（动力机械及工程专业论文）液压自由活塞发动机的系统仿真研究.pdf

中文摘要 自由活塞发动机，压缩比连续可变，能够实现较传统内燃机更高效、清洁的 燃烧。在能源日趋紧张、环保要求日益严格的今天，自由活塞发动机具有良好的 发展前景。目前，国内外对自由活塞发动机的研究方兴未艾。 以储存和输出能量方式划分，自由活塞发动机有液压式和磁电式两种。磁电 式自由活塞发动机将燃料的化学能转化为电能输出；液压式自由活塞发动机将燃 料化学能转化为液压势能输出输，驱动液压马达，变为转动机械能输出。 本文的研究对象是对置活塞式液压自由活塞发动机系统，该对置式液压自由 活塞发动机，采用直流扫气方式，残余废气系数较小。研究工作主要包括电磁阀 液力参数和电磁参数的优化，液压自由活塞发动机系统建模仿真，液压自由活塞 发动机控制策略建模，以及控制策略模型的仿真研究和鲁棒分析等。 在前期快速大流量电磁阀样机实验研究的基础上，改进了电磁阀的功能，用 高压大流量电磁阀和小流量电磁阀的组合来代替原方案中的快速大流量电磁阀， 高压小电磁阀负责及时泄载电磁阀组两端压力差，大电磁阀负责大流量的高压油 的流通，因此兼顾了高压、快速响应和大流量的需求；通过仿真计算，进一步优 化了电磁阀的液路参数和磁路参数，优化后的电磁阀，理论上电磁力较原方案提 升了4 4 6 ，因此可大幅度提升电磁阀的响应速度。 将电磁阀仿真模型、发动机燃烧模型、扫气箱仿真模型、液压系统模型联合 在一起，搭建了h f p e 发动机的a m e s i m 模型。研究表明：在不计活塞组件的阻尼 的情况下，双活塞式h f p e 系统的最高液压效率可达9 8 9 。 针对h f p e 活塞行程控制及工作不稳定性的难题，提出了基于二自由度p i 反 馈控制和发动机状态预测的前馈控制策略，建立了m a t l a b 和a m e s i m 的联合仿真 模型，仿真结果表明：利用本文所提出的控制策略，可以实现对置活塞式h f p e 发动机的连续稳定运行，并证明该控制策略具有较好的鲁棒性。上述结论对未来 的h f p e 实际样机的开发和控制策略的制定具有重要的指导意义。 关键词：液压自由活塞发动机电磁阀液压效率联合仿真控制策略鲁棒性 a b s t r a c t b e c a u s eo fc o n t i n u o u sv a r i a b l ec o m p r e s s i o nr a t i o ，f r e ep i s t o ne n g i n e ( f p e ) h a s t h ec a p a c i t yo fm o r ee f f i c i e n c ya n dm o r ec l e a rc o m b u s t i o nt h a nt r a d i t i o n a li n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e a st h ea m o u n to fn o n r e n e w a b l ee n e r g ya r ed e c r e a s i n ga n dt h e c r i t e r i o no fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ni si n c r e a s i n g ，t h e r ei sag o o dd e v e l o p m e n t p r o s p e c tf o rf p e s i n c e19 5 0 s ，m a n yc o u n t r i e sa n dr e s e a r c hi n s t i t u t e sh a v ep a i dm u c h a t t e n t i o nt of p es t u d yi nt h ew o r l d s of a r , t h er e s e a r c h i n go ff p ei sa t t r a c t i n gm o r e i n t e r e s ti n t e r i o r l y a c c o r d i n g t ot h e t e c h n i q u e s o f s a v i n ge n e r g y , f p e i sd i v i d e di n t o e l e c t r o m a g n e t i cf r e ep i s t o ne n g i n ea n dh y d r a u l i cf r e ep i s t o ne n g i n e ( h f p e ) t h e c h e m i c a le n e r g yo ff u e li st r a n s f o r m e di n t oe l e c t r i ce n e r g yb ye l e c t r o m a g n e t i cf r e e p i s t o ne n g i n e ，w h i l ei ti st r a n s f o r m e di n t op r e s s u r ee n e r g yb yh y d r a u l i cf r e ep i s t o n e n g i n e ，a n dt h e nt r a n s p o r t e dt oh i g hp r e s s u r ea c c u m u l a t o r ，w h i c hi su s e dt od r i v e h y d r a u l i cm o t o ra n dt h eh y d r a u l i cm o t o re x p o r t sr o t a r yi n e r t i a t h es u b j e c ti n v e s t i g a t e di n t h i sp a p e ri so p p o s e d - p i s t o nh y d r a u l i cf r e ep i s t o n e n g i n es y s t e m ，t h i se n g i n ea d o p t su n i f l o ws c a n v e g i n g ，h a st h ea d v a n t a g eo fl e s s c o e f f i c i e n tr e s i d u a lg a s t h er e s e a r c h i n gw o r km a i n l yc o n t a i n st h eo p t i m i z a t i o no f e l e c t r o m a g n e t i cc o e f f i c i e n ta n dh y d r a u l i cc o e f f i c i e n tf o rs o l e n o i dv a l v ew h i c h i su s e d i nh f p es y s t e m ，o p p o s e d - p i s t o nh f p eh y d r a u l i cs y s t e ms i m u l a t i o n ，c o n t r o ls t r a t e g y d e v e l o p m e n ta n ds i m u l a t i o na n ds oo n v e r i f i c a t i o no f t h ec o n t r o ls t r a t e g yd e v e l o p e d i sc a r r i e do u tb yt h eu n i o ns i m u l a t i o nb e t w e e na m e s i ma n dm a t l a bs o f t w a r e o nt h eb a s e m e n to fe x p e r i m e n ts t u d yo fl a r g ef l o wf a s tr e s p o n s es o l e n o i dv a l v e ， i m p r o v i n gt h ef u n c t i o no fs o l e n o i dv a l v e ，t h el a r g ef l o wf a s tr e s p o n s es o l e n o i dv a l v e i sr e p l a c e db yt h ec o m b i n a t i o no ft w os o l e n o i dv a l v e s t h ea s s e m b l i n go ft w o s o l e n o i dv a l v e sc o n t a i n so n eh i g hp r e s s u r el a r g ef l o wr a t es o l e n o i dv a l v ea n do n eh i g h p r e s s u r es m a l lf l o wr a t es o l e n o i dv a l v e ，t h ef i r s tv a l v ei sr e s p o n s i b l ef o rl a r g ea m o u n t f l u i df l o w i n ga n dt h es e c o n dv a l v ei sc h a r g eo fr e d u c i n gt h ep r e s s u r ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h ea s s e m b l eo ft w os o l e n o i dv a l v e t h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c ei si n c r e a s e d b y4 4 6 a f t e rt h eo p t i m i z a t i o n ，a n dt h i si sb e n e f i c i a lt ot h er e s p o n s eo fs o l e n o i d v a l v e o p p o s e d - p i s t o nh f p es y s t e mm o d e li sm a d ei na m e s i ms o f t w a r e ，t h i sm o d e l i n c l u d e se n g i n em o d e l ，c r a n k c a s em o d e l ，s o l e n o i dv a l v em o d e l ，p l u n g e ra s s e m b l e m o d e la n ds oo n t h i so p p o s e d - p i s t o nh f p es y s t e mm o d e li sw o r k i n gs u c c e s s f u l l y , b ym o d u l a t i n gt h ei n j e c t i o nt i m i n g ，s o l e n o i dv a l v e sc l o s i n ga n do p e n i n gt i m i n g u n d e rt h ec o n d i t i o no fn od a m p i n gb e t w e e nt h ep l u n g e r sa s s e m b l e ，t h es y s t e m h y d r a u l i ce f f i c i e n c yi sc a l c u l a t e da n dt h ep e a kv a l u eo fi ti s9 8 9 o p p o s e d - p i s t o nh f p ec o n t r o ls t r a t e g yi sd e v e l o p e da n da m o d e lf o rt h i sc o n t r o l s t r a t e g yi sm a d eb ym a t l a b ，o fw h i c ht h et h e o r yi sb a s e d o nt w of r e e d o mp if e e d b a c k c o n t r o la n dp r e d i c t i v ew o r k i n gs t a t ef e e d f o r w a r dc o n t r 0 1 t h es t e a d ya n dc o n t i n u o u s w o r k i n gc y c l e sf o ro p p o s e d - p i s t o nh f p e a r ea c h i e v e db yu n i o ns i m u l a t i o nb e t w e e n a m e s i ma n dm a t l a bs o f t w a r e ，t h ed e v e l o p e dc o n t r o ls t r a t e g yi su s e di nu n i o n s i m u l a t i o na n di sp r o v e dt h a tt h e r o b u s t n e s so ft h ec o n t r o ls t r a t e g yi sg o o d t h eu n i o n s i m u l a t i o ni si m p o r t a n tt oo p p o s e d - p i s t o nh f p eb e n c ht e s ti nt h ef u t u r e ，a n dh a st h e g u i d i n gs i g n i f i c a n c ef o rf u r t h e r c o n t r o ls t r a t e g yd e v e l o p m e n to fo p p o s e d - p i s t o n h f p e k e yw o r d s ：h y d r a u l i cf r e ep i s t o ne n g i n e ，s o l e n o i dv a l v e ，h y d r a u l i c e f f i c i e n c y , u n i o ns i m u l a t i o n ，c o n t r o ls t r a t e g y , r o b u s t n e s s 第一章绪论 1 1 引言 第章绪论 内燃机的出现可以追溯到1 8 6 0 年，莱诺伊尔( j j e l e n o i r ，1 8 8 2 1 9 0 0 年) 首先发明了一种大气压力式内燃机。而在1 8 7 6 年，奥拓( n i c o l a u sa o t t o ， 1 8 3 2 1 8 9 1 ) 改进了莱诺伊尔的大气压力式内燃机，使内燃机变为四冲程，热效 率提高了1 4 ，质量减少了7 0 ，从而有效地投入工业应用形成了内燃机工业【1 1 。 此后，内燃机被广泛地应用于工农业、军事与交通等各个领域，在人类社会的经 济发展中扮演着极其重要的角色。 进入2 0 世纪下半叶以来，随着非可再生能源石油的大量消耗，以及人类对 生活环境条件的要求日益提高，传统的曲柄连杆式内燃机尾气的污染性和对非可 再生能源的消耗性受到重视，人类生存及发展面临巨大的挑战。人们一方面积极 致力于传统内燃机本身的改进，一方面不断开发新技术、努力发展新型动力，以 适应能源结构的变化和满足越来越苛刻的环境保护要求。 在此背景下，多种新型动力，如斯特林( s t i f l i n g ) 发动机、自由活塞发动机、 燃料电池、氢燃料发动机、混合动力及纯电动汽车等技术日益受到重视，研究热 潮方兴未艾。 而自由活塞发动机，作为一种新型动力机，自二十世纪五十年代以来，得到 了世界范围的研究，被誉为“未来的动力之星”。受能源危机和环境污染的影响， 由于自由活塞发动机较高的热效率以及较好的排放性能 2 】 3 1 ，越来越多的科研机 构对自由活塞发动机感兴趣。可以预测，未来五十年内自由活塞发动机技术将会 取得更为显著的突破，拥有更加广阔的发展前景。 对于自由活塞发动机的研究，可以追溯到传统内燃机的发明时期。1 8 5 7 年， 思贝尔桑奇( e n g e n t i ob e r s a n t i ) $ e l 马特依西( v l a t t 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 】。它采用齿轮齿条装置实现活塞与输出 轴之间的联接。 1 9 2 5 年，皮斯卡拉( p e s c a r a ) 设计了自由活塞发气机，被称为燃气发气器( f r e e p i s t o ng a s i f i e r ) ，它和燃气涡轮( t u r b i n e ) 共同组成的动力装置，构成了完整概念上 的自由活塞发动机( f r e ep i s t o ne n g i n e ) 4 1 。 2 0 世纪5 0 年代，自由活塞发动机迎来了一个大发展时驯6 】 7 】【8 1 。在此期间， 第一章绪论 世界上许多国家和公司都对自由活塞发动机进行了研究试制，并投入实际运用。 例如，法国西格马( s i o m a ) 公司研发制造了g s 3 4 型自由活塞发气机，其燃气功 率为9 1 9 千瓦，并应用于水电站、船舶等领域；英国自由活塞发动机公( f r e e p i s t o ne n g i n ec r o p ) 试制成c s 7 5 型发气机，其燃气功率为9 1 9 千瓦；美国通用 汽车公司制成了g m r 4 - 4 型双缸自由活塞发气机，其燃气功率为1 8 3 9 千瓦；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，并曾采用四台动力缸径 为2 8 0 r a m 的发气机组装成二台2 2 0 5 千瓦的自由活塞燃气轮机车，进行了试运行。 联邦德国也进行了这方面的尝试。我国于1 9 5 8 年7 月试制成功了红旗4 1 1 5 型自 由活塞燃气轮机组。此后自由活塞发动机的研究进入了低潮期。 进入2 0 世纪7 0 年代，随着高压液压技术、微电子技术、控制技术和发动机 燃烧技术突飞猛进的发展，自由活塞发动机的开发研究开始了一个新的高潮。对 液压自由活塞发动机和磁电式自由活塞发动机的研发得到广泛开展。 磁电式自由活塞发动机是内燃机和发电机( 电动机) 的结合体，活塞的往复 运动切割磁感线，产生电能，将燃料的化学能转化为电能输出。 液压自由活塞发动机是内燃机与液压泵的组合体，活塞的往复运动给液压油 加压，利用液压油的压力势能存储能量1 9 。由于没有曲柄连杆机构的约束，活塞 的上止点位置和下止点位置是可变的，故称之为“自由活塞” 1 0 1 。 对于液压自由活塞发动机，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 统效率更甜圳。二者构造示意图如图1 1 所示。 图卜l 传统发动机液压泵组合、液压自由活塞发动机对比 自由活塞发动机活塞组件惯量小，具有良好的瞬态响应，理论上瞬时就能够 第一章绪论 过渡到预定的工况点，通过控制活塞停留在下止点的时间实现对发动机工作循环 频率的控制。采用蓄能器作为储能器件，可以较好地适应负载的变化，使输出功 率和负载功率没有直接的关系，从而发动机可长期运行在高效率区。多个液压自 由活塞发动机并联，可以实现储能器更高的功率级。液压自由活塞发动机的液压 油可以用来对汽车系统耗散的能量进行回收和再利用，比如汽车的制动能量，具 有最大限度地提高效率和降低排放的潜力【6 】【l o 】。 1 2 自由活塞发动机的分类 1 2 1 磁电式自由活塞发动机 图卜2 磁电式自由活塞发动机结构图【1 2 】 图卜3 磁电式自由活塞发动机的示意剖面图 磁电式自由活塞发动机是内燃机和直线发电机( 电动机) 的结合体，活塞往 复运动切割磁感线，产生电能，将燃料的化学能转化为电能输出。 图1 - 2 为双活塞磁电式自由活塞发动机结构图【l2 1 ，图1 3 是双活塞磁电式自 由活塞发动机示意剖面图。由图1 - 3 可知，两个活塞通过一个刚性连杆连接起来， 一缸压缩另一缸膨胀，连杆上安装有永久磁铁，在连杆水平往复运动的时候带动 磁场水平移动，造成固定的线圈切割磁感线，产生电能。 篼一章绪论 系统启动时，直线电机以电动机模式开始工作，其动子轴带动发动机的活塞 连杆组件以一定的频率往复运动，当活塞往复运动的频率和行程达到着火条件 后，发动机开始正常工作。通过电控单元的控制，将直线电机的工作模式切换到 发电机状态，从而将燃料的化学能转化为电能。 由于双自由活塞发动机自身的对称性，较高的动力性，以及较好的存储力的 性能，因此磁电式自由活塞发动机一般均选择双活塞的形式 1 3 】。 1 9 9 8 年，美国s a n d i a 国家实验室开发了1 种与直线发电机有机结合的内 燃发电机，即磁电式自由活塞发动机，通过采用均质充量压燃( h c c i ) 的燃烧方 式，实现了高效、轻量、有害气体排放低，并可适用于多种燃料【1 4 1 。美国西弗吉 尼亚大学试制了可用于混合动力汽车的磁电式自由活塞发动机系统，并对二冲程 压燃直喷式样机的运动过程进行了热力学、动力学仿真，仿真结果与试验数据能 够较好吻合，并进一步通过m a t l a b 与a n s y s 的联合仿真研究了发动机与直线发 电机的性能匹配问题，结果表明了较小的动子质量与较高的往复运动速度有利于 提高直线发动机的功率密度 1 5 】【1 7 1 。澳大利亚悉尼潘柏股份有限公司开发的潘柏 系统( p e m p e ks y s t e m s ) 也是磁电式自由活塞发动机，加装该系统的串联混合电动 汽车的市内交通耗油量为传统汽车的四分之一，大大降低了汽车有害废气的排放 1 6 1 。 1 2 2 液压式自由活塞发动机 ( c ) 图1 - 4 ( a ) 单活塞式 ( b ) 双活塞式 ( c ) 对置活塞式 液压自由活塞发动机是内燃机与液压泵的一个集成体，从结构上看可分为内 燃机和液压泵两大组成部分。根据其中内燃机部分燃烧室数目及活塞组( 由大的 内燃机活塞和小的液压泵柱塞刚性连接而成) 数目的不同，h f p e 可分为3 种基本 类型，单活塞式，双活塞式以及对置活塞式，如图1 4 所示1 1 】 1 8 】： 4 第一章绪论 单活塞式见图1 - 4 ( a ) ，是指发动机中只有1 个燃烧室和1 个活塞组件。此类 型发动机由于只有一个燃烧室，震动较大，但结构相对于另外两种形式较简单。 双活塞式见图1 - 4 ( b ) ，是指发动机中有2 个燃烧室和1 个活塞组件，一个活 塞组件上有两个活塞。此类型发动机动力性能较好，但由于两个燃烧室交替着火， 也存在着一定程度上的震动，对负载扰动和循环变动高度敏感【19 】。 对置活塞式见图1 _ 4 ( c ) ，是指发动机中有1 个燃烧室和2 个活塞组件，且2 个活塞组件为镜向配置。燃烧室中气体燃烧，推动两个活塞同时下行，很好地解 决了发动机系统的震动问题，动力性不如双活塞式，但即使在小负荷的工况下也 能保持较高的热效率【2 0 1 ，对控制性能的要求比较高。 液压自由活塞发动机由于没有磁电式发动机电磁线圈的限制，以上三种类型 的液压发动机都有研究。本文所研究的液压自由活塞发动机采用对置活塞式。 1 3h f p e 的国内外研究现状 对于单活塞h f p e ，国外目前研发工作的开展主要以荷兰的i n n a sb v 工程公 司，美国的威斯康星大学，美国卡特彼勒有限公司以及德国德雷斯顿工业大学为 代表。 荷兰i n n a s 公司开发的单活塞直喷压燃液压自由活塞发动机【2 1 1 ，通过控制行 程之间停留时间( p p m ) 调节活塞频率和输出流量，有效输出功率1 7 k w 。其样 机外形如图1 5 所示。德国德雷斯顿大掣2 2 1 开发的单活塞液压自由活塞发动机， 带有专利液压控制系统，单活塞类似于i t m a s 公司，但是采用开关阀控制，液压 输出效率超过3 0 。 图卜5i n n a s 单活塞h f p e 样机 在国内，北京理工大学对单活塞h f p e 进行了深入研究，并制出了样机，如 图1 - 6 所示，图1 7 为北京理工大学h f p e 模拟缸压和实测缸压的对比。北京理 工大学单活塞式h f p e 的主要设计参数和性能指标如下：泵喷嘴燃油喷射系统， 第一章绪论 净有效输出功率1 5 k w ，缸径9 8 r a m ，冲程9 4 m m ，泵输出压力2 6 0 3 2 0 b a r ，活 塞频率0 3 3 h z ，净有效输出流量0 4 2 【m i i l 。 对于双活塞式h f p e ，目前国外的研究工作主要以芬兰的坦佩雷工业大学和 美国环保署为代表，图i - 8 为坦佩雷工业大学的双活塞h f p e 样机e m a a 2 ，采 口 厶 乏 2 暑 召 邑 昌 ：工， 矗 弋， 量 写 j 图卜6 北京理上大学单活基i - i f p e 样机 m e a s u r e d s i m u l a t e d 嘧芎萨二j 净葡蔼严葡o t 确c ，m 5 图卜7 北京理工大学耶p e 缸压曲线模拟值和实验值对比【2 3 】 图卜8 坦佩雷工业大学双活塞h f p e 样机 ， 。 沁 8 6 第一章绪论 用对置气缸，共轨喷射系统，二行程回流扫气，闭环液压网络包括供油回路和负 载回路，供油泵产生启动发动机所需的高压，液压室每个方向有两个液压活塞 2 4 1 。 该样机控制变量( 喷油时刻、喷射压力、负载压力) 设为固定值，没有反馈控制， 取得了2 0 的总效率。1 7 0 0 r p m 时输出1 1 k w 功率，行程的循环变动1 ，压 缩比变动1 5 。 t a m p e r ee m a a 2 样机的主要设计参数和性能指标如下：g a n s e r - h y d r o m a g 共 轨系统，液压输出功率1 1 3 k w ，缸径9 1 r a m ，冲程1 2 0 m m ，运转频率为2 8 h z ， 泵排量为2 6 2 c m 3 。 国内，浙江大学投入了大量精力对双活塞h f p e 进行研究，试制出样机如图 1 - 9 所示，进行了启动过程以及倒拖的试验研究，但实验结果与仿真结果差距甚 大。样机实际工作频率约4 h z ，缺火现象严重，根据试验的热效率为2 3 。在此 基础上，浙江大学进行了第二代d h f p e 的关键部件，数字阀和增压式燃油喷射 系统的研究【2 5 1 。清华大学对双活塞h f p e 也有所研究。 图1 - 9 浙江大学双活塞式h f p e 样机 图卜1 0 日本丰桥工业大学对置活塞式h f p e 样机 第一章绪论 对于对置活塞式h f p e 的研究，国外目前主要以日本的丰桥工业大学为代 表，并有样机试制，如图1 1 0 所示。美国通用汽车研究实验室、卡特彼勒有限 公司、威斯康星麦迪逊大学等对对置活塞式h f p e 也有相关研究。日本丰桥大 学对置活塞式h f p e ，效率超过3 1 ，在0 0 1 2 4k w 到4 8 8k w 功率范围内效率 保持不变。主要设计参数和性能指标如下：h e u i 式喷射系统，功率级3 2 5 k w ， 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 ，最大工作频率 3 0 h z 。 在国内，仅有天津大学开展了对置活塞式h f p e 的相关研究工作，包括对置 式h f p e 的仿真研究 2 6 1 以及对置式h f p e 大流量快速响应电磁阀的仿真及实验研 究【2 7 1 。图1 1 1 为天津大学研制的对置活塞式h f p e 的效果图，目前样机已在加 工制作中。 一p，1；or。 对i 贰蠢丘自由活塞发动机原理简豳 图1 - 1 1 天津大学对置活塞式h f p e 效果图 1 4h f p e 的控制需求和控制策略 1 4 1h f p e 的控制要求 单活塞、双活塞、对置活塞式h f p e 的优缺点对比如表1 1 中所述。而h f p e 与传统内燃机相比，具有以下优点： 1 由于压缩比连续可变，可以实现h c c i 燃烧【2 8 1 ，比传统内燃机排放性能要 好。 2 由于取消了曲柄连杆机构，减少了发动机运动零件和支承面数量。h f p e 发动机活塞和缸套之间的摩擦降低很多，而在传统内燃机中，活塞和缸套之间的 摩擦是发动机机械损失的4 5 6 5 1 】；h f p e 发动机轮廓扁平，布置具有更大的 第一章绪论 灵活性，机械损失相比传统内燃机大大降低。 3 h f p e 活塞运动规律与传统内燃机不同。传统内燃机由于有曲轴连杆组的 限制，其每转的活塞位移曲线是一样的；对于h f p e ，活塞在压缩进气冲程的位 移时间一般比做功排气的位移时间长，而且每个工作循环( 包括一个压缩进气冲 程和一个做功排气冲程) 活塞位移的上止点和下至点有可能不一样，做功排气冲 程的速度比压缩进气冲程时大得多，燃烧过程所占时间较短，不像传统内燃机， 燃烧受曲轴飞轮惯性的影响。 4 h f p e 活塞动力学与传统内燃机的曲柄连杆一曲轴飞轮机构有着本质的 区别，h f p e 活塞运动取决于燃气压力、液压油压力以及运动摩擦力，运动定律 为牛顿第二定律，其动力特性与发动机的热力过程密切相关。 5 h f p e 活塞行程连续可变，但最小行程受扫气系数的限制，活塞必须完成 最低系数的扫气：最大行程受限于发动机冲程和最大容许压缩比；理论上h f p e 可以实现压缩比的连续可变，具有几乎瞬时地、逐循环改变发动机压缩比的潜力。 6 h f p e 工作频率与发动机的结构及工作过程控制参数等一系列因素有关。 通过控制活塞停留在下止点的时间( p p m ) 可以控制发动机的工作频率【2 1 1 ，理论上 工作频率可以降到零，没有传统内燃机最低怠速转速的限制。 7 由于h f p e 将能量以压力势能的方式存在高压，高压和负载直接相连，而 发动机和负载是无直接连接关系的，因此h f p e 输出功率和负载功率间没有实时 匹配关系，从而h f p e 可以工作在高效率区域，按优化的燃料经济性曲线运行。 在中小负载工况下仍保持较高的热效率。 8 h f p e 活塞往复式总成质量相对于传统内燃机较小，能更快地响应负荷的 改变，良好的控制一个工作循环就能够过渡到预定的稳态功率水平 2 9 1 。 表1 - 1 三种形式h f p e 优缺点对比 优点 缺点 结构简单；易于实现p p m 方式需单独的回复系统；存在振动问题；直流 单活塞 流量控制；低制造成本。扫气需要专门阀组配合。 功率密度最大，无需独立的回复存在振动问题；流量调节较困难，扫气时 双活塞 系统。问短；直流扫气需要专门阀组。 无振动问题；易实现p p m 方式需要单独回复系统，结构复杂，两活塞同 对置活塞 流量控制；理想直流扫气。 步镜像运动对控制要求较高。 第一章绪论 一个事物，有利必有弊，要充分发掘h f p e 的优点，同时极力避免或消除其 缺点。首先，要充分认清h f p e 的缺点。自由活塞的具有其独特优点的同时，也 带来了一系列控制难题： 1 h f p e 活塞位移上下止点的控制 h f p e 没有曲柄连杆机构的约束，活塞运动位移的上止点和下至点不受制于 固定几何尺寸，压缩比是可变的。必须对压缩比进行精确控制。具体来说，对单 活塞和对置活塞式h f p e 而言，要精确控制压缩进气冲程施加给活塞的动能，以 满足活塞在目标上止点处结束压缩冲程；对双活塞h f p e 而言，必须配合好活塞 做功排气冲程中对高压油的泵油和自身对另一气缸中气体的压缩，使另一活塞能 达到目标上止点。 2 能量平衡控制 h f p e 是一个能量平衡系统，通过燃烧过程燃料化学能转化为活塞动能，因 此燃烧效率能量要与传递给液压系统的能量以及活塞剩余动能相平衡。影响热功 转换效率及液压输出能量的因素势必导致能量平衡的紊乱，从而造成活塞运动位 移的非正常波动，无法到达下止点或上止点，引起发动机工作循环波动甚至熄火。 3 频率控制 h f p e 系统类似质量弹簧系统，连续运转频率与活塞质量一冲程长度、压缩 冲程活塞的压缩动能以及燃烧放热速率密切相关，活塞位移上止点的变化造成压 缩比的改变，从而直接影响到热功转换的效率。通过精确控制活塞压缩动能的大 小以及位于下止点的时间来调节活塞的工作频率。 4 大流量快速响应阀 h f p e 的最高运转频率一般能到4 0 h z ，即每个工作循环周期2 5 m s ，这对 h f p e 液压系统的电磁阀提出了很高的要求。在压缩、做功冲程中，电磁阀必须 能够根据控制脉冲做出及时响应，保证发动机运转周期不受影响，而且要有足够 大的流通面积，否则将造成严重的节流损失，降低液压系统的液压效率。 5 喷油控制 为了获得h f p e 稳定的运行，必须精确控制发动机的喷油和燃烧，以便控制 系统做出预测以及判断，维持发动机稳定运转。喷油时刻对发动机的燃烧影响很 大，这直接关系到燃烧质量的好坏以及排放性能的优劣，所以说喷油控制是h f p e 控制中很重要的一个参数。 6 失火抑制控制 传统内燃机的飞轮作为储能装置，在飞轮具有一定的转动惯量的条件下，能 够倒拖发动机运转几个循环。h f p e 没有飞轮，失火倾向加重，发动机的顺利运 1 0 第一章绪论 行，全靠压缩冲程活塞得到的压缩动能。一旦压缩动能过小或者其他因素影响燃 烧，本工作循环发动机将无有效能量输出。 7 对置活塞式h f p e 活塞的同步问题 对置活塞式h f p e 的两个活塞最理想的运动是做镜像运动，但由于燃烧的不 均匀性以及误差因素的存在，不可能达到镜像运动。但是，要精确控制液压系统 的电磁阀，尽量保证两个活塞的运动一致。对置活塞式h f p e 的控制是三种h f p e 中要求最高的。 1 4 2h f p e 的控制研究现状 液压自由活塞发动机无曲柄连杆机构，相对于传统发动机而言，逻辑判别控 制更复杂。h f p e 基础控制在于两个方面，对于活塞运动位移上止点、下止点的 精确控制，对活塞工作频率的控制。 h f p e 中如果整个活塞构件运动的动能太高，就会产生危险使活塞撞击燃烧 室的气缸头。相反，如果动能太低，则使燃烧室的压力保持在较低的水平以至于 可燃混合气未能燃烧。h f p e 的控制难点在于精确控制活塞的运动，而目前还没 有比较成熟有效的解决方法 3 0 】。 无论是单活塞h f p e ，双活塞h f p e ，以及对置活塞h f p e ，鉴于1 3 2 中h f p e 的控制要求，均通过以下的方式控制和影响活塞构件的动能：调整燃烧室中的燃 油喷射量，变更液压泵工作端的压力等级，变更液压泵吸油端的压力等级，在液 压泵的工作端和吸油端使用可变阀和对它们的操作进行定时。而难度最大的控 制，要属对置活塞式h f p e 的控制，使对置式活塞对称运动是一个很大的挑战。 对于单活塞式i - i f p e ，由于活塞在下止点时速度为零，所以易于实现压缩冲 程活塞压缩动能的精确控制，从而精确控制活塞的上止点。i n n a s 通过电子控制 调节发动机的喷油参数，通过脉宽中止调制p p m ( p u l s ep a u s em o r d u l a t i o n ) 调 节发动机的频率【3 3 1 ，使发动机在所有负载范围内都能运转在一个较高效率区间。 对于双活塞式h f p e ，一缸处于做功冲程，则另一缸处于压缩冲程，要精确 控制做功冲程的燃烧能量，对高压输一定出高压油压力势能的同时，满足对另一 缸压缩气体进行压缩，达到精确的压缩比控制。而对双活塞式h f p e 的频率进行 有效控制，则是更难的目标 3 0 1 。其控制要比单活塞式h f p e 复杂很多。 而坦佩雷大学t i k k a n e n 研究的双活塞式h f p e ，采用事先设定好的控制参数， 发动机运行起来之后控制参数无法改变；后来t i k k a n e n 和博世的v i l e n i u s 合作， 改进了双活塞式h f p e 的控制，基于简化的能量平衡模型来控制压缩比大小【3 4 】， 通过调节喷油量来适应负载的变化，取得了一定的效果。t i k k a n e ne ta 1 和c l a r k 第一章绪论 e ta 1 对双活塞式h f p e 工作循环间变动进行了研究，研究结果表明：负载变动 对发动机连续运转均无重大影响【3 5 】【3 6 1 。浙江大学双活塞h f p e 的控制，基于一 个工作循环现场实时信号的反馈，循环判断活塞运动位移是否到达预定位置，这 对传感器以及处理芯片的速度提出了很高的要求，当活塞工作频率达到一定频率 后，该中控制策略的实施会出现一定困难。 n e w c a s t l eu n i v e r s i t y 的能源研究所，就单活塞自由活塞发动机进行了一系列 s i m u l i n k 控制策略模型仿真的研究 3 0 3 1 3 2 】。首先对单活塞自由活塞发动机 发电机进行了稳态运转的控制研究，基于t d c 、b d c 的反馈控制，对配气正时、 喷油正时进行控制，结论表明，合理的控制参数对发动机的稳定运行至关重要， 根据发动机的反馈参数，无法完成对变工作频率的控制【3 0 1 。 n e w c a s t l eu n i v e r s i t y 改进后的控制策略基于标准反馈控制，对比研究了采用 p i 、p d f ( p s e u d o d e r i v a t i v ef e e d b a c k ) 以及扰动前馈的优缺点。p d f 在负载处理 ( 1 0 a dh a n d l i n g ) 性能方面比p i 控制好，但是p i 控制在控制点跟随( s e t p o i n t t r a c k i n g ) 性能方面比p d f 强，而扰动前馈控制在适应负载变化方面更具有优势 【3 1 d 为了更好地进行动态发动机活塞运动控制以及实现压缩比精确控制， n e w c a s t l eu n i v e r s i t y 进一步改进了控制策略原理，其控制策略为预测工作循环压 缩上止点差错值( p r e d i c t i v et d ce r r o r ) ，属于标准前馈控制，性能优于基于扰动 前馈的控制。对预测上止点差错值的方法和基于上循环上止点的p i 反馈控制的 方法进行了对比研究，研究得出：由于前馈控制在本工作循环起作用，比反馈控 制及时，在对发动机的动态控制方面展现了更好的性能；前馈控制可以控制发动 机本循环喷油定时，改变喷油持续期，从而实现柔和燃烧，而p i 反馈不能实现 此功能 3 2 1 。对发动机的动态控制，首选预测上止点差错值此前馈方法。 对于对置活塞式h f p e 的控制，目前可查资料很少。参考n e w c a s t l e 的研究 结果，本文在第四章专门对对置活塞式h f p e 控制策略进行了s i m u l i n k 建模研究。 鉴于对置式h f p e 控制的难度大于单活塞自由活塞发动机，对置式h f p e 的控制 策略采用p i 反馈控制和预测活塞运动状态的前馈控制相结合的方法，实现了对 置式h f p e 发动机模型的稳定连续运转，并对喷油缺失和高压压力波动等有很好 的抗干扰能力，具体内容详见第四章所述。 第一章绪论 1 5 本文的研究内容和意义 本文所提出的液压自由活塞发动机方案，具有：对置双活塞、二冲程、活塞 升程脉冲控制的设计特点，在性能上具备：活塞是同步镜像运动，惯性力完全平 衡，可实现调频运行方式，实现输出流量与输出压力的独立控制，因此可以最大 限度地发挥液压自由活塞发动机的优势。 然而这种设计方案，将对电磁阀和控制技术提出更高的要求。针对这些关键 问题，本文开展了电磁阀方案的改进设计、电磁仿真模型的建立与电磁关键参数 的优化设计、h f p e 发动机系统建模及工作过程仿真研究、控制系统建模和控制 策略的仿真研究等工作，具体研究内容如下： 1 、改进基于碰撞原理的新型大流量快速响应电磁阀设计方案 2 7 1 ，在满足发 动机系统高压、快速和大流量需求的条件下，以两个单阀片式电磁阀：一个高压 大流量电磁阀和一个高压小流量电磁阀二者的组合，来代替前期实验研究的大流 量快速响应电磁阀。 2 、利用三维电磁仿真软件a n s o f t ，建立电磁阀的电磁仿真模型，在保持吸 合面积、安匝数不变的前提下，通过大量计算，对电磁阀的磁路结构进行详细优 化，提升电磁阀的电磁力，有效提高电磁阀的理论响应速度。 3 、采用一维液力系统仿真软件a m e s i m ，建立电磁阀液压仿真模型。通过 仿真分析，得出电磁阀的理论最优液力参数；搭建对置活塞式h f p e 系统的 a m e s i m 仿真模型，包括发动机模型、曲轴箱模型、电磁阀组模型等，实现发动 机系统仿真模型的着火运转，对发动机系统的运动学参数、热力学参数以及电磁 阀组参数进行详细分析。 4 、在对置活塞式h f p e 发动机仿真模型基础上，搭建发动机的控制策略仿 真模型，实现m a t l a b s i m u l i n k 和a m e s i m 的联合仿真，探索利用控制策略解决 自由活塞发动机不稳定性的可行途径，并对控制策略的鲁棒性进行了验证。 第二章液压自由活塞发动机电磁阀的优化设计 第二章液压自由活塞发动机电磁阀的优化设计 在前期高压快速大流量电磁阀( 双阀片式)