微自由活塞动力装置预热燃烧过程的实验研究

摘要：为使微自由活塞动力装置在一定初始条件下能够稳定可靠的着火燃烧，对均质混合气进行预热燃烧过程研究。搭建微自由活塞动力装置单次冲击着火燃烧试验平台，开展了带有预热装置的燃烧过程可视化试验研究;试验结果表明：对均质混合气预热，可降低压燃气体着火条件，提高着火燃烧可靠性，单次压缩冲程时间缩短，着火时刻提前，临界压然初动能降低。

Abstract： In order to make the micro free piston power device achieving stable and reliable fire burning in more general initial conditions， homogeneous mixed gas is preheated. The experimental platform of single short combustion of micro free-piston power device is built. A visualization experiment of combustion process with preheating device was carried out. A single shock model of micro free-piston power device is established， the gas phase reaction mechanism model is determined， and the calculation model is clear. The results of experiments show that preheating the homogeneous mixture can reduce the ignition condition of the compression ignition gas， improve the reliability of ignition combustion， shorten the time of single compression stroke， reduce the initial kinetic energy of burning required and ignition time advances.

关键词：微动力装置;预热;压燃;稳定性

Key words： micro free-piston device;preheating;HCCI combustion;stability

0  引言

近年来，自由活塞发动机凭借其独特的结构以及性能优势成为研究热点。上海交通大学李庆峰[1，2]等人试制了缸径40.8mm，理论冲程为37.4mm的两冲程点燃式自由活塞发电机的样机，并进行数值模拟仿真研究。西安交通大学的B. Zhang[3]等人开发了一套用于能量回收的自由活塞膨胀机。明尼苏达大学成功开展微动力装置单次冲击压缩着火实验研究[4]。剑桥大学的Sher I等人[5]对微HCCI自由活塞发动机进行相关的数值模拟研究，分析发动机尺寸和活塞运动特性之间的关系，提出了微型HCCI活塞发动机尺寸极限的概念。

目前微自由活塞动力装置面临一些难题：燃烧过程较难控制，面容比增大而引起的传热损失，火焰淬熄，燃烧不稳定等等。为解决上述困难，采用均质混合气预热的方式实现可靠燃烧，拓宽着火界限，采用均质充量压燃（HCCI， Homogeneous Charge Compression Ignition）的新型燃烧方式，即燃料与空气提前预混合。该方法主要是通过提高进气温度，实现过余焓燃烧。即主要采用热量循环来减少热量的损失，并且对低温的预混合燃气进行预热。实现热循环采用结构中最为简单的就是U型微通道，若U型微通道将微燃烧室作为中心进行卷曲，即形成了所谓的“瑞士卷”结构。这种类型的微燃烧器最早由Lloyd和Weinberg提出，主要是用来对低热值燃料进行燃烧[6]。曹海亮和徐进良创建了“C”形结构回热型燃烧器[7]。本文建立微自由活塞动力装置试验台架，研究预热条件下，微自由活塞动力装置的燃烧过程，整个试验装置包括预混燃气供给系统，微燃烧主体，预热控温系统，可视化试验数据采集系统。

1  微自由活塞动力装置预热燃烧过程的实验研究

1.1 微自由活塞动力装置实验装置及工作原理

为探索在预热状态下微自由活塞式动力装置着火特性及自由活塞运动状况，建立了自由活塞开展单次冲击压缩着火过程可视化试验研究，图1为微自由活塞动力装置系统示意图。

将二甲醚/氧气混合而成的均值混合气充入由高硼酸硅制成的微燃烧室内，通过质量流量计控制混合气当量比;微燃烧室的主体部分由钢制自由活塞，撞针，尾塞堵头构成;利用加热元件对微燃烧室内均质预混合气进行预热，预热温度通过继电器与温度控制器进行控制;气动装置在高压氮气作用下，撞击撞针进而推动活塞，提供自由活塞在微燃烧室内开始运动的初速度，整个压缩燃烧过程图像由高速数码相机拍摄而得。

1.2 预混燃气共给系统

可燃气体与氧气能否均匀的混合是影响HCCI燃烧实验精确性的主要因素之一，因此设计了预混燃气供给系统，为可燃气体与氧气准确的均匀混合提供了保证。两个微质量流量计分别控制氧气和燃气的流量输出，质量流量控制器用来控制气体的混合比例，按照一定比例均勻混合之后的预混合气体最终进入微燃烧室，进而进行压缩着火燃烧过程。

1.3 预热控温系统

设计微燃烧室预热控温系统，对微燃烧室进行预加热并且控制其初始温度在一个特定的值。预热控温系统主要包括加热元件、继电器、温度控制器，图2为加热元件装置。系统工作时，加热元件套在微燃烧室管壁外部（如图3所示），通过继电器与温度控制器控制加热元件温度，使微燃烧室温度达到设定值，起到预加热的作用。由于微自由活塞动力装置单次冲击所用时间较短，因此对于单次冲击微燃烧室壁面传热几乎可以忽略。

1.4 微燃烧主体

微燃烧主体部分包括撞针、自由活塞、微燃烧室、尾塞和堵头，微燃烧主体部分示意图如图4所示。为了避免撞针推动自由活塞的过程中产生侧向力使可视化微燃烧室破裂，撞针、自由活塞、微燃烧室、尾塞、与堵头的中心需要保持在一条直线上。为了避免微燃烧室水平滑动影响实验开展，可视化主体部分加入堵头顶住微燃烧室。由于微燃烧室内均质预混合气瞬间压缩着火燃烧会产生很大的爆发压力，温度也会瞬间升高，因此微燃烧室的制作材料选定高硼硅，因为其具有耐高温、耐高压以及好的透光性能等优点。并且微燃烧室在加工完成之后进行了去应力的处理，目的是减少由于微燃烧室内部压力过大而产生的微燃烧室爆裂现象的发生。

1.5 可视化试验数据采集系统

试验装置的可视化采集系统包括数码相机以及辅助光源。在实验中通过高速数码相机记录自由活塞压缩均质预混合气体并且燃烧的全过程。辅助光源为100W白光LED冷光源。高速数码相机为美国REDLAKE MASD公司的MotionProTM10000型黑白摄像机。因为整个自由活塞压缩均质预混合气着火燃烧过程所用时间非常短，因此高速数码相机必须拥有很高的拍摄性能，从照片拍摄速度和照片质量双方面考虑，选择了40000帧/秒的拍摄速度进行实验。辅助光源的使用确保了拍摄照片的清晰度。

2  预热条件下实验结果及分析

本文根据上节内容搭建实验装置，进行试验研究，分析了在预热条件下，预热对压燃着火界限、单次压缩冲程，着火时刻、以及自由活塞初動能的影响。

2.1 预热对压燃着火界限的影响

试验初始条件：自由活塞长20.00mm ，可压缩行程约为20mm，微燃烧室直径为3.00mm，二甲醚具有较低的自燃温度，且其气态低热值比较适中，因此实验装置中的混合燃料选择二甲醚/氧气，考虑到微燃烧室与自由活塞之间的气密性，自由活塞和微燃烧内壁面间隙小于5μm。

为研究预热对压燃着火界限的影响，分别对未预热，预热温度达到320K，360K三种情况进行试验分析，高速数码相机摄录了活塞单次压缩过程的照片。实验结果显示，无预加热，且室温较低的情况下，自由活塞压缩均质预混合气很难发生着火燃烧现象。如图5为未对微燃烧室进行预加热实验图片，从图片中可以看出，自由活塞几乎已经到达微燃烧室底部，但微燃烧室内仍然未发生压缩着火现象。

针对上述实验结论，适当的对微燃烧室进行预热并分析试验结果。图6（a）、（b）分别为相同自由活塞初速度11m/s，微燃烧室预热初始温度320K、360K情况下，微自由活塞压缩均质预混合气着火燃烧照片。从图中可看出，在其他初始条件相同的情况下，320K情况微燃烧室内未发生压缩着火现象，而在微燃烧室预热初始温度为360K时，均质混合气被压燃。这是因为，均质混合气初始温度增高，在活塞压缩至燃烧室底部时，气体的温度也有所上升，更易达到均质混合气的自燃点，着火现象更易发生。实验表明增加均质预混合气初始温度，可以使得着火更容易。

2.2 预热对单次冲程时间及着火时刻的影响

试验初始条件：自由活塞长20.00mm，可压缩行程约为20mm，微燃烧室直径为3.00mm，二甲醚具有较低的自燃温度，且其气态低热值比较适中，因此实验装置中的混合燃料选择二甲醚/氧气，考虑到微燃烧室与自由活塞之间的气密性，自由活塞和微燃烧内壁面间隙小于5μm。

为探索预热对单次冲程时间及着火时刻的影响，开展了3种预热温度下的自由活塞单次压缩燃烧室过程的实验，通过实验照片以及高速数码相机的频率可计算出每个压缩冲程的时间以及着火时刻。图7为相同自由活塞初速度13m/s情况，不同预热温度320K、340K、360K微自由活塞动力装置单次冲程所用时间，以及混合气着火时刻随预热温度变化。

从曲线中可以看出随着微燃烧室预热温度增加，自由活塞单次冲程所用时间缩短。当预热初始温度为300K时，自由活塞单次冲程时间约4.8ms左右，当预热初始温度达到360K时，自由活塞单次冲程时间缩短至3.0ms左右。这是因为三种预热温度，着火剧烈程度并不相同，预热温度为360K的情况着火更剧烈，自由活塞膨胀末速度比较大，因此单次冲程所用时间缩短。并且从不同微燃烧室初始温度着火时刻对比曲线可以看出，当微燃烧室初始温度增加时，着火时刻提前。这是因为预热温度的升高，自由活塞达到燃烧室附近时更易达到均质混合气的自燃点，因此着火时刻提前。实验结果表明：均质混合气预热初始温度的提高，有利于缩短单次冲程时间，着火时刻也提前。

2.3 预热对临界压燃初动能的影响

试验初始条件：自由活塞长20.00mm，可压缩行程约为20mm，微燃烧室直径为3.00mm，二甲醚具有较低的自燃温度，且其气态低热值比较适中，因此实验装置中的混合燃料选择二甲醚/氧气，考虑到微燃烧室与自由活塞之间的气密性，自由活塞和微燃烧内壁面间隙小于5μm。

微自由活塞动力装置自由活塞的初动能（即微燃烧室内达到临界着火状态的自由活塞初动能），是由公式E0=mvo/2计算而得到的（m为自由活塞质量，v0为自由活塞初速度）。

图8为临界压燃初动能随预热温度的变化。从图8中可以明显看出，当预热温度分别为320K、340K、360K时，对应的临界压燃初动能分别为0.083J、0.0642J、0.0407J。这表明，一定温度范围内，随着微燃烧室预热温度的升高，压缩着火燃烧所需的初动能减少，即较高预热温度能够降低压燃着火所需的初动能，使得压燃着火更易发生。

3  结论

①预热条件的作用对微自由活塞动力装置的燃烧过程产生了一定的影响，预热初始温度的升高，使得在相同初始条件下一些不能被压缩着火燃烧的情况下，发生着火现象，表明高的混合气初始温度有利于着火。

②随着微燃烧室初始温度增加，自由活塞单次冲程所用时间缩短;当微燃烧室初始温度增加时，着火时刻提前。

③随着预热初始温度的增加，临界压燃初动能逐渐减小，即较高的微燃烧室预热温度能够降低压燃着火所需的初动能，使得压燃着火更易发生。

参考文献：

[1]Li， Q. F.， Xiao， J.， Huang， Z. Flat-type permanent magnet linear alternator， a suitable device for free piston linear alternator [J]. Journal of Zhejiang University-SCIENCE A. 2009， 10（3）.

[2]Li， Q. F.， Xiao， J.， Huang， Z. Parametric Study of a Free Piston Linear Alternator [J].International Journal of Automotive Technology. 2010， 11（1）.

[3]B. Zhang， X. Peng， Z. He， Z. Xing， P. Shu Development of a double acting free piston expander for power recovery in transcritical CO2 cycle[J]. Applied Thermal Engineering， 2007（27）：1629-1636.

[4]H. T. Aichlmayr1， D. B. Kittelson， et al. Micro-HCCI combustion： experimental characterization and development of a detailed chemical kinetic model with coupled piston motion[J]. Combustion and Flame，2003，135：227-248.

[5]Sher I， Sher D L， et al. Miniaturization limitations of HCCI internal combustion engines[J]. Applied Thermal Engineering，2009，29：400-411.

[6]Lloyd S A， Weinberg F J. A burner for mixtures of very low heat content. Nature， 1974， 251： 47，48.

[7]曹海亮，徐進良.进气方式对回热型微燃烧器燃烧特性的影响[J].自然科学进展，2006，12：1598-1605.

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作者简介：黄蓉（1992-），女，江苏南通人，硕士，讲师，江苏大学京江学院，研究方向为内燃机的数值模拟与研究。