泄漏对微自由活塞发动机工作过程的影响

柏 金，王 谦，谢 强，张彭岗

(江苏大学能源与动力工程学院，江苏镇江212013)

微机电系统(MEMS)的迅速发展，对高能量密度电源装置的需求日益迫切，传统的电池能量密度低、供能不连续，已成为微机电系统发展的主要障碍.基于碳氢燃料燃烧的微型动力系统(power MEMS)应运而生，在当今工业生产中具有极为广阔的应用前景［1］.研究人员设计各种方案对碳氢燃料进行研究，如 W.J.A.Dahm 等［2］开发制作的微型摆式发动机等，由 K.Isomura等［3］与 IHI公司合作研制的世界上最小的燃机轮机;加州大学伯克利分校最早提出了微型三角转子式发动机的概念［4］等.其中自由活塞式发动机具有结构简单，能量转换效率高等显著特点，近年来已引起人们的高度重视［5-7］，自由活塞式发动机更适合向微型化发展，将HCCI燃烧方式［8-9］与微型自由活塞式发动机相结合，不仅可以解决微燃烧室壁面的火焰淬熄问题，同时可以解决HCCI燃烧的着火控制难题，对微动力机电系统装置的开发具有重要意义［10］.自由活塞与燃烧室内壁面之间存在一定的间隙，所以混合气的泄漏是不可避免的.混合气的泄漏势必会影响微发动机的工作过程，以致影响动力性与经济性，因此笔者对添加泄漏模型的微压缩燃烧过程进行数值模拟研究，得出影响混合气泄漏程度的各种因素及泄漏对微发动机压缩着火过程的影响，从而为微自由活塞发动机的开发与设计提供更多的基础理论.

1 试验研究

为了直观地了解微型发动机内HCCI燃烧特性，对微燃烧室内自由活塞单次压缩着火过程进行可视化试验.试验装置如图1所示，主要由压力装置、气体预混装置、高速数码相机和微燃烧室组成.

在试验过程中，首先通过质量流量计向微燃烧室内充入均匀的甲烷/空气混合气体，燃烧室左端用尾塞进行密封，右端为自由活塞;通过调节氮气瓶压力来控制活塞的初动量，气动装置冲击活塞，活塞运动压缩微燃烧室内气体，直至混合气体着火燃烧;通过高速数码相机拍摄整个试验过程，捕捉活塞位移及运动规律，并抓拍混合气体压缩着火的瞬间，以便更好地分析试验结果.试验过程中，可改变活塞初始运动速度及气缸/活塞间隙等参数进行微自由活塞单次冲击试验，高速数码相机拍摄速度为20 000帧·s-1，相邻图片的时间间隔为0.05 ms，图2为部分试验结果，不同微燃烧室与活塞之间间隙直接影响压缩着火过程，当气缸/活塞间隙为18 μm时，混合气体未被压燃，而当气缸/活塞间隙缩小至5 μm时，混合气体可被压燃.

图1 试验装置图

图2 单次冲击压缩着火试验照片

2 计算模型建立

由于试验条件及其他因素的限制，采用试验手段对微发动机进行变参数研究还比较困难，采用CFD软件对微发动机均质压缩着火进行进一步的研究比较方便.

2.1 物理模型

图3给出了微燃烧室内HCCI燃烧的物理模型.m为活塞质量，T(t)，p(t)，V(t)和Yk(t)分别为均质气体温度、均质气体压力、均质气体体积和组分浓度，T∞，p∞分别为环境温度和环境压力，d为活塞与气缸之间的间隙，l为泄漏长度，也等于活塞的长度.

图3 物理模型

2.2 控制方程

1)质量守恒方程为

式中:t为时间;ui为流体在xi方向的绝对速率;xi为笛卡儿坐标(i=1，2，3);ρ为流体密度;sm为组分的质量产生源.

2)动量守恒方程为

式中:τij为应力张量;si为动量产生源.

3)能量守恒方程为

式中:e为单位质量流体所具内能;qi为xi方向的能量通量;sh为能量产生源.

4)组分方程为

式中:Fm，j为扩散流量.

5)漏气方程

泄漏是由于活塞和气缸壁之间存在缝隙，假设缝隙中燃气的流动为准一维等熵流动，则泄漏质量流率由下列公式给出:

式中:A为活塞与气缸壁面间隙面积;γ为混合气比热比;p，T分别为燃烧室内压力和温度;p∞为环境压力.

对于某一组分n，其泄漏量为

2.3 耦合模型实现

自由活塞发动机HCCI燃烧过程数值模拟的难点在于活塞运动与微燃烧室内混合气体压力之间相互影响，需将二者进行动态耦合，而活塞运动规律并不能预先给定，模拟计算中可以通过软件Fluent中UDF编程得以实现.由图3可知，活塞与微燃烧室内壁的间隙是要随着活塞面一起压缩与膨胀的，它是一个运动的压力边界，为了解决这个问题，将缝隙等量移至微燃烧室的另一头.在计算过程中，设置间隙区域为大气压力边界，网格模型如图4所示，同时对微管壁面进行了网格细化，此时模型网格总数为37 296.模型利用Chenkin软件将燃料详细化学反应机理与CFD软件进行了耦合.

图4 模型初始网格划分

2.4 模型验证

根据微自由活塞式发动机单次冲击可视化试验的工况参数进行相应的数值模拟，微燃烧室长为35 mm，内径为3 mm，自由活塞初始速度为30 m·s-1，初始温度为 300 K，初始压力为 0.1 MPa，混合燃气当量比为0.5.试验、无泄漏、泄漏3种情况下自由活塞的位移曲线如图5所示，试验结果与泄漏工况下数值模拟结果比较吻合，自由活塞位移曲线大致保持一致;压缩过程中活塞位移曲线大致相同，但活塞膨胀冲程曲线有所不同，在无泄漏工况下，由于管中气体压力较高，位移曲线斜率较大，活塞的末速度比较大，活塞返回所用时间比较短.

图5 位移曲线

3 模拟结果及分析

通过试验对比，可以直观看出泄漏对均质压缩着火过程的影响，但无法定量分析其几何特征对压缩着火特性所产生的影响，根据以上数值模型，分别对不同泄漏间隙d和泄漏长度l条件下进行了数值模拟与分析.

3.1 混合气泄漏对微燃烧过程的影响

微发动机气缸直径为3 mm，活塞工作行程为50 mm，混合气当量比为0.5，初始温度为300 K，初始压力为大气压，活塞质量为1 g，泄漏区域长度即活塞长度为8 mm，泄漏间隙为5 μm.

考虑漏气与不考虑漏气情况下微燃烧室内温度和压力随时间变化的对比图如图6所示，在压缩过程中2种工况条件下的温度曲线几乎重合，且着火时刻点基本一致，表明:混合气泄漏对压缩行程以及着火时刻的影响较小;混合气体温度发生突变，即压缩着火之后，漏气工况下的温度与时间曲线略低于无漏气工况下的温度与时间曲线，无漏气时微燃烧室内最大温度为2 850 K，考虑漏气后的最高温度为2 750 K.压力曲线与温度曲线变化趋势一致，微燃烧室内最大压力有所下降，从无漏气情况下的105 MPa下降至漏气工况下的78 MPa，这表明:漏气对微燃烧室内最高温度和最大压力有一定影响，但对着火时刻影响很小，主要由于气体泄漏发生在混合气体着火时及膨胀过程中.

图6 混合气泄漏对着火特性的影响

漏气与无漏气工况下活塞运动位移和速度随时间变化的曲线图如图7所示，压缩过程中活塞位移曲线几乎重合，膨胀过程中漏气工况下的活塞位移曲线变缓，即到达相同的位置所用时间变长，活塞工作频率变小.从图7b可以看出，在压缩过程中活塞速度曲线几乎重合，而着火之后，由于微燃烧室内气体泄漏，微燃烧室内压力下降，导致活塞速度下降，这也表明:混合气在着火之前泄漏并不严重，气体泄漏主要发生在着火时刻及着火之后.

图7 混合气泄漏对活塞运动特性的影响

2种工况条件下示功图的对比曲线如图8所示，不考虑漏气情况下，单次冲击压缩着火过程与奥托循环类似，而考虑气体泄漏时示功图中曲线所围面积明显减小，这表明混合气泄漏降低了发动机的作功能力.因此，对于采用压缩气体着火燃烧方式的微小型发动机的设计，质量损失应该引起重视，设置有效的密封方式，减少质量损失是非常重要的.

图8 微压缩燃烧过程示功图

3.2 漏气间隙大小对压燃过程的影响

由于加工精度的限制，真实微发动机中，自由活塞与微燃烧室内壁面存在一定的间隙，从而产生漏气现象.而均质气体泄漏在很大程度上影响着微型发动机能否压缩燃烧.为研究漏气现象对微型管内压缩燃烧的影响程度，文中针对不同的间隙大小作了相应的数值模拟.

图9，10 分别展示了间隙为0，5，8，11 μm，管长为50 mm，管径为3 mm，活塞质量为1 g，初速度为30 m·s-1，初始温度为 300 K，初始压力为 0.1 MPa，绝热工况下模拟结果.在不同间隙工况下，着火时刻都在1.73 ms左右，间隙大小对压缩燃烧的着火时刻点影响不大，而最高压力值随着间隙的增大而下降.活塞压缩过程并不因间隙大小的不同而产生较大的差异，而膨胀过程却因间隙的不同而出现了明显的变化.膨胀末速度随着间隙的增大而不断减小，甚至小于初速度.由此可见间隙大小主要影响压缩燃烧的膨胀过程，而且对膨胀末速度有非常大的影响，由于末速度的减小，这将严重削弱微型自由活塞发动机的动力性能.

图9 不同泄漏间隙的压力曲线

图10 不同泄漏间隙的速度曲线

3.3 漏气间隙长度对泄漏的影响

考虑到泄漏长度可能影响其密封效果，对不同泄漏长度工况进行了模拟.计算了泄漏长度l分别为4，6，8 mm 3种工况.其他计算参数:活塞质量为1 g，初始速度为30 m·s-1，初始当量比为0.5，初始温度为 300 K，初始压力为 0.1 MPa.不同泄漏间隙长度下的压力、速度变化曲线分别如图11，12所示.从图11可以看出，泄漏间隙长度影响微燃烧室内混合气体最大压力，随着泄漏长度从4 mm增加到6 mm，微燃烧室内压力曲线有所升高.从图12可以看出，随着泄漏长度的增大，微燃烧室内压力下降变慢，发动机工作频率变大，膨胀冲程中活塞返回速度有所增加.表明:泄漏长度的增大，可以减小均质气体的泄漏，增强微燃烧室与活塞之间的密封性能，有利于提高微发动机的动力性与经济性.

图11 不同泄漏间隙长度下的压力曲线

图12 不同泄漏间隙长度下的速度曲线

4 结论

1)微自由活塞单次冲击试验验证了微尺度下自由活塞发动机HCCI燃烧的可能性，同时表明活塞/气缸间的混合气泄漏对微燃烧过程有很大影响.

2)混合气泄漏主要发生在着火及之后的一段时间内，泄漏对着火时刻点影响不大，但对活塞运动特性影响很大，气体泄漏导致微燃烧室内最大压力值降低，从而影响活塞的运动特性以及发动机的整个工作过程，气体泄漏使得活塞做功能力下降，应该充分重视气缸/活塞间的密封效果.

3)气缸/活塞间的泄漏长度和泄漏间隙均影响密封效果.增加泄漏长度，减小泄漏间隙均有利于密封效果的提高.

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