单缸液压自由活塞发动机控制策略及工作稳定性研究

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1、—————————————————————单缸液压自由活塞发动机控制策略及工作稳定性研究—————————————————————ResearchonOperatingStabilityandControlStrategyofSingle-cylinderHydraulicFreePistonEngine————————————作者姓名：李世玉专业名称：动力机械及工程研究方向：内燃机现代设计理论与方法指导教师：袁兆成教授学位类别：工学博士培养单位：汽车工程学院论文答辩日期：2015年5月30日授予学位日期：年月日论文评

2、阅人：答辩委员会组成：姓名职称工作单位姓名职称工作单位盲审专家主席高青教授吉林大学盲审专家委员袁兆成教授吉林大学葛蕴珊教授北京理工大学刘忠长教授吉林大学刘敬平教授湖南大学邢巍教授中国科学院长春应用化学研究所洪伟教授吉林大学刘薇娜教授长春理工大学摘要单缸液压自由活塞发动机控制策略及工作稳定性研究液压自由活塞发动机是传统内燃机与液压泵集成的复合动力机械，它将内燃机活塞通过连杆直接与液压泵的柱塞连接，省去了传统内燃机中的曲轴和液压泵中的柱塞驱动机构，燃料化学能直接转化为液压能输出，减少了能量的中间传递环节，有利于发动机效率的

3、提高。因此，近三、四十年来，随着电子控制技术和液压技术的进步，液压自由活塞发动机技术取得了快速的发展。按照活塞的布置形式，液压自由活塞发动机可以分为单活塞式、双活塞式和对置活塞式三种类型。单缸液压自由活塞发动机（Single-cylinderHydraulicFreePistonEengine，SHFPE）即是单活塞式液压自由活塞发动机，它是其中最基本的结构形式，也是目前科研机构研究单活塞式液压自由活塞发动机的主要对象。SHFPE具有结构简单，零部件数少，体积小、重量轻以及摩擦损失和传热损失较低等优点；同时由于活塞可以

4、自由运动，压缩比可变，具有良好的可变控制性能和广泛的燃料适应性。但是SHFPE中活塞不受机械机构的限制，活塞的“自由性”使其运动规律和位移容易受到作用力变化的影响。在运行过程中，活塞上所受合力的波动会通过影响活塞运动而最终影响到SHFPE的工作稳定性，甚至造成发动机的非正常工作。因此，需要对SHFPE相关特性进行研究，以探索SHFPE工作稳定性的影响因素和控制方法。本论文中针对SHFPE工作特点，将其工作状态分为了起动工况、正常运行工况和失火工况，并提出了各工况的控制策略，满足SHFPE在全工况下正常工作的基本控制要求

5、。活塞下止点位置对SHFPE工作状态有较大影响，在减小活塞反弹距离的基础上，提出了喷油量的闭环控制方案，提高了对活塞下止点位置精度的控制。SHFPE中活塞运动产生的冲击和振动会影响到机器的使用寿命，论文中提出了三种不同的缓冲措施，并对它们的缓冲效果进行了分析。考虑SHFPE在行走机械中的实际使用情况，为隔离负荷变化对SHFPE的工作状态产生影响，提出了一种SHFPE恒压驱动系统，并对系统性能进行了仿真分析。本论文的主要内容按章节详述如下：第一章，介绍了自由活塞发动机的特点、结构形式、发展历程和研究现状，对SHFPE的关

6、键技术问题进行了重点介绍，在论述SHFPE应用现状的基础上，说明了本论文的研究背景和意义，并对本论文的主要研究内容进行了介绍。I第二章，介绍了SHFPE的结构和工作原理，包括了SHFPE的频率调节和功率输出特性。通过对活塞组件受力的分析，建立了SHFPE数学仿真模型，对其基本工作特性和循环效率进行了分析。另外，还对SHFPE性能随工作参数的变化规律进行了研究。第三章，提出了SHFPE全工况的控制策略，包括起动工况、正常运行工况和失火工况，满足了SHFPE实现正常工作的基本要求；对主油口与下止点位置的距离进行了计算，分析

7、了不同距离对活塞运动特性的影响以及对频率控制阀性能的要求；研究了频率控制阀性能和控制脉宽对SHFPE工作特性的影响规律，确定了基于位移反馈的频率阀控制策略。第四章，分析了下止点起始位置对SHFPE性能的影响规律，确定了下止点位置的控制目标；建立了SHFPE振动的非线性方程，得到能量平衡对其工作稳定性的影响规律，提出喷油量的闭环控制策略，实现对下止点位置精度的控制；研究了下止点时活塞反弹距离大小的影响因素，为减小活塞反弹提供了改进依据；分析了不同措施对活塞运动引起的冲击和振动的缓冲效果。第五章，建立了由SHFPE和液压变

8、量马达组成的恒压驱动系统，实现了SHFPE与负载的隔离，当负荷发生变化时，SHFPE输出压力可以保持恒定，满足了变工况下SHFPE工作稳定性的要求；对液压变量马达速度的响应特性进行了仿真分析。第六章，对全文研究内容和主要结论进行了总结，并对未来需要进一步重点研究的工作进行了展望。关键词：液压自由活塞发动机，单缸，控制策略，稳定性，