单活塞液压自由活塞发动机压缩冲程特性.pdf

第 4 6卷第 1 8期 2 0 1 0 年9 月 机械工程学报 J OURNAL OF MECH A NI CAL ENGI NEERI NG Vo 1 ． 4 6 NO． 1 8 S e p ． 2 0 1 0 Doh 1 0 ． 39 01 ／ JM E． 2 01 0 ． 1 8 ． 1 3 4 单活塞液压 自由活塞发动机压缩冲程特性木 苑士华 吴 维胡纪滨 荆崇波 北京理工大学机械与车辆学院北京 1 0 0 0 8 1 摘要以压燃式单活塞液压自由活塞发动机为对象研究其压缩冲程特性，以期得到高效可靠的压缩过程实现方案，满足系统 着火条件要求。基于系统的基本结构，对系统不同工况下的压缩过程进行分类，并分别研究其主要特征，确定利用液压能实 现系统压缩过程 的基本控制量 。通过建立 系统压缩过程气缸状态和液压腔状态仿真模型，结合相关的试验测试结果，对不 同 工况下的压缩过程特性进行研究。研究表明系统低压压缩过程着火条件易于满足，在非正常工作状态下的高压压缩过程需 要消除压缩蓄能器的稳压作用，同时减小频率控制阀节流作用的影响。 关键词 自由活塞发动机柴油机压缩点火液压蓄能器 中图分类号T H1 3 7 Co mpr e s s i o n S t r o k e Cha r a c t e r i s t i c s o f S i ng l e Pi s t o n Hy dr a u l i c Fr e e - p i s t o n En g i n e YUAN S h i h u a W U We i HU J i b i n J I NG Ch o n g b o S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， Be i j ing I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 1 Ab s t r a c t T o a c h i e v e a h i g h e ffi c i e n c y a n d r e l i a b l e c o mp r e s s i o n p r o c e s s a n d s a t i s f y t h e r e q u i r e me n t f o r c o mp r e s s i o n i g n i t i o n 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 e n g i n e ， c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e c o mp r e s s i o n s t r o k e a r e a n a l y z e d ． Th e c o mp r e s s i o n p r o c e s s i s d i v i d e d i n t o d i ff e r e n t c a t e g o r i e s b a s e d o n t h e s y s t e m c o n fig u r a t i o n ． Th e ma i n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e c a t e g o ri e s a r e p r e s e n t e d ． Th e p r i me c o n t r o l p a r a me t e r s i n t h e c o mp r e s s i o n p r o c e s s r e a l i z e d b y h y d r a u l i c p o we r a r e c o n fi r me d ． A c o mp r e s s i o n mo d e l d e s c r i b i n g t h e g as c y l i n d e r a n d h y d r a u l i c c h am b e r s t a t e s u n d e r d i ffe r e n t o p e r a t i o n c o n d i t i o n s i s g i v e n ．T h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e c o mp r e s s i o n s t r o k e u n d e r d i ff e r e n t o p e r a t i o n c o n d i t i o n s a r e i n v e s t i g a t e d b y c o mb i n i n g wi t h s i mu l a t i o n a n d t e s t r e s u l t s ． 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 r e q u i r e me n t for c o mp r e s s i o n i gn i t i o n c a r l b e s a t i s fi e d e asi l y i n t h e l o w p r e s s u r e c o mp r e s s i o n p r o c e s s ．Th e p r e s s u r e s t a b i l i z i n g e ffe c t o f t h e c o mp r e s s i o n a c c u mu l a t o r s h o u l d be e l i m i n a t e d a n d t h e e ff e c t o f t h r o t t l i n g a c t i o n o f t h e f r e q u e n c y c o n t r o l v a l v e s h o u l d b e l i mi t e d i n t h e h i g h p r e s s u r e c o mp r e s s i o n p r o c e s s i n n o n n o rm a l wo r k i n g s t a t e ． Ke y wo r ds F r e e pi s t o n e n gi ne s Di e s el e ng i n e s Co mp r e s s i o n i gni t i o n Hyd r a ul i c a c c u mul a t o r s 0 前言 自由活塞技术研究在近几年发展迅速【 l 之 J ， 潜在 优势使其在 电驱动l 5 J 和液压驱动领域[ 6 - 9 1 的应用成 为国内外研究的热点， 目前其主要研究形式以 自由 活塞发电机【4 ] 和液压 自由活塞发动机 1 为主 。 液压 自由活塞 发动机 实现 了内燃机和柱塞泵 的一体化设计[ 9 ] ，具有结构紧凑 、功率密度高等优 点 ，单活塞液压 自由活塞发动机 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 e n g i n e ，S P HF P E 只有一个燃烧 } “ 十一五”国家部委基础科研资助项 目 A2 2 2 0 0 6 0 0 5 3 。2 0 0 9 0 9 1 0收 到初稿，2 0 1 0 0 3 2 9收到修改稿 室和一组活塞组件，发动机压缩过程能量需要外界 提供l l 也 一 1 。在 自由活塞发动机压缩过程的研究中， 对于双活塞形式，主要 以启动压缩过程的实现方法 研究为主[ 1 0 - 1 1 1 ，而对于单活塞形式 ，压缩过程特性 研究主要集中在采用气体压力能实现压缩冲程的研 究上[ 1 2 ] ，而对采用液压能实现的压缩过程则被简单 地认为具有重复性好和可控性高的特点L 9 J ，忽略了 发动 机 工作循 环 条件 变化 以及不 同点火 方式 的 影响。 本文根据所研制 的单活 塞液压 自由活塞发动 机，基于其内燃机部分采用柴油燃料压缩点火的特 点，对不 同工况的压缩过程进行 了分析，建立了系 统压缩过程数学模型，并对着火条件进行 了研究， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年 9月 苑士华等单活塞液压自由活塞发动机压缩冲程特性 确定 了整个过程 的影响因素，以期为 S P HF P E高效 可靠的启动着火过程控制及其启动辅助装置设计提 供依据。 1 压缩过程分析 根据 S P H F P E系统基本结构 ，如图 1 所示，其 压缩过程是一个将液压能转化 为气体 内能同时又伴 随着液压能输出的过程 。由于最后进入系统压缩腔 的液压油体积基本不变 ，因此压缩压力成为 了影响 液压能多少的关键，其直接影响到压缩冲程压缩终 了气缸 内气体的状态 。 图 1 S P H F P E基本原理 压 缩 压 力 控 制 阀 在 S P H F P E的实际运行过程中，系统正常工作 前，高压油路 H的压力较低，需要经过几个工作循 环以后，其压力才能达到正常工作值，于是根据 高 压油路 H的压力状态 ， 压缩冲程可 以分为低压压缩 和高压压缩高压油路 H压力值较小时系统所完成 的压缩冲程称为低压压缩；高压油路 H压力达到能 够保证 S P HF P E正常工作的值 以后，系统所完成 的 压缩冲程则称为高压压缩。基于 S P H F P E频率控制 需要和高压油路 H的蓄能器充气压力的限制， 两种 压缩过程的压力界限值确定为 1 0 MP a 。 对于低压压缩 ，由于压缩活塞与压缩腔之间存 在一定的间隙， 如果利用压缩蓄能器完成压缩过程， 首先要对其进行充油，同时在此过程 中还要开启低 压油路 L上 的开关阀以保证压缩活塞不 向上止 点方 向发生蠕动 ，此种方法不但控制繁琐而且造成大量 能量浪费，故低压压缩将直接从外界获得压缩压力 油来实现，不先对压缩蓄能器充油。 对于高压压缩，可以分为两种情况正常工作 时，压缩冲程只须依靠压缩蓄能器 中储存 的压力油 来完成；非正常工作时，即在 S P H F P E较长时间停 止或者意外熄火后 ，由于泄漏和活塞复位的影响， 压缩蓄能器中没有了压力油，因此需要利用其他手 段实现系统再次压燃。 两种压缩方式使用同一压缩蓄能器，需要准确 地预测压缩压力，以保证压缩过程 的着火条件和压 缩蓄能器的工作安全。要保证柴油机稳定工作，压 缩冲程所形成 的压缩空气压力要达到 3 ～4 MP a L 1 引 ， 对于使用柴油作为燃料 的 S P H F P E也是如此。 2 压缩过程模型 压缩过程模型基于文献[ 6 ] 模型建立 ，并进行 了 适当的改进 以适合压缩过程分析 的需要。 2 ． 1 压缩控制 S P HF P E 的压缩过程控制主要通过频率控制 阀 以及压缩压力控制 阀来实现，前者控制压缩 的开始 时刻，后者控制压缩压力。 S P HF P E 正常工作过程 中，当频率控制 阀开启 后 ，压缩蓄能器压力油首先通过它进入压缩腔，活 塞开始 向上止点方 向运动，当压缩活塞运动到一定 位置时，压缩蓄能器与压缩腔直接连通油口打开， 此后压力油主要通过该油 口进入压缩腔，整个压缩 过程完全靠液压能完成 。 2 ． 2 气缸状态模型 假设气缸 内工质的状态均匀 ，同一瞬间各点的 压力、温度、浓度处处相等 ，工质为理想气体，在 整个循环中其物理及化学性质保持不变。模型考虑 活塞与缸套接触处气体泄漏的影响，如图 2所示。 图 2 气缸状态模型 于是 ，气缸气体温度变化可以表示为 筮 ㈣ 式 中 气体温度 m气体质量 h 比焓 Q气体热量 比定容热容 P气体压力 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 3 6 机械工程学报 第 4 6卷第 l 8期 气体体积 7 “o 压缩过程气体初始温度 f 时间 下标 i 和 0分别表示流入和流 出气缸的气体参数。 气体为理想气体，于是气体压力可以表示为 詈 一 V m R d T 十 R T - p d V ] 2 d f d f m df J 一 式中， 为理想气体常数 。 泄漏引起的气体质量变化量 , i n 一 p o d t p o 3 一 式中 大气压力 气缸直径 △ r 活塞与缸套之间的间隙 气体密度 气体绝对粘度，只用于泄漏计算 间隙长度 2 ． 3 液压腔状态模型 液压腔状态模型主要描述液压腔的压力和流 量变化状态 ，主要包括液压腔压力变化动态模型和 液压阀模型。 液压腔压力用式 4 表示 BH q H f 4 1 出 ～ 式中P 液压腔压力 液压油体积弹性模量 液压腔流量 液压腔容积 单向阀模型不考虑其动态特性。单向阀部分开 启时流量与 阀口压降成线性关系，不考虑单 向阀开 启时阀芯滞后的影响。单向阀部分开启时流量与压 降之间的关系用流量压降系数表示 k v L 5 p 一 p∞ a 式中 流量压降系数 单 向阀完全开启瞬间的流量 单 向阀完全开启瞬间的压降 单 向阀开启压力 单向阀部分开启时的流量方程为 k v A o o 一 6 式中，△ 为单 向阀阀口压降。 单 向阀完全开启后的流量方程 厂广 q o 4 √ 云 7 式中 C 流量系数 单 向阀完全开启后通流面积 液压油密度 频率控制阀采用的是大流量伺服阀，控制信号 为阶跃信号。频率控制阀阀口全开时流量采用式 8 计算 厂 一 g Ⅳ 知 、／ 8 式中 C Ⅳ流量系数 ．4 w频率控制 阀通流面积 Fv 频率控制阀阀口压降 频率控制 阀通流面积 由特 征压 降对应 的特 征 流量计算得到 ，而 阀口部分开启时的通流面积将根 据阀芯位置经线性插值得到。频率控制阀在压差为 7 MP a 时流量为 2 5 0 L ／ mi n 。 3 着火条件仿真与试验结果分析 S P H F P E基本参数 最大功率约为 l 5 k W，活 塞行程为 9 6 ．- 1 2 5 I l l l “n ，气缸直径约为 9 8 ． 5 ton i ； S P H F P E 正常工作状态 下 ，系 统设计工作压 力为 2 5 3 0 MP a ，最低工作压力为 1 0 M．P a ，压缩蓄 能 器的压缩设计压力约为 1 5 MP a ，容积为 1 ． 0 L。 根据 S P H F P E压缩过程基本特征，在 AME S i m 中建立了系统仿真模型并对压缩冲程特性进行了仿 真和试验研究。 3 ． 1 试验装置及原理 试验装置根据 S P HF P E原理图搭建，如图 3所 示，主要可以分为液压模块和内燃机模块，装置中 包括 了液体压力 、气体压力和位移传感器以及辅助 泵站等附件 。 图 3 试验装置及其原理图 试 验液压 回路将频 率控制 阀的进油 口直接 与 高压泵站出油 口相连通 。系统高压油路 H也通过开 关阀与高压泵站 出油 口相连通，可以根据需要开启 或关闭该开关阀，实现对高压油路 H压力的控制。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年 9月 苑士华等单活塞液压自由活塞发动机压缩冲程特性 1 3 7 3 ． 2 低压压缩 当低压压缩的高压油路 H压力值为低压供油压 力时，低压压缩在不同外界供给压缩压力 下的 气缸气体状态如图 4所示。从 图 4中可知，在外界 供给压缩压力 P c 。 1 3 ． 5 MP a时， 压缩空气压力能达 到压力最低要求值，并且外界供给压力越高，压缩 空气压力越高 ，压缩过程时间越短 。 出 垃 时 间 0 图 4 低压压缩仿真与试验 结果 在低压压缩的高压油路 H压力值为 1 0 M P a ， 压缩压力为设计值 1 5 MP a时的低压压缩气体压力 P和压缩蓄能器气囊体积 变化的仿真结果如图 5所示。从图 5中可知，压缩空气压力完全能达到 设计要求，但是在 0 ～0 ． 0 1 8 S 的整个压缩冲程，压 力油几乎不进入压缩蓄能器，即在整个压缩过程的 压缩腔压力基本保持在压缩蓄能器的充气压力，其 值约为 1 0 MP a 。 图 5 设计压缩压力下低压压缩仿真结果 蛙 碡 群 稚 怒 j姐 根据低压压缩 的仿真与试验结果可知，在设计 压缩压力下，S P HF P E 低压压缩过程完全可 以满足 柴油对着火条件 的要求 。 3 ． 3 高压压缩 S P HF P E 正常工作时，在设计压缩压力下，不 同高压油路 H压力 下的高压压缩仿真结果如 图 6所示。从图 6中可知，发动机设计参数基本满足 稳定着火条件的需要 。 在 S P H F P E较长时间停止或者意外熄火后，此 时压缩蓄能器中已经没有 了液压油，无法依靠压缩 蓄能器来完成压缩过程，需要外界供给压缩压力。 图 7是在压缩蓄能器截止阀开启情况下，通过高压 油路来供给压缩压力时的高压压缩仿真结果。从图 7中可知，压缩过程气体最高压力不会随着外界供 给压力 的增大而一直增大，而是在 1 0 ,-- 2 5 MP a整 个压力范围内存在最大值，其原因在于压缩蓄能器 在整个压缩过程 中起 了稳压 的作用，在外界供给压 缩压力较高时，频率控制阀的输 出流量也将有更大 部分被压缩蓄能器所吸收，使得压缩过程压缩腔压 力升高不明显， 而高压油路压力则与供给压力一致 ， 结果造成压缩过程的阻力增幅与实际压缩压力增幅 不成 比例，影响压缩效果，不能完全保证系统能够 满足着火条件 。 6 芝4 3 蛙2 1 0 0 ． 0 l 0 ． 0 2 0 ． 0 3 O ． 0 4 O ． O 5 时间 s 图 6 正常工作时高压压缩 仿真 结果 3 ∞ 皇 2 运 R 出 I 0 0．01 0．0 2 0 ．0 3 0 ． 0 4 0 ． 0 5 时间 图7 压缩蓄能器截止阀开启时高压压缩仿真结果 图 8是在压缩蓄能器截止阀关闭情况下 ，外界 供给压缩压力为 1 7 MP a时的仿真与试验结果。从 图 8中可知，在消除压缩蓄能器的稳压作用 以后， 对压缩腔压缩压力影响最大的是频率控制阀的压力 流量特性和压缩压力 ，显然，此种工作方式可 以保 证气体最大压缩压力会 随着外界供给压缩压力的增 大而增大 。 根据高压压缩仿真与试验结果可知，高压压缩 过程的压缩液压能约有 2 ／ 3 转化为气体内能， l ／ 3的 能量输 出到了高压油路 H。正常工作时，频率控制 阀只在压缩过程初期起作用 ，压缩压力油主要通过 压缩蓄能器直接进入压缩腔 ，设计压缩压力完全满 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 3 8 机械工程学报 第 4 6卷第 1 8 期 足着火条件要求。非正常工作时，压缩蓄能器的稳 压作用 以及频率控制阀的节流作用造成压缩腔压力 变化缓慢 ，减小它们影响的方法主要有关闭压缩蓄 能器截止 阀同时提高压缩压力 。 杂 出 蝰 时间眺 图 8 压缩蓄 能器截止 阀关 闭时高压压缩仿真与试验结果 4 结论 1 1 S P HF P E 系统基本结构决定其压缩冲程是 一 个将液压能转化为气体 内能同时又伴随着液压 能 输 出的过程。S P HF P E 的压缩过程可分为低压压缩 和高压压缩两种工况，其中高压压缩为主要工况。 2 S P HF P E 低压压缩过程的压缩压力靠外界 供给且压力不能低于设计压缩压力。压缩蓄能器提 供的初始压缩能量来 自系统膨胀冲程。 f 3 S P H F P E 在非正常工作状态下的高压压缩 过程中，压缩蓄能器应与压缩油路断开，以消除压 缩蓄能器的稳压作用同时减小频率控制阀的节流作 用影响。 参考文献 [ 1 】杨华勇，夏必忠，傅新．液压 自由活塞发动机的发展 历程及研究现状【 J ] _ 机械工程学报 ， 2 0 0 1 ， 3 7 2 1 - 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