先进液压自由活塞发动机中燃烧过程关键问题的研究

The advanced hydraulic free piston engine proposed here comprising such characteristics as: opposed piston, PPM frequency control, uniflow port scavenging, HCCI combustion mode. Out of the restraining of the crank-link mechanism, the movement of the piston has such characteristics as short staying time at TDC, rapid expansion, strongly coupling with the combustion process in the cylinder.The uniflow scavenging process of the tangential inlet port makes the residual exhaust gas concentration stratified distribution.Considering of the particularity in combustion process said above, factors affecting conversion efficiency in combustion process, NOx creating process and knock occurrence mechanism will all be studied after simulation research based on large eddy simulation with detailed chemical reaction kinetics, and experiments study on an optical engine and a prototype engine in this application. The method will be explored to reach efficient and clean combustion process by structural parameters design, EGR, and operation parameters control.The way will also be explored that how to expansion the HCCI combustion mode operating range in a hydraulic free piston engine.

本申请所提出的先进液压自由活塞发动机具备：对置活塞、PPM调频、切向进气口直流扫气、HCCI燃烧的特征。由于不受曲柄连杆机构的束缚，活塞的运动规律具有上止点停留时间短、膨胀速度快的特点，并且活塞的运动规律与缸内的燃烧过程具有较强的耦合关系；切向进气口的直流扫气作用，导致了缸内残余废气浓度分层分布的可能性。本研究针对上述燃烧过程的特点，通过大涡模拟加详细化学反应动力学模型的仿真研究，结合光学发动机的模拟实验，以及实际样机的台架实验，对燃烧过程中热功转化效率的影响因素，有害排放物NOx的形成规律，爆震发生的机理开展研究，探索通过发动机结构参数设计、EGR、运行参数控制等手段，在液压自由活塞发动机中实现高效、清洁燃烧过程的方法，探讨在液压自由活塞发动机中拓展HCCI燃烧模式工况运行范围的途径。

先进液压自由活塞发动机具备：对置活塞、PPM调频、切向进气口直流扫气、HCCI燃烧的特征。由于不受曲柄连杆机构的束缚，活塞的运动规律具有上止点停留时间短、膨胀速度快的特点，并且活塞的运动规律与缸内的燃烧过程具有较强的耦合关系；切向进气口的直流扫气作用，导致缸内残余废气浓度分层分布。本研究针对上述燃烧过程的特点，通过大涡模拟加详细化学反应动力学模型的仿真研究，结合光学发动机的模拟实验，以及实际样机的台架实验，进行了如下研究：.1）活塞的运动规律与燃烧过程耦合关系的研究，结果表明，液压自由活塞发动机的活塞运动规律，对于燃烧相位的变化具有自适应性，同时对混合气浓度变化导致的燃烧相位、累积放热量的复合变化，同样具有自适应性，该特性能可有效避免爆震现象或后燃和熄火现象。.2）液压自由活塞发动机热功转化效率的研究，结果表明，综合使用多火花塞点火、提高活塞运动速度和适当高的压缩比（17.5），就可以在无爆震前提下获得高指示功，和原始方案相比优化后方案指示功提高了15.3%。相比于HCCI模式，热面辅助均质压燃燃烧放热速率较低，可以抑制爆震发生；相比于SI模式，热面辅助均质压燃可以实现稀薄燃烧，压缩比提高，燃烧持续期短；相比于火花助燃HCCI，热面点火能量高助燃效果要好。采用多火花塞点火可以优化初始进气压力增加较多后效率降低的现象，即使将初始增压压力提高到0.8MPa，也能得到较高的指示热效率。.3）液压自由活塞发动机HCCI燃烧过程爆震机理的研究，结果表明，燃烧室内的压力波呈同心圆环状分布。燃料发生自燃后，燃烧室中心压力突然升高，并不断向四周传播，撞到壁面后被反射回来并向燃烧室中心汇聚。压力波在燃烧室内不断扩散和汇聚，导致强烈的压力震荡。.通过以上研究，探索了通过发动机结构参数设计、EGR、运行参数控制等手段，在液压自由活塞发动机中实现高效、清洁燃烧过程的方法，揭示了在液压自由活塞发动机中拓展HCCI燃烧模式工况运行范围的途径。