基于做功能力评价的微型自由活塞发动机尺寸界限的研究

摘要

在微加工技术迅速发展的时代下，电子机械产品的微型化已成为新时期的主流。基于特征长度毫米级的碳氢燃料的微机电系统即可输出 1~100W 范围的功率，凭借其工作时间长、较其它传统电池能量密度高、体积小、易携带、无危害等优点引领新潮流，在人们生活中已得到普遍应用，如微型飞行器、微型机器人、微型电脑、便携式电子产品等。在众多微型动力系统中，本文采用了基于HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition)的微型自由活塞发动机（Micro Free Piston Engine：Micro-FPE）方案，该方案使用的HCCI燃烧方式可以有效解决微机电系统核心部件——微燃烧室易发生火焰焠息的问题，而易微型化的自由活塞发动机可以克服燃烧过程难控制的问题。随着Micro-FPE的尺寸减小，实现装置正常运行所消耗的初动能也减小，因此针对HCCI燃烧的Micro-FPE可运行尺寸界限的研究对微型化机电系统的发展具有重要意义。 本文通过搭建Micro-FPE的可视化试验台架，利用高速数码相机摄取微燃烧室内均质混合气（二甲醚/氧气）的燃烧过程，并借助数据处理系统分析自由活塞的运动规律，分析了不同压缩比时Micro-FPE的燃烧特性，并通过P-V图评价其做功能力，总结出4种燃烧方式和Micro-FPE可运行的最低压缩比；另外，开展了微燃烧室底部添加催化剂和预热均质混合气的试验，发现催化作用可以有效降低均质混合气的着火点，使得可压燃的临界压缩比降低，一个工作循环内实现压燃过程所需的活化能也降低；混合气初始温度的提高也使得均质混合气更易被压燃，且有效缩短了工作循环时间。通过试验得出两种措施均有利于降低 Micro-FPE可压燃压缩比，拓宽其可运行尺寸界限的结论。 借助试验的结论，本文建立了基于 HCCI 燃烧方式的考虑有泄漏间隙的Micro-FPE的数值模型，混合燃料采用热值高的甲烷和氧气。针对设计功率范围分别为1~10W、10~60W的Micro-FPE，探讨其在无催化无预热、催化作用、均质混合气预热和催化作用结合条件下的可运行尺寸界限，并借助指示功、净功率和指示热效率等指标进行做功能力评价。研究结果发现：同一作用下，随着长径比的增加，Micro-FPE的可运行尺寸界限拓宽；均质混合气完全燃烧时，随着长径比的减小，工作循环时间缩短，单位时间内所做指示功增加；而预热及催化作用以牺牲做功能力为前提，有效拓宽了Micro-FPE的可运行尺寸界限；1~10W的Micro-FPE最小运行尺寸取为：长径比为40，压缩比为38，实现压燃所需的初动能降低38%，指示功约0.023J，能量密度为271 MW/m3；相比传统发动机，Micro-FPE 的气缸工作容积利用率得到提高，能量密度明显优于其他微型动力系统。10~60W的Micro-FPE最小运行尺寸取为：长径比为16，可运行最低压缩比60，指示功0.108J，所需初动能降低18%，较1~10W的Micro-FPE做功能力提升。最后，分析泄漏间隙对Micro-FPE燃烧特性和做功能力的影响，发现适当的泄漏间隙能够使得Micro-FPE的做功能力提升，且横向间隙的增加，可压燃临界径向间隙增大，Micro-FPE的可运行尺寸界限进一步拓宽，为Micro-FPE的尺寸设计提供理论依据。

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