微自由活塞動力裝置預(yù)熱燃燒過程的實驗研究

摘要：為使微自由活塞動力裝置在一定初始條件下能夠穩(wěn)定可靠的著火燃燒，對均質(zhì)混合氣進行預(yù)熱燃燒過程研究。搭建微自由活塞動力裝置單次沖擊著火燃燒試驗平臺，開展了帶有預(yù)熱裝置的燃燒過程可視化試驗研究;試驗結(jié)果表明：對均質(zhì)混合氣預(yù)熱，可降低壓燃氣體著火條件，提高著火燃燒可靠性，單次壓縮沖程時間縮短，著火時刻提前，臨界壓然初動能降低。

Abstract： In order to make the micro free piston power device achieving stable and reliable fire burning in more general initial conditions， homogeneous mixed gas is preheated. The experimental platform of single short combustion of micro free-piston power device is built. A visualization experiment of combustion process with preheating device was carried out. A single shock model of micro free-piston power device is established， the gas phase reaction mechanism model is determined， and the calculation model is clear. The results of experiments show that preheating the homogeneous mixture can reduce the ignition condition of the compression ignition gas， improve the reliability of ignition combustion， shorten the time of single compression stroke， reduce the initial kinetic energy of burning required and ignition time advances.

關(guān)鍵詞：微動力裝置;預(yù)熱;壓燃;穩(wěn)定性

Key words： micro free-piston device;preheating;HCCI combustion;stability

0? 引言

近年來，自由活塞發(fā)動機憑借其獨特的結(jié)構(gòu)以及性能優(yōu)勢成為研究熱點。上海交通大學(xué)李慶峰[1，2]等人試制了缸徑40.8mm，理論沖程為37.4mm的兩沖程點燃式自由活塞發(fā)電機的樣機，并進行數(shù)值模擬仿真研究。西安交通大學(xué)的B. Zhang[3]等人開發(fā)了一套用于能量回收的自由活塞膨脹機。明尼蘇達大學(xué)成功開展微動力裝置單次沖擊壓縮著火實驗研究[4]。劍橋大學(xué)的Sher I等人[5]對微HCCI自由活塞發(fā)動機進行相關(guān)的數(shù)值模擬研究，分析發(fā)動機尺寸和活塞運動特性之間的關(guān)系，提出了微型HCCI活塞發(fā)動機尺寸極限的概念。

目前微自由活塞動力裝置面臨一些難題：燃燒過程較難控制，面容比增大而引起的傳熱損失，火焰淬熄，燃燒不穩(wěn)定等等。為解決上述困難，采用均質(zhì)混合氣預(yù)熱的方式實現(xiàn)可靠燃燒，拓寬著火界限，采用均質(zhì)充量壓燃（HCCI， Homogeneous Charge Compression Ignition）的新型燃燒方式，即燃料與空氣提前預(yù)混合。該方法主要是通過提高進氣溫度，實現(xiàn)過余焓燃燒。即主要采用熱量循環(huán)來減少熱量的損失，并且對低溫的預(yù)混合燃氣進行預(yù)熱。實現(xiàn)熱循環(huán)采用結(jié)構(gòu)中最為簡單的就是U型微通道，若U型微通道將微燃燒室作為中心進行卷曲，即形成了所謂的“瑞士卷”結(jié)構(gòu)。這種類型的微燃燒器最早由Lloyd和Weinberg提出，主要是用來對低熱值燃料進行燃燒[6]。曹海亮和徐進良創(chuàng)建了“C”形結(jié)構(gòu)回?zé)嵝腿紵鱗7]。本文建立微自由活塞動力裝置試驗臺架，研究預(yù)熱條件下，微自由活塞動力裝置的燃燒過程，整個試驗裝置包括預(yù)混燃氣供給系統(tǒng)，微燃燒主體，預(yù)熱控溫系統(tǒng)，可視化試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1? 微自由活塞動力裝置預(yù)熱燃燒過程的實驗研究

1.1 微自由活塞動力裝置實驗裝置及工作原理

為探索在預(yù)熱狀態(tài)下微自由活塞式動力裝置著火特性及自由活塞運動狀況，建立了自由活塞開展單次沖擊壓縮著火過程可視化試驗研究，圖1為微自由活塞動力裝置系統(tǒng)示意圖。

將二甲醚/氧氣混合而成的均值混合氣充入由高硼酸硅制成的微燃燒室內(nèi)，通過質(zhì)量流量計控制混合氣當(dāng)量比;微燃燒室的主體部分由鋼制自由活塞，撞針，尾塞堵頭構(gòu)成;利用加熱元件對微燃燒室內(nèi)均質(zhì)預(yù)混合氣進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度通過繼電器與溫度控制器進行控制;氣動裝置在高壓氮氣作用下，撞擊撞針進而推動活塞，提供自由活塞在微燃燒室內(nèi)開始運動的初速度，整個壓縮燃燒過程圖像由高速數(shù)碼相機拍攝而得。

1.2 預(yù)混燃氣共給系統(tǒng)

可燃氣體與氧氣能否均勻的混合是影響HCCI燃燒實驗精確性的主要因素之一，因此設(shè)計了預(yù)混燃氣供給系統(tǒng)，為可燃氣體與氧氣準(zhǔn)確的均勻混合提供了保證。兩個微質(zhì)量流量計分別控制氧氣和燃氣的流量輸出，質(zhì)量流量控制器用來控制氣體的混合比例，按照一定比例均勻混合之后的預(yù)混合氣體最終進入微燃燒室，進而進行壓縮著火燃燒過程。

1.3 預(yù)熱控溫系統(tǒng)

設(shè)計微燃燒室預(yù)熱控溫系統(tǒng)，對微燃燒室進行預(yù)加熱并且控制其初始溫度在一個特定的值。預(yù)熱控溫系統(tǒng)主要包括加熱元件、繼電器、溫度控制器，圖2為加熱元件裝置。系統(tǒng)工作時，加熱元件套在微燃燒室管壁外部（如圖3所示），通過繼電器與溫度控制器控制加熱元件溫度，使微燃燒室溫度達到設(shè)定值，起到預(yù)加熱的作用。由于微自由活塞動力裝置單次沖擊所用時間較短，因此對于單次沖擊微燃燒室壁面?zhèn)鳠釒缀蹩梢院雎浴?/p>

1.4 微燃燒主體

微燃燒主體部分包括撞針、自由活塞、微燃燒室、尾塞和堵頭，微燃燒主體部分示意圖如圖4所示。為了避免撞針推動自由活塞的過程中產(chǎn)生側(cè)向力使可視化微燃燒室破裂，撞針、自由活塞、微燃燒室、尾塞、與堵頭的中心需要保持在一條直線上。為了避免微燃燒室水平滑動影響實驗開展，可視化主體部分加入堵頭頂住微燃燒室。由于微燃燒室內(nèi)均質(zhì)預(yù)混合氣瞬間壓縮著火燃燒會產(chǎn)生很大的爆發(fā)壓力，溫度也會瞬間升高，因此微燃燒室的制作材料選定高硼硅，因為其具有耐高溫、耐高壓以及好的透光性能等優(yōu)點。并且微燃燒室在加工完成之后進行了去應(yīng)力的處理，目的是減少由于微燃燒室內(nèi)部壓力過大而產(chǎn)生的微燃燒室爆裂現(xiàn)象的發(fā)生。

1.5 可視化試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

試驗裝置的可視化采集系統(tǒng)包括數(shù)碼相機以及輔助光源。在實驗中通過高速數(shù)碼相機記錄自由活塞壓縮均質(zhì)預(yù)混合氣體并且燃燒的全過程。輔助光源為100W白光LED冷光源。高速數(shù)碼相機為美國REDLAKE MASD公司的MotionProTM10000型黑白攝像機。因為整個自由活塞壓縮均質(zhì)預(yù)混合氣著火燃燒過程所用時間非常短，因此高速數(shù)碼相機必須擁有很高的拍攝性能，從照片拍攝速度和照片質(zhì)量雙方面考慮，選擇了40000幀/秒的拍攝速度進行實驗。輔助光源的使用確保了拍攝照片的清晰度。

2? 預(yù)熱條件下實驗結(jié)果及分析

本文根據(jù)上節(jié)內(nèi)容搭建實驗裝置，進行試驗研究，分析了在預(yù)熱條件下，預(yù)熱對壓燃著火界限、單次壓縮沖程，著火時刻、以及自由活塞初動能的影響。

2.1 預(yù)熱對壓燃著火界限的影響

試驗初始條件：自由活塞長20.00mm ，可壓縮行程約為20mm，微燃燒室直徑為3.00mm，二甲醚具有較低的自燃溫度，且其氣態(tài)低熱值比較適中，因此實驗裝置中的混合燃料選擇二甲醚/氧氣，考慮到微燃燒室與自由活塞之間的氣密性，自由活塞和微燃燒內(nèi)壁面間隙小于5μm。

為研究預(yù)熱對壓燃著火界限的影響，分別對未預(yù)熱，預(yù)熱溫度達到320K，360K三種情況進行試驗分析，高速數(shù)碼相機攝錄了活塞單次壓縮過程的照片。實驗結(jié)果顯示，無預(yù)加熱，且室溫較低的情況下，自由活塞壓縮均質(zhì)預(yù)混合氣很難發(fā)生著火燃燒現(xiàn)象。如圖5為未對微燃燒室進行預(yù)加熱實驗圖片，從圖片中可以看出，自由活塞幾乎已經(jīng)到達微燃燒室底部，但微燃燒室內(nèi)仍然未發(fā)生壓縮著火現(xiàn)象。

針對上述實驗結(jié)論，適當(dāng)?shù)膶ξ⑷紵疫M行預(yù)熱并分析試驗結(jié)果。圖6（a）、（b）分別為相同自由活塞初速度11m/s，微燃燒室預(yù)熱初始溫度320K、360K情況下，微自由活塞壓縮均質(zhì)預(yù)混合氣著火燃燒照片。從圖中可看出，在其他初始條件相同的情況下，320K情況微燃燒室內(nèi)未發(fā)生壓縮著火現(xiàn)象，而在微燃燒室預(yù)熱初始溫度為360K時，均質(zhì)混合氣被壓燃。這是因為，均質(zhì)混合氣初始溫度增高，在活塞壓縮至燃燒室底部時，氣體的溫度也有所上升，更易達到均質(zhì)混合氣的自燃點，著火現(xiàn)象更易發(fā)生。實驗表明增加均質(zhì)預(yù)混合氣初始溫度，可以使得著火更容易。

2.2 預(yù)熱對單次沖程時間及著火時刻的影響

試驗初始條件：自由活塞長20.00mm，可壓縮行程約為20mm，微燃燒室直徑為3.00mm，二甲醚具有較低的自燃溫度，且其氣態(tài)低熱值比較適中，因此實驗裝置中的混合燃料選擇二甲醚/氧氣，考慮到微燃燒室與自由活塞之間的氣密性，自由活塞和微燃燒內(nèi)壁面間隙小于5μm。

為探索預(yù)熱對單次沖程時間及著火時刻的影響，開展了3種預(yù)熱溫度下的自由活塞單次壓縮燃燒室過程的實驗，通過實驗照片以及高速數(shù)碼相機的頻率可計算出每個壓縮沖程的時間以及著火時刻。圖7為相同自由活塞初速度13m/s情況，不同預(yù)熱溫度320K、340K、360K微自由活塞動力裝置單次沖程所用時間，以及混合氣著火時刻隨預(yù)熱溫度變化。

從曲線中可以看出隨著微燃燒室預(yù)熱溫度增加，自由活塞單次沖程所用時間縮短。當(dāng)預(yù)熱初始溫度為300K時，自由活塞單次沖程時間約4.8ms左右，當(dāng)預(yù)熱初始溫度達到360K時，自由活塞單次沖程時間縮短至3.0ms左右。這是因為三種預(yù)熱溫度，著火劇烈程度并不相同，預(yù)熱溫度為360K的情況著火更劇烈，自由活塞膨脹末速度比較大，因此單次沖程所用時間縮短。并且從不同微燃燒室初始溫度著火時刻對比曲線可以看出，當(dāng)微燃燒室初始溫度增加時，著火時刻提前。這是因為預(yù)熱溫度的升高，自由活塞達到燃燒室附近時更易達到均質(zhì)混合氣的自燃點，因此著火時刻提前。實驗結(jié)果表明：均質(zhì)混合氣預(yù)熱初始溫度的提高，有利于縮短單次沖程時間，著火時刻也提前。

2.3 預(yù)熱對臨界壓燃初動能的影響

試驗初始條件：自由活塞長20.00mm，可壓縮行程約為20mm，微燃燒室直徑為3.00mm，二甲醚具有較低的自燃溫度，且其氣態(tài)低熱值比較適中，因此實驗裝置中的混合燃料選擇二甲醚/氧氣，考慮到微燃燒室與自由活塞之間的氣密性，自由活塞和微燃燒內(nèi)壁面間隙小于5μm。

微自由活塞動力裝置自由活塞的初動能（即微燃燒室內(nèi)達到臨界著火狀態(tài)的自由活塞初動能），是由公式E0=mvo/2計算而得到的（m為自由活塞質(zhì)量，v0為自由活塞初速度）。

圖8為臨界壓燃初動能隨預(yù)熱溫度的變化。從圖8中可以明顯看出，當(dāng)預(yù)熱溫度分別為320K、340K、360K時，對應(yīng)的臨界壓燃初動能分別為0.083J、0.0642J、0.0407J。這表明，一定溫度范圍內(nèi)，隨著微燃燒室預(yù)熱溫度的升高，壓縮著火燃燒所需的初動能減少，即較高預(yù)熱溫度能夠降低壓燃著火所需的初動能，使得壓燃著火更易發(fā)生。

3? 結(jié)論

①預(yù)熱條件的作用對微自由活塞動力裝置的燃燒過程產(chǎn)生了一定的影響，預(yù)熱初始溫度的升高，使得在相同初始條件下一些不能被壓縮著火燃燒的情況下，發(fā)生著火現(xiàn)象，表明高的混合氣初始溫度有利于著火。

②隨著微燃燒室初始溫度增加，自由活塞單次沖程所用時間縮短;當(dāng)微燃燒室初始溫度增加時，著火時刻提前。

③隨著預(yù)熱初始溫度的增加，臨界壓燃初動能逐漸減小，即較高的微燃燒室預(yù)熱溫度能夠降低壓燃著火所需的初動能，使得壓燃著火更易發(fā)生。

參考文獻：

[1]Li， Q. F.， Xiao， J.， Huang， Z. Flat-type permanent magnet linear alternator， a suitable device for free piston linear alternator [J]. Journal of Zhejiang University-SCIENCE A. 2009， 10（3）.

[2]Li， Q. F.， Xiao， J.， Huang， Z. Parametric Study of a Free Piston Linear Alternator [J].International Journal of Automotive Technology. 2010， 11（1）.

[3]B. Zhang， X. Peng， Z. He， Z. Xing， P. Shu Development of a double acting free piston expander for power recovery in transcritical CO2 cycle[J]. Applied Thermal Engineering， 2007（27）：1629-1636.

[4]H. T. Aichlmayr1， D. B. Kittelson， et al. Micro-HCCI combustion： experimental characterization and development of a detailed chemical kinetic model with coupled piston motion[J]. Combustion and Flame，2003，135：227-248.

[5]Sher I， Sher D L， et al. Miniaturization limitations of HCCI internal combustion engines[J]. Applied Thermal Engineering，2009，29：400-411.

[6]Lloyd S A， Weinberg F J. A burner for mixtures of very low heat content. Nature， 1974， 251： 47，48.

[7]曹海亮，徐進良.進氣方式對回?zé)嵝臀⑷紵魅紵匦缘挠绊慬J].自然科學(xué)進展，2006，12：1598-1605.

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作者簡介：黃蓉（1992-），女，江蘇南通人，碩士，講師，江蘇大學(xué)京江學(xué)院，研究方向為內(nèi)燃機的數(shù)值模擬與研究。