一種新型往復(fù)式原動(dòng)液壓泵的原理研究

1、一種新型往復(fù)式原動(dòng)液壓泵的原理研究陳 甫 , 趙克定 , 吳盛林(哈爾濱工業(yè)大學(xué) , 黑龍江 哈爾濱 150001Principal Research on a New Type of to-and-from Motive Hydraulic PumpCHEN Fu, ZHAO Ke -ding, WU Sheng -lin (Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China 摘要 :介紹了往復(fù)式原動(dòng)液壓泵動(dòng)力裝置的結(jié) 構(gòu)類型和工作機(jī)理 , 分析了單活塞式原動(dòng)液壓泵的 能量傳遞過程并作了相關(guān)計(jì)算 , 提出了原動(dòng)液壓泵 研究中存在的技術(shù)問題

2、 , 為該裝置的實(shí)用化作出了 積極探索 。關(guān)鍵詞 :新型動(dòng)力 ; 能量傳遞 ; 液壓泵 中圖分類號(hào) :TH 137文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) :10012257(2004 09001603Abstract:A to -and-from motive hydraulic pump is a kind of compound engine of non-stiff transmission of power , which integrates a hydraulic pump and a diesel engine 1This paper introduce to us its main typ

3、es, struc -ture and working principle, secondly , analyze the energy -transmission process of the motive hydraulic pump and make some corresponding calculation , finally , summa -rize several technical obstacles in its implement , which is sure to actively contribute to the application of this equip

4、 -ment 1Key words:new type of power; energy transmission ; hydraulic pump收稿日期 :200406230 引言多數(shù)應(yīng)用液壓技術(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的傳統(tǒng)大中型 動(dòng)力機(jī)械中 , 用于制動(dòng)、 怠速和減速的油耗占到總耗 油量的 43%, 作業(yè)效率低下 1。 而隨著液壓 技術(shù)的 不斷成熟 , 單個(gè)液壓元件效率的提升空間已經(jīng)十分 有限 , 因此 , 需要研究將發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓裝置進(jìn)行一體 化設(shè)計(jì)以提升總體效率。 往復(fù) 式原動(dòng)液壓泵 TMHP (to and from motive hydraulic pump 作為液壓技術(shù)、微電子技術(shù)、 控制技

5、術(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的綜合 , 將自由 活塞發(fā)動(dòng) 機(jī) (free piston engine 與 液壓技術(shù) 結(jié)合起 來 2-3, 既提高了總體效率又簡化了機(jī)構(gòu) , 是一種很有前途的動(dòng)力裝置。1 TMHP 的主要類型及特點(diǎn)111 主要類型按發(fā)動(dòng)機(jī)部分燃燒室數(shù)目和剛性連接組件數(shù)目 的不同 , TMHP 分為 3種基本類型如圖 1所示 4。圖 1112 TMHP 的結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn) 11211 幾種類型 TMHP 間的比較3種結(jié)構(gòu)形 式的 TMHP 有著各自不同 的特點(diǎn) , 它們的性能特點(diǎn)比較如表 1所示。 11212 TMHP 與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)比較由于 TMHP 是將自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力活塞與 液壓部分的柱塞

6、泵進(jìn)行剛性連接 , 通過該剛性連接 組件直接將燃燒室中燃料釋放的熱能轉(zhuǎn)化為液壓能 輸出 , 驅(qū)動(dòng)馬達(dá)等負(fù)載工作 , 省去了傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)中的 曲柄連桿機(jī)構(gòu)和液壓泵中的旋轉(zhuǎn)斜盤機(jī)構(gòu) , 因而1表 13種 TMHP 的性能比較 結(jié) 構(gòu) 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn)單一 活塞式結(jié)構(gòu)最簡單流量控制容易制造成本最低需單獨(dú)的回復(fù)系 統(tǒng) ; 存在振動(dòng)問題 掃氣時(shí)需閥系配合對(duì)置 活塞式無震動(dòng)問題流量控制容易掃氣效果好需單獨(dú)的回復(fù)系 統(tǒng) ; 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜 活塞間精確同步難雙活塞式功率密度最大 ,無需回復(fù)裝置存在振動(dòng)問題 流量調(diào)節(jié)較困難 掃氣時(shí)間短 ; 掃氣 時(shí)需閥系配合具有其特殊的優(yōu)勢。TMHP 與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能對(duì)比如表 2所

7、示。 表 2TMHP 與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能比較參考指標(biāo)TM HP 傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu) 大小零件少 , 重量輕組合靈活 , 功率可選結(jié)構(gòu)復(fù)雜 , 功率固定工作 效率可回收制動(dòng)能 ,能量鏈短 , 效率高能量鏈長 , 效率低燃料 要求壓縮比可變 ,適用燃料范圍廣壓縮比固定 , 適用范圍小磨損 情況活塞與缸體無側(cè)向作用力 , 磨損小有側(cè)向力 , 磨損較大廢氣 排放對(duì)壓縮比精確控制時(shí) , 有害氣體排放少有害氣體 , 排放較多2TMHP 的能量傳遞過程211單活塞式 TMHP 主要設(shè)計(jì)參數(shù)以單活塞式 TMHP 為例 , 分析其能量傳遞過程 , 并按照給定的參數(shù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算 5。 設(shè)計(jì)樣機(jī)為兩 沖程火花點(diǎn)火式汽油

8、機(jī)、 平頂活塞 , 氣流組織形式為 自然吸氣、 掃氣箱回流掃氣。主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下 :D 動(dòng)力活塞直徑 (84mmA 1 面積 (5542m m 2d 柱塞泵活塞直徑 (16mmA 2 柱塞泵活塞截面積 (840mm 2L 活塞行程 (75mmL 1 掃氣口至缸頭的距離 (6215mmL 2 掃氣口至內(nèi)止點(diǎn)的距離 (1915mm f 穩(wěn)定工況下活塞組件的工作頻率 (3040 Hz212能量傳遞分析計(jì)算a 1計(jì)算一個(gè)工作循環(huán)的總輸入能 E 。 該輸入能 的大小應(yīng)等于一個(gè)工作循環(huán)中 , 燃料燃燒所釋放的 熱量 , 計(jì)算公式如下 :E =g H u (1 式中 g 一個(gè)工作循環(huán)的燃料供應(yīng)量H u 燃料

9、的熱值g =V 1G 1M 1032214U (A +1(2 V 1 排氣口剛關(guān)閉時(shí) , 汽缸的有效容積 G 1 掃氣效率M 混合氣的摩爾質(zhì)量U 當(dāng)量混合比A 混合氣空 氣過量系數(shù) (設(shè)工 作于最佳燃 料經(jīng)濟(jì)性點(diǎn) 當(dāng) H u =4515106J /kg, G 1=016,M =281964 10-3kg/mol,U =1417, A =0188時(shí) , 計(jì)算式 (1 、 (2 得 到 :g =1316210-6kgE =620J設(shè)一個(gè)工作循環(huán)的有效指示能為 E 1, 則有 : E 1=E G 2(3 式中 G 2 燃燒總效率當(dāng) G 2=0145時(shí) , 計(jì)算式 (3 得到 :E 1=279Jb 1

10、計(jì)算其它能量損耗 E 2。E 2主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成 :E 3 摩擦力造成的能量損耗E 4 掃氣過程中的能量損耗E 5 氣體壓縮能E 6 壓縮過程中 , 壓縮能 E 5的損失E 8 液壓部分的泄露造成的能量損失。E 3計(jì)算如下 :F f =F v +F s (4E 3=F f L (5F f 活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的總摩擦力F v 活塞組件運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的粘性摩擦力 (與 運(yùn)動(dòng)速度成正比 12F s 活塞受到的靜摩擦力 (作常值處理 當(dāng) F v =125N(粘性摩擦系數(shù)為 25N #s/m, 活塞 平均速度為 5m/s , F s =400N 時(shí) , 計(jì)算式 (4 、 (5 得 到 :E 3=4619

11、JE 4計(jì)算如下 :E 4= P 2V 2r -1(E r -11-1 (6P 2,V 2 活塞運(yùn)動(dòng)至上止點(diǎn)時(shí) , 掃氣腔內(nèi)的氣 體壓力、 容積E 1 V 2與掃氣口開啟時(shí)掃氣腔容積之比 r 絕熱系數(shù)當(dāng) E 1=113,r =1135時(shí) , 計(jì)算式 (6 得到 :E 4=2213JE 6計(jì)算如下 :E 5=$U (7E 5=01 r -1 (E r -12-1 (8E 6=E 52%(9 $U 腔內(nèi)氣體壓縮時(shí)內(nèi)能增量P 0 壓縮過程開始時(shí) , 壓縮腔內(nèi)的空氣壓力 E 2 壓縮腔內(nèi)氣體的壓縮比設(shè)壓縮能的損失為定值 (為壓縮能的 2% , E 2=616, 計(jì)算式 (7 、 (8 、 (9 得到

12、:E 6=1125JE 8計(jì)算如下 :E 7=E 1-E 3-E 4-E 6(10 E 8=E 7(1-G 3 (11 E 7 TMHP 的發(fā)動(dòng)機(jī)部分在一個(gè)工作循環(huán)中 向其液壓部分輸出的總能量G 3 液壓部分的能量傳遞效率當(dāng) G 3=019時(shí) , 計(jì)算式 (10 、 (11 得到 :E 8=20195J213應(yīng)用計(jì)算由以上計(jì)算可知 :以雙活塞式 TMHP 為例 , 若活 塞組件的運(yùn)動(dòng)頻率 f 取為 40Hz, 其單個(gè) TMHP 單元 的有效輸出功率可達(dá)到 15kW, 采用 1020個(gè)其單 個(gè) TMHP 單元即可滿足絕大多數(shù)大中型動(dòng)力機(jī)械的 需要。3結(jié)束語通過將發(fā)動(dòng)機(jī)活塞與液壓柱塞剛性連接 ,

13、縮短 能量傳輸鏈 , 使 TMHP 具備了其它動(dòng)力裝置所無法 比擬的優(yōu)勢 , 如壓縮比可變 , 可以靈活地組合 TMHP 單元以滿足不同應(yīng)用場合等 6。 但同時(shí)也存在一些 技術(shù)問題 :a 13種形式的 TMHP 都是通過改變活塞位于下 死點(diǎn)位置時(shí)間的長短來實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的控制 , 這樣就 不可避免地會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)。b 1壓縮比可變是 TMHP 的一大優(yōu)點(diǎn) , 但由于沒 有了曲柄連桿的約束 , 精確控制壓縮比變得比較困 難 , 唯一的辦法是精確控制燃料的輸入量 , 這給燃料 噴射技術(shù)提出了較高要求。c 1為了保證 TMHP 的正常運(yùn)轉(zhuǎn) , 實(shí)現(xiàn)低油耗和 低排放 , 燃料噴放 , 活塞運(yùn)動(dòng)以及掃氣過程必須

14、精確 同步 , 這是 TMHP 走向?qū)嵱没淖畲箅y題。隨著國內(nèi)外對(duì) TMHP 運(yùn) 作機(jī)理研究的 不斷深 入 , 以上問題都可以逐步找到解決的方案。參考文獻(xiàn) :1Wu P , Luo N , Fronczak F J 1Fuel economy and operatin g characteristics of a hydro -pneumatic energy storage auto -mobile 1S AE 85167812Achen A J 1A review of free piston engine concepts 1SAE Pa -per 941176, Warrendale

15、, USA 13朱仙鼎 1特種發(fā)動(dòng)機(jī)原理與結(jié)構(gòu) M1上海 :上海科 學(xué) 技術(shù)出版社 , 199814T ikkanen S 1On the dynamic characteristics of the hydraulic free pis ton engine A 1In :The 2nd Tampere International Conference on Machine AutomationC1Tampere, 1998:15185Hibi A , Hu Y 1A pri me consists of a free piston in ternal combus tion hydraulic power generator and a hydraulic motor J1SAE Paper 930313, 199316Tikkanen S 1Evolution of free pis ton Engine Z1Espoo 200017林杰倫 1內(nèi)燃機(jī)工作過程數(shù)值模擬 M1西 安 :西安 交 通大學(xué)出版社 , 198618Peter A J 1Jan-Ove 1What a difference a hole make