%8f%82数设计自由活塞式内燃直线发电机研究进展一

数值模拟还可以检查是否有提早点火的问题， 提早点火虽然对整个热效率影响不大，但由于氮氧 化物显著增加，燃烧的气体被进一步压缩到上死点 使温度进一步升高。所以，为减少氮氧化物的排 放，应尽量避免提前点火。
通过数值模拟，可以设计出达到最佳的清扫效 果的 HCCI 自由活塞式发电机的结构，然而，好的 清扫效果仅是实现高效、低排放的 HCCI 自由活塞 式发电机组的基本条件之一，要使该发电机组运行 在最佳状态，还需要对系统的运行过程做更详细的 分析与设计。
系统的模型包括进气清扫过程、燃烧过程模型 等。进气清扫模型如上所述主要是用阿拉莫斯国家 实验室开发的 KIVA - 3V 流体动力学程序模拟，得 出最优 的 进 气 道 和 排 气 道 以 及 最 佳 的 排 气 时 间。 HCCI 内燃机是压缩点火，点火取决于混合气的化 学过程，因此，化学燃烧过程是 HCCI 自由活塞式 发电机组运行中的重要环节。国外在这方面研究的
关键词 自由活塞式发动机 直线发电机 均匀注入压缩点火
引
言
1998 年，美国 Sandia 国家实验室研究开发了 一种与直 线 发 电 机 有 机 结 合 的 内 燃 发 电 机［1］， 被 称为自由活塞式（ Free piston） 内燃直线发电机。 这种发电机两端布置汽缸，将直线交流发电机集成 在汽缸的中间。在两端汽缸中均匀注入压缩点火 （HCCI） 使混和燃料燃烧，轮流推动永磁体在交流 线圈中往复运动，在线圈中产生电流。从实验情况 来看，这种发电机组所具有的效率高、质量轻、有 害气体低排放和可使用多种燃料等特点使之成为人 们研究的热点。
相对于曲轴驱动的另一个优点是减少了机械摩
擦，因为只有一个运动部件，在活塞上没有侧向 力。研究表明，缸体-活塞-活塞环的磨损特性要比 曲轴-滑块方式优越得多。
HCCI 运行参数设计
对于二冲程发动机而言，对发动机效率和排放 废气影响的关键是清扫系统的设计和性能，如果没 有充分的注入，HCCI 的燃烧过程会很差，效率因 而降低，例如，会产生非常量体积燃烧，不完全燃 烧和低压缩比情况下自动点火等现象，产生未燃烧 的碳氢化合物和氮氧化物等超标的排放物。此外， 不适当的通道设计可能会导致燃料泄漏而进一步降 低燃料经济性。而这些是二冲程发动机经常遇到的 问题，特别是当速度变化区域较大时和发电机的功 率输出变化范围较大时。然而，对自由活塞式发动 机，运行速度范围窄得多，这是由于该装置所采用 的发电技术所致；运行在固定振动速率才能取得高 效的发电效果。单一速度运行可以很大程度上简化 清扫系统设计，允许在特定的运行点进行优化。
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2003 年 第 31 卷 第 10 期
温泽民等：用“技术新度 Kj” 评价石油钻机
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异较大，在“ 技 术 新 度 Kj ” 的 评 价 中 还 应 引 入 “ 权级”（ 用 C 表示） 的概念。
2. 权级 C 的确定 钻机主要部件权级的大小，应依次根据其在整 台钻机中的作用、对安全生产的影响程度、价值大 小、寿命长短、可维修性等，组织技术专家论证并 加以确定。对大修部件，每大修 1 次权级下降! "。 如井架底座，是钻机组成的核心部件，作用显赫， 若其承载能力下降，将直接危及安全生产，可维修 性较差，因此权级较大。
图 3 表示了 3 种清扫方式。
图 3 3 种混合气注入和废气清扫方式
通过数值模拟，Goldsborough 得出了各种清扫 方式的混 合 气 滞 留 效 率 和 废 气 清 扫 效 率［2］， 其 中 单方向流动的清扫效率和混合气滞留效率都比较
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石油机械
2003 年 第 31 卷 第 10 期
3. “ 技术新度 Kj” 评价公式 对石油钻机“技术新度 Kj”评价公式推荐如下：
Kj = ΣC（1 - A / B）
式中 Kj———整台钻机的技术新度； C———部件权级； A———部件实际使用时间，a； B———部件允许使用寿命，a。
根据广 泛 调 查 和 统 计， 石 油 钻 机 主 要 部 件 权 级、允许使用寿命和大修周期推荐如表 1。
实验已经证明 HCCI 方式比火花点火或压缩喷 射点火燃烧要快。比在火花点火发动机中配比要低 得多，因此氮氧化物排出少。
除了上述使用 HCCI 运行方式的优点外，自由 活塞还为发电机组增添了几个优点。首先，发动机 的压缩比是可变的，这主要取决于发动机的运行条 件（ 如燃料类型、当量比、温度等）。因此，所需 要的压缩比可以通过改变运行参数取得，而不需要 改变发动机的硬件。这也使得 HCCI 自由活塞式发 电机组可以使用天然气到柴油等各种燃料。
高，最佳的效率为 ηSc≈0. 85，ηTr≈0. 99。 为了使单方向流动的清扫性能达到最佳效果，需
要满足以下条件：排气阀的开启和定时必须使汽缸中 的压力低于混合气入口的压力，这可以允许最大程度 的注入而最大程度减少泄漏损失。混合气入口的倾角 为 0º，方位角设定在 15º左右将能取得最佳效果。进 气口 8 个和 12 个对效率没有明显的影响。若清扫时 间可调，汽缸的重新注入就能达到最大化，取得这种 效果的最有效方法是调整活塞的频率。
内容和成果包括燃烧化学动力学的研究，将汽油等 燃料燃烧过程中的几千种化学反应过程合理简化为 几种主要 的 反 应 过 程［3］； 用 多 域 模 型 将 流 体 的 对 流、热传导和化学过程相联系，大大降低 HCCI 发 动机模拟的计算复杂性，取得了较好的效果。
系统的控制是系统高效运行的基本保障。国外 在这方面的工作有：可变压缩比控制，可变阀开启 时间控制，点火能力增强添加剂，热力学控制等方 法［4］。通过控制 HCCI 自由活塞式发电机组的输出 电流可以改变发动机的行程，因而可由改变压缩比 来控制。通过改变排气阀的开启时间可以改变气体 膨胀的持续时间，因而也可以控制系统的运行状况。 增加一些添加剂降低混合气体的点火温度来控制点 火时间，也可以用一些废气回注到汽缸中降低油气 的浓度来控制点火时间。在这些控制方法中，控制 系统的电流输出和改变排气阀开启时间是最简单的 控制方法，但要稳定地、高效地控制 HCCI 自由活 塞式发电机组还需要对系统运行有本质的了解。
有几个参数对设计非常关键。首先，清扫过程 必须迅速，在燃烧点火前应当达到高出功应能转化成有用的电功 率。在清扫方式上也有限制，如低泵功率和低排气 损耗等。还有两项参数是要求长冲程孔径比（ 保 证高压缩比下上死点有充足的间隙） 和机械的简 单性。
为了分析这种发电机组的理论效率，需要从热 力学基本规律出发进行分析。根据热力学原理，理 想的奥托（Otto） 循环是发动机希望达到的最佳选 择。这是由于奥托循环燃料的能量在工作介质达到 最大压缩比时常体积下转换成热。该燃烧条件导致 最高可能的峰值温度和最大可能的热效率。
图 2 中的实线是现代四冲程重型柴油机在压缩 比为 16. 25: 1 时的热力学循环图。与理想的奥托 循环条件（ 常量体积燃烧） 相比，仍然还有 36% 的功未利用。这是非常量体积燃烧的结果，因为火 花点火或喷油点燃的火焰传播需要一定时间。
* 作者周志宏简介见本刊 2003 年第 9 期。
（ 收稿日期：2003 - 07 - 31；修改稿收到日期：2003 - 08 - 23）
2003 年 第 31 卷 第 10 期
周志宏：HCCI 自由活塞式内燃机运行参数设计
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HCCI 自由活塞式内燃直线发电机组由两大部 分组成：一是内燃机，由活塞、汽缸、进气道、排 气阀、排气口等组成，负责将燃烧的能量转换为往 复运动的动能；二是直线发电机，由永磁体、线圈 和铁芯等组成，活塞推动永磁体往复运动，在线圈 中产生电流。
美国政府投资由 Sandia 国家实验室、明尼苏 达大学等科研机构和高等院校进行有关的研究，以 提高发动机的效率、降低废气的排放和研制轻便的 发电机组。到 2010 年，计划将发电机组的效率提 高到 50% 以上。
由于这种发电机组的优良特性，笔者正在开展 原理性研究、设计方法研究和将其用于石油设备的 可行性研究，在此介绍这种发电机的基本原理，主 要结构特点和将要进行的研究工作。
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石油机械
CHINA PETROLEUM MACHINERY
2003 年 第 31 卷 第 10 期
HCCI 自由活塞式内燃机运行参数设计
———自由活塞式内燃直线发电机研究进展（ 一）
周 志 宏*
（ 江汉石油学院机械系）
摘要 HCCI 自由活塞式内燃直线发电机是近年来正在研究的发电机的一种类型，它具有结 构简单、效率高、功率大、质量轻、有害气体低排放和可使用多种燃料等特点，应用前景包括洁 净汽车、野外作业、移动设备等方面。介绍了 HCCI 自由活塞式内燃直线发电机的结构、基本原 理和特点，以及 HCCI 自由活塞式内燃机的设计方法与二冲程发动机清扫过程的数值模拟方法。 简述了国外研究现状和我们研究的方向。
图 2 理想奥托与现代四冲程柴油机热力学循环
排放物的目标对优化发电机组的设计进一步提 出了限制条件。为了减少氮氧化物的产生，燃料空 气的混合物必须均匀且在燃烧时配比非常低。要求 均匀注入就不能用柴油机燃烧方式。要求高压缩比 不能用配比高的汽油混合气，否则会提前自动点火， 而低配比的混合气对火花点火几乎是不可能的。
国外的研究现状与我们的对策
从基本原理来看，HCCI 自由活塞式发电机组具 有许多优良的性能，但对它的研究时间还不长，无 论结构、工艺还是理论模型还远未完善，抓住这个 时机，开展有关的研究，有可能在 HCCI 自由活塞 式发电机组形成我们自己知识产权、技术和产品。
目前，国外在 HCCI 自由活塞式发电机组的研 究工作主要集中在两个方面，一是系统模型的建 立；二是系统的控制。
HCCI 自由活塞式内燃直线 发电机的结构与基本原理
HCCI 自由活塞式内燃发电机组的基本原理如 图 1 所示。
图 1 自由活塞式内燃直线发电机组原理示意图
1—汽缸；2，5—活塞；3—铁芯；4—线圈；6—轴；7—永磁体