（机械电子工程专业论文）液压双自由活塞发动机实验样机控制系统的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a h 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 ) i sak i n do fs p e c i a le n g i n e ，w h i c hi s i n t e r e s t e db ym a n yc o u n t r i e sa l lo v e rt h ew o r l ds i n c e19 8 0 s a n dr e l a t e st o t e c h n i q u e s a b o u tm o d e r n h y d r a u l i c e l e c t r o n i c c o n t r o ia n di n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e 1 nt h ef u t u r ei tw i l ib ea p p l i e dt ot h em o b i l em a c h i n e sw i t h h i g h p o w e ra n ds t o pf m q u e n t l y c o m p a r i n gt oc o n v e n t i o n a lc r a n k s h a f te n g i n e s h f p e sh a v e s i g n i f i c a n td i f f e r e n c e sb e c a u s e o fn or o t a t i o n a ip a r t s w h i c hr e s u l t j nt h es p e c i a ic h a r a c t e r i s t i c so ft h eh f p ec o n t r o is y s t e m f o rt h es p e c i a l t yo ft h ed h f p e p r o t o t y p e ac o n t r o l l e rb a s e d o ni n d u s t r i a l p e r s o n a ic o m p u t e ra n dp c - l a bc a r di sd e v e l o p e d ，a n dt w ot y p e so fi g n i t i o n s y s t e ma r ed e s i g n e d a f t e rt h i s ，s e v e r a id h f p ep r o t o t y p ed e b u ge x p e r i m e n t a n di g n i t i o ne x p e r i m e n ta r ef i n i s h e d t h i st h e s i sc o n s i s t so fs e v e ns e c t i o n sa sf o i l o w s ： i nt h ef i r s ts e c t i o n 。t h ea u t h o re x p o u n d st h eo u t l i n eo fh f p e ，a n dr e v i e w s t h ed e v e l o p m e n to fk e yt e c h n i q u e sa n dc o n s t i t u t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e mf o r t h ee n g i n e l a t e rt h er e q u e s to ft h ed h f p ep r o t o t y p eh a st ot h ec o n t r o l s y s t e ma n d t h er e c e n td e v e l o p m e n t si nh f p ec o n t r o is y s t e ma r ei n t r o d u c e d a ti a s t t h ec o n t e n ta n d s t u d ys i g n i f i c a n c eo f t h i st h e s i sa r eb r i e f l yo u t l i n e d i nt h es e c o n ds e c t i o n a l lt h e p a r t so ft h ed h f p ep r o t o t y p ec o n t r o i s y s t e ma r ed i s c u s s e da n ds e l e c t e d a n dh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ec o n t r o i s y s t e ma r ep l a n n e d 1 nt h et h i r ds e c t i o n f i r s t l yc o n s t i t u t i o no fh a r d w a r ei ni n d u s t r i a lp e r s o n a l c o m p u t e r ，t h eh a r d c o r eo ft h ed h f p ep r o t o t y p ec o n t r o i s y s t e m ，a n dt h e c o n t e n to fs i g n a it e s ta n dd i s p o s ec i r c u i ti sd e s c r i b e d i ns u c c e s s i o nt h et w o k i n d so f i g n i t i o ns y s t e m ，t h ed i s p l a c e m e n t c o n t r o li g n i t i o ns y s t e m a n d p o s i t i o n - c o n t r o li g n i t i o ns y s t e m ，a r ep r e s e n t e de m p h a t i c a l l y l a s t l yh a r d w a r e a n t i - j a m m i n ga n dr e l i a b i l i t ya c t i o n sa r e d i s c u s s e d i nt h ef o r t hs e c t i o n ，f i r s t ，t h e p r o t o t y p ec o n t r o ls t r a t e g yl n s o f t w a r ei s p r e s e n t e d n e x t t h ep r o g r a ms t r a t e g yo fu s et u r b oc a n dl a b w i n d o w s c v l a r ed e a l tw i t h l a s t s o f t w a r ea n t i - j a m m i n ga n dr e l i a b i l i t ya c t i o n sa r ed i s c u s s e d i nt h ef i f t hs e c t i o n ，t h ec a l c u l a t ef o r m u l a ef o rt h ev o l t a g eo ft h es e c o n d s i d eo fi g n i t i o nc o i la n dt h eb r e a k t h r o u g hv o l t a g eo fs p a r k p l u gg a p a r eg i v e na t f i r s t a f t e rt h a t t h ei g n i t i o ns y s t e mm o d e | | se s t a b l i s h e da n ds i m u l a t i o nf o ri t b a s e do nm a t l a bi s f i n i s h e d l a s t l yt h ei g n i t i o nv o l t a g ei s t e s tt ov e r i f yt h e s i m u l a t i o n i nt h es i x t hs e c t i o n ，f i r s t l yt h ed h f p e p r o t o t y p et e s tr i ga n di t sp u r p o s e a r ei n t r o d u c e d s e c o n d l yt h ep r o c e s sa n dr e s u l t so ft h ed e b u ga n dp r i m a r y i g n i t i o ne x p e r i m e n to ft h et e s tr i ga r ep r e s e n t e d l a s t l yt h ea u t h o ra n a l y s e st h e r e s u l t s t h el a s ts e c t i o ni sas u m m a r yo ft h ew h o l er e s e a r c hw o r kt h em a i n a c h i e v e m e n t so ft h i st h e s i sa r em e n t i o n e da n dt h et h o u g h t so ft h ef u r t h e r d e v e l o p i n gw o r k a r e p o i n t e do u t k e y w 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 ，p r o t o t y p e ，c o n t r o ls y s t e m l p c ，i g n i t i o n ，s i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n tr e s e a r c h 3 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 摘要：首先介绍了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 ) ， 阐述了发动机控制系统的组成及其关键技术的发展概况，并讨论了液压双自由活 塞发动机( d u a lh f p e ) 对其控制系统的要求及其控制系统的研究现状，最后介 绍了本论文的选题意义与研究内容。 第一节关于液压自由自由活塞发动机的介绍 1 1 1h f p e 的概述“。 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 ) 最初是由f r e d e r i c kh o b b s 于2 0 世纪5 0 年代提出的。1 9 6 1 年r e i c h m a n n 在其 申请的专利中提出了所有三种液压自由活塞发动机的主要设计。此后，许多个人 和公司也申请了关于h f p e 的或整体或局部( 如起动部分) 不同专利。但是h f p e 真正作为动力机舞台上一颗璀璨的新星，而引起人们的普遍重视是从2 0 世纪8 0 年代开始的。它是现代液压技术、微电子技术、控制技术及内燃机技术的综合， 也是能源结构变化和环境保护对新型动力机的召唤产物，更是对自由活塞发动机 和液压复合驱动技术的历史继承和发展。它是将内燃机和液压泵集成为一体，以 液体为工作介质，利用油液的压力能来实现动力非刚性传输的复合发动机。在 h f p e 中，活塞组件是由大的内燃机活塞与小的液压泵活塞直接刚性连接而成。 和曲轴式发动机液压泵( c r a n k s h a f te n g i n e h y d r a u l i cp u m p ) 的组合动力相 比，它省去了曲轴式内燃机中将活塞的往复运动转换为旋转运动的曲柄连杆机 构，以及液压泵中将旋转运动转换为泵活塞往复运动的旋转斜盘机构。因此具有 结构简单、零件数目少、重量轻、成本低、效率高、燃料范围广及易回收系统频 繁起停中惯性能和重力势能等优点。作为特种发动机，h f p e 将主要应用于频繁 起停大中功率的行走机械中，在这一领域，它比目前仍执世界动力机之牛耳的曲 轴式发动机更有竞争优势。h f p e 研究背景是和全球范围内能源结构的变化趋势， 以及人类社会持续可持续发展对节能的迫切要求紧密联系在一起的。 1 1 2h f p e 结构类型。“3 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活塞刚性连接而成) 数目及压缩行程实现方式的不同， h f p e 可分为三种基本类型，如图卜1 所示。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 摘要：首先介绍了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 ) ， 阐述了发动机控制系统的组成及其关键技术的发展概况，并讨论了液压双自由活 塞发动机( d u a lh f p e ) 对其控制系统的要求及其控制系统的研究现状，最后介 绍了本论文的选题意义与研究内容。 第一节关于液压自由自由活塞发动机的介绍 1 1 1h f p e 的概述“。 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 ) 最初是由f r e d e r i c kh o b b s 于2 0 世纪5 0 年代提出的。1 9 6 1 年r e i c h m a n n 在其 申请的专利中提出了所有三种液压自由活塞发动机的主要设计。此后，许多个人 和公司也申请了关于h f p e 的或整体或局部( 如起动部分) 不同专利。但是h f p e 真正作为动力机舞台上一颗璀璨的新星，而引起人们的普遍重视是从2 0 世纪8 0 年代开始的。它是现代液压技术、微电子技术、控制技术及内燃机技术的综合， 也是能源结构变化和环境保护对新型动力机的召唤产物，更是对自由活塞发动机 和液压复合驱动技术的历史继承和发展。它是将内燃机和液压泵集成为一体，以 液体为工作介质，利用油液的压力能来实现动力非刚性传输的复合发动机。在 h f p e 中，活塞组件是由大的内燃机活塞与小的液压泵活塞直接刚性连接而成。 和曲轴式发动机液压泵( c r a n k s h a f te n g i n e h y d r a u l i cp u m p ) 的组合动力相 比，它省去了曲轴式内燃机中将活塞的往复运动转换为旋转运动的曲柄连杆机 构，以及液压泵中将旋转运动转换为泵活塞往复运动的旋转斜盘机构。因此具有 结构简单、零件数目少、重量轻、成本低、效率高、燃料范围广及易回收系统频 繁起停中惯性能和重力势能等优点。作为特种发动机，h f p e 将主要应用于频繁 起停大中功率的行走机械中，在这一领域，它比目前仍执世界动力机之牛耳的曲 轴式发动机更有竞争优势。h f p e 研究背景是和全球范围内能源结构的变化趋势， 以及人类社会持续可持续发展对节能的迫切要求紧密联系在一起的。 1 1 2h f p e 结构类型。“3 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活塞刚性连接而成) 数目及压缩行程实现方式的不同， h f p e 可分为三种基本类型，如图卜1 所示。 浙江大学硕士学位论文 。口睢丑 l 二b i 蛔之】b 目“ 1 一动力腔2 一回复腔3 一泵腔 图1 - 1h f p e 的分类 单活塞式：如图卜1 ( 上) 所示，是指发动机中只有一个燃烧室和一个活 塞组件；对置活塞式：如图卜1 ( 中) 所示，是指发动机中有一个燃烧室和两 个活塞组件，且两活塞组件配置及运动互为镜像关系；双活塞式：如图卜l ( 下) 所示，是指发动机中有两个燃烧室和一个活塞组。 由图卜1 可见，在液压自由活塞发动机中，活塞组件是将大的内燃机活塞与 小的液压泵活塞刚性连接而成，省去了传统内燃机中的曲轴连杆机构和液压泵中 的旋转斜盘机构。燃烧室中燃料燃烧所释放的化学能转变为工质的热能，再通过 活塞组件的往复运动直接转变为液压能储存在液压蓄能器中，然后驱动负载，如 液压马达工作。当然，根据用户的需要，也可将热能转化为其他形式的能量形式 输出如气压能、电能等。由于在h f p e 中，活塞组件没有曲柄连杆机构的约束， 故为“自由活塞”。燃料的化学能转化为热能主要是在燃烧室( c o m b u s t i o n c h a m b e r ) 内完成的，所以燃烧室又称为动力室( 腔) 。相应的动力腔中的活塞称 为动力活塞( c o m b u s t i o np i s t o n ) ，泵腔中的活塞称为泵活塞( p u m p i n gp i s t o n ) ， 而连接动力活塞和泵活塞的中间部分为活塞杆( p i s t o nr o d ) 。 1 1 3 h f p e 典型系统设计。“ 对应上述三种不同类型的h f p e ，各典型系统设计的原理图分别如图卜2 、图 1 - 3 及图卜4 所示。 单活塞式h f p e 的研发工作的开展是以荷兰i n n a sb v 工程公司、美国威斯 康星大学和卡特皮勒( c a t e r p i l l a r ) 有限公司以及德国德累斯顿工大( d r e s d e n t u ) 为代表。图卜2 所示为威斯康星大学的系统设计原理图，而荷兰i n n a sb v 及德国德累斯顿工大的系统设计原理图与此相似。荷兰的i n n a sb v 早在1 9 8 7 年就试制出样机进行了测试工作，最新试制的模型样机为第五代人马座号 ( c e n t a u r ) 。其技术参数为：动力活塞直径为1 l o m m ：额定活塞行程为1 2 0 m m ： 活塞质量为2 6 k g ；最大运转频率为4 2 h z ：卡特皮勒( c a t e r p i l l a r ) h e u i 喷射 系统； 浙江大学硕士学位论文 。口睢丑 l 二b i 蛔之】b 目“ 1 一动力腔2 一回复腔3 一泵腔 图1 - 1h f p e 的分类 单活塞式：如图卜1 ( 上) 所示，是指发动机中只有一个燃烧室和一个活 塞组件；对置活塞式：如图卜1 ( 中) 所示，是指发动机中有一个燃烧室和两 个活塞组件，且两活塞组件配置及运动互为镜像关系；双活塞式：如图卜l ( 下) 所示，是指发动机中有两个燃烧室和一个活塞组。 由图卜1 可见，在液压自由活塞发动机中，活塞组件是将大的内燃机活塞与 小的液压泵活塞刚性连接而成，省去了传统内燃机中的曲轴连杆机构和液压泵中 的旋转斜盘机构。燃烧室中燃料燃烧所释放的化学能转变为工质的热能，再通过 活塞组件的往复运动直接转变为液压能储存在液压蓄能器中，然后驱动负载，如 液压马达工作。当然，根据用户的需要，也可将热能转化为其他形式的能量形式 输出如气压能、电能等。由于在h f p e 中，活塞组件没有曲柄连杆机构的约束， 故为“自由活塞”。燃料的化学能转化为热能主要是在燃烧室( c o m b u s t i o n c h a m b e r ) 内完成的，所以燃烧室又称为动力室( 腔) 。相应的动力腔中的活塞称 为动力活塞( c o m b u s t i o np i s t o n ) ，泵腔中的活塞称为泵活塞( p u m p i n gp i s t o n ) ， 而连接动力活塞和泵活塞的中间部分为活塞杆( p i s t o nr o d ) 。 1 1 3 h f p e 典型系统设计。“ 对应上述三种不同类型的h f p e ，各典型系统设计的原理图分别如图卜2 、图 1 - 3 及图卜4 所示。 单活塞式h f p e 的研发工作的开展是以荷兰i n n a sb v 工程公司、美国威斯 康星大学和卡特皮勒( c a t e r p i l l a r ) 有限公司以及德国德累斯顿工大( d r e s d e n t u ) 为代表。图卜2 所示为威斯康星大学的系统设计原理图，而荷兰i n n a sb v 及德国德累斯顿工大的系统设计原理图与此相似。荷兰的i n n a sb v 早在1 9 8 7 年就试制出样机进行了测试工作，最新试制的模型样机为第五代人马座号 ( c e n t a u r ) 。其技术参数为：动力活塞直径为1 l o m m ：额定活塞行程为1 2 0 m m ： 活塞质量为2 6 k g ；最大运转频率为4 2 h z ：卡特皮勒( c a t e r p i l l a r ) h e u i 喷射 系统； 浙江大学硕士学位论文 i 曩油嘴2 动力室3 簟冉阏t 隧警越器5 蕾拄器控毫l 电磁阀 b 、7 簟一两8 奄笨艟器g 行控控铡网l o 革冉固1 1 渡压弓迭 1 2 睡压黼嚣1 3 簟冉阏l i ，泵垃1 5 ，雕胶1 6 缸体 图1 2 单活塞式h f p e 的系统原理图 有效液压功率为1 7 k w ；外形尺寸为8 2 0 x 3 0 0 x 3 5 0 ； l 动力缸2 燃料注射系统3 3 动力活塞4 ，4 防碰头5 ，5 。定位弹簧6 ，6 液压 活塞7 。7 单向阀8 ，8 低压蓄能器9 高压蓄能器1 0 液控单向阀1 i ，1 1 节流阀 1 2 定位开关阀1 3 止动阀1 4 变量液压马达1 5 传动装置( 二级或三级) 1 6 启动泵 17 冲波泵1 8 ，电控器s l ，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c l c 3 ：控制信号 图卜3 对置式h f p e 的系统原理图 对置活塞式h f p e 系统设计原理图如图卜3 所示。对置活塞式h f p e 研究工 作的开展以日本丰桥工业大学( t o y o h a s h it u ) 为代表。从结构形式上看，它可 以看作为共用一个动力缸的两个单活塞h f p e 。如果两活塞作完全镜像同步运动， 则该系统没有振动。这种结构形式易于实现直流扫气( u n i f l o ws c a v e n g i n g ) ，扫 气效果好，燃烧效率较单活塞和双活塞更高：但显然结构及控制系统将更为复杂。 双活塞式h f p e 的主要代表是美国密执安大学和芬兰坦佩雷工大等。图l 一4 所示为坦佩雷工大的系统设计结构原理图。这种结构在三种h f p e 中，具有最高 的功率密度，这是因为它具有两个燃烧室。另外，与单活塞、对置活塞相比，它 浙江大学硕士学位论文 l 蓄能器( 起动用) 2 三位四通换向阀3 二位二通换向阀4 双活器 自由活塞发动机5 燃油导轨6 高压蓄能器7 液压马达8 燃料供应 泵9 低压蓄能器1 0 辅助泵1 1 二位三通换向阀 图1 4 双活塞式h f p e 系统原理图 无需回复系统，除系统启动之外，一个燃烧室的压缩冲程的实现是依靠另一燃烧 室膨胀冲程来完成的。以下是坦佩雷工大模型样机的主要技术参数：动力活塞直 径为9 0 r a m ；活塞质量为9 k g ；额定行程为1 2 0 r a m ；运转频率为3 3 h z ；排气口离缸 头的距离为9 0 r a m ；泵排量为3 6 c m 3 r e v ( 行程长度1 2 0 m m ) ；喷射系统为 g a n s e r h y d r o m a g 共轨( c o m m o nr a i l ) 系统；有效功率为2 0 2 5 k w ：外形尺寸为 l 】0 0 3 5 0 2 0 0 。 1 1 4h f p e 的特点( 与传统发动机比较) 。“1 ( 1 ) 结构特点： 活塞为“自由的”，无曲柄连杆机构的约束； 没有飞轮作用，一般选用两冲程的发动机； 结构简单、零件数目少、重量轻。 ( 2 ) 受力及运动特点： 活塞与缸体间无侧向力作用，磨擦力小，从而延长了发动机的寿命； 只有作往复直线运动的活塞组件，发动机的起停相对容易； 压缩比可变，易于使用其它代用燃料，启动性能好： 在死点( d e a dc e n t e r ) 位置时，活塞运动是非对称的，且减速段长于加速段； 与传统曲轴式发动机相比，在最大速度相等的情况下，具有更大的加速度。 ( 3 ) 动力性、经济性及排放特点： 燃料使用范围广。可用其他代用燃料： 效率高。指示效率可达5 0 强；总效率可达4 0 强( 能量链短) ； 排放低。在对压缩比实现精确控制( 误差为2 ) 时，n o ，排放为7 8 9 r k w h ， 煤烟( s o o t ) 排放f s n ( f i l t e rs o o tn u m b e r ) 为0 5 1 0 ： 当应用于汽车、叉车、卷扬机等起重运输机械时，刹车制动能、重物的势能可 浙江大学硕士学位论文 l 蓄能器( 起动用) 2 三位四通换向阀3 二位二通换向阀4 双活器 自由活塞发动机5 燃油导轨6 高压蓄能器7 液压马达8 燃料供应 泵9 低压蓄能器1 0 辅助泵1 1 二位三通换向阀 图1 4 双活塞式h f p e 系统原理图 无需回复系统，除系统启动之外，一个燃烧室的压缩冲程的实现是依靠另一燃烧 室膨胀冲程来完成的。以下是坦佩雷工大模型样机的主要技术参数：动力活塞直 径为9 0 r a m ；活塞质量为9 k g ；额定行程为1 2 0 r a m ；运转频率为3 3 h z ；排气口离缸 头的距离为9 0 r a m ；泵排量为3 6 c m 3 r e v ( 行程长度1 2 0 m m ) ；喷射系统为 g a n s e r h y d r o m a g 共轨( c o m m o nr a i l ) 系统；有效功率为2 0 2 5 k w ：外形尺寸为 l 】0 0 3 5 0 2 0 0 。 1 1 4h f p e 的特点( 与传统发动机比较) 。“1 ( 1 ) 结构特点： 活塞为“自由的”，无曲柄连杆机构的约束； 没有飞轮作用，一般选用两冲程的发动机； 结构简单、零件数目少、重量轻。 ( 2 ) 受力及运动特点： 活塞与缸体间无侧向力作用，磨擦力小，从而延长了发动机的寿命； 只有作往复直线运动的活塞组件，发动机的起停相对容易； 压缩比可变，易于使用其它代用燃料，启动性能好： 在死点( d e a dc e n t e r ) 位置时，活塞运动是非对称的，且减速段长于加速段； 与传统曲轴式发动机相比，在最大速度相等的情况下，具有更大的加速度。 ( 3 ) 动力性、经济性及排放特点： 燃料使用范围广。可用其他代用燃料： 效率高。指示效率可达5 0 强；总效率可达4 0 强( 能量链短) ； 排放低。在对压缩比实现精确控制( 误差为2 ) 时，n o ，排放为7 8 9 r k w h ， 煤烟( s o o t ) 排放f s n ( f i l t e rs o o tn u m b e r ) 为0 5 1 0 ： 当应用于汽车、叉车、卷扬机等起重运输机械时，刹车制动能、重物的势能可 浙江大学硕士学位论文 回收利用，从而可进一步提高发动机效率。当然h f p e 也存在一些不足。如活塞 是“自由”的，故速度调整更困难；没有飞轮作用，“熄火”( m i s f i r i n g ) 现象 较严重；对特定燃料而言，为实现高效低排放，对压缩比的精确控制是先决条件， 控制系统更为复杂等等。 ( 4 ) 不同结构形式h f p e 的比较 不同结构形式的h f p e 由于具体实现形式的差异，也存在各自的个性。三种 结构形式h f p e 的比较如表卜1 所示。 表卜1三种结构形式h f p e 的比较 优点缺点 单活 结构最简单；流量控制易于实需单独的回复系统；存在振动问题； 塞 现p p m 方式；最低的制造成本。直流扫气需专门阀系配合。 对置 平衡设计无振动问题；流量控需单独的回复系统；结构复杂；难于 活塞 制易实现p p m 方式；直流扫气实现对两活塞运动的精确同步控制。 效果好。 双活 功率密度最大；无需独立的回存在振动问题：流量调节较困难；扫 塞 复系统。气时间短；直流扫气需专门阀系配合。 本课题的研究对象为液压双自由活塞发动机( t h ed u a lh f p e ，简称d h f p e ) 。 选择d h f p e 作为研究对象主要是因为：在3 种h f p e 中，d h f p e 具有最高的功 率密度。因此在输出功率相等的情况下，其可以体积更小；d h f p e 除了系统启 动之外，无需独立的回复系统。 第二节发动机控制系统的组成及其关键技术的发展概况 1 2 1 发动机控制系统的组成m 发动机控制系统是汽车控制系统中最核心、最复杂的一环，它们的具体组成 见图卜5 。 发动机控制系统最基础也是最重要的部分是点火控制和燃油喷射控制，点火 控制的内容包括：点火时间，通电时间和爆燃防止等：燃油喷射控制的控制内容 有：喷油量，喷射时间，燃料停供和燃油泵控制等。 浙江大学硕士学位论文 回收利用，从而可进一步提高发动机效率。当然h f p e 也存在一些不足。如活塞 是“自由”的，故速度调整更困难；没有飞轮作用，“熄火”( m i s f i r i n g ) 现象 较严重；对特定燃料而言，为实现高效低排放，对压缩比的精确控制是先决条件， 控制系统更为复杂等等。 ( 4 ) 不同结构形式h f p e 的比较 不同结构形式的h f p e 由于具体实现形式的差异，也存在各自的个性。三种 结构形式h f p e 的比较如表卜1 所示。 表卜1三种结构形式h f p e 的比较 优点缺点 单活 结构最简单；流量控制易于实需单独的回复系统；存在振动问题； 塞 现p p m 方式；最低的制造成本。直流扫气需专门阀系配合。 对置 平衡设计无振动问题；流量控需单独的回复系统；结构复杂；难于 活塞 制易实现p p m 方式；直流扫气实现对两活塞运动的精确同步控制。 效果好。 双活 功率密度最大；无需独立的回存在振动问题：流量调节较困难；扫 塞 复系统。气时间短；直流扫气需专门阀系配合。 本课题的研究对象为液压双自由活塞发动机( t h ed u a lh f p e ，简称d h f p e ) 。 选择d h f p e 作为研究对象主要是因为：在3 种h f p e 中，d h f p e 具有最高的功 率密度。因此在输出功率相等的情况下，其可以体积更小；d h f p e 除了系统启 动之外，无需独立的回复系统。 第二节发动机控制系统的组成及其关键技术的发展概况 1 2 1 发动机控制系统的组成m 发动机控制系统是汽车控制系统中最核心、最复杂的一环，它们的具体组成 见图卜5 。 发动机控制系统最基础也是最重要的部分是点火控制和燃油喷射控制，点火 控制的内容包括：点火时间，通电时间和爆燃防止等：燃油喷射控制的控制内容 有：喷油量，喷射时间，燃料停供和燃油泵控制等。 浙江大学硕士学位论文 回收利用，从而可进一步提高发动机效率。当然h f p e 也存在一些不足。如活塞 是“自由”的，故速度调整更困难；没有飞轮作用，“熄火”( m i s f i r i n g ) 现象 较严重；对特定燃料而言，为实现高效低排放，对压缩比的精确控制是先决条件， 控制系统更为复杂等等。 ( 4 ) 不同结构形式h f p e 的比较 不同结构形式的h f p e 由于具体实现形式的差异，也存在各自的个性。三种 结构形式h f p e 的比较如表卜1 所示。 表卜1三种结构形式h f p e 的比较 优点缺点 单活 结构最简单；流量控制易于实需单独的回复系统；存在振动问题； 塞 现p p m 方式；最低的制造成本。直流扫气需专门阀系配合。 对置 平衡设计无振动问题；流量控需单独的回复系统；结构复杂；难于 活塞 制易实现p p m 方式；直流扫气实现对两活塞运动的精确同步控制。 效果好。 双活 功率密度最大；无需独立的回存在振动问题：流量调节较困难；扫 塞 复系统。气时间短；直流扫气需专门阀系配合。 本课题的研究对象为液压双自由活塞发动机( t h ed u a lh f p e ，简称d h f p e ) 。 选择d h f p e 作为研究对象主要是因为：在3 种h f p e 中，d h f p e 具有最高的功 率密度。因此在输出功率相等的情况下，其可以体积更小；d h f p e 除了系统启 动之外，无需独立的回复系统。 第二节发动机控制系统的组成及其关键技术的发展概况 1 2 1 发动机控制系统的组成m 发动机控制系统是汽车控制系统中最核心、最复杂的一环，它们的具体组成 见图卜5 。 发动机控制系统最基础也是最重要的部分是点火控制和燃油喷射控制，点火 控制的内容包括：点火时间，通电时间和爆燃防止等：燃油喷射控制的控制内容 有：喷油量，喷射时间，燃料停供和燃油泵控制等。 浙江大学硕士学位论文 1 - 2 2 发动机控制系统关键技术的发展概况帅 发动机控制系统的发展过程实际上也就是其关键技术的发展过程，每一次关 键技术的革新都会引发发动机控制系统的飞跃。图卜6 是发动机控制系统关键技 术的发展时间表。 援蠹窖螺垛器靼幂蒋撼坷辗峨器翅抖，一固 浙江大学硕士学位论文 1 9 8 0 笠 美、德、日的轿车开始装备无分电无分电该系统具有上述微机控制 代中器微机控制器微机点火系统的一切优点。此 期现控制点外，由于废除了分电器，没 在火有了配电器，不存在分火头 与分电器盖旁电极间产生 火花的现象，因此可抑制对 无线电装置的干扰，同时还 节省了空间。 微电脑控制的电子点火系统，即全电子点火系，是现代汽车点火系统发展的趋势。 从9 0 年代初，国内很多高校和研究机构也开始研制了全电子点火系，它的特点是： 完全可取代老式的机械分电器。它更简单、轻便、可靠，且易于安装，不需保 养。改变了机械分电器其本身的结构和性能的限制，优化了发动机的性能。存在 着继续开发的巨大潜力。一方面，可对点火控制进步完善，从而进一步改善发动机 性能。例如：运用自适应控制理论，采用各缸分开点火正对方案等。另一方面，与燃 油供给系等综合控制，从而使发动机点火系向集成化、智能化、高精度、多功能和综 合控制的方向发展，不断改善发动机的性能。 全电子点火系在国外已运用于各种轿车和大排量摩托车，如本田c b r 2 5 0 、v t 2 5 0 、 v f 4 0 0 和雅马哈f z r 4 0 0 等车型。相信，全电子点火系将逐渐取代其它点火系统，成为 点火技术发展的主流。 第三节d h f p e 对其控制系统的要求及其控制系统的研究现状 1 3 1d h f p e 对其控制系统的要求”7 3 显然在本研究中必须借鉴传统发动机控制系统的诸多经验。但由于本研究的 对象液压双自由活塞发动机( d h p p e ) 有着和传统曲轴发动机结构上的种种不同， 也决定了它对控制系统提出了不同的要求： ( 1 ) 由于d h f p e 无曲柄连杆和凸轮，即发动机无旋转机构，这使得控制系统必 须采用高性能的直线位移传感器。在传统发动机的凸轮位置控制和基于转角传感 器的控制在这里都无能为力了，而高速高响应的直线位移传感器本身也是一项亟 待发展的技术： ( 2 ) 没有飞轮作用，“熄火”( m i s f i r i n g ) 现象较严重，即发动机比较容易停 车! 这要求燃油供应( 包括空燃比、燃油量等) 、点火系统( 包括点火正时、火 花强度) 都必须有非常非常高的可靠性； ( 3 ) d h f p e 的活塞在止点的加速度非常高，这对传感器、控制设备和液压阀都 浙江大学硕士学位论文 1 9 8 0 笠 美、德、日的轿车开始装备无分电无分电该系统具有上述微机控制 代中器微机控制器微机点火系统的一切优点。此 期现控制点外，由于废除了分电器，没 在火有了配电器，不存在分火头 与分电器盖旁电极间产生 火花的现象，因此可抑制对 无线电装置的干扰，同时还 节省了空间。 微电脑控制的电子点火系统，即全电子点火系，是现代汽车点火系统发展的趋势。 从9 0 年代初，国内很多高校和研究机构也开始研制了全电子点火系，它的特点是： 完全可取代老式的机械分电器。它更简单、轻便、可靠，且易于安装，不需保 养。改变了机械分电器其本身的结构和性能的限制，优化了发动机的性能。存在 着继续开发的巨大潜力。一方面，可对点火控制进步完善，从而进一步改善发动机 性能。例如：运用自适应控制理论，采用各缸分开点火正对方案等。另一方面，与燃 油供给系等综合控制，从而使发动机点火系向集成化、智能化、高精度、多功能和综 合控制的方向发展，不断改善发动机的性能。 全电子点火系在国外已运用于各种轿车和大排量摩托车，如本田c b r 2 5 0 、v t 2 5 0 、 v f 4 0 0 和雅马哈f z r 4 0 0 等车型。相信，全电子点火系将逐渐取代其它点火系统，成为 点火技术发展的主流。 第三节d h f p e 对其控制系统的要求及其控制系统的研究现状 1 3 1d h f p e 对其控制系统的要求”7 3 显然在本研究中必须借鉴传统发动机控制系统的诸多经验。但由于本研究的 对象液压双自由活塞发动机( d h p p e ) 有着和传统曲轴发动机结构上的种种不同， 也决定了它对控制系统提出了不同的要求： ( 1 ) 由于d h f p e 无曲柄连杆和凸轮，即发动机无旋转机构，这使得控制系统必 须采用高性能的直线位移传感器。在传统发动机的凸轮位置控制和基于转角传感 器的控制在这里都无能为力了，而高速高响应的直线位移传感器本身也是一项亟 待发展的技术： ( 2 ) 没有飞轮作用，“熄火”( m i s f i r i n g ) 现象较严重，即发动机比较容易停 车! 这要求燃油供应( 包括空燃比、燃油量等) 、点火系统( 包括点火正时、火 花强度) 都必须有非常非常高的可靠性； ( 3 ) d h f p e 的活塞在止点的加速度非常高，这对传感器、控制设备和液压阀都 浙江大学硕士学位论文 提出了很高的要求； ( 4 ) 由于燃烧腔热能很容易传递出去，影响液压泵和气缸密封件，甚至影响液 压油的黏度及整个系统的温度。所以必要时必须考虑特殊的冷却系统： ( 5 ) 振动问题相对严重，必须考虑更先进的防振系统。 可以看出：d f h f e 在机械结构方面比传统曲轴内燃机简单很多，但这种简单 的代价是d h f p e 的控制系统远比传统内燃机的控制系统复杂。 1 3 2d h f p e 控制系统的研究现状” 在国外，芬兰坦佩雷工大( t a m p e r ed n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 的液压及自动 化研究所( i n s t i t u t eo fh y d r a u l i c sa n da u t o m a t i o n ，i h a ) 对d h f p e 控制系统的研究 具有代表性。d h f p e 中如果整个活塞构件运动的动能太高，就会产生危险使动力活塞 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 至于燃油的燃烧不能发生。i h a 通过以下的一些方式来控制和影响活塞构件的动能：a ) 调整两个燃烧室中的燃油喷射量，b ) 控制燃油喷射时间，c ) 变更液压泵工作端的压 力等级，d ) 变更液压泵吸油端的压力等级，e ) 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。 i h a 采用了基于d s p 的控制系统，通过传感器来测量活塞的位置和速度，进而确 定正确的燃油喷射时间。i h a 在采集传感器的选用上作了些努力，他们分别用对置 的磁阻传感器、一对可变磁阻的磁性采集贴片和场效应传感器作为采集传感器。考虑 到时间的精确度将极大的影响h f p e 的运转，控制系统的采样周期时间应该足够短， 而a d 转换器的转换时间限制了采样周期时间的长度，由于场效应传感器的输出是与 t t l 兼容的电平，它能使用数字输入来进行测量，因此场效应传感器作为采集传感器 使得采样周期更短。 i h a 采用的喷射系统为g a n s e r h y d r o m a g 共轨( c o m m o nr a i l ) 系统，它使得燃油 控制有很大的柔性，可以最大限度地发挥电子控制系统的优点。 国内由于d h f p e 的研究刚刚起步，只有浙江大学流体及其控制国家重点实验室在 开始进行研究，d h f p e 的控制系统的研究处于空白。 第四节本科题的选题意义与研究内容 1 4 1 液压双自由活塞发动机样机控制系统的研究意义 浙江大学硕士学位论文 提出了很高的要求； ( 4 ) 由于燃烧腔热能很容易传递出去，影响液压泵和气缸密封件，甚至影响液 压油的黏度及整个系统的温度。所以必要时必须考虑特殊的冷却系统： ( 5 ) 振动问题相对严重，必须考虑更先进的防振系统。 可以看出：d f h f e 在机械结构方面比传统曲轴内燃机简单很多，但这种简单 的代价是d h f p e 的控制系统远比传统内燃机的控制系统复杂。 1 3 2d h f p e 控制系统的研究现状” 在国外，芬兰坦佩雷工大( t a m p e r ed n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 的液压及自动 化研究所( i n s t i t u t eo fh y d r a u l i c sa n da u t o m a t