自由活塞式内燃机电耦合系统燃烧循环波动性的基础研究

Free-piston engine generator is a non-linear movement system. The free-piston term is most commonly used to distinguish a linear engine from a rotating crankshaft engine. The piston is free because its motion is not restricted by the position of a rotating crankshaft, as known from conventional engines. Then the motion characteristic of the free piston is mainly determined by the combustion characteristics within the two opposed combustion chamber, which make the phenomenon of misfire or knock emerge more easily than conventional crankshaft engine. To discover the fundamental theory of cycle to cycle variation for the free piston generator, both the Planar Laser induced Fluorescence test technology and Large Eddy Simulation method should be used to study the potential source of the CCV. The measurement information of flame structure, temperature distribution and mixture concentration will be compared with computations from CFD codes with LES model in an ongoing procedure of testing and validation. The relationship between the combustion rate and operation parameters such as ignition timing, fuel-air equivalence ratio, scavenging pressure will be studied to sort the problem out.

自由活塞式内燃机电耦合系统本身是一个非线性的运动体系，由于取消了曲柄连杆机构，自由活塞的运动特性和上止点的位置主要由对置的两个气缸内的燃烧特性决定，试验证明该系统较传统内燃机更易失火和爆震。针对自由活塞式内燃机普遍存在运转失稳问题，本课题拟应用平面激光诱导荧光测试技术和大涡模拟方法研究自由活塞式内燃机电耦合系统燃烧循环波动性的影响因素，通过研究点火时刻、燃空当量比和扫气压力以及直线电机设计参数等因素对自由活塞式内燃机电耦合系统缸内燃烧火焰特征和燃烧循环波动性的影响，揭示该机电耦合系统燃烧循环波动性主要原因，为降低自由活塞式内燃机电耦合系统燃烧的循环波动性奠定理论基础和试验依据，从而达到机电耦合系统连续、高效、平稳运行的目标。

自由活塞式内燃机电耦合系统本身是一个非线性的运动体系，由于取消了曲柄连杆机构，自由活塞的运动特性和上止点的位置主要由对置的两个气缸内的燃烧特性决定，试验证明该系统较传统内燃机更易失火和爆震。针对自由活塞式内燃机普遍存在运转失稳问题，本课题通过大涡模拟方法详细研究了二冲程发动机缸内燃烧循环波动性的影响因素，应用平面激光诱导荧光测试技术和二维粒子图像测速系统（PIV）测量火焰锋面的传播过程和点火时刻湍流强度与大涡尺度，并以此校核了大涡模拟模型。研究发现早期火焰核心对中前期对的燃烧反应有更为直接的影响，而与中后期的燃烧反应关系不大，点火时刻火花塞间隙处的燃料质量分数、温度及压力不是影响早期火核的主要因素，而高的流场湍动能有利于早期火焰核心的形成。在此基础上通过研究点火时刻、燃空当量比和扫气压力以及直线电机设计参数等因素对自由活塞式内燃机电耦合系统缸内燃烧火焰特征和燃烧循环波动性的影响，揭示该机电耦合系统燃烧循环波动性主要原因。提出了基于直线电机电磁力辅助运行的控制策略，根据自由活塞发电机的控制需求设计了控制系统硬件，在样机上利用控制系统进行了位移测试、启动电磁力测试、喷油压力测试、定喷油量测试等实验。结果表明，根据缸内压力峰值和循环波动性分析，样机的启动过程电磁力在100N时最佳；喷油压力越大，气缸内燃烧越充分，自由活塞发电机正常运行的循环波动性越小；定喷油量运行时，进气量循环波动变大，失火更严重，燃烧循环波动性增大；以此为基础完成了自由活塞发电机缸盖设计、进气系统优化以及控制策略优化，初步达到机电耦合系统连续、高效、平稳运行的目标。