊湊，燃燒最快.

活塞頂部形狀對自由活塞發動機缸內流場的影響隨著壓縮的進程越來越明顯.這是因為活塞頂部形狀和活塞運動對缸內紊流影響較大，而紊流特性又是發動機缸內火焰傳播和燃燒速度的重要影響因素，合適的紊流可加快火核的發展和傳播，減少末端未燃混合氣因爆震而引起循環變動的可能性，同時還可大大降低未燃碳氫的排放.進氣渦流和擠流均可產生紊流.自由活塞發動機內燃燒時的速度場與湍流場分別如圖7和8所示.

(a) 燃燒進程10%

(b) 燃燒進程50%

(c) 燃燒進程90%圖7 活塞頂部形狀對燃燒進程速度場的影響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，由于活塞頂部的凸起會產生擠流，且由于受到活塞頂部形狀影響，燃燒過程中缸內氣體運動速度不同，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) 燃燒進程10%

(b) 燃燒進程50%

(c) 燃燒進程90%圖8 活塞頂部形狀對燃燒進程湍流場的影響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#發動機缸內形成的紊流有助于提高火焰傳播速度，縮短滯燃期，燃燒持續期也隨之相應縮短，同時對火花塞一側的主進氣流有一定阻礙，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，使得點火更趨于穩定，循環變動減小.

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

(a) 活塞頂部形狀對燃燒進程的影響

(b) 活塞頂部形狀對缸內壓力的影響圖9 活塞頂部形狀對燃燒進程和缸內壓力的影響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#燃燒室內的峰值壓力比其他燃燒室內的峰值壓力提高了約1 MPa，因此提高了發動機的熱效率. 但平頂活塞因其加工方便、面容比小、火焰傳播快等優點應用較廣，只要滿足壓縮比與對外輸出功率要求，則應優先選用平頂活塞.

5 結 語

本文在試驗的基礎上，采用數值模擬方法對原462發動機基礎上改建的自由活塞發動機進行仿真分析，重點分析了活塞頂部形狀對電磁驅動的自由活塞發動機循環進氣量、換氣效率及燃燒的影響，得出較優的活塞頂部形狀，為組織好電磁驅動自由活塞發動機缸內氣體流動提供依據，為電動汽車和混合動力汽車的發展提供發動機基礎.

鑒于原自由活塞發動機初始結構所限，原平頂活塞組成的燃燒室壓縮比小，換氣效率低，缸內壓力低.在進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7 MPa，提高了發動機的熱效率.

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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

國家自然科學基金資助項目(50876043)；廣東省創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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