基于多学科系统建模的液压自由活塞发动机的性能分析

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1、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：13682078430，E-mail:lf70zt@21cn.com）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

2、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PerformanceAnalysisofHydraulicFreePistonEngineBasedonMultidisciplinaryModelingZhuTao,WangYang,GaiChao,ZhangXiao(StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity,300072)Abstract：One-dimensionalsimulationmodelofhydraulicfreepiston

3、enginehasbeengeneratedusingAmesimtopredictandstudycharacteristicofthisnewengineprototype,theeffectsofkeyparametersofstructureandcontrolonengineperformancearerevealed.Thesimulationresultsshowthatfreepistonenginehasitsuniquedynamiccharacteristicanditsefficiencyislowerthancrankengineatsameoperati

4、ngcondition;pistonmassisthemostcriticalfactor,efficiencydependsonresidencetimeandpistonmovenearTDC;efficiencyandfrequencycanbeeffectivelycontrolledthroughcontrolofstokemode;compressionratioandinjectionpositionhaveacertaineffectinefficiencybutnotassignificantascrankengine;on-offvalverequiresins

5、tantaneousresponseandhightransientflowrate.Keywords：freepiston,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

6、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

7、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,[5][6]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