單缸式自由活塞混合動力柴油機噴霧特性研究

曾 山，陸百川，袁晨恒

（重慶交通大學交通運輸學院，重慶 400074）

自由活塞混合動力系統(tǒng)是一種結合自由活塞發(fā)動機和線性電機性能優(yōu)勢的新型混合動力單元［1-4］。相比于常規(guī)混合動力，它的活塞運動不受任何機械機構的約束［5-6］，具有結構簡單、運動軌跡和止點可變、燃燒控制靈活等特點［7-10］，已成為車載增程動力的研究熱點。

已有研究指出，單缸式自由活塞混合動力（以下簡稱SFPE）的運動規(guī)律與常規(guī)活塞式發(fā)動機完全不同，呈現(xiàn)出“自由”的運動特性［11-13］?；钊\動與缸內(nèi)氣體壓力和溫度變化及氣流運動等關系密切，且缸內(nèi)氣體狀態(tài)的變化又會對燃油的蒸發(fā)霧化和混合氣形成過程產(chǎn)生重要影響［14-15］。因此，SFPE這些特殊的活塞運動可能會導致其燃油噴射、霧化、混合氣形成及后續(xù)燃燒過程表現(xiàn)出不同的性能特征。然而，當前研究普遍關注SFPE的運動性能和燃燒特點，缺少對其燃油噴射霧化特性的深入認識。為此，本文中建立耦合運動的SFPE多維燃油噴射模型，模擬研究高壓燃油在其缸內(nèi)的噴射、蒸發(fā)、霧化及與空氣的混合過程，并對比相同結構參數(shù)和運行工況的傳統(tǒng)活塞式柴油機（以下簡稱TCE），探尋SFPE燃油噴射霧化過程潛在的性能特征，以便為SFPE噴油、混合氣形成及燃燒的組織和控制提供指導。

1 樣機與工況

樣機是1臺單缸電磁式自由活塞混合動力柴油機，基本結構如圖1所示，其原型機是前期研究提出的對置式自由活塞混合動力單元［16-17］。SFPE的左側為壓燃式自由活塞柴油機，中間為1臺商用三相圓筒動磁型直線電機，右側為回復彈簧。發(fā)動機采取二行程往復運行的工作模式，通過電控共軌噴油系統(tǒng)提供精確的直噴柴油燃料，并利用回流掃氣系統(tǒng)組織缸內(nèi)氣體交換。當左側發(fā)動機中的燃料燃燒后，工質(zhì)膨脹做功，推動活塞-永磁體組件向右運動，產(chǎn)生感應電動勢，并同步壓縮右側彈簧儲存能量，提供活塞-永磁體組件向右運動的恢復力，通過連續(xù)的燃燒-膨脹發(fā)電-回位壓縮，實現(xiàn)熱力學能向電能的轉化，進而為車輛提供電力。研究樣機的主要結構參數(shù)如表1所示。另外，燃油的噴射工況和發(fā)動機的運行工況參數(shù)見表2。

圖1 SFPE基本結構示意圖

表1 SFPE的主要結構參數(shù)

表2 噴射與運行工況參數(shù)

2 模型與方法

為了直觀地揭示SFPE的噴射與霧化特性，采取對比傳統(tǒng)活塞式發(fā)動機的方法，通過建立多維數(shù)值模型，模擬分析其噴射、霧化、混合過程的性能特征。

2.1 研究方法

SFPE的往復運動是動力學行為的直接響應，隨運行工況而變化，受燃燒壓力、電磁力等的影響。已有研究指出，SFPE的動力學過程與缸內(nèi)燃燒放熱狀況之間存在強耦合關系［16］，目前應用于傳統(tǒng)發(fā)動機的建模計算方法已不再適用于SFPE，影響噴霧發(fā)展的發(fā)動機壓縮、膨脹過程需要準確反映。本研究采取一種耦合參數(shù)相互傳遞、數(shù)值結果循環(huán)迭代的建模計算方法，通過建立考慮SFPE動力學效應的多維噴霧模型，模擬SFPE特殊的動力學行為對其噴霧特性的影響特征。具體的建模計算過程如圖2所示，可以被描述為：

步驟1在初始邊界工況下，根據(jù)系統(tǒng)動力學模型，采用經(jīng)驗放熱速率函數(shù)初始化熱力驅動過程計算獲取活塞運動性能，為建立噴霧和燃燒的多維模型提供壓縮膨脹邊界。

步驟2以動力學模型計算的運動狀態(tài)為基礎，制作多維模擬工具可讀取的位移數(shù)據(jù)文件，采用運動網(wǎng)格技術建立涵蓋有效壓縮-膨脹過程的噴霧燃燒多維模型，模擬缸內(nèi)氣體壓力、溫度、燃油噴射、霧化、混合及燃燒的變化狀況，并提取放熱速率。

步驟3以多維模擬的放熱釋放規(guī)律取代步驟1的經(jīng)驗放熱速率函數(shù)，更新邊界工況，重新建立系統(tǒng)動力學模型，并計算獲取活塞運動性能和熱力學壓力變化。

步驟4根據(jù)更新后的活塞運動數(shù)據(jù)，重新建立噴霧和燃燒多維模型，數(shù)值計算缸內(nèi)氣體狀態(tài)、噴霧、混合及能量釋放特征。

步驟5重復迭代步驟2、3、4，直至收斂。滿足的收斂條件為：步驟3計算的缸內(nèi)壓力與多維模擬的缸內(nèi)壓力誤差小于5%。

圖2 建模計算過程框圖

2.2 動力學模型

研究涉及的SFPE動力學模型可由牛頓第二定律建立，見式（1）。

式中：m、x分別為活塞組件的質(zhì)量和位移；t為時間；Fp為缸內(nèi)氣體作用力，受熱力學性能的作用；Ff為摩擦力；Fe為電磁負載力；Fs為掃氣作用力，由掃氣壓力決定；Fr為彈簧回復力。

線性電機的電磁力主要受外部負載和往復運動狀態(tài)決定，可表示為：

其中：kf和kv分別為電磁力常數(shù)和電動勢常數(shù)；R和r分別為外部負載和線圈電阻；L為線圈電感。

由于不受任何側向力的作用，活塞運動的摩擦損失主要來自于活塞環(huán)摩擦，包括液體潤滑油的摩擦和氣缸壁與活塞環(huán)之間微凸表面的接觸摩擦。

其中：Cf為潤滑油有效摩擦因數(shù)；fpr為摩擦因數(shù)；Tr為徑向彈性力；D為活塞直徑；ωr為活塞環(huán)寬度。

彈簧回復力可以表示為：

其中：Kbs為彈簧剛度；Lbs為彈簧初始長度。

2.3 多維噴霧及燃燒模型

根據(jù)SFPE氣缸結構形狀與燃燒室?guī)缀纬叽纾紫冉⑷加蛧婌F控制區(qū)域幾何模型，并采用Hypermesh前處理工具對幾何模型進行網(wǎng)格劃分。在有效壓縮行程開始時刻，整個計算域內(nèi)的網(wǎng)格全部為六面體網(wǎng)格。由于氣缸的壓縮、膨脹受到活塞運動影響而決定，本次研究將動力學模型獲得的活塞位移制作為可讀取的Dat文件，然后利用AVL_Fire查詢活塞位置來控制噴射區(qū)控制體積的運動邊界，進而通過活塞位置變化來生成噴霧區(qū)域的運動網(wǎng)格，如圖3所示。

圖3 計算網(wǎng)格模型示意圖

盡管SFPE具有特殊的結構和運行原理，但其仍然屬于一種壓燃式柴油機，與傳統(tǒng)柴油機具有相同的物理屬性。因此諸多適用于傳統(tǒng)柴油機的噴射模型也能夠被用于SFPE多維噴射模擬。本次模擬中，缸內(nèi)湍流的模擬采用應用范圍較廣、精度和穩(wěn)定性都較好的四方程模型（k-zeta-f模型）［18］。燃油蒸發(fā)采用 Dukowicz模型描述［19］，該模型認為油滴的溫度均勻，且考慮傳熱與傳質(zhì)的影響。油滴的破碎采用 Wave模型描述［20］，該模型認為當不穩(wěn)定波的振幅大于臨界值的時候，液滴即發(fā)生分裂，并提出了一個常數(shù)C2去調(diào)整破碎時間。在實際模擬時，根據(jù)試驗結果修正C2以準確模擬油滴的破碎。油滴在缸內(nèi)湍流渦團中耗散采用Gosman＆Ioannidis模型描述，通過加入脈動速度來模擬湍流對噴射液滴的作用，并認為液滴脈動速度的分量符合高斯分布。對于噴霧的碰壁模擬，通常認為液滴沖擊到壁面后可能會發(fā)生反彈和射流反射，在低韋伯數(shù)時以反彈為主，在高低韋伯數(shù)時碰壁后像射流一樣發(fā)生反射，本文中采用Walljet1模型構建一個分段函數(shù)來具體描述噴霧的碰壁現(xiàn)象［21］。另外，對于后續(xù)發(fā)生的燃燒現(xiàn)象，采用擴展的相關火焰模型ECFM_3Z描述。

2.4 模型校核

在滿足燃料可燃壓力和溫度的前提下，柴油機燃燒過程主要受到燃油噴射、霧化及混合過程的影響，缸內(nèi)的燃燒變化情況在一定程度上對應于燃油噴射霧化的變化情況，因此可以通過測試燃燒數(shù)據(jù)來代替驗證燃油噴霧模型的有效性。本研究通過測試缸內(nèi)氣體壓力數(shù)據(jù)對噴霧模型中的相關參數(shù)進行修正與校驗。模擬和試驗獲得的壓力如圖4所示。可以發(fā)現(xiàn)，測試結果和模擬結果具有良好的同步特征，數(shù)值對比的差異在可接受范圍內(nèi)。

圖4 模擬和試驗曲線

3 結果與討論

3.1 運動結果與噴霧環(huán)境對比

圖5為模擬計算所得的SFPE運動位移與TCE的結果。其中，用等效曲軸轉角的概念來代替時間去描述SFPE運動，且TCE的曲柄連桿比為1／4。可以發(fā)現(xiàn)，SFPE的壓縮行程（BDC至TDC）花費的時間較膨脹行程（TDC至BDC）多，即SFPE的壓縮慢于其膨脹，該運動特征完全不同于傳統(tǒng)發(fā)動機和雙活塞式自由活塞混合動力［14］。另外，SFPE在止點附近及膨脹過程的速度快于TCE，在止點附近停留的時間較短，因此在相同的噴射位置（位移），傳統(tǒng)發(fā)動機的噴射開始時間更早。2種發(fā)動機顯著不同的運動性能給它們的噴霧發(fā)展提供了不同的缸內(nèi)壓力和溫度環(huán)境（如圖6）。其中 A（A′）、B（B′）分別代表 SFPE和 TCE的噴油起始時刻和結束時刻（下同）。從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，在相同等效轉角下，TCE的缸內(nèi)溫度和壓力都高于SFPE。但是，在噴油過程中，SFPE的缸內(nèi)壓力和溫度卻高于TCE。

圖5 SFPE和TCE運動位移曲線

圖6 缸內(nèi)壓力和溫度曲線

3.2 噴霧特征

盡管2種機型在同一運動位置下噴油，此時兩者的缸內(nèi)氣體體積也相同，但它們的運動差異導致實際的噴油時刻不同（圖5）。圖7為SFPE和TCE噴入的液體燃油在缸內(nèi)的揮發(fā)情況曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，2種發(fā)動機最終的噴油量幾乎相同，但是噴油時刻的差異對燃油的揮發(fā)量產(chǎn)生了明顯影響。由于TCE燃油噴射早于SFPE，因此其燃油揮發(fā)總量略高于SFPE。然而，從燃油揮發(fā)速度對比可得，噴油開始后 SFPE的燃油揮發(fā)速率快于TCE，這主要是由于SFPE噴油持續(xù)期內(nèi)更高的缸內(nèi)氣體溫度與更大的壓力。

圖7 噴油量與揮發(fā)量曲線

同一工況下，SFPE和TCE的燃油噴霧發(fā)展特性如圖8、9所示，它們分別描述了SFPE和TCE的貫穿距離和索特平均直徑（SMD）的對比情況。噴霧的發(fā)展可劃分為液柱階段和分裂霧化階段。在噴油階段，大部分燃油處于連續(xù)液體狀態(tài)，只有液體油柱外部表層少量的燃料接觸到周圍空氣，開始分裂成油線和碎片。可以看出，在此階段SFPE的噴霧貫穿距離略小于TCE；并且它的SMD在噴射初期也略小，但在噴油中后期略大于TCE。這是兩者的噴霧發(fā)展環(huán)境存在差異所導致。由于SFPE在噴射階段具有更高的缸內(nèi)背景溫度和更大的壓力，盡管難以獲得更大的噴霧貫穿，卻促進了其液柱階段SMD的降低。此外，這一過程的缸內(nèi)氣體流動也有助于減小SMD。SFPE在止點附近的較快壓縮和膨脹使其缸內(nèi)形成了更強的擠流，帶動液柱表面（尤其是前端）液體燃料迅速脫離主體液柱成為蒸氣，并在其噴射方向上更快地傳播。這也有利于SFPE在液柱階段獲得更佳的燃油霧化效果。噴油結束后，噴霧進入分裂霧化階段，前期分裂后的油線和碎片在氣流運動和自身作用力的作用下進一步分裂霧化，并在噴射方向上進一步傳播。由于TCE燃油噴射更早，這為其提供了充足的燃油蒸發(fā)和霧化時間，因此TCE的SMD更低。

圖8 貫穿距離曲線

圖9 索特平均直徑曲線

圖10為SFPE和TCE的噴霧碰壁數(shù)量曲線。在開始噴油后的一定時間內(nèi)，2種發(fā)動機開始發(fā)生噴霧碰壁的現(xiàn)象。由于SFPE在噴霧過程中的壓縮更快，這造成了噴霧區(qū)域的體積縮小更快，活塞頂部距離噴油嘴更近，從而導致更多的燃油噴射到活塞頂部。噴射過程中更小的缸內(nèi)容積也造成SFPE在后續(xù)的分裂霧化階段有更多的噴霧與壁面接觸。

圖10 噴霧碰壁量曲線

圖11為SFPE和TCE的混合氣均勻性指數(shù)曲線。更高的缸內(nèi)氣體溫度和更大的壓力有助于形成更均勻的混合氣。在噴油初期，SFPE的缸內(nèi)氣體壓力和溫度更高，促進了混合氣均勻性指數(shù)的快速上升。但是，在噴射結束時刻，2種機型的混合氣均勻性指數(shù)并沒有明顯的差異。這是由于SFPE的燃油在噴射和霧化過程中，過小的缸內(nèi)容積導致過多的噴霧碰壁質(zhì)量，這不利于均勻混合氣的形成。2種因素的共同作用致使噴油結束時刻2種發(fā)動機的混合氣均勻性指數(shù)基本相同。相較于SFPE，TCE更早的燃油噴射為其提供了充足的燃油蒸發(fā)和霧化時間，因此在活塞運動到TDC之前就已經(jīng)形成了較為均勻的混合氣。而SFPE滯后的燃油噴射導致其活塞在運動到TDC時，氣缸內(nèi)還未形成均勻的混合氣，之后缸內(nèi)容積開始不斷增加，混合氣均勻性得到進一步提高，但這仍然限制了其獲得最均勻的混合氣。

圖11 混合氣均勻性指數(shù)曲線

上述噴霧發(fā)展狀況會直接影響燃料與空氣的混合狀況，而混合氣質(zhì)量直接影響著發(fā)動機缸內(nèi)的燃燒和排放狀況。圖12表示噴霧發(fā)展過程中油氣混合的燃料濃度。由圖12可知，在活塞到達上止點之前，TCE中混合氣的濃區(qū)中心更快地到達了氣缸內(nèi)壁和氣缸蓋，并且霧柱外表面混合氣稀區(qū)的范圍更廣。究其原因，兩者在空間上具有無差異的噴油位置，但在時間上TCE的噴油比SFPE早，因此在這期間TCE中燃油與缸內(nèi)氣體的接觸更充分，更有助于油滴的快速破碎、分裂和霧化。當活塞越過TDC之后，SFPE缸內(nèi)剩余的濃混合氣較TCE中更多，并且濃區(qū)中心距離活塞頂部和氣缸中心都較遠。主要原因包括：首先SFPE的燃燒始點較TCE晚，其部分燃料的混合在膨脹沖程中進行，并且其活塞在TDC附近運動較快，部分濃混合氣向下運動的速度跟不上活塞離開TDC的速度，因此SFPE缸內(nèi)活塞頂部兩端縫隙和氣缸蓋附近燃油堆積現(xiàn)象更加明顯；其次，SPFE快速增大的膨脹使其缸內(nèi)溫度較TCE更低。宏觀上，TCE缸內(nèi)更高的溫度使燃油的黏度和密度下降，使霧團表面液滴的速度在周圍氣體的作用下迅速下降，而霧團內(nèi)部的燃油速度變化不大。微觀上，TCE缸內(nèi)更高的溫度增大了燃油分子的內(nèi)能，使其更快地無規(guī)則運動到周圍氣體中去，整個霧團表面燃油粒子與氣體相互作用更劇烈，范圍也更廣。

圖12 燃空當量比分布

4 結論

1）SFPE在噴霧過程中的快速運動導致噴射的開始時刻晚于TCE，但它為噴霧的發(fā)展提供了更高的缸內(nèi)氣體溫度和更大的壓力，因此在噴射階段SFPE具有更快的燃油揮發(fā)速度。然而，TCE更早的噴射使其燃油揮發(fā)總量更多。

2）在燃油噴霧的液柱階段，SFPE活塞在TDC附近較快的活塞運動使其缸內(nèi)形成了較強的擠流，且其缸內(nèi)溫度和壓力也更高，這促使其噴霧的蒸發(fā)狀況優(yōu)于TCE。在噴霧的分裂霧化階段，由于TCE燃油噴射更早，提供了充足的燃油蒸發(fā)和霧化時間，因此TCE的SMD更小。

3）SFPE在TDC附近的活塞運動更快，造成了缸內(nèi)體積縮小更快，活塞頂部與噴孔的距離更近，從而導致更多的噴霧碰壁質(zhì)量，不利于形成均勻的混合氣。此外，TCE更早的燃油噴射提供了充足的燃油蒸發(fā)和霧化時間，從而提高了混合氣的均勻性。