微型HCCI自由活塞发动机稳定燃烧界限拓展研究

摘要

由于微小型装置及系统在各领域内的不断涌现，基于碳氢燃料的微动力系统逐渐成为国内外科研机构及学者的重点研究对象。微型 HCCI 自由活塞动力装置体积和重量都很小，所用燃料能量密度高，并且可以长时间持续供应能量，但受燃烧室微小尺度的影响，面容比骤增导致散热损失严重，难以在宽泛的初始工况下获得持续稳定的燃烧。为解决此问题，本文采用可视化试验与Fluent数值计算两种方式，从预热、碳氢燃料中掺混氢气、高温EGR以及催化作用四种技术方案入手，探索了拓展微型 HCCI 自由活塞发动机稳定燃烧界限的有效方法。 以优化 HCCI 燃烧及拓展其稳定燃烧界限为目的，本文搭建了带有水浴加热系统的微自由活塞发动机燃烧可视化试验台架，使用高速数码相机拍摄混合气压缩燃烧过程，并在燃烧室底部连接高频压力及温度传感器获取燃烧过程中均质混合燃料的压力和温度变化趋势。在此试验台基础上，获得了三种典型工况下的压缩燃烧过程图像，并试验证实了燃烧过程预热可有效拓展微动力装置稳定燃烧界限，但预热温度过高会降低微动力装置动力输出性能。 此外，本文还建立了用于微燃烧室内 HCCI 燃烧的稳定界限拓展的动网格模型，并耦合了活塞往复运动规律和碳氢燃料化学反应过程，在验证了模型正确性和网格无关性之后，使用 Fluent 软件分别研究了燃烧室预热、甲烷燃料中添加氢气、高温 EGR 以及使用 Pt 催化剂等方案对微燃烧室内混合燃料稳定燃烧界限的具体影响。研究结果显示，以上四种技术方案均可显著降低微燃烧室内 HCCI 燃烧的临界压燃初动能，使原来不能着火的工况发生着火，将着火时刻提前，但这几种方案会不同程度的降低微动力装置做功能力。因此，在使用具体方案时应具体分析，选用恰当的预热温度、掺氢比、EGR 率以及催化剂种类和催化剂覆盖区域等条件，既要达到有效拓展微燃烧室内混合气稳定燃烧界限的目的，又要保证微动力装置的动力输出性能。 本文研究方案为优化微动力装置 HCCI 燃烧过程提供了一定的理论依据，为微小型便携装置的研制开发奠定了基础。

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