单活塞式液压自由活塞柴油机工作特性的试验研究.pdf

2 0 1 2年 第 3 4卷 第 5期 汽车工程 Au t o mo t i v e En g i n ee r i n g 2 01 2 0 8 4 单活塞式液压 自由活塞柴油机工作特性的试验研究 郭锋 ， 赵振峰 ， 黄英 ， 赵 长禄 ， 张付军 北京理 工大学机械与车辆学院 ， 北京1 0 0 0 8 1 [ 摘要] 对所研制的单活塞式液压 自由活塞柴油机原理样机的工作特性进行研究。结果表明， 活塞动力学与 传统内燃机存在较大差异， 通过改变停止在下止点的时间可控制活塞运动频率， 实现功率调节 。燃烧的主要阶段为 速燃期 ， 大部分燃油在速燃期内燃烧， 放热速度较快。泵腔进出油阀的响应性影响泵腔压力的建立过程， 提高进出 油阀的响应性可改善燃烧过程， 增加液压功率输出和提高液压 自由活塞柴油机的工作效率。 关键词 柴油机 ； 自由活塞 ； 工作特性 ； 试验研究 An Ex p e r i me n t a l S t u d y o n t h e W o r k i n g Ch a r a c t e r i s t i c s o f a S i n g l e Pi s t o n Hy d r a u l i c F r e e p i s t o n Di e s e l En g i n e G u o F e n g ，Z h a o Z h e n f e n g ， Hu a n g Yi n g ， Z h a o C h a n g l u Z h a n g F u j n i l S c h o o l o fMe c h a n i c a l E n g i n e e r i n g， B e ifi n g I n s t it u t e of T e c h n o l o g y ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 1 [ A b s t r a c t ]T h e w o r k i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e p ri n c i p l e p r o t o t y p e o f a s i n g l e p i s t o n h y d r a u l i c f r e e - p i s t o n d i e s e l e n g i n e H F P D Ea r e s t u d i e d ．T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e p i s t o n d y n a m i c s o f H F P D E d i f f e r s f r o m t h o s e o f c o n v e n t i o n a l e n g i n e s ， a n d t h e fr e q u e n c y o f p i s t o n m o v e m e n t c a n b e c o n t r o l l e d a n d h e n c e t h e p o w e r c a n b e a d j u s t e d b y c ha ng i n g t h e d we l l i n g t i me o f p i s t o n a t t h e b o t t o m d e a d c e nt e r ．Th e ma i n c o mb u s t i o n p ha s e i n HP FDE i s r a pi d c o mb u s t i o n p h a s e，i n whi c h mo s t o f t h e f u e l b ur n s，r e s u l t i n g i n hi g h e r r a t e o f h e a t r e l e a s e ． T he r e s p o n s i b i l i t y o f s u c t i o n a n d d i s c h a r g e v a l v e s i n p u mp c h a mb e r h a s c e r t a i n e f f e c t s o n t h e b u i l d i n g u p p r o c e s s o f p u mp c h a mb e r p r e s - s u r e ．R a i s i n g t h e i r r e s p o n s i b i l i t y c a n i mp r o v e c o mb u s t i o n，i n c r e a s e h y d r a u l i c p o w e r o u t p u t a n d e n h a n c e t h e e f fi c i e n c y o f HF PDE． Ke y wor ds d i e s e l e ng i ne s ；f r e e - pi s t o n；wo r k i ng c ha r a c t e r i s t i c s；e x pe r i m e n t a l s t ud y 刖 舌 自由活塞发动机在 2 O世纪中期研制成功后 ， 由 于传统内燃机等技术的成熟， 曾经淡出了历史舞 台L 1 J 。近些年， 现代液压技术 、 控制技术和内燃机等 相关技术的进步使 自由活塞发动机在 电驱动和液压 驱动领域成为国内外研究的热点 。 。 液压 自 由 活 塞 柴 油 机 h y d r a u l i c f r e e p i s t o n d i e s e l e n g i n e ，H F P D E 是将往复活塞式 内燃机与柱 塞式液压泵集成一体， 将内燃机缸内燃料燃烧所释 放 出的热能通过与动力活塞刚性连接的液压柱塞直 接转化为高压液压能输出u j 。 H F P D E与传统 内燃机驱 动液压泵相 比省去 了 曲柄连杆机构和旋转斜盘机构 ， 结构简单、 综合传动 效率高， 同时每个稳定工作循环的性能参数基本相 同 J ， 不需要复杂的控制手段而通过合适的设计参 数就可达到“ 全工况 ” 最优运行 的 目的。这些特 点 使 H F P D E相对内燃机与液压泵的传统组合能更高 效地运行 ， 相比传统 内燃机一 变速器组合更有利于动 力传动装置的柔性布置， 缓解对动力舱体积 的苛刻 要求， 更适合于有液压系统资源的车辆。 1 H F P D E工作原理 H F P D E基本原理如 图 1所示。 原稿收到日期为2 0 1 1年6月 9日， 修改稿收到 日期为 2 0 1 1年6月2 3日。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 2 4 汽车工程 2 0 1 2年 第 3 4卷 第 5 期 H C L 1 一高压腔2 一泵腔3 一压缩腔4 一高压蓄能器5 一排油单向阀 6 一回复蓄能器7 一回油单向阀8 一频率控制阀9 一高压端 l O 位移传感器1 l 低压端1 2 低压蓄能器l 3 一补油单向阀 1 4 一活塞回位阀1 5 一吸油单向阀1 6 活塞回位阀1 7 一罗茨泵 1 8 一排气门1 9 HE UI 喷油器2 O 气门控制阀 H 一高压油路 c 一压缩油路 压油器 图1 H F P D E原理图 H F P D E主要分 为内燃 机和液压泵两部分。内 燃机部分为直流扫气两冲程柴油机 ， 排气 门和喷油 器采用液压驱动 ， 驱动油源来 自系统输 出的高压油 ； 液压泵部分则 由高压腔 、 泵腔和压缩腔组成 。H F P - D E通过由直径较大的泵活塞和直径较小的压缩活 塞构成的活塞组件 的轴向移动进行吸油和排油 ， 从 而实现功率的输出 。 2 试 验系统 H F P D E原理样机如图 2所示， 其主要技术参数 见表 1 ， 仪器设备技术参数见表 2 。 图2 HF P D E原理样机 表 1 原理样机主要技术参数 参数 数值 参数 数值 气缸数 1 压缩系统压力／ MP a 1 4～ 2 5 气缸直径／ m m 9 8 ． 5 低压供油压力／ MP a 1 ． 0 活塞行程／ m i l l 1 l 9 1 3 5 输出流量／ L ／ mi n 0 4 7 排量／ L 0 ． 9 额定输 出压力／ MP a 2 5 工作频- g ／ H z 0～ 2 8 输 出功率／ k w l 5 压缩 比 可变 进气压力／ M P a 0 ． 1 2 表 2 仪器设备主要技术参数 仪器设备 型号 技术参数 气缸压力传感器 K i s t l e r 6 0 5 5 B O～ 2 O MP a 气门升程传感器 激光位移传感器 0～ 2 0 o ra i n 液体压力传感器 HY D A C一 6 0 o 0～ 6 0 MP a 活塞位移传感器 激光位移传感器 0 ～ 1 5 0 ra m 频率控制阀 R 1 7 9 2 6 E 2 5 0 L ／ r a i n 数据采集 系统 N I 数据采集系统 L a b v i e w 由 HF P D E的工作原理可知 ， 活塞的运动规律取 决于作用在其上 的缸内气体压力和液压力 ， 当液压 力发生变化时 ， 喷油和气 门等相关控制参数 也应 随 之调整 ， 以保证 H F P D E的顺利起动。表 3为试验所 采用的主要控制参数。 表 3 主要控制参数 控制参数 数值 控制参数 数值 输 出压力／ MP a 1 3 频率 阀控制频率／ H z 9 压缩压力／ MP a 1 5 ． 5 喷油器驱动压力／ MP a 1 5 ． 5 低压压力／ MP a 1 ． O 喷油信号脉宽／ ms 1 ． 6 喷油正时／ m m 2 3 B T D C 气 门驱动压力／ MP a 1 5 ． 5 气 门正时／ m m 5 8 A T D C 气门信号脉宽／ ms 1 0 3 工作特性分析 3 ． 1 活塞动力学 图 3为 H F P D E稳定运转的活塞位移 曲线 ， 图中 定义发动机缸盖面为活塞位移零点。从图中可以看 出， 由于工作原理的不同， 其活塞运动规律与传统发 动机有着较大的差异。H F P D E单个工作循 环分为 压缩 、 膨胀 、 反弹和停留4个过程 。 暑 滟 迥 艚 蟪 时间／ ms 图3 H F P D E活塞位移曲线 HF P D E压缩冲程和膨胀冲程对上止点呈 明显 不对称 ， 压缩 冲程所 占时间为 2 3 m s ， 膨胀 冲程所 占 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2 V o 1 ． 3 4 N o ． 5 郭锋， 等 单活 塞式液压自由 活塞柴油机工 特性 验 壅 时间为 1 5 m s ， 与传统发动机相比， 自由活塞发动机 有着更快的膨胀冲程。而且， 由于结构和原理的特 殊性， 自由活塞发动机还存在反弹过程和停留过程。 在活塞过上止点 向下止点运动 的过程 中， 频率控制 阀将关闭 ， 压缩油路停 止充油 ， 当活塞到 达下止点 时， 压缩蓄能器 口已经封 闭， 根据 动量原理 ， 活塞被 反弹向上止点运动。由于活塞向上止点运动将导致 压缩腔容积增大， 使压缩腔内压力迅速降低， 同时由 于高压腔压力的作 用， 活塞在几个反弹过程 之后将 停留在下止点， 直到频率控制阀下一个控制信号的 到来l 8 ] 。因此 ， HF P D E可以通过改变停止在下止点 的时间来控制活塞运动频率 ， 即可通过调频方式实 现功率调节。 图4为活塞速度一 位移 曲线 。由图可知 压缩 冲 程 中活塞最大速度为 8 ． 9 m ／ s ， 膨胀冲程 中活塞最大 速度为 1 3 ． 6 m ／ s ； 在压缩 过程 中， 活塞加 速过 程较 长， 占整个压缩冲程的7 6 ％， 膨胀冲程 中加速过程 较短， 仅占整个膨胀冲程的3 1 ％； 随着活塞向下止 点运动， 缸内容积增大， 气体压力急剧降低， 加速度 逐渐减小至负值 ， 活塞在反弹区经过小幅波动 ， 最后 速度降为零进入停留期。 e 稍 炮 图4 H F P D E速度一 位移曲线 3 ． 2 燃烧过程 图 5为气缸 内压力与压升率 曲线 。由图可知 HF P D E的放热速度导致 了上止点 附近压力 的迅速 升高， 其压升率峰值达到 1 2 ． 4 M P a ／ m s ， 比传统柴油 机等效条件下的压升率大近 3 倍， 由此将带来冲击 振动等相关问题； 当压力越过峰值点后， 其压力下降 速度较快 ， 对燃烧过程 的组织提 出了较高要求。 H F P D E燃烧放热率曲线如图6所示， 图中 F I T 为喷油信号位置 ， T D C为上止点位置 ， C点为压力峰 值位置， D点为温度峰值位置， a 点为喷油始点， b点 为始燃点， C 点对应压力峰值点， d点对应温度峰值 拦 蝰 疆 1 0 8 8 9 1 0 8 9 0 1 0 8 9l 1 0 8 9 2 1 0 8 9 3 1 0 8 9 4 1 0 8 9 5 时间／ ms 图5 HF P D E缸内压力与压升率曲线 专 皇 褥 索 蹬 点， e 点为终燃点。参照传统柴油机燃烧阶段划分 方法， 将 H F P D E燃烧过程划分为滞燃期、 速燃期、 缓 燃期和后燃期 4个 阶段 。 ．一 ‘ ＼ _ 一 I - a ． b ． ． ． ． ． ．鼙 ； ． 8 8 9 1 0 8 9 0 1 0 8 91 1 0 8 9 2 l 0 8 9 3 1 0 8 9 4 1 0 8 9 5 时间／ms 图6 HF P D E燃烧放热率曲线 滞燃期 a b 持续时间为 0 ． 9 8 m s 。这个 时期燃 料在气缸内进行物理和化学准备， 直至达到着火条 件。在传统高速柴油机中， 滞燃期一般为 0 ． 7～ 3 m s 。与传统柴油机相 比， H F P D E的滞燃期较短。 这是 由于 HF P D E在上止点附近有更高的活塞速度 ， 并且燃烧室为浅坑型， 增强了缸内挤流， 促进了油气 混合， 缩短了物理滞燃期。因此， 与传统柴油机相 比， 在喷油时刻缸 内温度和压力相 同的条件下， H F P D E的滞燃期要短一些 。 速燃期 b c 持续时间为 0 ． 8 4 m s 。放热率峰值 O O O O O 0 8 6 4 2 0 O 0 0 O 0 0 O O O O 0 O 枷枷湖枷 8 6 4 2 0咖 湖 0 咖 ∞ 如 加m o郴 珈 m 2 ● R 罐2 E u l 爿 躺据 基鐾 培 垂 督蒂蚕 s ／ 堇 曩茎 量 磊般 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 汽车工程 2 0 1 2年 第 3 4卷 第 5期 出现在速燃期 内， 上止点前。9 5 ％的燃料在速燃期 内燃烧 ， 阻碍活塞 向上止点的运动 ， 对活塞做负功 ， 这将造成 HF P D E对外做功能力 的降低。与传统高 速柴油机 0 ． 8～2 ． 0 m s的速燃期相 比， H F P D E的速 燃期也较短。由于 HF P D E在上止点附近较高 的活 塞速度 ， 加速 了油气混合 ， 尽管 H F P D E的滞燃期较 短， 但在滞燃期内预混好的可燃混合气数量却较多， 在速燃期内这些可燃混合气几乎同时燃烧， 放热速 度快， 放热峰值高。 缓燃期 c d 持续时问为 0 ． 1 m s ， 仅有 4 ％的燃料 在缓燃期内燃烧。对于传统柴油机 ， 扩散燃烧主要 发生在缓燃期 内， 放热速率在这个 时期 中常常 出现 第二个峰值 ， 缓燃期为其主燃期 ， 缓燃期内的燃烧质 量百分 比达到 7 5 ％ ～ 8 5 ％， 约 占0 ． 5～1 ． 5 ms 。与等 效条件下 的传统柴油机相 比， H F P D E缓燃期的持续 时间短 ， 燃烧质量百分 比小。这是 由于膨胀 冲程前 期的活塞速度较传统发动机 的高 ， 使缓燃期内气缸 工作容积的变化率较大 ， 缸内温度和压力下降较快 ， 导致缓燃期持续时间大大缩短。 后燃期 d e 持续时间为 0 ． 2 ms ， 燃烧质量百分 比不足 1 ％。与传统柴油机一样 ， H F P D E在后燃期 中仍有非常低速率的放热持续着， 其原因为存在于 碳粒和富油燃烧产物之中的一部分燃料的能量继续 释放出来 。随着膨胀冲程 中缸内气体温度 和压力 的 进一步下降 ， 其放热过程也越来越缓慢 。 综上所述 ， H F P D E的燃烧持续期 比较短， 只有 1 ． 1 4 m s 。H F P D E真正的主燃期是速燃期， 而不是传 统柴油机的缓燃期 。速燃期内大部分燃料在上止点 前燃烧 ， 所释放的能量都用于阻碍活塞 向上止点方 向的运动 ， 不利于对外做功 ， 但可以通过增大喷油压 力和延迟喷油正时加以改善。缸内最高燃烧温度 比 传统柴油机要低 ， 对于降低传热损失 ， 提高燃烧 效 率 ， 减少 N O 排放等方面存在一定优势 。 3 ． 3负载输出 图 7为试验获得 的活塞位移和泵腔压力 曲线。 由图可见 在压缩 冲程中， 泵腔容积变大 ， 泵腔 内压 力降低 ， 当泵腔压力低于低压端压力时 ， 在压差的作 用下， 液压油 由单向阀进入到泵腔内； 当活塞 由上止 点 向下止点运动时， 由于活塞运动方向的突然改变 ， 泵腔压力在上止点附近会产生小幅波动； 当活塞向 下止点运动时， 泵腔容积逐渐变小 ， 泵腔内压力先缓 慢上升 ， 直到活塞运动了 8 0 mm， 泵腔压力才开始迅 速升高 ， 整个延迟时 间为 6 ． 5 m s 。这是 由于在膨胀 冲程前期 ， 单 向阀落座 响应慢 ， 仍处于打开状态， 泵 腔 内的部分机油被推 回至低压端 ， 同时 由于单 向阀 的节流 ， 泵腔内压力只能缓慢上升 ， 直到单向阀完全 落座 ， 泵腔内的压力才开始迅速上升。 图 7 H F P D E活塞位移 和泵腔压力 曲线 图 8为 H F P D E活塞位移和速度 曲线。由图可 见 从上止点到泵腔压力上升 ， 占整个膨胀 冲程 的 4 3 ％ ， 并包含了最大速度 区域。当泵腔压力迅速上 升时 ， 活塞已处于较大的运动速度 ， 动能较大 ， 使泵 腔压力 的峰值较高， 超过 了2 0 MP a ， 同时由于此后 活 塞速度不断减小 和泵腔出油单 向阀的开启 ， 泵腔压 力迅速降低 。 图8 H F P D E活塞位移和速度曲线 量 梢 蜒 从燃烧过程和泵腔压力建立过程 的分析可知 ， 泵腔内压力在活塞上止点附近时 ， 压力低 ， 不能起到 延缓活塞 向下止点运动， 改善燃烧 的作用。如果将 HF P D E看作是一个弹簧质量系统 ， 显然活塞在上止 点附近加速度最大 ， 势能最大 ， 是对外做功的最佳时 机。从 HF P D E对外做功的角度分析 ， 泵腔作为将活 塞运动 的动能转化为液压能并且输出的端 口， 由于 进油单 向阀落座较慢 ， 膨胀冲程前期活塞对液压油 的压缩只能将其压 回低压端 ， 造成 了能量 的浪费。 同时， 当压力真正建立时， 活塞已经运动了 8 0 m m左 右 ， 尽管此时动能较高， 对外做功时间却大幅减小 ， 对外输出液压能也因此减小。所 以， 泵腔进油单 向 ∞∞ 加 ∞舳 ∞∞ 加 0 m gu v 楼迥稍蜉 g 迥糊般 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2 V o 1 ． 3 4 N o ． 5 郭锋， 等 单活塞式液压 自由活塞柴油机工作特性的试验研究 4 2 7 阀响应快慢， 不仅影响 H F P D E对外做功， 而且影响 H F P D E缸 内燃烧过程 的组织。 3 ． 4系统效率 图 9为提高泵腔进油单 向阀响应性后的泵腔压 力一 活塞位移曲线， 泵腔压力的响应速度与之前试验 结果相比得 到大幅提高。由试验得到 H F P D E基 本 性能参数 为 循环指示功约为 5 0 8 J ， 指示功 率约为 1 5 k W， 指示热效率约为 4 8 ． 4 ％ ， 液压能有效输出约 为 2 8 7 J ， H F P D E系统的总效率约为 2 7 ． 5 ％。 图9 H F P D E泵腔压力一 活塞位移曲线 文献 [ 2 ] 中所测 的二冲程 回流扫气单活塞式液 压自由活塞柴油机的最高效率约为3 3 ％， 直流扫气 的 HF P D E原理样机在没有经过系统优化 的情况下 已经接近了该水平， 而内燃机与液压泵的传统组合 最高效率约为 2 5 ％ ， 因此 H F P D E相对于传统内 燃机与液压泵组合具有明显的节能优势 。 4 结论 1 速燃 期 内燃烧 质量 百分 比超过 8 0 ％ ， 是 H F P D E燃烧过程的主要阶段 。H F P D E燃烧放热规 律表现为 放热速率快， 燃烧过程持续时间短， 尤其 是缓燃期和后燃期。 2 H F P D E缸内最高燃烧温度比传统柴油机 要低 ， 在降低传热损失， 提高燃烧效率， 减少 N O 的 排放等方面存在潜在优势。 3 泵腔进油单向阀响应快慢 ， 不仅影响 H F P D E对外做功， 而且影响 H F P D E缸内燃烧过程组织。 4 H F P D E原 理样 机总 效率 实测 值 达到 2 7 ． 5 ％， 明显优于内燃机与液压泵的传统组合 ， 并且 通过燃烧过程和液压系统的优化 ， 总效率有望进一 步提高。 参考文献 [ 1 ] Mi k al s e n R， R o s k i l l y A P ． A R e v i e w o f F r e e P i s t o n E n gin e Hi s t o r y a n d A p p l i c a t i o n s [ J ] ．A p p l i e d T h e r m a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 7 ， 2 7 2 3 3 92 3 5 2． [ 2 ] A e h t e n PA J ， V a n D e n O e v e n J P J ， P o t m a J ， e t a1 ． H o r s e p o w e r w i t h B r a i n s t h e D e s i g n o f t h e C H I R O N F r e e P i s t o n E n gi n e [ C ] ． S AE P a p e r 2 0 0 0 -O12 5 4 5 ． [ 3 ] M i k al s e n R ，R o s k i l l y A P ．The C o n t r o l of a F re e p i s t o n E n gi n e G e n e r a t o r ．P a r t 1 F u n d a m e n t al A n al y s e s [ J ] ．A p p l i e d E n e r g y ， 2 0 0 9， 8 7 1 2 7 3 1 2 8 0． [ 4 ] J o h a n s e n T A， E g e l a n d O ， J o h a n n e s s e n E A， e t a 1 ．F re e p i s t o n D i e s e l E n gin e T i mi n g and C o n t r o l - T o w a r d s E l e c t r o n i c C am a n d C r ank s h a f t [ C ] ．I E E E T r a n s a c t i o n s o n C o n t r o l S y s t e ms T e c h n o l o gy ， 2 0 0 2， 1 0 1 7 71 9 0． [ 5 ] T i k k a n e n S ， V i l e n i u s M ．C o n t r o l o f a D u al H y d r a u l i c F r e e P i s t o n E n gin e [ J ] ．I n t e ma t i o n al J o u r n al o f V e h i c l e A u t o n o m o u s S y s t e ms ， 2 0 0 6 ， 4 1 32 1 ． E 6 ] M ik al s e n R， R o s k i l l y A P ． T h e D e s i gn and S i m u l a t i o n of a T w o s t r o k e Fr e e p i s t o n C o mp r e s s i o n I g n i t i o n E n g i n e f o r El e c t r i c al P o w e r Gen e r a ti o n [ J ] ．A p p l i e d The r mal E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 8 ， 2 8 5 8 9 6 0 0． [ 7 ] M i k al s e n R ， J o n e s E ， R o s k i l l y A P ． P r e d i c t i v e P i s t o n M o t i o n C o n t r o l i n a F r e e p i s t o n I n t e rnal C o m b u s ti o n E n gi n e [ J ] ．A p p l i e d E n e r gy ， 2 01 0， 8 7 1 7 2 2 1 7 2 8 ． [ 8 ] G u o f e n g ， Z h a o C h a n g l u， Hu ang Y i n g ， e t a 1 ．E x p e ri m e n t al S t u d y o n H y d r a u l i c F r e e p i s t o n D i e s e l E n gi n e [ C] ．P r o c e e d i n g s- I n t e r - n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n Co mp u t e r Di s tr i b u t e d Co n t r o l a nd I n t e l l i g e n t En v i r o n me n t a l Mo n i t o rin g，CDCI EM 2 01 1 7 8 6 7 9 2． ＼ R 趄聪 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m