單缸式自由活塞混合動(dòng)力柴油機(jī)噴霧特性研究

曾 山，陸百川，袁晨恒

（重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074）

自由活塞混合動(dòng)力系統(tǒng)是一種結(jié)合自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和線性電機(jī)性能優(yōu)勢(shì)的新型混合動(dòng)力單元［1-4］。相比于常規(guī)混合動(dòng)力，它的活塞運(yùn)動(dòng)不受任何機(jī)械機(jī)構(gòu)的約束［5-6］，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)軌跡和止點(diǎn)可變、燃燒控制靈活等特點(diǎn)［7-10］，已成為車(chē)載增程動(dòng)力的研究熱點(diǎn)。

已有研究指出，單缸式自由活塞混合動(dòng)力（以下簡(jiǎn)稱(chēng)SFPE）的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與常規(guī)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)完全不同，呈現(xiàn)出“自由”的運(yùn)動(dòng)特性［11-13］?；钊\(yùn)動(dòng)與缸內(nèi)氣體壓力和溫度變化及氣流運(yùn)動(dòng)等關(guān)系密切，且缸內(nèi)氣體狀態(tài)的變化又會(huì)對(duì)燃油的蒸發(fā)霧化和混合氣形成過(guò)程產(chǎn)生重要影響［14-15］。因此，SFPE這些特殊的活塞運(yùn)動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致其燃油噴射、霧化、混合氣形成及后續(xù)燃燒過(guò)程表現(xiàn)出不同的性能特征。然而，當(dāng)前研究普遍關(guān)注SFPE的運(yùn)動(dòng)性能和燃燒特點(diǎn)，缺少對(duì)其燃油噴射霧化特性的深入認(rèn)識(shí)。為此，本文中建立耦合運(yùn)動(dòng)的SFPE多維燃油噴射模型，模擬研究高壓燃油在其缸內(nèi)的噴射、蒸發(fā)、霧化及與空氣的混合過(guò)程，并對(duì)比相同結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行工況的傳統(tǒng)活塞式柴油機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)TCE），探尋SFPE燃油噴射霧化過(guò)程潛在的性能特征，以便為SFPE噴油、混合氣形成及燃燒的組織和控制提供指導(dǎo)。

1 樣機(jī)與工況

樣機(jī)是1臺(tái)單缸電磁式自由活塞混合動(dòng)力柴油機(jī)，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其原型機(jī)是前期研究提出的對(duì)置式自由活塞混合動(dòng)力單元［16-17］。SFPE的左側(cè)為壓燃式自由活塞柴油機(jī)，中間為1臺(tái)商用三相圓筒動(dòng)磁型直線電機(jī)，右側(cè)為回復(fù)彈簧。發(fā)動(dòng)機(jī)采取二行程往復(fù)運(yùn)行的工作模式，通過(guò)電控共軌噴油系統(tǒng)提供精確的直噴柴油燃料，并利用回流掃氣系統(tǒng)組織缸內(nèi)氣體交換。當(dāng)左側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料燃燒后，工質(zhì)膨脹做功，推動(dòng)活塞-永磁體組件向右運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并同步壓縮右側(cè)彈簧儲(chǔ)存能量，提供活塞-永磁體組件向右運(yùn)動(dòng)的恢復(fù)力，通過(guò)連續(xù)的燃燒-膨脹發(fā)電-回位壓縮，實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而為車(chē)輛提供電力。研究樣機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。另外，燃油的噴射工況和發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 SFPE基本結(jié)構(gòu)示意圖

表1 SFPE的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 噴射與運(yùn)行工況參數(shù)

2 模型與方法

為了直觀地揭示SFPE的噴射與霧化特性，采取對(duì)比傳統(tǒng)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，通過(guò)建立多維數(shù)值模型，模擬分析其噴射、霧化、混合過(guò)程的性能特征。

2.1 研究方法

SFPE的往復(fù)運(yùn)動(dòng)是動(dòng)力學(xué)行為的直接響應(yīng)，隨運(yùn)行工況而變化，受燃燒壓力、電磁力等的影響。已有研究指出，SFPE的動(dòng)力學(xué)過(guò)程與缸內(nèi)燃燒放熱狀況之間存在強(qiáng)耦合關(guān)系［16］，目前應(yīng)用于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的建模計(jì)算方法已不再適用于SFPE，影響噴霧發(fā)展的發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮、膨脹過(guò)程需要準(zhǔn)確反映。本研究采取一種耦合參數(shù)相互傳遞、數(shù)值結(jié)果循環(huán)迭代的建模計(jì)算方法，通過(guò)建立考慮SFPE動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的多維噴霧模型，模擬SFPE特殊的動(dòng)力學(xué)行為對(duì)其噴霧特性的影響特征。具體的建模計(jì)算過(guò)程如圖2所示，可以被描述為：

步驟1在初始邊界工況下，根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，采用經(jīng)驗(yàn)放熱速率函數(shù)初始化熱力驅(qū)動(dòng)過(guò)程計(jì)算獲取活塞運(yùn)動(dòng)性能，為建立噴霧和燃燒的多維模型提供壓縮膨脹邊界。

步驟2以動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為基礎(chǔ)，制作多維模擬工具可讀取的位移數(shù)據(jù)文件，采用運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)建立涵蓋有效壓縮-膨脹過(guò)程的噴霧燃燒多維模型，模擬缸內(nèi)氣體壓力、溫度、燃油噴射、霧化、混合及燃燒的變化狀況，并提取放熱速率。

步驟3以多維模擬的放熱釋放規(guī)律取代步驟1的經(jīng)驗(yàn)放熱速率函數(shù)，更新邊界工況，重新建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，并計(jì)算獲取活塞運(yùn)動(dòng)性能和熱力學(xué)壓力變化。

步驟4根據(jù)更新后的活塞運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，重新建立噴霧和燃燒多維模型，數(shù)值計(jì)算缸內(nèi)氣體狀態(tài)、噴霧、混合及能量釋放特征。

步驟5重復(fù)迭代步驟2、3、4，直至收斂。滿足的收斂條件為：步驟3計(jì)算的缸內(nèi)壓力與多維模擬的缸內(nèi)壓力誤差小于5%。

圖2 建模計(jì)算過(guò)程框圖

2.2 動(dòng)力學(xué)模型

研究涉及的SFPE動(dòng)力學(xué)模型可由牛頓第二定律建立，見(jiàn)式（1）。

式中：m、x分別為活塞組件的質(zhì)量和位移；t為時(shí)間；Fp為缸內(nèi)氣體作用力，受熱力學(xué)性能的作用；Ff為摩擦力；Fe為電磁負(fù)載力；Fs為掃氣作用力，由掃氣壓力決定；Fr為彈簧回復(fù)力。

線性電機(jī)的電磁力主要受外部負(fù)載和往復(fù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定，可表示為：

其中：kf和kv分別為電磁力常數(shù)和電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；R和r分別為外部負(fù)載和線圈電阻；L為線圈電感。

由于不受任何側(cè)向力的作用，活塞運(yùn)動(dòng)的摩擦損失主要來(lái)自于活塞環(huán)摩擦，包括液體潤(rùn)滑油的摩擦和氣缸壁與活塞環(huán)之間微凸表面的接觸摩擦。

其中：Cf為潤(rùn)滑油有效摩擦因數(shù)；fpr為摩擦因數(shù)；Tr為徑向彈性力；D為活塞直徑；ωr為活塞環(huán)寬度。

彈簧回復(fù)力可以表示為：

其中：Kbs為彈簧剛度；Lbs為彈簧初始長(zhǎng)度。

2.3 多維噴霧及燃燒模型

根據(jù)SFPE氣缸結(jié)構(gòu)形狀與燃燒室?guī)缀纬叽纾紫冉⑷加蛧婌F控制區(qū)域幾何模型，并采用Hypermesh前處理工具對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在有效壓縮行程開(kāi)始時(shí)刻，整個(gè)計(jì)算域內(nèi)的網(wǎng)格全部為六面體網(wǎng)格。由于氣缸的壓縮、膨脹受到活塞運(yùn)動(dòng)影響而決定，本次研究將動(dòng)力學(xué)模型獲得的活塞位移制作為可讀取的Dat文件，然后利用AVL_Fire查詢(xún)活塞位置來(lái)控制噴射區(qū)控制體積的運(yùn)動(dòng)邊界，進(jìn)而通過(guò)活塞位置變化來(lái)生成噴霧區(qū)域的運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格，如圖3所示。

圖3 計(jì)算網(wǎng)格模型示意圖

盡管SFPE具有特殊的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，但其仍然屬于一種壓燃式柴油機(jī)，與傳統(tǒng)柴油機(jī)具有相同的物理屬性。因此諸多適用于傳統(tǒng)柴油機(jī)的噴射模型也能夠被用于SFPE多維噴射模擬。本次模擬中，缸內(nèi)湍流的模擬采用應(yīng)用范圍較廣、精度和穩(wěn)定性都較好的四方程模型（k-zeta-f模型）［18］。燃油蒸發(fā)采用 Dukowicz模型描述［19］，該模型認(rèn)為油滴的溫度均勻，且考慮傳熱與傳質(zhì)的影響。油滴的破碎采用 Wave模型描述［20］，該模型認(rèn)為當(dāng)不穩(wěn)定波的振幅大于臨界值的時(shí)候，液滴即發(fā)生分裂，并提出了一個(gè)常數(shù)C2去調(diào)整破碎時(shí)間。在實(shí)際模擬時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果修正C2以準(zhǔn)確模擬油滴的破碎。油滴在缸內(nèi)湍流渦團(tuán)中耗散采用Gosman＆Ioannidis模型描述，通過(guò)加入脈動(dòng)速度來(lái)模擬湍流對(duì)噴射液滴的作用，并認(rèn)為液滴脈動(dòng)速度的分量符合高斯分布。對(duì)于噴霧的碰壁模擬，通常認(rèn)為液滴沖擊到壁面后可能會(huì)發(fā)生反彈和射流反射，在低韋伯?dāng)?shù)時(shí)以反彈為主，在高低韋伯?dāng)?shù)時(shí)碰壁后像射流一樣發(fā)生反射，本文中采用Walljet1模型構(gòu)建一個(gè)分段函數(shù)來(lái)具體描述噴霧的碰壁現(xiàn)象［21］。另外，對(duì)于后續(xù)發(fā)生的燃燒現(xiàn)象，采用擴(kuò)展的相關(guān)火焰模型ECFM_3Z描述。

2.4 模型校核

在滿足燃料可燃?jí)毫蜏囟鹊那疤嵯?，柴油機(jī)燃燒過(guò)程主要受到燃油噴射、霧化及混合過(guò)程的影響，缸內(nèi)的燃燒變化情況在一定程度上對(duì)應(yīng)于燃油噴射霧化的變化情況，因此可以通過(guò)測(cè)試燃燒數(shù)據(jù)來(lái)代替驗(yàn)證燃油噴霧模型的有效性。本研究通過(guò)測(cè)試缸內(nèi)氣體壓力數(shù)據(jù)對(duì)噴霧模型中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正與校驗(yàn)。模擬和試驗(yàn)獲得的壓力如圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，測(cè)試結(jié)果和模擬結(jié)果具有良好的同步特征，數(shù)值對(duì)比的差異在可接受范圍內(nèi)。

圖4 模擬和試驗(yàn)曲線

3 結(jié)果與討論

3.1 運(yùn)動(dòng)結(jié)果與噴霧環(huán)境對(duì)比

圖5為模擬計(jì)算所得的SFPE運(yùn)動(dòng)位移與TCE的結(jié)果。其中，用等效曲軸轉(zhuǎn)角的概念來(lái)代替時(shí)間去描述SFPE運(yùn)動(dòng)，且TCE的曲柄連桿比為1／4?？梢园l(fā)現(xiàn)，SFPE的壓縮行程（BDC至TDC）花費(fèi)的時(shí)間較膨脹行程（TDC至BDC）多，即SFPE的壓縮慢于其膨脹，該運(yùn)動(dòng)特征完全不同于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)和雙活塞式自由活塞混合動(dòng)力［14］。另外，SFPE在止點(diǎn)附近及膨脹過(guò)程的速度快于TCE，在止點(diǎn)附近停留的時(shí)間較短，因此在相同的噴射位置（位移），傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射開(kāi)始時(shí)間更早。2種發(fā)動(dòng)機(jī)顯著不同的運(yùn)動(dòng)性能給它們的噴霧發(fā)展提供了不同的缸內(nèi)壓力和溫度環(huán)境（如圖6）。其中 A（A′）、B（B′）分別代表 SFPE和 TCE的噴油起始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻（下同）。從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，在相同等效轉(zhuǎn)角下，TCE的缸內(nèi)溫度和壓力都高于SFPE。但是，在噴油過(guò)程中，SFPE的缸內(nèi)壓力和溫度卻高于TCE。

圖5 SFPE和TCE運(yùn)動(dòng)位移曲線

圖6 缸內(nèi)壓力和溫度曲線

3.2 噴霧特征

盡管2種機(jī)型在同一運(yùn)動(dòng)位置下噴油，此時(shí)兩者的缸內(nèi)氣體體積也相同，但它們的運(yùn)動(dòng)差異導(dǎo)致實(shí)際的噴油時(shí)刻不同（圖5）。圖7為SFPE和TCE噴入的液體燃油在缸內(nèi)的揮發(fā)情況曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，2種發(fā)動(dòng)機(jī)最終的噴油量幾乎相同，但是噴油時(shí)刻的差異對(duì)燃油的揮發(fā)量產(chǎn)生了明顯影響。由于TCE燃油噴射早于SFPE，因此其燃油揮發(fā)總量略高于SFPE。然而，從燃油揮發(fā)速度對(duì)比可得，噴油開(kāi)始后 SFPE的燃油揮發(fā)速率快于TCE，這主要是由于SFPE噴油持續(xù)期內(nèi)更高的缸內(nèi)氣體溫度與更大的壓力。

圖7 噴油量與揮發(fā)量曲線

同一工況下，SFPE和TCE的燃油噴霧發(fā)展特性如圖8、9所示，它們分別描述了SFPE和TCE的貫穿距離和索特平均直徑（SMD）的對(duì)比情況。噴霧的發(fā)展可劃分為液柱階段和分裂霧化階段。在噴油階段，大部分燃油處于連續(xù)液體狀態(tài)，只有液體油柱外部表層少量的燃料接觸到周?chē)諝猓_(kāi)始分裂成油線和碎片?？梢钥闯觯诖穗A段SFPE的噴霧貫穿距離略小于TCE；并且它的SMD在噴射初期也略小，但在噴油中后期略大于TCE。這是兩者的噴霧發(fā)展環(huán)境存在差異所導(dǎo)致。由于SFPE在噴射階段具有更高的缸內(nèi)背景溫度和更大的壓力，盡管難以獲得更大的噴霧貫穿，卻促進(jìn)了其液柱階段SMD的降低。此外，這一過(guò)程的缸內(nèi)氣體流動(dòng)也有助于減小SMD。SFPE在止點(diǎn)附近的較快壓縮和膨脹使其缸內(nèi)形成了更強(qiáng)的擠流，帶動(dòng)液柱表面（尤其是前端）液體燃料迅速脫離主體液柱成為蒸氣，并在其噴射方向上更快地傳播。這也有利于SFPE在液柱階段獲得更佳的燃油霧化效果。噴油結(jié)束后，噴霧進(jìn)入分裂霧化階段，前期分裂后的油線和碎片在氣流運(yùn)動(dòng)和自身作用力的作用下進(jìn)一步分裂霧化，并在噴射方向上進(jìn)一步傳播。由于TCE燃油噴射更早，這為其提供了充足的燃油蒸發(fā)和霧化時(shí)間，因此TCE的SMD更低。

圖8 貫穿距離曲線

圖9 索特平均直徑曲線

圖10為SFPE和TCE的噴霧碰壁數(shù)量曲線。在開(kāi)始噴油后的一定時(shí)間內(nèi)，2種發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始發(fā)生噴霧碰壁的現(xiàn)象。由于SFPE在噴霧過(guò)程中的壓縮更快，這造成了噴霧區(qū)域的體積縮小更快，活塞頂部距離噴油嘴更近，從而導(dǎo)致更多的燃油噴射到活塞頂部。噴射過(guò)程中更小的缸內(nèi)容積也造成SFPE在后續(xù)的分裂霧化階段有更多的噴霧與壁面接觸。

圖10 噴霧碰壁量曲線

圖11為SFPE和TCE的混合氣均勻性指數(shù)曲線。更高的缸內(nèi)氣體溫度和更大的壓力有助于形成更均勻的混合氣。在噴油初期，SFPE的缸內(nèi)氣體壓力和溫度更高，促進(jìn)了混合氣均勻性指數(shù)的快速上升。但是，在噴射結(jié)束時(shí)刻，2種機(jī)型的混合氣均勻性指數(shù)并沒(méi)有明顯的差異。這是由于SFPE的燃油在噴射和霧化過(guò)程中，過(guò)小的缸內(nèi)容積導(dǎo)致過(guò)多的噴霧碰壁質(zhì)量，這不利于均勻混合氣的形成。2種因素的共同作用致使噴油結(jié)束時(shí)刻2種發(fā)動(dòng)機(jī)的混合氣均勻性指數(shù)基本相同。相較于SFPE，TCE更早的燃油噴射為其提供了充足的燃油蒸發(fā)和霧化時(shí)間，因此在活塞運(yùn)動(dòng)到TDC之前就已經(jīng)形成了較為均勻的混合氣。而SFPE滯后的燃油噴射導(dǎo)致其活塞在運(yùn)動(dòng)到TDC時(shí)，氣缸內(nèi)還未形成均勻的混合氣，之后缸內(nèi)容積開(kāi)始不斷增加，混合氣均勻性得到進(jìn)一步提高，但這仍然限制了其獲得最均勻的混合氣。

圖11 混合氣均勻性指數(shù)曲線

上述噴霧發(fā)展?fàn)顩r會(huì)直接影響燃料與空氣的混合狀況，而混合氣質(zhì)量直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的燃燒和排放狀況。圖12表示噴霧發(fā)展過(guò)程中油氣混合的燃料濃度。由圖12可知，在活塞到達(dá)上止點(diǎn)之前，TCE中混合氣的濃區(qū)中心更快地到達(dá)了氣缸內(nèi)壁和氣缸蓋，并且霧柱外表面混合氣稀區(qū)的范圍更廣。究其原因，兩者在空間上具有無(wú)差異的噴油位置，但在時(shí)間上TCE的噴油比SFPE早，因此在這期間TCE中燃油與缸內(nèi)氣體的接觸更充分，更有助于油滴的快速破碎、分裂和霧化。當(dāng)活塞越過(guò)TDC之后，SFPE缸內(nèi)剩余的濃混合氣較TCE中更多，并且濃區(qū)中心距離活塞頂部和氣缸中心都較遠(yuǎn)。主要原因包括：首先SFPE的燃燒始點(diǎn)較TCE晚，其部分燃料的混合在膨脹沖程中進(jìn)行，并且其活塞在TDC附近運(yùn)動(dòng)較快，部分濃混合氣向下運(yùn)動(dòng)的速度跟不上活塞離開(kāi)TDC的速度，因此SFPE缸內(nèi)活塞頂部?jī)啥丝p隙和氣缸蓋附近燃油堆積現(xiàn)象更加明顯；其次，SPFE快速增大的膨脹使其缸內(nèi)溫度較TCE更低。宏觀上，TCE缸內(nèi)更高的溫度使燃油的黏度和密度下降，使霧團(tuán)表面液滴的速度在周?chē)鷼怏w的作用下迅速下降，而霧團(tuán)內(nèi)部的燃油速度變化不大。微觀上，TCE缸內(nèi)更高的溫度增大了燃油分子的內(nèi)能，使其更快地?zé)o規(guī)則運(yùn)動(dòng)到周?chē)鷼怏w中去，整個(gè)霧團(tuán)表面燃油粒子與氣體相互作用更劇烈，范圍也更廣。

圖12 燃空當(dāng)量比分布

4 結(jié)論

1）SFPE在噴霧過(guò)程中的快速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致噴射的開(kāi)始時(shí)刻晚于TCE，但它為噴霧的發(fā)展提供了更高的缸內(nèi)氣體溫度和更大的壓力，因此在噴射階段SFPE具有更快的燃油揮發(fā)速度。然而，TCE更早的噴射使其燃油揮發(fā)總量更多。

2）在燃油噴霧的液柱階段，SFPE活塞在TDC附近較快的活塞運(yùn)動(dòng)使其缸內(nèi)形成了較強(qiáng)的擠流，且其缸內(nèi)溫度和壓力也更高，這促使其噴霧的蒸發(fā)狀況優(yōu)于TCE。在噴霧的分裂霧化階段，由于TCE燃油噴射更早，提供了充足的燃油蒸發(fā)和霧化時(shí)間，因此TCE的SMD更小。

3）SFPE在TDC附近的活塞運(yùn)動(dòng)更快，造成了缸內(nèi)體積縮小更快，活塞頂部與噴孔的距離更近，從而導(dǎo)致更多的噴霧碰壁質(zhì)量，不利于形成均勻的混合氣。此外，TCE更早的燃油噴射提供了充足的燃油蒸發(fā)和霧化時(shí)間，從而提高了混合氣的均勻性。