基于Matlab的微型发动机燃烧过程仿真建模

万方数据
　万方数据
模型、理想气体漏气模型和理想气体模型．计算得到的各项参数如活塞位置、活塞运行速度、燃烧室内温度和压力等进行对比分析，并将各种模型下的计算结果与文献［９］中微型ＨＣＣＩ自由活塞发动机单次冲击试验数据进行比较，如图２—６所示．
图２给出了４种模型下活塞位移的变化规律．可以很直观地看出在压缩和膨胀过程中，活塞位置随时间变化的曲线近似成一次函数的关系．在压缩过程中，活塞位置几乎无差别，而在膨胀过程中各种模型的计算结果有较大差异．其中同时考虑泄漏和传热的影响的模型计算结果与试验数据吻合得很好，说明气体泄漏和传热对燃烧过程有较大影响．
图４给出了４种模型下活塞速度的变化规律．从图中可以看出微型自由活塞ＨＣＣＩ发动机整个工作过程活塞速度的变化趋势，在压缩阶段，活塞速度缓慢下降，在到达上止点附近时，活塞速度下降较快，在压缩止点附近活塞速度反向．在经历了很短的燃烧持续期（１．４—１．６ｉｎｓ）后，进入膨胀过程，活塞速度在很短的时间迅速增加．其后，活塞速度的增加又开始减缓，曲线变得平坦．注意到考虑化学反应的传热和传热漏气模型的膨胀过程末速度明显大于活塞初速度，而不考虑化学反应的理想气体模型和理想气体漏气模型的活塞末速度则与初始速度相近，这是由于燃料化学能转变为自由活塞动能．另外，有漏气情况下膨胀过程中活塞的速率明显小于无漏气的情况，因为有漏气的情况在很大程度上降低了缸内压力，而速率由缸内压力决定，由于压力的降低而使速率减小．
图２捕蓉佗置与时『自】的天糸
Ｆｉｇ．２Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｐｉｓｔｏｎｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｔｉｍｅ
图３中传热漏气模型和理想漏气模型的质量损
失百分率的变化情况很好地解释了泄漏对活塞位置
的影响．压缩开始时，质量损失近乎相等，随着压缩
图４活塞速度与时间的关系
的进行，有４０％左右的充量在活塞变方向时损失掉Ｆｉｇ．４Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｐｉｓｔｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｔｉｍｅ
（１·５ｍｓ左右）·因而，压缩过程中活塞的运动轨迹
图５和图６分别是４种情况下微型ＨＣＣＩ自由
相似而膨胀过程中区别很大·另外，传热漏气情况下
活塞发动机燃烧过程的温度和压力曲线．从图中可
燃烧发生时的质量损失明显低于同时刻理想气体漏
以看出，在１．５啪附近时，传热和传热漏气模型的气情况·这是因为燃烧使缸内压力骤答寸高，，明显高温度和压力陡升，而在理想的模型中这种现象并不于未发生燃烧的过程，茭且应用的尹。

自．由．活多，所以存在．这是由于在传热和传热漏气模型中考虑了化此时发生燃烧过程的活塞速度的减型、程譬要比理想学反应，在活塞压缩到上止点时燃料反应放出大量气体的快很多，因此活塞在最大压孳皆竺譬历的时化学能，开始着火进行燃烧，使得温度和压力陡升．间相对减少，即在相对较大的压力处堂竽警时间减另外，注意到在压力曲线中传热模型的压力比漏气
少，故质量损失低于未发生燃烧的过程¨¨¨１·
模型的高，这也是由于存在漏气损失．
图３质量损失百分率
Ｆｉｇ．３Ｐｅｒｃｅｎｔｏｆｍａｓｓ
ｌｏｓｔ
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图５温度与时间的关系
Ｆｉｇ．５Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄ
ｔｉｍｅ　万方数据
图６压力与时间的关系
Ｆｉｇ，６Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｔｉｍｅ
２．２自由活塞初速度对微燃烧的影响
微型ＨＣＣＩ自由活塞发动机中压缩比可变，而压缩比与初始速度有关．为研究压缩比对整个运行过程的影响，文中对不同的活塞初始速度下的微发动机的单次冲击工作过程的特性参数进行分析．分别考虑活塞初始速度（压缩比）为２５ｍ／ｓ（１７／１），３５ｍ／ｓ（５７／１），４５ｍ／ｓ（１１１／１）和５５ｍ／ｓ（１９９／１）时的情况，采用传热漏气模型，模拟结果如图７—９所示．
图７为不同初始速度情况下，微型发动机工作过程的压力曲线（压力采用对数坐标）．可以看出，随时间的变化，４种活塞初始速度下的压力变化规律相似．随着初始速度的增加着火点压力略有上升，最高压力值相差很大，从７８．５４ＭＰａ（４５ｍ／ｓ）上升到１６２．４８ＭＰａ（５５ｍ／ｓ），提高一倍多．说明自由活塞初速度对微型自由活塞ＨＣＣＩ发动机燃烧压力有很大影响．
图７初始速度对微发动机工作过程压力的影响
Ｆｉｇ．７Ｅｆｆｅｃｔｏｆｉｎｉｔｉａｌｐｉｓｔｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙｐｒｅｓｓｕｒｅ
由图８可以看出，初速度为２５ｍ／ｓ情况下没有温度的陡升，不发生着火现象，说明燃烧不能进行，随着初始速度的增加，出现着火现象．着火时刻由初始速度３５ｍ／ｓ时的１．７６ｍｓ缩短到初始速度为５５ｍ／ｓ时的１．０５ｍｓ，最高燃烧温度从１９３５．９２Ｋ（３５ｍ／ｓ）上升到２７７４．２２Ｋ（５５ｍ／ｓ），可知初始速度对着火点时刻和循环时间以及最高温度有很大影响．
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图８初始速度对微发动机工作过程温度的影响
Ｆｉｇ．８Ｅｆｆｅｃｔｏｆｉｎｉｔｉａｌｐｉｓｔｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
图９为在不同初始速度下活塞速度曲线．随着初始速度的增加，活塞膨胀末速度也不断增大，在初始速度为３５，４５和５５ｍ／ｓ时的活塞膨胀末速度分别是４１．６，５２．６和６３．９ｍ／ｓ，活塞末动能增加，相应初始速度下的末速度与初始速度的差值增加，说明微发动机的作功能力增强．
图９初始速度对微发动机活寨运行速度的影响
Ｆｉｇ．９Ｅｆｆｅｃｔｏｆｉｎｉｔｉａｌｐｉｓｔｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙｆｉｎａｌｖｅｌｏｃｉｔｙ
３结论
建立了微自由活塞发动机燃烧的零维模型，结合燃料的总包化学动力学模型，在Ｍａｔｌａｂ７．０的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真平台上，实现对微型ＨＣＣＩ自由活塞发动机燃烧过程的数值模拟，模拟结果与试验数据对比证实了本研究中传热漏气模型的合理性．
运用传热漏气模型进行变初始速度（压缩比）的研究，随自由活塞初速度的增大，微发动机作功能力增强，利于微发动机的功率增加，但过高的自由活塞初速度（高压缩比）导致燃烧爆发压力和温度过度增大，微发动机需要耐高压、高温的燃烧室材料．
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ＬｉＤｅｔａｏ，ＰａｎＪｉａｎｆｅｎｇ，ＸｕｅＨｏＩｌｇ，ｅｔ
ａ１．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　万方数据
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基于Matlab的微型发动机燃烧过程仿真建模
作者：王谦， 陈博， 陈泽， Wang Qian， Chen Bo， Chen Ze
作者单位：江苏大学,能源与动力工程学院,江苏,镇江,212013
刊名：
江苏大学学报（自然科学版）
英文刊名：JOURNAL OF JIANGSU UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION)
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11.李德桃;潘剑锋;薛宏微动力机电系统的发展动态与展望[期刊论文]-江苏大学学报（自然科学版） 2006(06)本文链接：/Periodical_jslgdxxb201002012.aspx。