單活塞式液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)仿真與試驗(yàn)研究

單活塞式液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)仿真與試驗(yàn)研究

單活塞式液壓自由價(jià)值發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)將自由動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)（fpe）和柱塞式液壓泵結(jié)合起來(lái)，獲得自由動(dòng)態(tài)動(dòng)力車輛（hyracyclopediationhfpe）。如圖1所示，自動(dòng)動(dòng)力塞列車輛在機(jī)械工程和農(nóng)業(yè)機(jī)械部有良好的應(yīng)用前景。荷蘭InnasBV工程公司對(duì)單活塞式液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了研究并且已經(jīng)有樣機(jī)在叉車上使用,坦佩雷工業(yè)大學(xué)的研究主要以雙活塞式液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)為主,美國(guó)通用汽車研究室和威斯康星麥迪遜大學(xué)以及日本豐橋工業(yè)大學(xué)也都開展了類似課題的研究。浙江大學(xué)對(duì)對(duì)置式液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)研究,取得了一定的成果。單活塞式液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)(SinglePistonHydraulicFree-PistonEngine,SPHFPE)只有一個(gè)燃燒腔和一個(gè)自由活塞組件,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單零件少,工作頻率即輸出流量控制可以通過(guò)開關(guān)閥實(shí)現(xiàn),制造成本低。雖然單活塞式液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)的壓縮回復(fù)系統(tǒng)增加了復(fù)雜程度,但是又可以很輕易改變發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比,振動(dòng)問(wèn)題是另一個(gè)挑戰(zhàn)。由于液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的曲軸式內(nèi)燃機(jī)相比在結(jié)構(gòu)上和原理上均有較大差別,所以對(duì)于進(jìn)行研制液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)講,對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性研究是非常必要的。本文將通過(guò)AMESim/MATLAB聯(lián)合仿真技術(shù)對(duì)所研制的單活塞式液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)進(jìn)行建模、仿真和動(dòng)態(tài)特性分析,并進(jìn)行試驗(yàn)研究。1sphfpe裝置SPHFPE基本結(jié)構(gòu)如圖2所示,燃燒腔主要是由燃燒室及其配件組成的,高壓腔、泵腔和壓縮腔一起構(gòu)成系統(tǒng)液壓部分。在SPHFPE中,活塞組件由直徑較大的泵活塞和直徑較小的控制活塞構(gòu)成,它的軸向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)吸油和排油。由于SPHFPE中沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件,因此不可能通過(guò)飛輪將膨脹沖程的能量傳遞到其他沖程,所以它一般為二沖程發(fā)動(dòng)機(jī),并且進(jìn)排氣和噴油器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)均采用液壓驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)油壓來(lái)自液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)本身輸出的高壓油。SPHFPE的高壓油有兩個(gè)輸出:(1)在壓縮沖程,活塞向左運(yùn)動(dòng)時(shí)由高壓腔輸出;(2)在膨脹做功沖程由泵腔輸出。雙輸出可以減小輸出高壓油的脈動(dòng)。此外,SPHFPE中還要設(shè)置滿足超低工作頻率(小于10Hz)以及變壓縮比要求的控制油路。2sphfpe模型SPHFPE燃燒腔模型將在MATLAB建立,而液壓系統(tǒng)則在AMESim中建立。2.1燃料及工質(zhì)的燃燒過(guò)程在對(duì)SPHFPE進(jìn)行仿真研究時(shí),作如下假設(shè):(1)假設(shè)燃燒腔氣缸內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)均勻,同一瞬間各點(diǎn)的壓力、溫度、濃度處處相等。假設(shè)工質(zhì)為理想氣體,在整個(gè)循環(huán)中其物理及化學(xué)性質(zhì)保持不變。不考慮泄漏等的影響,工質(zhì)的總質(zhì)量保持不變,熱力循環(huán)是在定量工質(zhì)下進(jìn)行的,忽略進(jìn)、排氣流動(dòng)損失及其影響。(2)用韋柏放熱函數(shù)代替燃料的實(shí)際燃燒過(guò)程。(3)忽略進(jìn)、排氣流動(dòng)損失及其影響,忽略噴油過(guò)程的影響。泵的進(jìn)油壓力(低壓)和負(fù)載壓力(高壓)為恒定值。2.2理想氣體能變化量的計(jì)算根據(jù)文獻(xiàn)及基本假設(shè),取燃燒腔缸頭缸壁及動(dòng)力活塞頂部所圍成的邊界為控制面,所包圍的空間容積為控制體積。在SPHFPE工作過(guò)程中,所取的控制體的邊界在不斷變化。由熱力學(xué)第一定律:其中,δQ—系統(tǒng)吸收的熱量,dU—系統(tǒng)內(nèi)能的變化量,δW—系統(tǒng)對(duì)外做功。對(duì)外所作的功可以表示為:其中,p—?dú)飧變?nèi)工質(zhì)的瞬時(shí)壓力,dV—?dú)飧兹莘e的變化量。根據(jù)假設(shè)條件及比定容熱容得到理想氣體內(nèi)能的變化量和溫度的變化量之間的關(guān)系為:其中,mg—?dú)怏w質(zhì)量,VC—比定容熱容,dT—溫度的變化量。由(1)~(3)式得到控制體中的能量守恒方程:根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程得到:由(4)和(5)式得到SPHFPE燃燒腔內(nèi)工質(zhì)壓力模型:根據(jù)(6)式簡(jiǎn)化可以得到燃燒腔內(nèi)壓力變化方程:其中,V—?dú)飧兹莘e的瞬時(shí)體積,γ—工質(zhì)的絕熱指數(shù)。由單韋柏燃燒放熱函數(shù)得到的瞬時(shí)放熱率:其中,Q—SPHFPE的循環(huán)總放熱量,Hu—燃料低熱值,gf—循環(huán)燃料量,ηu—能量利用系數(shù),c—燃燒品質(zhì)指數(shù),T—燃燒持續(xù)時(shí)間。2.3原油系統(tǒng)模型2.3.1壓力變化方程液壓腔模型將分為液壓腔體積流量變化模型和壓力變化模型,通過(guò)兩個(gè)模型的組合得到液壓腔內(nèi)壓力和出口流量計(jì)算模型。體積流量變化方程:其中,V—液壓腔體積,D—液壓腔活塞的直徑,d—液壓腔活塞桿的直徑,x0—液壓腔活塞的初始位置,x—液壓腔活塞的位移,q—液壓腔出口的流量,υ—液壓腔活塞速度。下標(biāo)i=1,2,3,分別表示高壓腔、泵腔和壓縮腔。壓力變化方程為:其中,ph—液壓腔壓力,K—油液體積彈性模量780MPa,V0—液壓腔死區(qū)容積。根據(jù)以上分析,在AMESim中搭建的液壓腔模型,各種結(jié)構(gòu)參數(shù)均根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置。2.3.2kv—單向閥模型單向閥完全開啟前的流量與閥口壓降成線性關(guān)系,在此不考慮單向閥開啟時(shí)滯后作用的影響。單向閥部分開啟時(shí)流量與壓降之間的關(guān)系用流量壓降系數(shù)表示:其中,kV—流量壓降系數(shù),qcri—單向閥完全開啟瞬間的流量,約為220L/min,pcri—單向閥完全開啟瞬間的壓降,約為0.45MPa,pcra—單向閥開啟壓力,為0.2MPa。單向閥部分開啟時(shí)的流量方程:其中,Δp—單向閥閥口壓降。單向閥完全開啟后的流量方程:其中,cc—流量系數(shù),取為0.6,Ac—單向閥完全開啟后通流面積,ρ—油液密度,取為890kg/m3。2.3.3不同開口流量的全細(xì)胞壓力特性由于要滿足高速大流量要求,因此頻率控制閥采用的是伺服閥,并且控制信號(hào)只采用階躍信號(hào)。頻率控制閥閥口全開時(shí)流量為:其中,qs—頻率控制閥流量,cs—頻率控制閥閥口流量系數(shù),取值為0.61,sA—頻率控制閥全開時(shí)的通流面積,pca—壓縮蓄能器壓力。通流面積sA可以通過(guò)特征壓降時(shí)對(duì)應(yīng)的特征流量計(jì)算得到,而閥口部分開啟時(shí)的通流面積將根據(jù)閥芯位置線性插值得到。頻率控制閥在壓差為7MPa時(shí)流量為250L/min。2.3.4壓油路主要控制參數(shù)頻率控制油路主要指由壓縮腔D、控制活塞c、控制單向閥2、頻率控制閥3、補(bǔ)油單向閥4和壓縮蓄能器6構(gòu)成液壓油路,此部分油路主要完成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率的控制以及對(duì)壓縮沖程壓縮能量的控制。頻率控制油路中的壓縮蓄能器為氣囊式,容積為1.0L,氣囊內(nèi)氮?dú)獬跏級(jí)毫?0MPa。壓縮腔與壓縮蓄能器、控制單向閥2以及阻尼孔的接口的隨活塞位置變化的開啟過(guò)程采用函數(shù)來(lái)模擬,接口的開啟程度與活塞位移之間的關(guān)系將根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)設(shè)置。2.4組件內(nèi)流體的流變學(xué)特性圖3是活塞組件的受力示意圖,定義氣缸蓋底面為位移坐標(biāo)原點(diǎn),且規(guī)定向右為活塞組件運(yùn)動(dòng)正方向。由牛頓定律得到活塞組件的力平衡方程:其中,S—?jiǎng)恿钊行ё饔妹娣e,S1—泵活塞橫截面積與活塞桿橫截面積之差,S2—泵活塞橫截面積與控制活塞橫截面積之差,S3—控制活塞橫截面積,x—活塞組件的位移,cf—活塞組件系統(tǒng)的粘性阻尼系數(shù),m—活塞組件的質(zhì)量,f—活塞組件運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到摩擦力。將燃燒腔壓力轉(zhuǎn)化為作用到動(dòng)力活塞上的力,再通過(guò)AMESim中的力施加模塊作用液壓系統(tǒng)活塞上,這樣就建立起了活塞動(dòng)力學(xué)模型。2.5聯(lián)合模擬模型將AMESim與MATLAB建立的模型組合到一起得到單活塞液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合仿真模型,如圖4所示。3sphfpe的模擬分析3.1燃燒過(guò)程及功率主要仿真參數(shù)如下:發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)最大功率為15kW,活塞組件的名義行程為0.110m,粘性阻尼系數(shù)cf=25N·s·m-1,活塞組件的質(zhì)量m=3kg,運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到摩擦力f=200N,燃燒品質(zhì)指數(shù)c=1.5,燃燒持續(xù)時(shí)間T=0.005s,能量利用系數(shù)ηu=1,燃料低熱值Hu=42500kJ/kg,絕熱指數(shù)γ=1.35,蓄能器初始?jí)毫?5MPa,低壓油壓力1.0MPa,高壓油壓力約為23MPa,工作頻率即活塞運(yùn)動(dòng)頻率為25Hz。3.2試驗(yàn)結(jié)果和分析3.2.1單向閥流量對(duì)單向閥以及頻率控制閥的仿真與試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示,其中單向閥的開啟壓力為0.2MPa,頻率控制伺服閥為三位四通閥,極限位置對(duì)應(yīng)的反饋電壓值分別為0.04V和0.2V。單向閥流量在開啟過(guò)程中仿真與試驗(yàn)吻合較好,而在完全開啟后,仿真流量偏小,這有可能是在流量系數(shù)和通流面積的選擇和計(jì)算上與實(shí)際值有一定偏差。頻率控制閥閥芯位移在下降過(guò)程仿真與試驗(yàn)結(jié)果基本一致,但仿真模型的超調(diào)量比較大,原因可能是仿真模型在阻尼設(shè)置上存在誤差造成的。3.2.2發(fā)動(dòng)機(jī)沖程與膨脹沖程的關(guān)系在一個(gè)循環(huán)內(nèi),活塞的位移、速度和加速度曲線如圖6所示。從圖6可知,加速度最大值大于12000m/s2?；钊麎嚎s可燃?xì)怏w的最大速度約10m/s,而在膨脹做功沖程其最大速度在16m/s?；钊瓿梢粋€(gè)循環(huán)的時(shí)間大約為0.027s,因此發(fā)動(dòng)機(jī)的最大工作頻率約為37Hz。發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮沖程和膨脹沖程關(guān)于上止點(diǎn)呈不對(duì)稱性,即活塞的壓縮過(guò)程所用時(shí)間較膨脹過(guò)程所用時(shí)間長(zhǎng),壓縮過(guò)程約占0.017s,膨脹過(guò)程約占0.01s,這種不對(duì)稱性的產(chǎn)生原因正是由于發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞是“自由”的,沒(méi)有機(jī)械約束,其運(yùn)動(dòng)規(guī)律完全取決于活塞兩端的受力情況,即取決于(16)式中各力之間的關(guān)系。活塞到達(dá)下止點(diǎn)(活塞位移對(duì)應(yīng)0.11m處)時(shí),停滯一段時(shí)間(約0.013s)再進(jìn)入下一個(gè)循環(huán),該停滯時(shí)間的長(zhǎng)短通過(guò)頻率控制閥來(lái)控制,改變?cè)摃r(shí)間段的長(zhǎng)短可以改變活塞工作頻率,即不同的活塞工作頻率只是通過(guò)改變停止時(shí)間來(lái)控制的,而與每個(gè)循環(huán)中活塞的速度無(wú)關(guān),這對(duì)于燃油燃燒是很有利的,即可以使燃燒狀況總保持在一個(gè)預(yù)先匹配好的良好環(huán)境中,不會(huì)因發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的變化而改變。3.2.3按流量的確定控制壓縮沖程壓力液壓腔壓力及各油口流量變化曲線如圖7所示。從圖7可知,高壓腔的壓力與高壓油路的壓力基本一致,因?yàn)楦邏呵涣鞒龅膲毫τ椭苯舆M(jìn)入高壓油路,容腔容積的變化對(duì)壓力稍有影響,進(jìn)出高壓腔油口的最大流量約在100L/min;泵腔的壓力在壓縮沖程時(shí)為低壓,進(jìn)油單向閥打開,而在膨脹沖程壓力則保持為高壓并且略高于高壓油路壓力,出油單向閥開啟,進(jìn)油最大流量約為130L/min,此時(shí)單向閥壓降約為0.3MPa,為保證泵腔在壓縮沖程能吸進(jìn)足夠的低壓油,低壓油路壓力不應(yīng)低于0.5MPa;頻率控制閥的流量在5ms內(nèi)達(dá)到100L/min,高響應(yīng)流量大的頻率控制閥對(duì)壓縮過(guò)程中液壓能的充分利用有利;泵腔壓力隨著活塞的運(yùn)動(dòng)稍有波動(dòng)但基本保持在15MPa左右,在膨脹沖程的末期,由于活塞在下止點(diǎn)振動(dòng)使其壓力驟降為低壓,活塞平衡后保持在一個(gè)恒定的壓力上。3.2.4工作頻率對(duì)燒狀況的影響自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)特點(diǎn)是不同工作頻率不會(huì)改變活塞的運(yùn)動(dòng)速度也不會(huì)影響每個(gè)循環(huán)的燃燒狀況,圖8為不同工作頻率下的活塞位移以及對(duì)應(yīng)的輸出流量曲線,從圖中可知不同工作頻率的主要區(qū)別在于每個(gè)循環(huán)之間的時(shí)間間隔不相等。液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)可以根據(jù)外界要求自由調(diào)整工作頻率和輸出流量,同時(shí)保持輸出壓力不變,而此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放不會(huì)發(fā)生任何質(zhì)的變化。3.2.5位移傳感器的安裝為了更準(zhǔn)確地掌握SPHFPE的特性,對(duì)SPHFPE單次壓燃工作循環(huán)進(jìn)行了試驗(yàn)研究,試驗(yàn)過(guò)程中,低壓油路為0.5MPa,高壓油路也處于低壓狀態(tài)。由于位移傳感器的安裝減小了控制活塞的有效作用面積,為補(bǔ)償有效作用面積的缺失,在試驗(yàn)中將控制油路壓力提高到了17MPa。頻率控制閥采用了流量250L/min的伺服閥,并采用手動(dòng)開關(guān)來(lái)控制信號(hào)的發(fā)出,手動(dòng)操作將無(wú)法實(shí)現(xiàn)活塞在下止點(diǎn)靜止。試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示,速度曲線是根據(jù)位移曲線經(jīng)過(guò)擬合后求導(dǎo)得到的。從圖9可知,試驗(yàn)與仿真結(jié)果基本一致。在圖6和9中都可以看出速度的不對(duì)稱性。4配裝量和頻率控制SPHFPE是一種新型動(dòng)力機(jī)械,具有工作頻率可控、工作壓力可調(diào)和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)以上分析,可得出如下結(jié)論:(1)SPHFPE的工作過(guò)程是一個(gè)能量平衡過(guò)程。一定