微压燃式自由活塞动力装置启动过程的研究

Being a significant approach 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 effectual way and research hotspots in recent years. Based on the early research of combustion characteristics of single compression ignition combustion process in micro free piston power device, the study of starting process of micro HCCI free piston power device are presented. Through theoretical analysis, visualization experiment and numerical simulation, mixed fuel homogeneous combustion process, intake and exhaust process, as well as cold starting process will be studied. The models of thermodynamic, micro scale flow model and piston component kinetic model will be established to reveal micro compression combustion characteristics and micro flow characteristics inside micro chamber. Eventually, dynamic mathematical model of double-cylinder micro free piston device will be established. Starting characteristics under different starting strategies will be researched, obtaining the relation expressions between starting energy and parameters of micro free piston engine. The critical starting energy of homogeneous combustion compression will be explored to make a smooth transition from starting process into running procedure, the research may provide basic theories for designing the micro power prototype.

基于碳氢燃料压缩燃烧的微自由活塞动力装置是解决微机电系统动力输出瓶颈的有效途径之一，是近几年研究热点之一。在前期对微自由活塞动力装置单次压缩燃烧特性的研究基础上，本项目提出开展微压燃式自由活塞动力装置启动过程的研究，采用理论分析、可视化实验及数值模拟方法，分别研究掺混燃料均质压缩燃烧过程、进排气过程及冷启动过程，建立工作过程中的热力学模型、微尺度流动模型及活塞组件动力学模型，揭示微尺度压缩燃烧特性、缸内气体微流动特性，最终建立双缸微自由活塞动力装置活塞组件运动数学模型，研究不同启动策略下启动过程的特征，获得微压燃式自由活塞动力装置启推能量与各参数之间的关系表达式，探寻均质气体压缩燃烧的临界启推能量，使微自由活塞动力装置由启动过程平稳过渡到运行过程，为样机研制与优化奠定研究基础。

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、泄漏模型、微通道扫气模型以及恒力往复循环启动模型，结合基于压力测试的可视化实验研究与变参数数值模拟计算，对微自由活塞动力装置临界压燃界限拓展进行了研究，对进、排气结构设计进行了计算，完成了本项目的研究工作并取得预期成果：（1）详细分析了催化预热及掺混燃料对微动力装置压燃特性的影响，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，能达到拓展燃烧界限及优化装置燃烧性能的目的，同时可以在一定程度上降低微燃烧室内最高温度及最高压力，从而使微动力装置实现更加稳定的燃烧；（2）重点研究了泄漏间隙对微动力装置做功能力及燃烧过程的影响，针对直径3mm，长度20mm的燃烧室，随着径向间隙的增加，最高压力升高率降低，微动力装置工作过程的粗暴性降低；着火时刻有所推迟，但混合气的泄漏量增加，系统总能量下降，导致活塞膨胀末速度下降。当径向间隙为2.0μm时，随着横向间隙的增加，指示功增加，最高达到0.26051J。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；（3）建立了单缸压燃扫气模型，并对各参数对扫气效果的影响进行了详细的数值模拟研究，结果表明在单个进、排气道模型下，进、排气口间距为2mm，进气道倾角大小为30°，排气道倾角为60°，进气道直径为0.8mm，排气道直径为0.9mm的时候扫气效果最好；（4）初步建立了恒力往复循环启动模型，同时得到微燃烧室底局部加热，可以大幅度降低临界压燃压缩比值，使得启动过程更易实现，在后续的研究中可以考虑局部热点辅助启动模式，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：在国际重要期刊发表研究论文2篇，申请和授权发明专利4项，培养硕士研究生4人。