自由活塞直线发电机(FPEG)主要由两个对置的自由活塞发动机和一个直线电机组成。与传统发动机相比,FPEG结构较简单、功率密度较大、压缩比可变、污染物排放较少且可适用于多种燃料,被认为是一种十分有前景的新型动力转换装置。FPEG由于取消了曲柄连杆机构,导致活塞运动可变且在上止点附近运动较快。对于缸内直喷发动机而言,燃油的雾化、蒸发及油气混合特性对发动机的燃烧和排放有重大影响。FPEG特殊的活塞运动特性可能导致其表现出与传统柴油机不同的喷雾及油气混合特性,故探究FPEG的喷雾与油气混合特性将有助于进一步优化其工作性能。本文采用数值模拟和试验验证相结合的方法对FPEG的喷雾及油气混合特性进行了研究。在喷油量为7mg、喷油持续期为0.86ms,转速为1810r/min的工况下,对比分析了FPEG与传统柴油机的喷雾及油气混合特性,并基于FPEG喷雾和油气混合过程的特点,分别研究了不同的喷油参数和几何参数(喷油速率形状、喷油提前位置、喷孔直径及喷油夹角)对FPEG喷雾特性的影响,以改善FPEG缸内油气混合均匀度。主要研究内容及结论如下:(1)首先根据FPEG的原机参数和活塞运动规律,运用AVL_Fire三维仿真软件建立了耦合活塞运动的FPEG喷雾仿真模型,并利用喷雾可视化试验所得数据对其标定和验证,由此得到准确的仿真模型以用于本文的研究。(2)与传统发动机相比,在相同活塞位移处喷油时,FPEG因特殊的活塞运动导致其喷油时刻相对较晚,燃油的雾化、蒸发、混合及燃烧过程均相对滞后;FPEG因较短的油束贯穿距离、较大的油粒索特平均直径和缸内较弱的湍动能导致其燃油蒸发速率较慢且蒸发持续期较长,使得最终蒸发的燃油质量相对较少;FPEG的空气利用率一直低于传统发动机,表明其雾化效果不好,混合气均匀度较差;燃烧过程中缸压和缸温峰值相对较低,燃烧速率较慢且后燃期较长。(3)在初始条件一致的情况下,对比分析了三种喷油速率形状(左三角形(先急后缓)、矩形(均匀喷射)、右三角形(先缓后急))对FPEG缸内喷雾及油气混合特性的影响:与矩形和右三角形喷油速率形状相比,采用左三角形喷油速率形状时缸内燃油的雾化水平和油气混合均匀度更佳,且燃烧开始后燃烧速率较快,缸压及缸温峰值最大,表明在喷油初期相对较快的喷油速率更有利于缸内混合气的形成,提高燃烧等容度。(4)以喷油提前位置取代喷油正时,在保证其他初始条件一致的情况下,以1mm为间隔,设置了5mm-9mm的五组喷油提前位置,研究它们对FPEG喷雾特性及油气混合质量的影响规律:当喷油提前位置在5-8mm范围内时,喷油提前位置越大越有利于燃油的雾化和蒸发,从而促进燃油与空气的混合。且随着喷油的提前,燃烧速率加快,缸压和缸温峰值不断增大,峰值对应的时刻也相应提前。然而当喷油提前位置为9mm时,空气利用率与喷油提前位置为8mm时相差不大,但会因较长的贯穿距离造成较多的碰壁燃油质量,瞬时放热率峰值也有所下降。(5)在保证总喷孔面积一定的前提下,适当减小喷孔直径、增加喷孔数量有利于燃油的雾化与蒸发,改善燃烧室内燃油与空气的混合效果。在喷孔直径为0.116mm,喷孔个数为5的条件下,滞燃期内蒸发的燃油质量较多,且油束的雾化及与空气的混合效果较好,故混合气着火之后燃烧速度较快,瞬时放热率峰值较大,使得缸温、缸压也越大。(6)喷油夹角决定了油束的发展方向及油束在燃烧室内的落点,过大和过小的喷油夹角都不利于燃油的雾化水平和油气混合质量的提高。在130-170°范围内,喷油夹角较小时,不仅会造成较多的碰壁燃油质量,还会因缸内较弱的气流运动导致燃油蒸发速率和空气利用率较低;然而,当喷油夹角较大时,尽管油束发展状况较好,但缸内没有形成明显的涡团,不利于燃油与空气的混合,且相对较多的浓混合气进入余隙,燃烧效果较差。而喷油夹角为150°时不仅喷雾及油气混合效果较好,燃烧状况也最佳。