微型自由活塞动力装置工作过程及热动力学模型研究

Being a significant way of providing sustained and stable power for micro electro mechanical system (MEMS), micro power device, especially based on the advantage of high energy conversion efficiency and high power density, has become a research hot at home and abroad. Based on the early research of ignition process and combustion stability of micro free piston power device, the study of operation process and thermal dynamic model of micro HCCI free piston power device are presented. Through visualization experiment and quasi cyclic practicle device measurement, the starting process, intake and exhaust process and combustion process, as well as free piston kinetic process, are studied to obtain the free piston motion picture, combustion picture, and the characteristics of combustion pressure and temperature. The models of thermodynamic and kinetic of the device in the working process are established, consisting of initial kinetic energy forecasting model, micro free piston dynamic model, micro combustion model (including catalytic combustion), heat transfer model and leakage model in small scale. The minimum energy standards of free piston on starting process are obtained. The critical combustion conditions of mixture gas, and as well as the dynamic characteristics and indicator diagram of free piston with loads are also obtained. The evaluation indexes for energy conversion efficiency and the work capacity of micro power device are determined.Based on the experimental and numeriacal results the prototype of micro free piston device will be developed.

微型动力装置是提供微机电系统（MEMS）持续稳定能量的重要途径，特别是基于微燃烧的动力装置具有能量转换效率高和功率密度高的优势，成为国内外研究热点。在前期对微型自由活塞动力装置着火过程和燃烧稳定性的研究基础上，本项目提出开展微型HCCI自由活塞动力装置工作过程及热动力学模型研究。采用可视化实验与准循环装置测试相结合的方法，研究装置的启动过程、进排气和燃烧过程以及自由活塞动力学过程，获取自由活塞运动图像、燃烧图像、燃烧压力以及温度的变化特征；建立考虑微小尺度效应的装置工作过程中的热力学及动力学模型，包括装置启动过程能量预测模型、微自由活塞动力学模型、微燃烧（含催化燃烧）化学动力学模型以及微小尺度下传热模型、泄漏模型，获取启动过程自由活塞最低能量准则、混合气临界着火燃烧条件、负载条件下自由活塞动力特性及示功图，确定微型动力装置的能量转换效率、做功能力等评价指标，并研制原型样机。

通过建立考虑微小尺度效应的微燃烧（含催化燃烧）化学动力学模型以及泄漏模型，结合基于压力测试的可视化变参数实验研究与数值模拟计算，获得了启动过程自由活塞最低能量准则、混合气临界着火燃烧条件、自由活塞动力特性及示功图，完成了本项目的研究工作并取得预期成果：（1）优化了可视化压燃实验装置，包括微燃烧压力测量系统及燃气预热装置，获得了不同自由活塞启动速度，混合燃料预热温度及催化条件下，混合气体压力变化规律、作功能力评价及对压燃启动能量的影响规律。微燃烧室体积为0.26cm3时，净功率可达70w，相比其他光电、光热转化形式微动力装置，其功率与功率密度优势比较明显。（2）详细分析了多种混合燃气对微型发动机燃烧特性的影响，包括甲烷掺混氢气、高温EGR 以及使用Pt催化燃烧方法，结果表明，掺混燃料及催化燃烧均可显著降低微燃烧室内HCCI燃烧的临界压燃初动能，使着火时刻提前，但会导致微动力装置做功能力的降低，当掺氢比为0.1~0.2，EGR率为0.1时，既能达到拓展燃烧界限及优化装置燃烧性能的目的，又不会使做功能力损失过多，此时装置性能最优。（3）重点研究了泄漏间隙对微动力做功能力及燃烧过程的影响，径向间隙为2.0μm时，指示功值高于无泄漏间隙情况；但当径向间隙大于2.0μm，指示功随着径向间隙δ的增加而减小，做功能力降低，微自由活塞动力装置的指示功呈现先上升后降低的趋势。合理的间隙尺寸，在不影响做功能力的前提下，可降低工作过程的粗暴性，有利自由活塞动力过程的控制。（4）初步建立了结合进、排气过程的压燃模型，分析了微空间内气体流动规律。对微动力装置样机的试制具有重要的指导意义。本项目研究成果主要包括：发表论文SCI检索7篇，EI论文3篇，申请和授权发明专利5项，相关成果获得省部级以上科技进步二等奖1项，博士研究生1名，硕士研究生8名。