四冲程自由活塞天然气发动机的研究

摘要

增程式电动汽车和混合动力汽车是当前汽车工业研究与开发热点，基于Atkinson循环的自由活塞发动机因其结构简单、燃料适应性广和热效率高等优点非常适合作为动力装置用于增程式电动汽车和混合动力汽车。随着汽车工业发展和石油资源日趋枯竭，天然气因资源丰富和清洁燃烧而成为当前汽车替代能源的首选，可同时兼顾现有能源与清洁能源的自由活塞天然气发动机日趋受到重视。为充分发挥自由活塞天然气发动机的优势，改善发动机的动力性和经济性，本文以试验研究与数值模拟相结合的方法，对四冲程自由活塞天然气发动机热力过程进行分析。
　　为分析四冲程自由活塞发动机内部燃料能量转换过程的优劣及其主要影响因素，依据四冲程自由活塞发动机工作原理，对其工作过程进行适当简化，建立基于缸外独立压缩的四冲程自由活塞发动机理论循环模型。应用热力学第一定律和第二定律对其进行分析，结果表明，基于Atkinson循环的四冲程自由活塞发动机循环热效率和(炯)效率都高于传统Otto循环发动机，膨胀比增大可以提高发动机热效率。分别定义了最优膨胀比和膨胀比极限，膨胀比极限小于最优膨胀比，因此自由活塞发动机达不到理论计算的最大热效率。在确保缸内压缩终点压力和温度可顺利点火的情况下，缸外压缩比缸内压缩更有利。
　　在原四冲程自由活塞汽油机原理样机基础上，设计天然气电控喷射系统，改进点火系统，搭建四冲程自由活塞天然气发动机原理样机试验平台，并在完成试验设计基础上，对四冲程自由活塞天然气发动机原理样机主要性能进行测试、对试验结果进行分析，验证四冲程自由活塞发动机的多燃料适应性。
　　基于自由活塞运动特点，建立自由活塞动力学模型;借用通用流体计算软件平台，开发逐步解算自由活塞运动规律计算模块;依据建立的四冲程自由活塞发动机缸内工作过程多维瞬态数值模拟计算模型，探讨自由活塞运动规律对缸内流场的影响并对所建模型进行校验，给定规律下缸内压力的预测曲线与试验曲线吻合较好，进一步说明整个缸内工作过程多维瞬态数值模拟中全过程模拟计算的真实性、数学模型的准确性和活塞运动规律定义的合理性。
　　在自由活塞发动机全过程多维瞬态数值模拟计算的基础上，分析气门正时、活塞顶部形状、点火正时、缸外独立压缩、压缩比与膨胀比等主要参数对自由活塞发动机性能的影响，中低运转频率下，气门正时和气门升程对循环进气量影响较小，循环进气量主要随进气冲程长度线性增加;活塞顶部形状由平顶改为凸顶后，在发动机运动频率不变的情况下，增大了压缩比，提高了换气效率;自由活塞对压力非常敏感，压缩比的增大、点火时刻的提前和任何加快燃烧反应进程的因素，均会影响活塞运动;用数值模拟计算方法分析了调整电磁力对压缩比的改变，进而通过变压缩比对爆震进行有效抑制。

目录

声明

摘要

图表目录

符号表

1 绪论

1．1 课题研究的目的与意义

1．2 自由活塞发动机简介

1．2．1 自由活塞发动机分类

1．2．2 自由活塞发动机应用发展历程

1．3 自由活塞发动机研究现状

1．3．1 自由活塞发动机原理样机试验研究现状

1．3．2 自由活塞发动机数值模拟研究现状

1．4 天然气发动机应用现状及发展趋势

1．4．1 天然气作为发动机替代能源的优势

1．4．2 单燃料天然气发动机应用现状及发展趋势

1．5 本文主要研究内容

2 四冲程自由活塞发动机热力学模型

2．1 四冲程自由活塞发动机构成及工作原理

2．1．1 四冲程自由活塞发动机构成

2．1．2 四冲程自由活塞发动机工作原理

2．1．3 四冲程自由活塞发动机特点及实现难点

2．2 四冲程自由活塞发动机理论循环热力学分析

2．2．1 理论循环

2．2．2 理论循环热力学模型

2．2．3 理论循环热力学分析

2．3 四冲程自由活塞发动机理论循环炯分析

2．3．1 自由活塞发动机理想热力循环过程(火用)分析计算模型

2．3．2 自由活塞发动机理想热力循环过程(火用)分析

2．3．3 结果分析

2．4 本章小结

3 四冲程自由活塞天然气发动机原理样机系统设计与试验

3．1 原理样机系统设计

3．1．1 CNG喷射系统

3．1．2 点火系统

3．1．3 CNG供气系统

3．2 试验测试装置

3．3 四冲程自由活塞天然气发动机原理样机及试验台架

3．4 CNG燃料理论空燃比计算

3．5 样机运行试验

3．6 试验结果分析

3．6．1 进气冲程长度对系统性能的影响

3．6．2 压缩比对系统性能的影响

3．6．3 膨胀比对系统性能的影响

3．6．4 点火时刻对系统性能的影响

3．7 本章小结

4 四冲程自由活塞发动机三维数值模拟及验证

4．1 四冲程自由活塞发动机三维数值模拟计算过程

4．2 数学模型的建立

4．2．1 基本控制方程

4．2．2 湍流流动模型

4．2．3 传热模型

4．2．4 燃烧模型

4．3 三维几何模型的建立

4．4 计算网格的划分

4．5 电磁驱动配气机构运动规律的实现

4．6 自由活塞运动规律的实现

4．6．1 传统发动机活塞运动规律的实现

4．6．2 自由活塞运动特点

4．6．3 自由活塞动力学模型

4．6．4 自由活塞运动规律的确定

4．6．5 自由活塞动网格实现

4．7 初始条件与边界条件的确定

4．8 计算方法

4．9 模型验证

4．10 计算结果分析

4．10．1 缸内进气过程流场分析

4．10．2 缸内压缩过程流场分析

4．10．3 燃烧过程分析

4．11 本章小结

5 四冲程自由活塞天然气发动机性能的影响因素

5．1 进气门运动对四冲程自由活塞天然气发动机性能的影响

5．1．1 可变进气门正时对自由活塞发动机进气冲程的影响

5．1．2 可变气门升程对自由活塞发动机进气冲程的影响

5．2 压缩比对四冲程自由活塞天然气发动机性能的影响

5．2．1 增大进气冲程长度改变压缩比对自由活塞发动机性能影响

5．2．2 活塞顶部形状对缸内流动和燃烧的影响

5．2．3 自由活塞天然气发动机对爆震的抑制

5．3 点火时刻对四冲程自由活塞天然气发动机缸内流场的影响

5．4 过量空气系数的影响

5．5 缸外独立压缩对四冲程自由活塞天然气发动机性能的影响

5．6 可变膨胀冲程对四冲程自由活塞天然气发动机性能的影响

5．7 本章小结

6 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 本文创新点

6．3 工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研情况