自由活塞直线发电机换气品质影响因素研究*

傅煜　王哲　臧鹏飞　孙晨乐

（同济大学新能源汽车工程中心，上海　201804）

自由活塞直线发电机换气品质影响因素研究*

傅煜王哲臧鹏飞孙晨乐

（同济大学新能源汽车工程中心，上海201804）

基于自由活塞直线发电机系统搭建零维Matlab/Simulink模型和三维AVL Fire模型相耦合的仿真体系，并验证其精确性。基于该仿真体系分析了自由活塞发动机的运动特性和换气过程，并研究气口高度和气道角度对换气品质的影响规律。结果表明，大扫排气口高度、65°主扫气道倾角和50°副扫气道仰角有利于提高扫气效率；小扫排气口高度、小主扫气道倾角和大副扫气道仰角有利于提高缸内湍动能。

主题词：自由活塞直线发电机换气品质气口高度气道角度

1　前言

自由活塞直线发电机（FPLG）作为一种新型的发电装置，由起动发电一体化的直线电机和取消了曲柄连杆机构的自由活塞发动机（FPE）耦合而成。该系统具有压缩比可变、燃料适应性强、摩擦损耗低等优势，受到国内外研究机构的广泛关注［1～4］。研究人员在研究过程中发现，良好、高效的换气系统是保证FPLG稳定着火的基础，更是保证系统稳定运行的前提。然而该系统的FPE由传统二冲程汽油机（TSE）改造而来，其回流扫气式和气口式的换气系统存在换气过程时间短、新鲜充量气口倒灌和短路损失等缺点，使换气品质降低，影响FPE动力性和经济性，进一步影响系统稳定性。

本文基于FPLG的运行特点，建立零维Matlab/Simu-link模型和三维AVL FIRE模型相耦合的仿真体系，研究气口高度和气道角度对FPLG换气品质的影响。

2　仿真体系建立

2.1FPLG系统简介

FPLG采用双活塞对置的形式，直线电机位于两个水平对置的FPE中间，电机动子和发动机活塞连杆机构固定连接，系统结构如图1所示。

图1　FPLG系统结构

系统起动时，直线电机处于电动模式，其动子带动活塞连杆组件以一定频率直线往复运动，当活塞运动的频率及行程满足着火条件时，发动机喷油与点火；当发动机稳定燃烧后，直线电机切换为发电模式，此时活塞连杆组件带动电机动子直线往复运动，使直线电机持续发电，实现化学能-机械能-电能的依次转化。

为深入研究FPLG，设计开发了试验样机［5］，其中FPE由传统TSE去除曲柄连杆机构并重新设计扫气箱改造而来，同时改进了供油方式和点火系统。根据FPE的结构与性能及FPLG的起动与发电要求，设计研发永磁三相直线ISG电机，将其与两边的FPE相耦合［6］。台架试验的主要设备及传感器参数如表1所列。

表1　试验用主要设备和传感器参数

2.2零维Matlab/Simulink模型

基于Matlab/Simulink平台搭建FPLG系统的仿真模型，以获得系统的运动特性，为后续的AVL FIRE三维仿真模型提供初始条件和边界条件。

为验证Simulink仿真模型的准确性，在直线电机起动力为300 N、起动力换向位置为极限位置前4.5 mm、循环喷油量为1.68 mg、直线电机电磁负载331N、点火位置为极限位置前3 mm的工况下，将仿真结果与样机试验结果进行对比，起动阶段的活塞位移曲线对比如图2所示。可见，在系统起动过程中，仿真曲线和实测曲线总体趋势基本一致，误差小于6.0%。因此，Simulink仿真模型具有一定的精确性。

图2　起动阶段活塞位移曲线对比

2.3三维AVL FIRE模型

基于发动机实机在Catia中建立换气系统几何模型，包括燃烧室、排气道、扫气箱。考虑到扫气箱内气体流动不作为研究重点，因此将不规则的扫气箱简化为等体积圆柱体［7］。鉴于整个几何模型为对称模型，为了减少计算量，取模型的一半进行分析。

将几何模型导入Hypermesh软件进行二维网格化以获得高质量面网格。在仿真软件AVL FIRE中导入面网格以生成静网格和动网格。动网格包括燃烧室和部分扫气箱，分别模拟系统运行时燃烧室和扫气箱的容积变化。动网格和静网格之间的接触部分是实际流体联通区域，由FIRE软件中的Arbitrary Connect功能实现［8］。最终生成的三维模型由26万个六面体网格组成。

三维仿真边界条件如表2所列。部分初始条件如湍动能和耗散率等通过经验公式计算或取经验值来初步确定［9］。压力、温度和密度等初始条件则根据零维仿真和试验初步确定，并在三维模型中进行循环迭代计算，直到初始条件的误差不超过5%。所确定的关键初始条件如表3所列。

表2　关键边界参数

表3　关键初始条件

缸内流动的仿真结果在目前的试验条件下难以直接验证，因此采用整个循环的缸压结果来间接评价CFD模型的可靠性。将三维CFD计算所得的缸压曲线与零维仿真和试验结果进行对比，如图3所示。可见，3条缸压曲线总体变化趋势相近，其峰值误差小于5.4%，因此三维CFD仿真具有一定可靠性。

3　自由活塞发动机换气过程分析

该系统的发动机采用回流扫气方式，扫气口布置形式为两个对称的主扫气口和两个对称的副扫气口。主副扫气口各自在纵横方向上有一定倾斜角（图4），新鲜充量能沿气缸壁和活塞顶流动，形成回流并将废气挤出。

图3　三维CFD仿真缸压验证结果

图4　主副扫气道角度示意

在验证三维CFD仿真可靠性的基础上，获得系统在换气过程中扫排气口的质量流量以及缸内废气系数和废气质量，分别如图5和图6所示。在图5中正值代表气流流入气缸，负值代表相反方向（下文同）。

图5　扫排气口质量流量示意

图6　缸内废气质量和残余废气系数示意

从排气口率先开启到扫气口开启为换气过程的自由排气阶段（94°-126°），此时气缸内充斥着高温高压废气，与排气道形成较高的压力差，促使缸内废气迅速流出。由于缸压迅速下降至排气道压力，在自由排气阶段后期缸内废气不再排出，甚至出现排气口倒灌的现象。此阶段共排出47.2%的废气。

从扫气口开启到扫气口关闭为强制扫气阶段（126°-219°），扫气箱内的压缩气体与缸内废气再次形成压力差，促使新鲜充量流入气缸。由于主扫气道的气口面积较大，提供的横向扫气气流较为强劲，并与副扫气道涌出的纵向扫气气流协同作用于气缸，在扫气口开启后的20°内迅速将废气挤压至排气口排出。在强制扫气阶段的中后期再次出现扫气口和排气口倒灌的现象。此阶段共排出41.6%的废气。

从扫气口关闭到排气口关闭为过后排气阶段（219°-249°），缸内压力和温度与排气道趋于一致，气体流动较前两个阶段放缓，共排出3.9%的废气。

由于取消了曲柄连杆机构，FPE与TSE的活塞位移曲线呈现不同的特征，如图7所示，其中Y轴零点处表示气缸壁上沿位置。可见，FPE的上止点和压缩比比TSE的高，且在上止点附近的活塞瞬时加速度大，造成活塞在上止点附近停留时间较短。另外，FPE的排气口开启相位角较晚，而关闭相位角较早，使得在相同转速下换气时间相对较少。

图7　TSE和FPE活塞位移曲线

为对换气品质进行量化评价设立3个性能指标：扫气效率、捕获率和换气终了时的缸内湍动能。扫气效率表明了缸内废气被新鲜充量清扫干净的程度，与峰值缸压和发动机功率成正比；捕获率表明新鲜充量从排气口直接逃逸的情况，用于辅助评价换气品质；湍动能则是表征气流运动剧烈程度的重要参数，较大的湍动能有利于提高燃烧时的火焰传播速度，缩短燃烧持续期，提高放热率，提升发动机性能［10］。定义扫气效率和捕获率公式为：

式中，ηs为扫气效率；φt为捕获率；m1为换气结束后缸内新鲜充量质量；m0为换气结束后缸内气体总质量；m2为换气过程中通过扫气口的新鲜充量质量。

将传统发动机在上述FPE的工况（转速1 800 r/min、压缩比11）下进行仿真计算并对比换气品质，结果如表4所列。可见，TSE的扫气效率略高于FPE，而两者的捕获率基本持平，这可能是由两者活塞位移曲线的不同造成的，TSE在换气阶段的曲轴转角范围较大，在同转速下扫气更充分；FPE在换气结束后的缸内湍动能较大，这可能是由其活塞平均速度较高，使缸内空气运动较为剧烈所致。

表4　两种发动机换气品质对比

4　气口高度对换气品质的影响

4.1排气口高度的影响

排气口的高度对FPE的换气过程和燃烧过程具有重要影响，不仅影响扫气相位角和换气过程时长，还影响气口式发动机的有效行程和压缩比。为探究排气口高度对换气过程的影响，设定16 mm、18 mm、20 mm（原排气口高度）、22 mm、24mm 5种高度。经迭代计算，5种三维模型在换气开始时的部分初始参数如表5所列。可见，换气过程开始时的缸压和缸温随着排气口高度的减小而降低。这是因为排气口高度的降低使排气口延迟开启，使做功行程中缸压和缸温下降更多。

表5　不同排气口高度下的初始条件

图8为排气口高度对换气品质的影响。可见，随着排气口高度的增大，扫气效率逐渐上升，捕获率逐渐下降。这是因为延迟开启的排气口延长了换气时间，使扫气更加充分，但也使更多的新鲜充量流出气缸，造成捕获率降低。而排气口高度越小，其换气结束后的缸内湍动能越大，有利于燃烧过程的快速进行。图9为3种排气口高度下通过排气口的质量流量趋势图。可见，在强制排气阶段（126°-219°）排气道质量流量变化趋势基本相同，而在自由排气阶段和过后排气阶段，排气口高度越大，排出气体越多。另外，在自由排气阶段后期出现了排气口倒灌现象，其倒灌量随着排气口高度的增大即自由排气时间的延长而增多。

图8　排气口高度对换气品质的影响

图9　排气口高度对排气口质量流量的影响

4.2扫气口高度的影响

扫气口高度决定了扫气口面积，直接影响扫气气流在扫气道内的流通能力。由于副扫气道的流量较小，故本次仿真对副扫气口不作改动。对主扫气口设定9 mm、10 mm、11 mm（原气口高度）、12 mm、13mm 5种高度，用以探究扫气口高度对换气过程的影响。计算结果如图10和图11所示。可见，随着主扫气口高度增大，扫气开启时刻提前，质量流量和扫气量增大，使得扫气充分，进而扫气效率逐步提高。换气结束后的缸内湍动能则随着气口高度的增大而递减；而捕获率则呈现波动的趋势，影响规律不明显。

图10　主扫气口高度对换气品质的影响

5　扫气道角度对换气品质的影响

扫气道布置角度是换气系统结构的重要参数，决定换气过程中缸内空气的运动方式。主扫气道倾角主要形成缸内涡流，副扫气道仰角则可形成缸内滚流，两者共同作用以组织缸内气流运动并影响换气品质。

图11　主扫气口高度对主扫气口质量流量的影响

5.1主扫气道倾角的影响

为探究不同主扫气道倾角的影响规律，分别建立主扫气道倾角为45°、50°、55°、60°、65°、70°和75°时的三维模型，在FIRE中进行仿真计算。图12为主扫气道倾角对换气品质的影响。可见，扫气效率随着主扫气道倾角的增大呈先上升后下降的趋势，并在65°倾角时扫气效率达到最大值；而捕获率和湍动能则随着倾角的增大而逐步下降。倾角越小，缸内湍动能越大，越有利于提高燃烧速度和加快火焰传播。图13为不同主扫气道倾角下通过主扫气口的气体质量流量曲线。随着倾角增大，质量流量就越大，通过扫气口的新鲜充量也越多。这是因为在气口面积不变的情况下，气体的流通能力与倾角成正比。

图12　主扫气道倾角对换气过程的影响

图13　主扫气道倾角对主扫气口质量流量的影响

图14为不同主扫气道倾角的三维模型截面1在不同曲轴转角时的废气分布云图和流场迹线图。由图14可知，活塞下行刚开启扫气口时大量新鲜充量进入气缸，在缸内形成大尺度滚流。随着扫气口的逐渐开启，滚流分裂为两个小滚流，右侧小滚流随着活塞面下沉并破碎消失，左侧小滚流则上升并在下止点时重新形成占据整个气缸的大尺度滚流。从该过程可以看出，倾角越小，左侧滚流形成得越快，右侧滚流消失得也越快。自下止点起，由于扫气箱和缸内压力已持平，扫气气流消失甚至出现倒灌现象，由左侧滚流发展而来的大尺度滚流将始终占据整个气缸，并随着活塞上行直到上止点。其中可见50°倾角的滚流中心上升的比较快。纵观整个换气过程可知，主扫气道倾角越小，缸内气体流动越剧烈，说明湍流速度越大，与图12中湍动能的变化趋势相符。

图14　不同主扫气道的废气分布云图和流场迹线图

缸内废气分布情况基本与气流流向相对应。由于换气过程前期扫气气流冲入气缸造成气流紊乱，缸内废气分布很不均匀，然而在换气过程中后期，大尺度滚流的存在使得缸内废气分布趋于一致。

5.2副扫气道仰角的影响

为探究副扫气道仰角对换气过程的影响规律，分别建立仰角为35°、40°、45°、50°和55°的三维模型，仿真结果如图15所示。可见，随着副扫气道仰角的增大，扫气效率先增大再减小，并在50°时具有最大值；捕获率呈先增大再减小的趋势，并在40°处出现最大值；而换气结束后的缸内湍动能则随着仰角的增大而逐渐增大。图16为不同副扫气道仰角下，新鲜充量通过副扫气口的质量流量变化，可见仰角越大，副扫气道的气体流通能力越好，扫气气体和倒灌气体的质量流量都随之越大。

图15　副扫气道仰角对换气品质的影响

图16　副扫气道仰角对副扫气口质量流量的影响

图17为不同倾角的三维模型的截面2在不同曲轴转角时的废气分布云图和流场迹线图。扫气口刚打开时，缸内未形成有效大尺度滚流。此时从较大角度的副扫气道出来的气流流向更靠近气缸中心，能更快速的排挤缸内废气。这股扫气气流流至缸顶后在右侧形成了小型滚流。而在缸顶左侧出现的小型滚流则主要是由主扫气道涌出的气流经左侧缸壁流至顶端形成。随着活塞下行，气缸右上角形成了较大滚流，其中心逐渐向左转移，并在下止点时形成占据整个气缸的大尺度滚流。在此期间，较大仰角模型中的滚流受扫气气流的影响，形成稍慢。然而在下止点之后这些大滚流趋于一致，并无太大差别。

图17　不同副扫气道的废气分布云图和流场迹线图

6　结束语

a.由于活塞运动特性的不同，在相同转速和压缩比下，相比于传统二冲程发动机，自由活塞发动机的扫气效率略低，而缸内湍动能较强。

b.随着排气口高度的增加，扫气效率上升，捕获率和湍动能则下降；随着主扫气口高度的增加，扫气效率上升，捕获率波动，而湍动能下降。

c.随着主扫气道倾角的增大，扫气效率先上升后下降，捕获率和湍动能则下降；随着副扫气道仰角的增大，扫气效率和捕获率先上升后下降，而湍动能逐渐上升。

d.大扫排气口高度、65°主扫气道倾角和50°副扫气道仰角有利于提升峰值缸压和功率；小扫排气口高度、小主扫气道倾角和大副扫气道仰角有利于缸内空气运动程度的加剧和燃烧过程的加速。

1Rinderknecht F，Kock F.A High Efficient Energy Converter for a Hybrid Vehicle Concept.26th Electric Vehicle Symposium，Los Angeles，2012.

2Kosaka H，Akita T，Moriya K，et al.Development of free piston engine linear generator system part 1-investigation of fundamental characteristics.SAE Technical Papers of SAE 2014 World Congress and Exhibition，Detroit，2014-01-1203.

3李庆峰.自由活塞式内燃发电机的研究：［学位论文］.上海：上海交通大学，2011.

4栾延龙.直线发动机设计开发及起动优化试验研究：［学位论文］.上海：同济大学，2013.

5尹兆雷.自由活塞直线发电机系统起动性能及控制策略研究：［学位论文］.上海：同济大学，2015.

6孙晨乐，王哲，邓俊，等.直线式增程器用直线ISG电机结构设计与优化.汽车工程，2014（9）：1132～1139.

7姜一通.自由活塞内燃发电系统换气过程研究：［学位论文］.北京：北京理工大学，2015.

8毛金龙.自由活塞直线发电机工作过程数值仿真试验研究：［学位论文］.北京：北京理工大学，2011.

9黄霞.自由活塞内燃发电机仿真：［学位论文］.上海：上海交通大学，2013.

10孙晶晶.汽油机进气及燃烧过程的多维数值模拟研究：［学位论文］.北京：北京交通大学，2008.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2016年6月1日。

Research on Factors Affecting the Scavenging Quality of Free Piston Linear Generator

Fu Yu，Wang Zhe，Zang Pengfei，Sun Chenle
（Clean Energy Vehicle Engineering Center，Tongji University，Shanghai 201804）

Simulation architecture coupled with zero-dimensional model Matlab/Simulink and three-dimensional model AVL Fire was built based on free piston linear generator（FPLG）and its accuracy passed experimental test.The dynamic characteristics and the scavenging process of FPLG were analyzed based on this simulation architecture and the effect of key structure parameters of the scavenging system including port height and port angle on scavenging quality was studied as well.The results show that，large height of scavenging and exhaust ports，tangential inclination of main scavenging port at 65°and axial inclination of sub scavenging port at 50°can increase scavenging efficiency；small height of scavenging and exhaust ports，small tangential inclination of main scavenging port and large axial inclination of sub scavenging port can enhance the turbulent kinetic energy in cylinder.

Free piston linear generator,Scavenging quality,Port height,Port angle

U464.2

A

1000-3703（2016）09-0047-06

上海市科委项目（14DZ1202802）。