液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特性及其數(shù)字閥研究.pdf

1、液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)（Hydraulic Free Piston Engine，以下簡(jiǎn)稱HFPE）是近30年逐漸發(fā)展起來(lái)的新型動(dòng)力裝置，它是將內(nèi)燃機(jī)和液壓泵集成為一體，以液體為工作介質(zhì)，利用油液的壓力能，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力非剛性傳輸?shù)奶胤N發(fā)動(dòng)機(jī)。在HFPE中活塞組件是由內(nèi)燃機(jī)活塞與液壓泵活塞通過(guò)活塞桿直接剛性連接而成。和傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)／液壓泵的組合動(dòng)力相比，它省去了曲軸式內(nèi)燃機(jī)中將活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，以及液壓泵中將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為泵

2、活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)斜盤(pán)機(jī)構(gòu)。因此具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件數(shù)少、重量輕、成本低、效率高、燃料適用性好及易于回收系統(tǒng)頻繁啟停中慣性能和重力勢(shì)能等優(yōu)點(diǎn)。 本論文以雙活塞式液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)（Dual Piston HFPE，以下簡(jiǎn)稱DHFPE）及其關(guān)鍵部件作為研究對(duì)象。在國(guó)家“863”高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目共同資助下，試制成功第一代DHFPE原理樣機(jī)。通過(guò)對(duì)DHFPE的試驗(yàn)與仿真研究，提出DHFPE的工作頻率與工質(zhì)壓縮比間

3、存在單調(diào)遞增的函數(shù)關(guān)系，并且DHFPE系統(tǒng)是大范圍穩(wěn)定系統(tǒng)。 針對(duì)第一代樣機(jī)中存在的不足之處，開(kāi)展了第二代樣機(jī)的研制工作。目前已經(jīng)研制成功第二代DHFPE的關(guān)鍵部件──數(shù)字閥和增壓式燃油噴射系統(tǒng)。采用試驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方法對(duì)數(shù)字閥閥芯優(yōu)化設(shè)計(jì)開(kāi)展了系統(tǒng)地研究。針對(duì)球閥、錐閥和滑閥三種數(shù)字閥閥芯，提出不同的液動(dòng)力補(bǔ)償方案，并給出閥芯設(shè)計(jì)參數(shù)與液動(dòng)力的關(guān)系曲線。當(dāng)閥口壓差較大時(shí)，傳統(tǒng)閥口射流流場(chǎng)仿真模型的計(jì)算誤差較大，鑒于這種狀況，

4、提出閥口紊流射流經(jīng)驗(yàn)數(shù)值仿真模型。該模型能考慮氣穴現(xiàn)象對(duì)液流物理性能的影響，從而提高了閥口流場(chǎng)的計(jì)算精度。根據(jù)DHFPE的特點(diǎn)確定其燃油系統(tǒng)采用增壓式燃油噴射系統(tǒng)。對(duì)增壓式燃油系統(tǒng)中的壓力沖擊現(xiàn)象和燃油噴射可控性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為DHFPE控制系統(tǒng)研制提供了試驗(yàn)依據(jù)。 本論文的主要內(nèi)容可分為6章，現(xiàn)分述如下： 第1章，闡述了HFPE研究背景以及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，論述了DHFPE系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，提出了本課題的研究

5、內(nèi)容。 第2章，依據(jù)第一代DHFPE樣機(jī)的實(shí)際參數(shù)建立了仿真模型，仿真結(jié)論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。在仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上分析了DHFPE與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)和燃燒特性上的差異，以及DHFPE設(shè)計(jì)參數(shù)與系統(tǒng)整體性能指標(biāo)問(wèn)的耦合關(guān)系。最后運(yùn)用相軌跡法研究了DHFPE的運(yùn)動(dòng)特性，并提出DHFPE穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件。在簡(jiǎn)化線性運(yùn)動(dòng)模型基礎(chǔ)上研究了DHFPE的幅頻特性， 第3章，閥芯液動(dòng)力補(bǔ)償是數(shù)字閥設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對(duì)不同類型

6、的數(shù)字閥，提出了不同的液動(dòng)力補(bǔ)償方法?；y閥芯設(shè)計(jì)中提出了縫隙滑閥結(jié)構(gòu)，以減小閥芯的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力和瞬態(tài)液動(dòng)力；球閥數(shù)字閥采用二次節(jié)流技術(shù)，減小閥芯運(yùn)動(dòng)阻力；錐閥閥芯設(shè)計(jì)采用阻尼套壓力補(bǔ)償法，該方法能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的欠補(bǔ)償或過(guò)補(bǔ)償。最后對(duì)閥口 射流流場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)流場(chǎng)內(nèi)氣穴現(xiàn)象及壓力分布進(jìn)行觀測(cè)和測(cè)量。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出閥口紊流射流經(jīng)驗(yàn)數(shù)值模型，該模型仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。 第4章，數(shù)字電磁鐵優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先介紹了數(shù)