基于AMESimMATLAB液压自由活塞发动机仿真研究

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1、基于AMESim/MATLAB的液压自由活塞发动机仿真研究0自由活塞发动机(Free-PistonEngine，FPE)作为一种能够适应未来要求的新型内燃机，近几年发展非常迅速。[1-8]将自由活塞发动机和油泵进行组合即得到了液压自由活塞发动机(HydraulicFreePistonEngine，HFPE)，它实现了内燃机和液压泵的一体化设计，如图1所示。液压自由活塞发动机结构紧凑，在工程机械和农用机械领域有很好的应用前景。图1液压自由活塞发动机单活塞液压自由活塞发动机(SinglePistonHydraulicFree-PistonE

2、ngine，SPHFPE)只有一个燃烧腔和一个自由活塞组件，结构简单零件少，工作频率即输出流量控制可以通过开关阀开关实现，制造成本低。虽然单活塞液压自由活塞发动机单独的压缩回复系统增加了复杂程度，但是又可以很轻易改变发动机的压缩比，振动问题是另一个挑战。由于液压自由活塞发动机与传统的曲轴式内燃机相比在结构上和原理上均有较大差别，所以对于进行研制液压自由活塞发动机来讲，对其进行动态特性研究是非常必要的。本文将通过AMESim/MATLAB联合仿真技术对所研制的单活塞液压自由活塞发动机机进行建模、仿真和动态特性分析，并进行试验研究。1SPH

3、FPE的工作原理SPHFPE的基本结构如图2所示，燃烧腔主要是由燃烧室及其配件组成的；高压腔、泵腔和压缩腔一起构成SPHFPE的液压部分。在SPHFPE中，活塞组件由直径较大的泵活塞和直径较小的控制活塞构成，它的轴向移动实现吸油和排油。由于单活塞液压自由活塞发动机中没有旋转部件，因此不可能通过飞轮将膨胀冲程的能量传递到其他冲程，所以它一般为二冲程发动机，并且排气阀和喷油器驱动机构采用液压驱动方式，驱动油压均是由液压自由活塞发动机输出的高压油。SPHFPE的高压油有两个输出：①在压缩冲程，活塞向左运动时由高压腔输出；②在膨胀做功冲程由泵腔

4、输出。双输出可以减小输出高压油的脉动。此外，SPHFPE中还要设置满足超低工作频率（小于10Hz）以及变压缩比要求的控制油路。A燃烧腔B高压腔C泵腔D压缩腔a动力活塞b泵活塞c控制活塞1出油单向阀2控制单向阀3频率控制阀4补油单向阀5进油单向阀6压缩蓄能器7高压蓄能器8低压蓄能器9排气喷油阀组图2单活塞液压自由活塞发动机原理图2SPHFPE模型SPHFPE燃烧腔模型将通过MATLAB建立，而液压系统将在AMESim中建立。2.1基本假设在对SPHFPE进行仿真研究时，作如下假设：1假设燃烧腔气缸内工质的状态均匀，同一瞬间各点的压力、温度

5、、浓度处处相等。假设工质为理想气体，在整个循环中其物理及化学性质保持不变。不考虑泄漏等的影响，工质的总质量保持不变，热力循环是在定量工质下进行的，忽略进、排气流动损失及其影响。[7][8]2用韦柏放热函数代替燃料的实际燃烧过程。3忽略进、排气流动损失及其影响，忽略喷油过程的影响。泵的进油压力（低压油）和负载压力（高压油）为恒定值。2.2燃烧腔压力变化模型根据文献[7-9]及基本假设，取燃烧腔缸头缸壁及动力活塞顶部所围成的边界为控制面，所包围的空间容积为控制体积。在SPHFPE工作过程中，所取的控制体的边界在不断变化。由热力学第一定律：(

6、1)其中，—系统吸收的热量，—系统内能的变化量，—系统对外作功。对外所作的功可以表示为：(2)其中，—气缸内工质的瞬时压力，—气缸容积的变化量。4根据假设条件及比定容热容得到理想气体内能的变化量和温度的变化量之间的关系为：(3)其中，—气体质量，—比定容热容，—温度的变化量。由~式得到控制体中的能量守恒方程：(4)根据理想气体状体方程得到：(5)由和式得到SPHFPE燃烧腔内工质压力模型：(6)根据式简化可以得到燃烧腔内压力变化方程：(7)其中，—气缸容积的瞬时体积，—工质的绝热指数。由单韦柏燃烧放热函数得到的瞬时放热率：(8)其中，—

7、SPHFPE的循环总放热量，—燃料低热值，—循环燃料量，—能量利用系数，—燃烧品质指数，—燃烧持续时间。2.3液压系统模型2.3.1液压腔模型液压腔模型将分为液压腔体积流量变化模型和压力变化模型，通过两个模型的组合得到液压腔内压力和出口流量计算模型。体积流量变化方程：(9)(10)其中，—液压腔体积，—液压腔活塞的直径，—液压腔活塞杆的直径，—液压腔活塞的初始位置，—液压腔活塞的位移，—液压腔出口的流量，—液压腔活塞速度。下标=1，2，3，分别表示高压腔、泵腔和压缩腔。压力变化方程为：(11)其中，—液压腔压力，—油液体积弹性模量780

8、MPa，—液压腔死区容积。根据以上分析，在AMESim中搭建的液压腔模型，各种结构参数均根据设计参数设置。2.3.2单向阀模型单向阀完全开启前的流量与阀口压降成线性关系，在此不考虑单向阀开启时滞后作用的影响