基于多学科系统建模的液压自由活塞发动机的能分析.doc

中国工程热物理学会 燃烧学学术会议论文 编号：094007基于多学科系统建模的液压自由活塞发动机的性能分析朱涛 汪洋 盖超 张晓（天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津，300072）（Tel，E-mail:）摘要：基于Amesim建立了一维自由活塞发动机仿真模型，对运动特性和热力学特性进行了分析，研究了关键性结构和控制参数对发动机性能的影响。仿真结果表明：自由活塞发动机有其独特的活塞运动规律，在相同运转条件下效率低于曲柄连杆发动机；质量是影响效率和频率最重要的因素；活塞在上止点附近的停留时间和运动特性决定其效率，通过行程控制可以实现频率和效率的控制；压缩比和喷油时刻对效率的影响不如曲柄发动机显著；开关阀要求高响应速度和大流量。关键词：自由活塞，液压，耦合，动力学，热力学Performance Analysis of Hydraulic Free Piston Engine Based on Multidisciplinary ModelingZhu Tao, Wang Yang, Gai Chao, Zhang Xiao(State Key Laboratory of Engines, Tianjin University, 300072)Abstract ：One-dimensional simulation model of hydraulic free piston engine has been generated using Amesim to predict and study characteristic of this new engine prototype, the effects of key parameters of structure and control on engine performance are revealed. The simulation results show that free piston engine has its unique dynamic characteristic and its efficiency is lower than crank engine at same operating condition; piston mass is the most critical factor, efficiency depends on residence time and piston move near TDC; efficiency and frequency can be effectively controlled through control of stoke mode; compression ratio and injection position have a certain effect in efficiency but not as significant as crank engine; on-off valve requires instantaneous response and high transient flow rate. Key words ：free piston, hydraulic，coupling，dynamic，thermodynamic0 前言液压自由活塞发动机将发动机与液压泵结合为一个紧凑的整体，活塞组件包括燃烧室活塞和液压泵活塞，在热能和液压能的交替作用下在左右极限位置做往复直线运动，将热能转化为液压能输出。自由活塞的含义具有两个典型的特点：1 l 活塞运动没有机械结构约束l 动力通过介质输出自由活塞发动机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, 2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。3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。 根据活塞和气缸布置，液压自由活塞发动机一般分为三类:单活塞、对置气缸、对置活塞。单活塞和对置气缸包括统一的活塞组件，其运动特性类似于质量-弹簧系统，对置气缸一般通过偶数对总成消除振动，4 而对置活塞在两个组件运动相同的情况下是完全平衡的。课题确立的原型机方案为对置活塞两行程直喷压燃，采用共轨喷射系统，曲轴箱直流扫气。建立了一维液压自由活塞发动机仿真模型，将活塞运动与燃烧、扫气、泵油各过程的耦合作用集成为一个步骤，精确模拟耦合液压过程的发动机气体动力学,分析液压自由活塞发动机的特点并对关键性参数进行研究。 Aemsim作为多学科领域复杂系统高级建模和仿真平台，可以模拟曲柄发动机系统的各种复杂特性,56然而，自由活塞发动机数值模拟与通用一维发动机气体动力学分析程序有着显著的差异：l 没有曲轴转角的概念，位移作为全局变量，活塞运动取决于各种力的综合。l 各过程之间相互耦合，其中任一过程的变化都对其他过程产生影响。1 仿真模型对置活塞和单活塞在原理上完全相同，可以看作对称的单活塞，因此只建立了单活塞模型，如图1所示：包括发动机、液压泵、曲轴箱、喷油器、进排气管路、传感器和液压网络。子模块由喷油控制、气口控制和液压控制组成，所有的控制参数都是基于活塞位移，速度矢量作为运动方向的判断。 1.1活塞动力学模型自由活塞是一维运动体，决定于作用在活塞组件上的各种力,包括缸内气体压力、液压力和曲轴箱压力。根据牛顿第二定律得到力平衡公式1，积分得到活塞速度和位移。图1 仿真模型图2 活塞力平衡图 （1） 1.2 气缸模型图3 气缸热力学模型建立了两行程气缸模型，基于热力学第一定律，包括扫气、压缩、燃烧和膨胀过程。定义三种工质成分：空气、燃油蒸气和废气，在缸内认为工质是均质的，温度和组分均匀分布。工质的物性参数取决于温度及气体组分。工质与缸壁、活塞之间存在热交换基于Woschini公式。扫气口和排气口采用可变截面孔口模型，流动是双向的，倒流影响缸内和曲轴箱的工质组成。（2） 1.3 扫气模型 Amesim气缸模型中默认为完全混合模型，实际两行程发动机的扫气效率介于完全混合和完全扫气之间，直流扫气更接近完全扫气。建立了扫气单区模型，假设缸内新鲜工质比例为A，废气所占比例为1-A，如果完全混合则排气成分与缸内比例相同。设定一个混合比例系数K,排气成分中新鲜工质和废气比例分别为AK和1-AK。K在0和1之间变化，1相当于完全混合模型，0相当于完全扫气模型。1.4 曲轴箱模型曲轴箱可以看作开口热力学系统，基于热力学第一定律，其公式与气缸模型相似，不考虑壁面传热。曲轴箱定义三种工质与气缸相同，扫气口倒流影响曲轴箱内工质的成分和物性参数。簧片阀模拟为可变截面的单向阀。 1.5燃烧模型采用Barba模型7模拟燃烧进展，适用于高速共轨直喷柴油机，为现象学单区燃烧模型。考虑预喷和主喷，包括预混燃烧模型、混合控制燃烧模型和着火延迟模型。预混燃烧模型用火焰传播模型描述，取决于预混区的燃空比，扩散燃烧受燃料空气混合速率控制，着火延迟模型基于平均温度。1.6进排气管路模型进排气流动为一维可压缩流体，在流动方向上求解质量、动量和能量守恒方程，管路离散化为一系列的管道组成，模拟进排气压力波动效应对性能的影响。2 仿真结果及分析发动机结构参数如表1所示，自由活塞没有止点的概念，这里仍借用曲柄连杆发动机的概念，名义上止点定义为0mm，名义下止点定义为-95mm。表1 发动机结构参数缸径（mm）95行程 (mm)95压缩比18-30扫气箱死区容积（排量倍数）3*Vcyl泵活塞直径(mm)20活塞质量（kg）1-7开关阀流通直径(mm)10-20开关阀响应时间（ms）0-4.5排气口开启（mm ATDC）65进气口开启（mm ATDC）75气口控制模块由活塞运动控制打开或关闭，开启面积取决于活塞位移，时面值与活塞运动速度相关。采用固定的气口位置，相位相对于名义下止点对称。喷油控制模块根据位移传感器的信号在上止点前设定的位置产生触发信号控制喷油时刻，在喷嘴模型中进行喷油脉宽和流量的设置，过量空气系数在1.4左右。 液压控制模块通过控制开关阀的导通和关闭实现输入输出液压能和行程的控制，可以自由设定活塞在下止点的停留时间。具备两种工作模式，分析不同的活塞行程规律对效率和频率的影响：1 全行程模式：在固定的工况点通过供油压力和泵油压力的调节达到一个平衡点，液压油作用于全行程。2 行程控制模式：供油和泵油采用同一个高压源，压缩过程排气口关闭后判断活塞动能达到压缩能后停止供油，工作行程活塞初始下行过程先经过短暂的空行程（液压油卸载），判断活塞动能和气体做功能力达到输出能后开始泵油。液压自由活塞发动机的液压输出效率定义为： （3） 本节中所提到的频率都是指连续工作频率，除了特殊说明之外，活塞控制采用全行程模式，开关阀响应时间设定为0.5ms。 2.1 活塞运动特性图4-7为自由活塞发动机活塞运动规律和同频率曲柄连杆发动机（连杆长度与曲柄半径比3.6）的对比，活塞质量5kg。自由活塞的位移曲线并不是对称的，上止点偏向于工作行程一侧，在相同的循环周期内，压缩行程占据的时间大于工作行程，约占循环周期的60%。在压缩行程活塞速度增长缓慢，最高速度低于曲柄发动机；上止点后活塞迅速下降，工作行程最高速度高于曲柄发动机。上止点附近自由活塞的加速度远大于曲柄发动机，约为其三倍，由于没有曲柄连杆结构约束，加速度取决于受力情况，加速度最大的时刻在气缸压力最高时达到。图7是速度-位移图，压缩行程活塞的平均速度较低，上止点后由于燃烧放热活塞迅速下降，很快达到最大速度，工作行程平均速度高于曲柄发动机。 图4 活塞位移曲线 图5 活塞速度曲线图6 活塞加速度曲线 图7 活塞速度-位移曲线2.2 效率和频率在相同运转条件下，自由活塞发动机与两行程曲柄发动机气缸示功图对比示于图8。曲柄发动机缸内最高压力比自由活塞发动机高，膨胀更加充分。原因在于相同的循环周期内自由活塞实际工作行程时间短，而且上止点后活塞快速下行，降低了热功转换效率。由缸内和曲轴箱示功图得到的曲柄发动机效率为40.7%,根据液压输出效率计算公式得到的自由活塞发动机效率为38.3%，两者都没有计及摩擦损失。图9为活塞质量对于效率和频率的影响。随活塞质量的下降频率增加很快，质量从7kg减小到1kg频率增加了33.6Hz，然而效率也迅速下降，1kg时效率只有26%。随着频率的提高，工作行程占据的时间更短，而活塞在上止点后快速下行的特点更增加了效率降低的趋势。综合考虑频率和效率，以下的计算中活塞质量固定为5kg。 图8 自由活塞和曲柄发动机气缸P-V图 图9 活塞质量对效率和频率的影响压缩比作为重要的结构参数，其对自由活塞发动机效率和频率的影响示于图10，在计算中通过压缩能的控制保持活塞行程不变，喷油时刻为2mmBTDC。随压缩比的提高，效率呈现出上升趋势，但是幅度很小，压缩比从18提高到28效率增加了1%。随着压缩比的提高，缸内最高压力迅速提高，导致上止点附近活塞的最大加速度显著增加，如图11所示，同时给出了活塞在上止点前后2mm范围内的停留时间。加速度的增加导致活塞在上止点附近停留时间缩短，活塞快速下行，抵消了一部分压缩比提高带来的益处。压缩比30时效率反而下降另一个可能的原因是喷油位置没有进行优化。频率随压缩比提高而增加的主要原因是压缩行程需要更高的压缩能因此供油压力更高，活塞上行速度加快，工作行程效率略有提高使下行时间有所缩短。图12是喷油时刻对于效率和频率的影响，以上止点前的距离表示。随喷油时刻的变化，效率呈现出中间较高的区域，远离此区域后效率下降。非常特别的是中间高效率区域保持较宽（2mmBTDC-6mmBTDC之间效率的变化仅0.5%），最佳效率点在4mmBTDC时达到（相当于曲柄发动机28CABTDC）。图13是喷油时刻分别为2、4、6mmBTDC时气缸压力曲线的变化历程，同时标出了2mm和6mm BTDC时上止点的达到时刻TDC。随喷油时刻提前放热有所提前，上止点达到时刻也略有提前，因此喷油时刻对于效率的影响不如曲柄发动机显著。压力峰值距离上止点的偏移程度影响输出效率，4mmBTDC时最高压力点处于上止点后比较合理的相位因此效率最高，而峰值出现过早或过迟都对效率产生不利影响。频率的变化趋势受热效率和喷油时刻的综合影响，高效率区处于中间区域，而喷油时刻提前导致放热提前，活塞更早改变方向，综合的效果来看喷油时刻起了主导作用，但是频率随喷油时刻的变化幅度是很小的（0.6Hz）。图10 压缩比对效率和频率的影响 图11 最大加速度和上止点停留时间 图12 喷油位置对效率和频率的影响 图13 不同喷油位置气缸压力曲线行程控制对活塞运动规律的影响示于图14。采用行程控制模式显著减小了压缩行程占据的时间，大幅度提高了频率（9.9Hz），位移曲线的形状也更加合理，呈现出关于上止点基本对称的特点。尽管在行程控制模式下活塞在初始下行过程中经过一段空行程，然而上止点附近活塞的最大加速度主要取决于气缸压力，计算得到的全行程和行程控制模式下最大加速度分别为6740和7600m/s2 ，由示功图得到的两者效率差异很小。图14 不同行程模式活塞位移曲线2.3 开关阀的参数和响应特性 图15 开关阀流通直径对效率的影响 图16 响应时间对效率的影响图15是在两种行程模式下开关阀流通直径对效率的影响，随流通直径的减小，流动损失增加，效率逐渐降低，行程控制模式下效率下降得更快。图16是开关阀流通直径12mm时响应时间对效率的影响，延迟时间为零是理想情况作为参照。在全行程模式下，活塞开始下行时速度很低，效率对响应时间的变化不敏感，超过2.5ms时影响才显现出来，响应时间4.5ms与理想情况相比效率只下降了2%；而在行程控制模式下，开关阀开启时活塞已经具有一定的速度，此时响应时间对效率的影响非常显著，延迟时间较长会产生强烈的节流损失，高于1.5ms时效率的下降程度已经不可接受，理想的情况是控制在1ms内，此时效率下降了2%。开关阀瞬态流量和活塞速度相符合，计算得到的瞬态最高流量接近200L/min。3 结论与曲柄连杆发动机相比，液压自由活塞发动机具有如下的特点：l 压缩行程活塞速度较低持续时间长，工作行程活塞速度高持续时间短，上止点附近最大加速度远高于曲柄发动机，燃烧放热后活塞快速下行。l 在相同运转条件下，自由活塞发动机的效率低于曲柄连杆发动机。l 压缩比、喷油时刻对效率的影响不如曲柄发动机敏感。对自由活塞发动机的关键性参数研究表明:l 活塞质量是影响效率和频率最重要的因素，效率和频率随活塞质量的变化趋势相反。l 通过行程控制可以实现频率和效率的控制，在不影响效率的前提下大幅度提高工作频率。l 开关阀瞬态最高流量达到200L/min，行程控制模式对开关阀的响应速度要求更高，响应时间应控制在1ms以内。参考文献1 Achten A.J. A Review of Free Piston Engine Concepts. SAE 9411762杨华勇，夏必忠，傅新.液压自由活塞发动机-未来的动力之星.中国机械工程2001年3月第12卷第3期 Yang Huayong,XiaBizhong,Fu Xin. Hydraulic Free Piston Engine (HFPE)Is it the Power Star in the Future. China Mechanical Engineering. Vol.12 NO.3 20013杨华勇，夏必忠，傅新.液压自由活塞发动机的发展历程及研究现状.机械工程学报2001年2月第37卷第二期 Yang Huayong, XiaBizhong, Fu Xin. Hydraulic Free Piston Engine Evolution Progress and Recent Studies. Chinese Journal of Mechanical Engineering. Vol.37 NO.2 Feb.2