四冲程自由活塞天然气发动机研究

第1章 绪论……………………………………………………………001

1.1 自由活塞发动机研究的背景及意义 …………………… 001

1.2 自由活塞发动机简介 ………………………………… 005

1.2.1 分类及特点……………………………………… 005

1.2.2 应用发展历程…………………………………… 009

1.3 自由活塞发动机研究现状 ……………………………… 010

1.3.1 原理样机试验研究现状…………………………… 011

1.3.2 数值模拟研究现状………………………………… 016

1.4 天然气发动机应用现状及发展趋势 ……………………… 019

1.4.1 天然气作为发动机替代能源的优势…………… 019

1.4.2 单燃料天然气发动机应用现状及发展趋势…… 020

1.5 主要研究内容 ………………………………………………… 023

第2 章 四冲程自由活塞发动机理论循环热力学分析……………… 025

2.1 四冲程自由活塞发动机基本构成及工作原理 ………… 025

2.1.1 基本构成…………………………………………… 025

2.1.2 工作原理…………………………………………… 026

2.2 理论循环简化条件 ……………………………………… 027

2.3 基于热力学**定律的理论循环热力学分析 ………… 028

2.3.1 **定律热力学模型 ………………………… 028

2.3.2 **定律热力学分析…………………………… 029

2.4 基于热力学第二定律的理论循环畑分析 ……………… 039

2.4.1 烟分析计算模型 ………………………………… 040

2.4.2 娴分析……………………………………………… 041

2.4.3 拥分析计算结果 …………………………………… 043

第3 章 四冲程自由活塞天然气发动机原理样机系统设计与试验……048

3.1 原理样机系统设计 …………………………………… 048

3.1.1 CNG供气系统设计 …………………………… 050

3.1.2 CNG喷射系统设计 …………………………… 050

3.1.3 点火系统设计………………………………… 052

3.2 试验测试装置 …………………………………………… 052

3.3 原理样机及试验台架 ……………………………… 053

3.4 CNG燃料理论空燃比计算……………………………… 054

3.5 样机运行试验 …………………………………………… 055

3.6 试验结果分析 ……………………………………………… 056

3.6.1 进气冲程长度对系统性能的影响…………… 056

3.6.2 压缩比对系统性能的影响……………………… 057

3.6.3 膨胀比对系统性能的影响 ……………………… 058

3.6.4 点火时刻对系统性能的影响…………………… 058

第 4 章 四冲程自由活塞发动机实际循环三维瞬态数值模拟及验证 ……061

4.1 三维数值模拟计算过程 ……………………………… 061

4.2 缸内工作过程数学模型的建立 ………………………… 063

4.2.1 基本控制方程 …………………………………… 064

4.2.2 湍流流动模型 ……………………………………… 064

4.2.3 传热模型 …………………………………………… 065

4.2.4 燃烧模型 ………………………………………… 066

4.3 气道与燃烧室三维几何模型的建立及计算网格生成 … 067

4.3.1 三维几何模型的建立……………………… 067

4.3.2 计算网格生成…………………………………… 068

4.4 电磁驱动配气机构运动规律的实现 ……………………… 070

4.5 自由活塞运动规律的实现 ……………………………… 071

4.5.1 传统发动机活塞运动规律的实现 ……………… 071

4.5.2 自由活塞运动特点……………………………… 072

4.5.3 自由活塞动力学模型…………………………… 072

4.5.4 自由活塞运动规律的确定 ………………………… 074

4.5.5 自由活塞动网格实现 ………………………… 076

4.6 初始条件与边界条件的确定 ………………………… 078

4.7 模型验证 …………………………………………………… 079

4.8 计算结果分析 ………………………………………… 080

4.8.1 缸内进气过程流场分析…………………………… 081

4.8.2 缸内压缩过程流场分析……………………………… 084

4.8.3 燃烧过程分析……………………………………… 087

第5 章 四冲程自由活塞发动机性能影响因素分析…………………… 090

5.1 气门运动的影响 …………………………………………… 090

5.1.1 可变气门正时的影响…………………………… 090

5.1.2 可变气门升程的影响…………………………… 094

5.2 压缩比的影响 ……………………………………………… 098

5.2.1 进气冲程长度改变导致压缩比变化的影响…… 099

5.2.2 活塞顶部形状改变导致压缩比变化的影响 …… 104

5.2.3 自由活塞发动机对爆震的抑制 ………………… 114

5.3 点火时刻的影响 …………………………………………… 117

5.4 过量空气系数的影响 …………………………………… 121

5.5 缸外独立压缩的影响 ………………………………… 122

5.6 可变膨胀冲程的影响 ……………………………………… 124

第6章 总结与展望……………………………………………………… 127

6.1 本书主要工作 ……………………………………….… 127

6.2 本书创新性 ……………………………… 129

6.3 研究趋势 ………………………………………….. 129

参考文献 …………………………………………………………………… 132