微自由活塞動力裝置預熱燃燒過程的實驗研究

摘要：為使微自由活塞動力裝置在一定初始條件下能夠穩定可靠的著火燃燒，對均質混合氣進行預熱燃燒過程研究。搭建微自由活塞動力裝置單次沖擊著火燃燒試驗平臺，開展了帶有預熱裝置的燃燒過程可視化試驗研究;試驗結果表明：對均質混合氣預熱，可降低壓燃氣體著火條件，提高著火燃燒可靠性，單次壓縮沖程時間縮短，著火時刻提前，臨界壓然初動能降低。

Abstract： In order to make the micro free piston power device achieving stable and reliable fire burning in more general initial conditions， homogeneous mixed gas is preheated. The experimental platform of single short combustion of micro free-piston power device is built. A visualization experiment of combustion process with preheating device was carried out. A single shock model of micro free-piston power device is established， the gas phase reaction mechanism model is determined， and the calculation model is clear. The results of experiments show that preheating the homogeneous mixture can reduce the ignition condition of the compression ignition gas， improve the reliability of ignition combustion， shorten the time of single compression stroke， reduce the initial kinetic energy of burning required and ignition time advances.

關鍵詞：微動力裝置;預熱;壓燃;穩定性

Key words： micro free-piston device;preheating;HCCI combustion;stability

0? 引言

近年來，自由活塞發動機憑借其獨特的結構以及性能優勢成為研究熱點。上海交通大學李慶峰[1，2]等人試制了缸徑40.8mm，理論沖程為37.4mm的兩沖程點燃式自由活塞發電機的樣機，并進行數值模擬仿真研究。西安交通大學的B. Zhang[3]等人開發了一套用于能量回收的自由活塞膨脹機。明尼蘇達大學成功開展微動力裝置單次沖擊壓縮著火實驗研究[4]。劍橋大學的Sher I等人[5]對微HCCI自由活塞發動機進行相關的數值模擬研究，分析發動機尺寸和活塞運動特性之間的關系，提出了微型HCCI活塞發動機尺寸極限的概念。

目前微自由活塞動力裝置面臨一些難題：燃燒過程較難控制，面容比增大而引起的傳熱損失，火焰淬熄，燃燒不穩定等等。為解決上述困難，采用均質混合氣預熱的方式實現可靠燃燒，拓寬著火界限，采用均質充量壓燃（HCCI， Homogeneous Charge Compression Ignition）的新型燃燒方式，即燃料與空氣提前預混合。該方法主要是通過提高進氣溫度，實現過余焓燃燒。即主要采用熱量循環來減少熱量的損失，并且對低溫的預混合燃氣進行預熱。實現熱循環采用結構中最為簡單的就是U型微通道，若U型微通道將微燃燒室作為中心進行卷曲，即形成了所謂的“瑞士卷”結構。這種類型的微燃燒器最早由Lloyd和Weinberg提出，主要是用來對低熱值燃料進行燃燒[6]。曹海亮和徐進良創建了“C”形結構回熱型燃燒器[7]。本文建立微自由活塞動力裝置試驗臺架，研究預熱條件下，微自由活塞動力裝置的燃燒過程，整個試驗裝置包括預混燃氣供給系統，微燃燒主體，預熱控溫系統，可視化試驗數據采集系統。

1? 微自由活塞動力裝置預熱燃燒過程的實驗研究

1.1 微自由活塞動力裝置實驗裝置及工作原理

為探索在預熱狀態下微自由活塞式動力裝置著火特性及自由活塞運動狀況，建立了自由活塞開展單次沖擊壓縮著火過程可視化試驗研究，圖1為微自由活塞動力裝置系統示意圖。

將二甲醚/氧氣混合而成的均值混合氣充入由高硼酸硅制成的微燃燒室內，通過質量流量計控制混合氣當量比;微燃燒室的主體部分由鋼制自由活塞，撞針，尾塞堵頭構成;利用加熱元件對微燃燒室內均質預混合氣進行預熱，預熱溫度通過繼電器與溫度控制器進行控制;氣動裝置在高壓氮氣作用下，撞擊撞針進而推動活塞，提供自由活塞在微燃燒室內開始運動的初速度，整個壓縮燃燒過程圖像由高速數碼相機拍攝而得。

1.2 預混燃氣共給系統

可燃氣體與氧氣能否均勻的混合是影響HCCI燃燒實驗精確性的主要因素之一，因此設計了預混燃氣供給系統，為可燃氣體與氧氣準確的均勻混合提供了保證。兩個微質量流量計分別控制氧氣和燃氣的流量輸出，質量流量控制器用來控制氣體的混合比例，按照一定比例均勻混合之后的預混合氣體最終進入微燃燒室，進而進行壓縮著火燃燒過程。

1.3 預熱控溫系統

設計微燃燒室預熱控溫系統，對微燃燒室進行預加熱并且控制其初始溫度在一個特定的值。預熱控溫系統主要包括加熱元件、繼電器、溫度控制器，圖2為加熱元件裝置。系統工作時，加熱元件套在微燃燒室管壁外部（如圖3所示），通過繼電器與溫度控制器控制加熱元件溫度，使微燃燒室溫度達到設定值，起到預加熱的作用。由于微自由活塞動力裝置單次沖擊所用時間較短，因此對于單次沖擊微燃燒室壁面傳熱幾乎可以忽略。

1.4 微燃燒主體

微燃燒主體部分包括撞針、自由活塞、微燃燒室、尾塞和堵頭，微燃燒主體部分示意圖如圖4所示。為了避免撞針推動自由活塞的過程中產生側向力使可視化微燃燒室破裂，撞針、自由活塞、微燃燒室、尾塞、與堵頭的中心需要保持在一條直線上。為了避免微燃燒室水平滑動影響實驗開展，可視化主體部分加入堵頭頂住微燃燒室。由于微燃燒室內均質預混合氣瞬間壓縮著火燃燒會產生很大的爆發壓力，溫度也會瞬間升高，因此微燃燒室的制作材料選定高硼硅，因為其具有耐高溫、耐高壓以及好的透光性能等優點。并且微燃燒室在加工完成之后進行了去應力的處理，目的是減少由于微燃燒室內部壓力過大而產生的微燃燒室爆裂現象的發生。

1.5 可視化試驗數據采集系統

試驗裝置的可視化采集系統包括數碼相機以及輔助光源。在實驗中通過高速數碼相機記錄自由活塞壓縮均質預混合氣體并且燃燒的全過程。輔助光源為100W白光LED冷光源。高速數碼相機為美國REDLAKE MASD公司的MotionProTM10000型黑白攝像機。因為整個自由活塞壓縮均質預混合氣著火燃燒過程所用時間非常短，因此高速數碼相機必須擁有很高的拍攝性能，從照片拍攝速度和照片質量雙方面考慮，選擇了40000幀/秒的拍攝速度進行實驗。輔助光源的使用確保了拍攝照片的清晰度。

2? 預熱條件下實驗結果及分析

本文根據上節內容搭建實驗裝置，進行試驗研究，分析了在預熱條件下，預熱對壓燃著火界限、單次壓縮沖程，著火時刻、以及自由活塞初動能的影響。

2.1 預熱對壓燃著火界限的影響

試驗初始條件：自由活塞長20.00mm ，可壓縮行程約為20mm，微燃燒室直徑為3.00mm，二甲醚具有較低的自燃溫度，且其氣態低熱值比較適中，因此實驗裝置中的混合燃料選擇二甲醚/氧氣，考慮到微燃燒室與自由活塞之間的氣密性，自由活塞和微燃燒內壁面間隙小于5μm。

為研究預熱對壓燃著火界限的影響，分別對未預熱，預熱溫度達到320K，360K三種情況進行試驗分析，高速數碼相機攝錄了活塞單次壓縮過程的照片。實驗結果顯示，無預加熱，且室溫較低的情況下，自由活塞壓縮均質預混合氣很難發生著火燃燒現象。如圖5為未對微燃燒室進行預加熱實驗圖片，從圖片中可以看出，自由活塞幾乎已經到達微燃燒室底部，但微燃燒室內仍然未發生壓縮著火現象。

針對上述實驗結論，適當的對微燃燒室進行預熱并分析試驗結果。圖6（a）、（b）分別為相同自由活塞初速度11m/s，微燃燒室預熱初始溫度320K、360K情況下，微自由活塞壓縮均質預混合氣著火燃燒照片。從圖中可看出，在其他初始條件相同的情況下，320K情況微燃燒室內未發生壓縮著火現象，而在微燃燒室預熱初始溫度為360K時，均質混合氣被壓燃。這是因為，均質混合氣初始溫度增高，在活塞壓縮至燃燒室底部時，氣體的溫度也有所上升，更易達到均質混合氣的自燃點，著火現象更易發生。實驗表明增加均質預混合氣初始溫度，可以使得著火更容易。

2.2 預熱對單次沖程時間及著火時刻的影響

試驗初始條件：自由活塞長20.00mm，可壓縮行程約為20mm，微燃燒室直徑為3.00mm，二甲醚具有較低的自燃溫度，且其氣態低熱值比較適中，因此實驗裝置中的混合燃料選擇二甲醚/氧氣，考慮到微燃燒室與自由活塞之間的氣密性，自由活塞和微燃燒內壁面間隙小于5μm。

為探索預熱對單次沖程時間及著火時刻的影響，開展了3種預熱溫度下的自由活塞單次壓縮燃燒室過程的實驗，通過實驗照片以及高速數碼相機的頻率可計算出每個壓縮沖程的時間以及著火時刻。圖7為相同自由活塞初速度13m/s情況，不同預熱溫度320K、340K、360K微自由活塞動力裝置單次沖程所用時間，以及混合氣著火時刻隨預熱溫度變化。

從曲線中可以看出隨著微燃燒室預熱溫度增加，自由活塞單次沖程所用時間縮短。當預熱初始溫度為300K時，自由活塞單次沖程時間約4.8ms左右，當預熱初始溫度達到360K時，自由活塞單次沖程時間縮短至3.0ms左右。這是因為三種預熱溫度，著火劇烈程度并不相同，預熱溫度為360K的情況著火更劇烈，自由活塞膨脹末速度比較大，因此單次沖程所用時間縮短。并且從不同微燃燒室初始溫度著火時刻對比曲線可以看出，當微燃燒室初始溫度增加時，著火時刻提前。這是因為預熱溫度的升高，自由活塞達到燃燒室附近時更易達到均質混合氣的自燃點，因此著火時刻提前。實驗結果表明：均質混合氣預熱初始溫度的提高，有利于縮短單次沖程時間，著火時刻也提前。

2.3 預熱對臨界壓燃初動能的影響

試驗初始條件：自由活塞長20.00mm，可壓縮行程約為20mm，微燃燒室直徑為3.00mm，二甲醚具有較低的自燃溫度，且其氣態低熱值比較適中，因此實驗裝置中的混合燃料選擇二甲醚/氧氣，考慮到微燃燒室與自由活塞之間的氣密性，自由活塞和微燃燒內壁面間隙小于5μm。

微自由活塞動力裝置自由活塞的初動能（即微燃燒室內達到臨界著火狀態的自由活塞初動能），是由公式E0=mvo/2計算而得到的（m為自由活塞質量，v0為自由活塞初速度）。

圖8為臨界壓燃初動能隨預熱溫度的變化。從圖8中可以明顯看出，當預熱溫度分別為320K、340K、360K時，對應的臨界壓燃初動能分別為0.083J、0.0642J、0.0407J。這表明，一定溫度范圍內，隨著微燃燒室預熱溫度的升高，壓縮著火燃燒所需的初動能減少，即較高預熱溫度能夠降低壓燃著火所需的初動能，使得壓燃著火更易發生。

3? 結論

①預熱條件的作用對微自由活塞動力裝置的燃燒過程產生了一定的影響，預熱初始溫度的升高，使得在相同初始條件下一些不能被壓縮著火燃燒的情況下，發生著火現象，表明高的混合氣初始溫度有利于著火。

②隨著微燃燒室初始溫度增加，自由活塞單次沖程所用時間縮短;當微燃燒室初始溫度增加時，著火時刻提前。

③隨著預熱初始溫度的增加，臨界壓燃初動能逐漸減小，即較高的微燃燒室預熱溫度能夠降低壓燃著火所需的初動能，使得壓燃著火更易發生。

參考文獻：

[1]Li， Q. F.， Xiao， J.， Huang， Z. Flat-type permanent magnet linear alternator， a suitable device for free piston linear alternator [J]. Journal of Zhejiang University-SCIENCE A. 2009， 10（3）.

[2]Li， Q. F.， Xiao， J.， Huang， Z. Parametric Study of a Free Piston Linear Alternator [J].International Journal of Automotive Technology. 2010， 11（1）.

[3]B. Zhang， X. Peng， Z. He， Z. Xing， P. Shu Development of a double acting free piston expander for power recovery in transcritical CO2 cycle[J]. Applied Thermal Engineering， 2007（27）：1629-1636.

[4]H. T. Aichlmayr1， D. B. Kittelson， et al. Micro-HCCI combustion： experimental characterization and development of a detailed chemical kinetic model with coupled piston motion[J]. Combustion and Flame，2003，135：227-248.

[5]Sher I， Sher D L， et al. Miniaturization limitations of HCCI internal combustion engines[J]. Applied Thermal Engineering，2009，29：400-411.

[6]Lloyd S A， Weinberg F J. A burner for mixtures of very low heat content. Nature， 1974， 251： 47，48.

[7]曹海亮，徐進良.進氣方式對回熱型微燃燒器燃燒特性的影響[J].自然科學進展，2006，12：1598-1605.

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作者簡介：黃蓉（1992-），女，江蘇南通人，碩士，講師，江蘇大學京江學院，研究方向為內燃機的數值模擬與研究。