（动力机械及工程专业论文）二甲醚自由活塞hcci发动机工作过程的仿真研究.pdf

摘要 本文针对液压自由活塞发动机( h f p e ) 、二甲醚燃料、h c c i 燃烧过程三种 技术的特点，提出将三者有机结合的方案，起到扬长避短的作用：利用h c c i 燃 烧速率高的优势，解决h f p e 发动机活塞上死点停留时间短的缺陷，同时由于可 以采用缸外低压喷射，回避了二甲醚技术高压密封和偶件磨损的难题；利用自由 活塞发动机压缩比、活塞速度灵活可变的优势，解决h c c i 燃烧过程中燃烧始点 控制和燃烧速率控制的难题；同时发挥了二甲醚燃料高十六烷值，容易压燃的优 势，实现发动机的可靠燃烧。上述技术的组合，有望开发出一种新型的清洁、高 效的代用燃料发动机。 本文采用a m e s i m 和f i r e 软件，建立了发动机的一维动力学和三维燃烧 过程仿真模型，并进行了发动机工作过程的仿真研究，对所提方案的可行性、关 键性影响因素、作用机理进行了研究，取得如下主要结论： 与相同排量、相同工作频率的曲柄连杆发动机相比，h f p e 发动机的压缩冲 程与膨胀冲程的运行时间、运行速度不对称，在上止点附近，h f p e 发动机的活 塞运行速度出现急速变化，在上死点附近停留时间较短。 与传统的曲柄连杆发动机相比，在自由活塞发动机上应用h c c i 燃烧方式， 燃烧相位更接近上止点，负功减少，效率增加，并且爆震强度降低。 e g r 率、混合气的当量比，都可以影响燃烧相位，通过调整这两种参数， 可以使发动机的效率和爆震强度都达到理想的水平。 采用增压方案，可以补偿低当量比，高e g r 率的情况下自由活塞发动机的 功率，当量比为0 4 且e g r 率为0 4 ，增压度为2 6 时，自由活塞发动机的平均 有效压力可以达到6 7 2 b a r ，液压输出功率达到2 6 6 4 k w ，热功转化效率达到了 51 7 ，爆震强度5 8 4 w m m 2 ，低于爆震极限。当发动机控制于上述状态时，燃 烧过程出现独特的三峰放热率结构，第三峰的放热中，没有二甲醚参与，放热的 主要成分是c o ，能量贡献率是3 8 7 。 上述研究为h c c i 自由活塞发动机样机的开发提供了理论依据。 关键词：液压自由活塞发动机二甲醚h c c i 爆震 i nth i sp ap e rad i m e t h y l e t h e r ( d m e ) hy d r a u l i cf r e ep is t o ne n g i n eo p er a t i n go n h c c ic o m b u s t i o nw a sp r o p o s e db a s e do nt h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fd m e ，h c c i a n dh y d r a u l i cf r e ep is t o ne n g i n e ( h f p e ) t h eh i g hb u r n i n gr a t eo fh c c is o l v et h e p r o b l e m t h a tt h eh f p e s t a y sl e s st i m ea r o u n dt d c a n d1 0 w - p r e s s u r es p r a yo fd m e o u t s i d eth ecy l i n d e rw a su se dint h ehp f eth u st h ewe a ra n dle a ko fd m eh ig h p r e s s u r esp r a ysy s t e mwa sav o i d e d du e toth efl e x i b l ean dco n t r o l l a b l e c o m p r e s s i o n r a t i oo ft h eh f p ew es o l v e dt h ep r o b l e mo ft h ea c c u r a t ec o n t r o lo f t h e s t a r to fc o m b u s t i o no fh c c i a n dt h ec e t a n en u m b e ro fd m ei sh i g h ，t h u sc a ne a s i l y c o m p r e s s i o ni g n i t i o na n da c h i e v ear e l i a b l ec o m b u s t i o n t h r o u g hc o m b i n e dt h et h r e e t e c h n o l o g i e sa bo r ew ee x p e c t e dtoane wty p eofc l e a n ，ef f i c i e n ta l t e r n a t i v efu e l e n g i n e t h i sp ap e ri n v e s t i g a t e d th eco m b u s t i o np ro c e s san dch a r a c t e r i s t i c so fa t w o s t r o k edm efr e ep i s t o nen g i n eo p er a t i n go nhc c ic o m b u s t i o n ，u si n ga o n e - d i m e n s i o n a ld y n a m i c sm o d e li na m e s i ma n dat h r e e - d i m e n s i o n a lc f dm o d e li n a v l f i r e t h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e ds c h e m e ，t h ek e yf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h e h f p ep e r f o r m a n c ea n dt h em e c h a n i s mh a db e e ns t u d i e d t h r o u g ht h es i m u l a t i o nw e g o tt h em a i nc o n c l u s i o n sa sf o l l o w s ： t h eco m p r e s s i o nst r o k ean dth eex p a n s i o nst r o k eo fth ehf p ewe r e n o n s y m m e t r i c a li nt e r m so ft h et o pd e a dc e n 仃ec o m p a r e dt oac r a n ke n g i n et h a th a d t h es a m ed is p l a c e m e n ta n d s a m ef r e q u e n c y t h eh f p es t a y e d1 e s st i m ea r o u n dt h e n o m i n a lt o pd e a dc e n t e r ( t d c ) t h ea c c e l e r a t i o no ft h eh f p ew a sv e r yl a r g ea n dt h e v e l o c i t yc h a n g e dr a p i d l ya r o u n dt h en o m i n a lt d c w h e nt h ee n g i n eo p er a t i n go nhc c ico m b u s t i o nt h eco m b u s t i o np h a s eo ft h e h f p ew a sc l o s e rt ot h et d c ，t h en e g a t i v ew o r k w a sl e s sa n dt h ek n o c k i n gi n t e n s i t y w a sl o w e rt h a nt h ec r a n ke n g i n e e g rr a t ea n de q u i v a l e n tr a t i oa f f e c t e dt h ec o m b u s t i o np h a s e t h r o u g ha d j u s t i n g t h ee g rr a t ea n de q u i v a l e n tr a t i ot h ee n g i n ee f f i c i e n c ya n dk n o c ki n t e n s i t yc a nr e a c h ad e s i r e dl e v e l t h eu seo fb o o stco m p e n s a t e dth ep o we rof fr e ep is t o ne n g i n eu nd e rlo w e q u i v a l e n c er a t i oa n dh i g he g rr a t e w h e nt h ee q u i v a l e n tr a t i ow a s0 4 ，t h ee g r r a t e w a s0 4an dt h eb o o s t1e v e lis2 6 th em e a nef f e c t i v epr e s s u r eo fth eh f p ewa s 6 7 2 b a r ；hy d r a u l i co u t p u tp o w e rw a s 2 6 ：6 4 kw a n dh ea t - w o r kc on v e r s i o ne f f i c i e n c y 5 1 7 w a sa c h i e v e d a n dt h ek n o c ki n t e n s i t yw a s5 8 4 w m m 2 b e l o wt h ek n o c k l i m i t w h e nt h eh f p ew a sc o n t r o l l e do nth eo p e r a t i n gc o n d i t i o n ，e q u i v a l e n tr a t i o0 4 ， t h ee g rr a t e0 4a n dt h eb o o s t1 e v e l2 6a u n i q u es t r u c t u r eo ft h er a t eo f t h eh e a t r e l e a s ea p p e a r e d t h e r ew e r et h r e ep e a k si nt h ec h i n eo f t h er a t eo f t h eh e a tr e l e a s e t h et h i r de x o t h e r m i cp e a k ，t h e r ei sn oin v o l v e m e n to fd m e t h em a i ne x o t h e r m i c i n g r e d i e n tisco du r i n gt h et h i r dp ea ko ft h er a t eo ft h eh ea tr e l e a s e ，t h er a t eo f e n e r g yc o n t r i b u t i o nw a s38 7 t h r o u g ht h er e s e a r c ha b o v et h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rp r o t o t y p ed e s i g no fah c c i f r e ep i s t o ne n g i n ew a sp r o v i d e d k e yw o r d s ：f r e e p i s t o ne n g i n e ，d m e ，h c c i ，k n o c k 第一章绪论 11 己l 吉 1 jji 口 第一章绪论 内燃机自问世以来，以其热效率高、体积小、质量小、便于移动、起动性能 好等特点闻名于世，在国民经济中起了举足轻重的作用。现代内燃机更是成为了 当今用量最大、用途最广、无一与之匹敌的最重要的热能机械【l 】。然而现在传统 的曲柄连杆发动机受到了巨大的挑战。一方面当前内燃机主要以石油作为燃料， 石油是不可再生的资源。一般工业发达国家整个石油消耗量的6 0 左右消耗在内 燃机的燃料上l 引。二十世纪七十年代爆发了两次石油危机，能源形势日益严峻， 这样，人们逐渐意识到了节能的重要性。另一方面，内燃机排放的废气对环境造 成的影响日益严重，一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物等对人类的身体健康造 成了巨大的威胁，二氧化碳等温室气体增加了全球气候变暖的趋势。节能减排已 成为当今内燃机发展的焦点。为此，人们一方面积极致力于传统曲柄连杆发动机 本身的改进，w t 、缸内直喷技术、e g r 等技术应用到内燃机中。另一方面人 们在寻找新型的更加清洁高效能量转换装置以及理想的替代燃料，以满足能源结 构的变化以及日益严格的排放法规。 在此背景下，各种新型的能量转换装置，如斯特林发动机、燃料电池、氢气 发动机、混合动力及电动汽车等得到了广泛的关注与研究。随着液压技术、微电 子技术、以及控制技术的发展， 自由活塞发动机重新得到了重视，其与液压泵 集成在一起，组合成了液压自由活塞发动机。作为一种新型动力，近2 0 年来液 压自由活塞发动机受到了广泛的关注，在今后的十几年内预计将有更大的突破和 更为迅速而广阔的发展前景，被誉为“未来的动力之星”【3 j 。 1 2 液压自由活塞发动机的发展历程 l8 5 7 年，思呗尔桑奇( e n g e n t i o b e r s a n t i ) 和马特依西( 、，l a r e u c c e ) 第一次试验了 当时称为“自由活塞”的发动机，并实现了爆发作功【4 j 。它没有采用曲柄连杆机构， 而是用齿轮齿条装置实现活塞与输出轴之间的联接。虽然这种结构可行，但显 然不如应用已久的曲柄连杆机构合理而有效。1 8 6 0 年，兰诺( l e n o i r ) 研制成功了 第一台可以实际运用的二冲程、火花点火式、无压缩冲程的煤气机，其活塞也是 “自由的”，借助齿轮齿条副和变速轮系，将活塞的往复运动转变成间歇性的旋 第一章绪论 转运动，再对外输出功率。该内燃机第一次投入了大量生产，但它不能满足高效 热力循环的要求以及齿轮与齿条在换向过程中的冲击载荷，导致其最终被淘汰。 此阶段被称为自由活塞发动机的萌芽时期。 真正商业意义的自由活塞式发动机的概念由皮斯卡拉( r p e s c a r a ) 于1 9 2 8 年首次提出，皮斯卡拉发展的自由活塞式发动机的问世拉开了自由活塞式发动机 的发展序幕1 5 j 。皮斯卡拉在1 9 2 2 年左右开始自由活塞发动机的研究，他在1 9 2 5 年创建了点燃式自由活塞发动机原型样机，在1 9 2 8 年创建了压燃式自由活塞发 动机原型样机。其创建的压燃式自由活塞发动机发展为皮斯卡拉自由活塞式压气 机【6 儿7 1 。随着自由活塞技术的不断发展，到1 9 5 0 s 真正的商业产品问世。当时的 产品主要为自由活塞式发气机及自由活塞式压气机。前者又被称为燃气发气器 ( f r e ep i s t o ng a s i f i e r ) 主要用来提供高温燃气，其与燃气涡轮( t u r b i n e ) 结合在一起 共同组成动力装置，构成了完整意义上的自由活塞发动机。其结构原理图如图 1 - 1 所示。燃烧室中的高温燃气直接被引入燃气涡轮机中膨胀做功。后者与活塞 式压气机集成在一起，主要用来供压缩空气或者其他压缩气体。 空 图i - 1 自由活塞燃气发生器涡轮机原理图 1 动力活塞2 压气活塞3 扫气室4 进气室5 气垫室6 气缸室7 压气机 8 压气阀9 燃气涡轮1 0 动力缸1 1 集气箱 法国西格马( s i g m a ) 公司在皮斯卡拉自由活塞式发气机的基础上研发制造 了g s 3 4 型自由活塞发气机，其燃气功率为9 1 9 k w ，并广泛应用于水电站、船舶 等工业领域 8 1 。美国通用汽车公司在1 9 5 4 年购买了西格玛公司的专利权，并在 此专利的基础上研发出了燃气功率为1 8 3 9 k w 的g m r 4 - 4 型双缸自由活塞发气 机【9 】：德国容克( j u n k e r s ) 公司研制了自由活塞式压气机，为鱼雷提供驱动用压缩空 气，并成功的在二战中服役；前苏联也制造了多种型号的自由活塞压气机和燃气 轮机组【1 0 ；我国也于1 9 5 8 年7 月成功试制了燃气功率约为7 0 k w 的红旗4 1 1 5 型自由活塞式燃气轮机纠1 1j 。 第一章绪论 但是，由于当时技术水平的限制，此阶段的自由活塞发动机存在着许多的缺 陷，比如部分负荷热效率低、同步机构复杂、复合装置体积大等【l2 1 ，随着曲柄连 杆发动机技术的发展以及燃气轮机技术的进步，2 0 世纪6 0 年代后自由活塞发动 机逐渐退出了历史的舞台，被人们淡忘。 2 0 世纪8 0 年代以来，随着液压技术、微电子技术、控制技术和发动机技术 的发展，自由活塞发动机迎来了又一个春天。标志性的装置为液压自由活塞发动 机和自由活塞直线发电机。液压自由活塞发动机是将内燃机与液压泵集合成一个 整体，利用液压油作为传输介质的复合发动机。直接将内燃机的活塞与液压泵的 活塞刚性连接组成，以液压油为工作介质，利用液压油的压力能实现动力的非刚 性传输的复合动力装置【1 3 】。由于没有曲柄连杆机构的约束，故称之为“自由活 塞，【1 4 1 。 如图1 2 所示，与发动机耦合液压泵方案相比，液压自由活塞发动机将燃料 燃烧释放的热能直接转化为液压能输出，传动链缩短，结构简化，系统效率更高 1 1 5 。实验研究表明液压自由活塞机燃油消耗低于发动机液压泵组合2 0 ，低负 荷时甚至超过5 0 。而且，自由活塞发动机活塞组件惯量小，具有良好的瞬态响 应，瞬时就能够过渡到预定的工况点， 通过控制活塞停留在下止点的时间可 以实现频率的控制。采用蓄能器作为 储能元件，输出功率和负载功率间的 实时关系不复存在，负荷变化时发动机 可运转于狭窄的高效率区。其动力总 成结构紧凑，布置灵活，可以实现分布 式功率传递，更高的功率级可通过多个 单元组合实现。复合驱动系统可以实 现不同的功率流模式，对系统耗散的能 量进行回收和再利用，具有最大限度地 优化效率和降低排放的潜力。 图卜2 液压自由活塞发动机与发动机 一液压泵组合对比 1 3 液压自由活塞发动机的分类及工作原理 液压自由活塞发动机( h f p e ) 是现代液压技术、微电子技术、控制技术及 内燃机技术的综合，是对活塞发动机技术及静液负荷驱动技术的继承与发展，同 时也是能源结构变化和环境保护问题对于新型动力召唤的结果。 第一章绪论 1 3 1 液压自由活塞发动机的分类 现有的液压自由活塞发动机多采用两冲程的工作方式，根据发动机的活塞组 的数目及气缸布置方式的不同，液压自由活塞发动机可分为三种基本类型：( 1 ) 单活塞式自由活塞发动机( 2 ) 双活塞式自由活塞发动机( 3 ) 对置活塞式自由活 塞发动机。 单活塞式液压自由活塞发动机如图1 3 所示，该发动机由三部分组成：动力 缸、负载装置、回弹装置。由图可以看出液压缸同时服务于负载装置及回弹装置。 与其他形式布置的自由活塞发动机相比单活塞式自由活塞发动机具有较简单的 结构的同时具有较高的可控制性。通过控制回弹装置的能量可以控制压缩冲程中 的能量，从而控制冲程的长度以及压缩比。 图1 - 3 单活塞式液压自由活塞发动机1 6 】 双活塞式液压自由活塞发动机如图1 4 所示。该形式的液压自由活塞发动机 取消了回弹装置，燃烧交替在左右两个气缸中进行，一缸燃烧产生的能量除了输 出液压能以外同时提供了另一缸的压缩能。从而该种形式的发动机具有紧凑的结 构及较高的功率密度。同时其对于活塞运动特别是的冲程长度及压缩比的控制非 常困难，因为一缸的燃烧过程将影响另一缸的压缩过程，燃烧过程的一点变化对 接下来的压缩过程都会产生较大的影响。 ；蔬 ：一 i h p 图1 - 4双活塞式液压自由活塞发动机【1 7 】 对置活塞式自由活塞发动机如图1 5 所示，对置活塞可以看成是对称的单活 塞。每个活塞都需要一个弹回装置，燃烧在两个活塞之间发生。对置活塞式自由 活塞发动机最大优点是在左右两个活塞运动完全相同的情况下，发动机完全平 衡，没有任何的震动。 第一章绪论 图1 5 对置活塞式液压自由活塞发动机 1 3 2 液压自由活塞发动机的工作原理 液压自由活塞发动机( h y d r a u l i cf r e ep i s t o ne n g i n e ，以下简称h f p e ) 又称为 往复式原动液压泵( f r e ep i s t o ne n g i n e dh y d r a u l i cr e c i p r o c a t i n gp u m p ) 。它是将 内燃机和液压泵集成为一体，以液体为工作介质，利用液流的压力能实现动力的 非刚性传输的复合动力装置【1 8 】。 以单活塞自由活塞发动机为例，如图1 - 6 所示，动力活塞在燃烧缸内以二冲 程发动机的工作方式往复运动，带动泵活塞不断给液压油加压对外输出液压能。 具体工作过程为：当活塞组件位于右止点时，控制阀7 打开，液压油经阀7 进入控制腔1 0 ，作用在压缩活塞上推动活塞向左运动，在活塞向左运动的时候， 动力活塞完成扫气与新鲜工质的压缩过程。同时，由于泵活塞的快速左移使得泵 腔形成了一定的真空，低压油被吸入泵腔。当动力活塞到达左止点时，喷油器将 燃油喷入气缸内，着火燃烧后气缸压力推动动力活塞快速向右运动，同时带动泵 活塞2 向右运动，把上一冲程吸入的低压油加压并通过单向阀5 对外输出。压缩 活塞将控制腔的压力油又推回到高压蓄能器6 完成一个往复循环，实现了将燃 料燃烧的热能通过活塞组件转换成液压能对外输出。 从单活塞式液压自由活塞发动机可以看出液压自由活塞发动机的典型系统 主要包括下列组件： ( 1 ) 动力缸。由于自由活塞发动机每循环都需要一个做功行程输出液压能及 使活塞复位开始下一循环，因此一般为两行程。 ( 2 ) 液压缸。液压缸根据功能的不同一般可分为两个室。前者为泵室，其中 的活塞在运动过程中不断地将液压油从低压侧泵入高压侧，输出有效液压能；另 一个为压缩室，在压缩过程中液压油流入推动活塞向上止点位置移动实现压缩过 程：在膨胀做功行程中将压缩室中的压力油推回到蓄能器中，在循环中液压油不 断地在回复蓄能器和该室中流进或流出，从而实现活塞的往复运动。 ( 3 ) 活塞组。由动力活塞和液压泵活塞刚性连接而成。在气缸压力及液压力 的作用下左右止点之间做往复直线运动。 第一章绪论 ( 4 ) 蓄能器组。图示系统中包括2 个蓄能器。蓄能器6 位于高压侧，提供压 缩过程所需的液压油，其还具有减振的作用；蓄能器1 0 位于低压侧，主要提供 泵腔所需的压力油，低压侧蓄能器需要维持一定的压力，以防止发生气蚀。 ( 5 ) 辅助元件。辅助元件主要包括电磁开关阀和单向阀等。 ) i 产：共同”i力端 j r 、_ 、j 燃烧部分系部分恢复部分 图1 - 6 液压自由活塞发动机的工作原理 1 泵和回弹活塞：2 泵活塞；3 压缩活塞；4 吸入阀( 单向阀) ：5 一压缩阀( 单向阀) ；6 - 压 缩蓄能器；7 快速响应频率控制阀；8 活塞回位阀；9 压缩压力控制阀：1 0 - 低压蓄能器；1 1 - 高压腔：1 2 高压腔出口；1 3 泵腔；1 年泵腔出口：1 5 控制腔；1 6 频率阀进口 1 3 3 液压自由活塞发动机的特点 液压自由活塞发动机与传统曲柄连杆发动机相比取消了曲柄连杆机构，活塞 能量直接通过液压能传递，其高效率区与发动机的负载没有直接的关系，在很宽 的负载范围内都能获得较高的效率。同时液压自由活塞发动机的结构更加紧凑， 减少了运动零件，提高了可靠性。 液压自由活塞发动机具有以下优点： 由于取消了曲柄连杆机构，减少了运动的零件及支承面的数量，活塞与刚体 间的侧向力大大的减小从而摩擦力显著的降低，而且发动机扁平，布置具有更大 的灵活性。 活塞动力学与曲柄连杆机构具有本质的区别，其运动规律完全由作用在活塞 上的各种力综合决定的，发动机的热力过程将密切的影响其动力特性。 通过精确有效的控制手段可以实现活塞冲程的灵活可变，从而在发动机结构 不做任何改变的情况下实现可变压缩比，同时为多种燃料的燃烧提供了可能性。 通过控制活塞停留在下止点的时间可以实现对频率的控制，理论上频率可以 降到零，没有传统发动机怠速的限制。 第一章绪论 输出功率与负载功率不存在实时关系，发动机可以按照最优的燃油经济性曲 线运行。在全负荷下都可以保持较高的热效率。 对置活塞式自由活塞发动机在两活塞对称运动时，两活塞的惯性力平衡，发 动机处于完全平衡的状态。单活塞式自由活塞发动机和双活塞式自由活塞发动机 需要采用平衡重或者多缸发动机往复总成来消除震动。 液压自由活塞发动机除了上述优点的同时也带来了一系列问题： 1 行程控制 h f p e 由于没有曲柄连杆机构的约束，其活塞的行程完全由作用在活塞上的 各种力综合决定，压缩比是可变的。对压缩能需要精确控制。对于单活塞式和对 置活塞式自由活塞发动机而言即回弹装置提供的压缩能，对双活塞式自由活塞发 动机而言即另一气缸燃烧释放的能量。 2 能量平衡 h f p e 是一个能量平衡系统，传递给液压系统的能量由燃烧过程产生的能量 决定。燃烧过程将会影响活塞行程的变化，同时活塞行程的变化同时会影响燃烧 过程。 3 频率控制 自由活塞系统类似于质量弹簧系统，运转的频率与活塞的质量，行程的长度， 燃烧的放热速率等密切相关，需要间歇控制运转频率时，必须能够精确控制活塞 在下止点停留的位置和时间。 4 大流量快速响应阀 在压缩、做功行程以及两者之间的切换过程中，开关阀必须能够根据指令信 号快速响应，在很短的时间内产生足够大的流通面积，否则将造成很大的流动损 失。 5 失火倾向加重 取消了飞轮装置，启动装置复杂，没有相应的储能装置能够驱动发动机运转 几个循环，发动机失火现象严重。如果没有建立起足够的压缩能或者其他因素影 响了燃烧，发动机将停止运转。 6 燃烧相位 为了获得低排放和高效率，燃烧相位需要精确控制。喷雾扩散型自由活塞发 动机需要通过精确控制喷油时刻来实现对燃烧相位的控制。均质压燃式h f p e 需 要控制进气温度，e g r 率等实现对燃烧相位的控制。 7 对置活塞h f p e 的同步问题 对置活塞h f p e 在任意时刻两个活塞都在相反的方向运动，当两个活塞质量 及运动状况完全一致时，两个活塞产生的惯性力相互平衡，发动机处于完全平衡， 第一章绪论 没有震动的情况。实际上两个活塞的运动不可能完全相同，需要同步机构( 机械 同步或者液压同步) 来实现两活塞的同步运行，从而消除震动。 1 4 液压自由活塞发动机国内外研究现状 1 4 1 单活塞式自由活塞发动机的研究现状 美国的卡特彼勒公司、日本的丰桥工业大学【1 9 】【2 0 1 、德国的德雷斯顿工业大 学及荷兰i n n a sbv 公司都进行过单活塞式自由活塞发动机的研发工作【2 1 】【2 2 1 ， 其中在该项目上的投入的研究时间最长的荷兰i n n a s b v 公司最成功，目前已有 较成熟的单活塞式自由活塞发动机的商业产品。 图1 - 7i n n a s 单活塞式自由活塞发动机c h i r o n 图l - 7 为新一代的单活塞式发动机c h i r o n 。c h i r o n l 采用了直喷压燃的工作方 式，两行程回流扫气系统以及卡特彼勒h e u i ( h y d r a u l i ce l e c t r o n i cu n i ti n j e c t o r ) 燃油喷射系统。压缩室和泵室分离设计，活塞复位通过专门的回复阀来实现，活 塞频率和输出流量通过控制行程之间停留时间来调节，比发动机液压泵组合燃 油消耗低2 0 ，低负荷时甚至低超过5 0 。c h i r o n 的主要技术参数为：动力活 塞直径1l o m m ，可变活塞行程1 2 0 m m 1 2 5 m m ，气缸总容积l1 4 0 c m 3 ，活塞质量 2 6 k g ，最大频率4 2 h z ，有效液压功率1 7 k w ，发动机重量9 0 瞻，泵输出压力 2 6 0 - 3 2 0 b a r ，净有效输出流量0 - 3 5 l m i n 。 1 4 2 双活塞式自由活塞发动机的研究现状 目前研究双活塞自由活塞发动机的机构以芬南坦佩雷工业大学和美国环保 署为代表。 芬兰坦佩雷工业大学的液压及自动化研究所在2 0 世纪8 0 年代末期就开始了 液压自由活塞发动机的研究工作。在1 9 9 0 年研制了第一代样机。从1 9 9 7 年开始， 与赫尔辛基工业大学的内燃机实验室、芬兰国家研究中心等合作，开始了该项目 第一章绪论 的第二阶段的研究工作，于1 9 9 9 年研制出了第二代样机 e m m a 2 ”。图1 8 为 e m m a 2 样机外形图。该液压自由活塞发动机采用对置气缸式布置，两冲程回流 扫气，g a n s e r - h y d r o m a g 共轨喷射系统。e m m a 2 的主要技术参数为：动力活塞 为平顶活塞，直径为9 0 m m ，活塞质量为1 1 8 k g ，活塞总行程为1 2 0 m m ，有效行 程8 0 m m ，共轨喷射系统，喷射压力大于1 3 5 0 b a r ，外形尺寸l1 0 0 + x3 5 0 x2 0 0 m m ， 总重量1 2 0 k g ，液压输出功率2 2 - 2 5 k w ，泵排量为2 6 2 c m 3 11 6 m m 行程长度。 1 7 0 0 r p m 时输出l1 k w 功率，行程的循环变动士1 ，压缩比变动士1 5 1 2 3 】。 图1 8 坦佩雷工业大学e m m a 2 自由活塞发动机样机 加州大学伯克利分校也进行了双自由活塞发动机相关的研究【2 4 1 。他们设计的 双活塞自由活塞发动机的内燃机部分并未采用燃料为汽油、柴油等的传统内燃 机，而是以双氧水( h 2 0 2 ) 为能源，双氧水在催化剂的作用下分解产生高温高 压气体推动液压活塞来输出压力油。其系统原理图如图1 - 9 所示。由于该发动机 的“燃料”为h 2 0 2 ，因此不需要喷油泵，也不需要压缩冲程，发动机的结构更 加简单，降低了重量、提高了能量密度和功率密度。而且能量转化过程中不需要 空气，因而可以应用在海底或太空等无氧的特殊环境中。加州大学伯克利分校开 发了第一代样机如图1 1 0 所示，实验表明该样机大概能够提供7 m p a 的压力油 输出。 第一章绪论 图1 - 9 加州大学双活塞自由活塞发动机样机系统原理图 l 自由活塞液压泵2 单向阀3 蓄能器4 溢流阀5 开关阀6 液压马达7 过滤器8 油箱 三ne = i n e 0 飞n 7 。 1 c 。五 o j ! lj ) o ( 图卜1 0 加州大学双活塞自由活塞发动机样机 1 4 3 对置活塞式自由活塞发动机研究现状 以日本丰桥工业大学【l 别1 2 0 】为代表美国通用汽车研究实验室、卡特彼勒有限 公司、威斯康辛麦迪逊大学等进行过对置活塞式自由活塞发动机的研究。从2 0 世纪7 0 年代开始日本丰桥工业大学的h i b i 教授开始从事自由活塞发动机的研究 工作，刚开始从事单活塞式自由活塞发动机的研究工作，后来转到对置活塞式自 由活塞发动机的研究上并试制了样机，其内燃机部分采用直喷压燃，两冲程直流 扫气的工作模式。通过液压回弹装置和弹簧来实现活塞机构的同步，小的同步误 差对发动机性能没有产生不良影响。功率范围为o 3 2 5 k w ，最新报道显示其液 第一章绪论 压效率为3 1 ，即使在较低的负荷下，其液压效率也基本保持不变。其系统设计 原理图如1 1 l 所示： 图1 1 1 对置式h f p e 系统原理图 1 动力缸2 燃料系统3 动力活塞4 防碰头5 定位弹簧6 液压活塞7 单向阀8 低压蓄能 器9 高压蓄能器l o 单向阀1 l 节流阀1 2 定位开关阀1 3 止动阀1 4 液压马达1 5 传动装置 1 6 启动泵1 7 充液泵1 8 电控器s 1 ，s 2 ：活塞位置传感器信号s 3 ：高压传感器信号s 4 ：低压传感 器信号e l c 3 ：控制信号 图1 1 2 为丰桥大学t u t - 9 4 样机的实物照片，其有关技术参数为： 动力活塞直径为1 0 0 m m ； 压缩冲程为1 0 2 m m ： 膨胀冲程为1 0 6 m m ； 气缸工作容积为1 6 6 5 c m 3 ； 两冲程直流扫气独立鼓风机； 活塞质量为4 4 k g ： h e u i 喷射系统； 独立鼓风机； 重量为1 0 0 k g ； 最大工作频率3 0 h z 。 第一章绪论 图1 1 2 丰桥大学t u t - 9 4 样机 1 4 4 液压自由活塞发动机国内研究现状 目前国内开展液压自由活塞发动机研究的主要有浙江大学与北京理工大学。 浙江大学依托流体传动与控制国家重点实验室以及与芬兰坦佩雷工业大学的良 好合作，参照了芬兰坦佩累工业大学的原理，进行了双活塞式自由活塞发动机的 原理性研究并试制了样机。采用m a t l a b 对双活塞式自由活塞发动机的运动特性 进行了研究。采用了化油器供应燃料以及火花点火的工作方式。样机实际工作频 率约4 h z ，试验结果和理论结果相差甚远，缺火现象严重，根据试验结果计算的液压 效率为2 3 。在此基础上，浙江大学进行了第二代双活塞式自由活塞发动机的关 键部忙数字阀和增压式燃油喷射系统的研究。该样机的系统回路图如图1 - 1 3 所示。同时浙江大学进行了d s p 液压双自由活塞发动机控制系统的研究。该原 理样机由以下部分组成：发动机主体、电控单元、燃料供应模块及点火模块、辅 助模块等组成。 该样机的内燃机部分的主要结构参数如下：动力缸内径：5 6 m m ，动力活塞长 度：7 1 2 m m ，扫气方式：扫气箱压缩，回流扫气，排气口上端至气缸顶部的距离：2 9 5 m m ，排气口宽度：3 2 mm ，扫气口上端至气缸项部的距离：2 9 5 + 1 2m m ，进气口 宽度：4 3 m m ，点火提前位置( 相对于t d c 的距离) ：1 5 2 - 2 2 6 m m 。 第一章绪论 溺酶滋瞄黼璇 图1 - 1 3 浙江大学双活塞式自由活塞发动机样机的液压系统回路图 液压泵部分的主要结构参数如下：泵腔内径为5 0 r a m ，左、右泵腔的缓冲腔 长度为l o m m ，活塞杆外径为4 5 r a m ，活塞组件的总质量：7 5 k 9 1 2 5 】1 2 6 】。 北京理工大学【2 7 】【2 8 】进行了单活塞式自由活塞发动机的研究。所研制的单活 塞式液压自由活塞发动机的基本原理如图1 1 4 所示，属于两冲程液压自由活塞 柴油机，采用直流扫气的方式。 回： 袒雪 1 二3 九f 一一o e 衄 图1 - 1 4 北京理工大学单活塞式自由活塞发动机原理示意 1 动力腔；2 动力活塞；3 - 高压腔；4 泵活塞：5 泵腔：6 压缩活塞；7 压缩腔；8 压缩蓄 能器 1 5 二甲醚的特性 二甲醚是一种较理想的柴油替代燃料【2 9 1 。其分子式为c h 3 0 c h 3 ，分子结构 如图所示。在常温常压即2 9 3 k ，l b a r 的条件下是一种无色，有微弱醚类芳香气 味的气体。在常温2 9 3 k 的条件下，将二甲醚气体加压到0 5 1 m p a 以上后，而二 甲醚气体会变成液体。与液压石油气相似的物理化学性质，使得二甲醚的存储方 d 一。耻 同v ，一 第一章绪论 式可以采用较成熟的液化石油气的存储方式。 二甲醚稳定性很强，无腐蚀性、无致癌作用、 几乎无毒。二甲醚具有较高的十六烷值，达到 5 5 以上，一般柴油燃料的十六烷值在4 0 到5 0 之间，较柴油的十六烷值高，有良好的自燃性， 较容易庄燃【3 0 】。二甲醚是一种含氧燃料，氧 含量达到3 4 8 ，且分子中没有c c 键，减少 了燃烧过程中微粒物生成的可能性，试验研究 图1 1 5 二甲醚分子结构式 表明二甲醚的燃烧在全负荷范围内均不会产生碳烟。同时二甲醚作为替代燃料， 存在一些缺点。首先二甲醚的热值较低，大约为柴油热值的6 6 8 ，这是由于二 甲醚分子中含氧造成的，为了提供与柴油提供的能量相同，需要增加二甲醚的喷 射体积以及喷射持续期；其次二甲醚分子粘性较低，会造成喷射系统的泄露，使 其较依赖于密封耦件，较低的润滑特性会导致运动部件的磨损；再次二甲醚弹性 模量比柴油低，特别是低压的情况下，在封闭系统中二甲醚的可压缩能力为柴油 的4 6 倍，因此在燃油泵中消耗的压缩功比柴油约大1 0 【3 】j 。二甲醚目前公认的 应用途径是采用高压缸内直喷，替代柴油，目前为止喷射系统的密封、精密偶件 的磨损问题没有得到很好解决，阻碍了二甲醚车用技术的推广。 1 6h c c i 韵特点 h c c i 是一种清洁高效的燃烧方式，具有较高的效率及较低排放。h c c i 的 燃烧由化学反应动力学决定的，缸内的压力，温度，混合气的浓度以及燃烧产物 决定燃烧的开始以及燃烧速率，故其燃烧始点以及燃烧速率的控制非常困难，有 效的工况范围非常窄，过高或者过低的负荷均会受到限制。目前大量关于h c c i 的研究【3 2 】【3 3 】【3 4 】，大多是通过各种手段，在曲柄连杆机构发动机上，实现均质混合 气的压燃，以及抑制压燃后的放热速度，实现h c c i 工况的拓展。复杂的技术手 段和复杂的控制过程以及较小的控制效果，阻碍了h c c i 燃烧过程进入实际应 用。 1 7 本文的选题意义及研究内容 为了解决二甲醚车用技术中存在的喷射系统技术难题，本文决定采用缸外气 态喷射方法，回避这个难题，同时利用了二甲醚燃料十六烷值高，容易压燃，又 是气态燃料，易与空气混合，较容易实现h c c i 燃烧过程的特点，将其应用到自 第一章绪论 由活塞h c c i 发动机中；h c c i 燃烧过程中的燃烧始点和燃烧速率的控制是限制 其广泛应用的关键性因数，在传统的曲柄连杆发动机中还没有较理想的解决方 案。本文利用液压自由活塞发动机对点火正时的精确控制的要求较低，在压缩比， 活塞速度控制方面的灵活性解决这个难题；同时利用h c c i 燃烧过程燃烧速率较 快，燃烧持续期短的特点，克服液压自由活塞发动机由于活塞在上止点附近停留 时间较短，传统的活塞点火或喷雾扩散的燃烧方式由于燃烧持续期较长引起的热 功转化效率低的问题。因此将二甲醚、h c c i 燃烧方式集成在液压自由活塞发动 机平台上，将起到扬长避短的作用。 本文的主要研究内容有： l 、基于多学科系统仿真平台a m e s i m 建立了运行在h c c i 模式下的液压自 由活塞发动机仿真模型，对自由活塞发动机特定的运动规律进行了研究； 2 、建立了三维c f d 计算模型，通过直接耦合二甲醚化学反应动力学详细机 理，在考虑缸内热分成及进气流动对燃烧的影响下，对二甲醚自由活塞h c c i 发 动机的燃烧过程进行了分析； 3 、通过上述模型的仿真，研究液压自由活塞发动机二甲醚h c c i 燃烧过程 的特点，并与曲柄连杆机构发动机作对比； 4 、通过仿真研究，揭示e g r 、当量比等控制参数，对发动机对燃烧过程、 热功转化效率、爆震强度的影响规律。 第二章液压自由活塞发动机总体方案设计 第二章液压自由活塞发动机总体方案设计 本文在本课题组设计的直喷压燃对置活塞式自由活塞发动机的基础上【3 5 1 设 计了运行在h c c i 模式下的对置活塞式液压自由活塞发动机。 2 1 设计方案的提出 本课题组之前对直喷压燃式自由活塞发动机进行了仿真研究，研究表明在活 塞质量为5 k g 时，连续运转的情况下能够获得3 9 的有效液压能输出。但是当活 塞质量下降到l k g ，发动机频率增加的情况下，燃烧出现恶化，液压自由活塞发 动机的有效液压效率急剧下降到2 6 ，这使得液压自由活塞发动机的功率扩展成 为一个重要困难【3 6 】。这是由于自由活塞发动机特定的运动规律决定的，自由活塞 发动机取消了曲柄连杆机构，没有机械结构的约束，活塞在上止点停留的时间较 短且活塞在上止点附近的加速度是传统曲柄连杆机构的数倍，意味着较短的初始 化学反应时间以及较高的容积膨胀速率。当活塞质量下降时，活塞在上止点附近 停留的时间更短，容积膨胀率更大，直喷压燃的有限的燃烧速度不足以补偿容积 的快速膨胀，使燃烧的等容度较差，热效率降低。 从热力学的角度上说，奥托循环理论上是内燃机循环的做好选择，这是因为 当工作容质在最大压缩比时，燃料能量在等体积下转换为热量，造成最大的爆发 压力及温度，从而有最高的热效率。实际上在传统的点燃式发动机上，当发动机 的压缩比提高到一定程度后比如1 7 ：1 ，其热效率不再提高。这主要是由于以下原 因造成的：( 1 ) 传统的点燃式燃烧方式，燃烧持续期较长，火焰传播时间较长， 形成了非等容燃烧过程；( 2 ) 高压缩比，缸内温度较高，壁面传热损失大；( 3 ) 机械 上的运行困难等。h c c i 快速的放热方式能够解决燃烧持续期的问题，使得整个 循环跟接近于奥托循环。自由活塞发动机的冲程是灵活可变的，通过精确的控制 可以实现可变压缩比，并且其