自由活塞内燃发电系统换气过程研究

作     者：姜一通 

作者单位：北京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘福水

授予年度：2015年

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：自由活塞 内燃发电机 换气 扫气箱 计算流体力学 系统仿真 

摘      要：自由活塞内燃发电系统（Free-piston engine generator，FPEG）作为一种新型的动力装置，通过高效的转化方式，将燃料化学能转化为清洁的电能。其摩擦损失少、结构紧凑、能量传递路径短等优点迎合了当前世界节能与环保的需要，是国内外研究的热点。本文以自然吸气式自由活塞内燃发电系统的换气过程为研究对象，开展了台架试验与数值模拟的相关分析。 单缸怠速试验表明，自由活塞内燃发电系统在低速模式缸内燃烧并不稳定，呈现间隔循环着火。为了探究其原因，构建了系统CFD（计算流体力学）模型，对比分析了自由活塞内燃发电系统换气过程与传统二冲程内燃机换气过程之间的差异，通过计算解释了试验中着火不稳定现象，得到了换气过程中影响换气效果的关键因素是扫气箱容积变化率的结论。 随后探寻改善自由活塞内燃发电机换气系统的设计策略，在计算模型中进一步研究了动子直径、扫气箱容积、进气增压压力、扫气口比时面值以及排气口比时面值对换气过程的影响。研究表明：减小动子直径与缸径比、对进气增压能显著改善其换气效果，而扫气箱容积与排量比改变对换气效果影响不大;在既定参数设计范围内，设计扫气口比时面值时应有针对性地应向上界修正，排气口比时面值则应向下界修正。 最后对运行工况变化对换气过程的影响进行了探索。研究发现，运行工况变化对换气过程的影响并不显著：系统运行频率加快，扫气效率略有降低而使燃料捕捉效率有所提高;压缩比增大，扫气效率略有提高而燃料捕捉效率降低。