液壓自由活塞發(fā)動機運動特性及其數(shù)字閥研究.pdf

1、液壓自由活塞發(fā)動機（Hydraulic Free Piston Engine，以下簡稱HFPE）是近30年逐漸發(fā)展起來的新型動力裝置，它是將內(nèi)燃機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，實現(xiàn)動力非剛性傳輸?shù)奶胤N發(fā)動機。在HFPE中活塞組件是由內(nèi)燃機活塞與液壓泵活塞通過活塞桿直接剛性連接而成。和傳統(tǒng)發(fā)動機／液壓泵的組合動力相比，它省去了曲軸式內(nèi)燃機中將活塞往復(fù)運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動的曲柄連桿機構(gòu)，以及液壓泵中將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為泵

2、活塞往復(fù)運動的旋轉(zhuǎn)斜盤機構(gòu)。因此具有結(jié)構(gòu)簡單、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能等優(yōu)點。 本論文以雙活塞式液壓自由活塞發(fā)動機（Dual Piston HFPE，以下簡稱DHFPE）及其關(guān)鍵部件作為研究對象。在國家“863”高技術(shù)發(fā)展計劃項目和國家自然科學(xué)基金項目共同資助下，試制成功第一代DHFPE原理樣機。通過對DHFPE的試驗與仿真研究，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)。 針對第一代樣機中存在的不足之處，開展了第二代樣機的研制工作。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)。采用試驗與仿真相結(jié)合的方法對數(shù)字閥閥芯優(yōu)化設(shè)計開展了系統(tǒng)地研究。針對球閥、錐閥和滑閥三種數(shù)字閥閥芯，提出不同的液動力補償方案，并給出閥芯設(shè)計參數(shù)與液動力的關(guān)系曲線。當(dāng)閥口壓差較大時，傳統(tǒng)閥口射流流場仿真模型的計算誤差較大，鑒于這種狀況，

4、提出閥口紊流射流經(jīng)驗數(shù)值仿真模型。該模型能考慮氣穴現(xiàn)象對液流物理性能的影響，從而提高了閥口流場的計算精度。根據(jù)DHFPE的特點確定其燃油系統(tǒng)采用增壓式燃油噴射系統(tǒng)。對增壓式燃油系統(tǒng)中的壓力沖擊現(xiàn)象和燃油噴射可控性進行了試驗研究，為DHFPE控制系統(tǒng)研制提供了試驗依據(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樣機的實際參數(shù)建立了仿真模型，仿真結(jié)論與實驗數(shù)據(jù)吻合良好。在仿真和試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上分析了DHFPE與傳統(tǒng)發(fā)動機在運動和燃燒特性上的差異，以及DHFPE設(shè)計參數(shù)與系統(tǒng)整體性能指標(biāo)問的耦合關(guān)系。最后運用相軌跡法研究了DHFPE的運動特性，并提出DHFPE穩(wěn)定運行的必要條件。在簡化線性運動模型基礎(chǔ)上研究了DHFPE的幅頻特性， 第3章，閥芯液動力補償是數(shù)字閥設(shè)計中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對不同類型

6、的數(shù)字閥，提出了不同的液動力補償方法?；y閥芯設(shè)計中提出了縫隙滑閥結(jié)構(gòu)，以減小閥芯的穩(wěn)態(tài)液動力和瞬態(tài)液動力；球閥數(shù)字閥采用二次節(jié)流技術(shù)，減小閥芯運動阻力；錐閥閥芯設(shè)計采用阻尼套壓力補償法，該方法能實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)液動力的欠補償或過補償。最后對閥口 射流流場進行試驗研究，對流場內(nèi)氣穴現(xiàn)象及壓力分布進行觀測和測量。在試驗的基礎(chǔ)上，提出閥口紊流射流經(jīng)驗數(shù)值模型，該模型仿真結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好。 第4章，數(shù)字電磁鐵優(yōu)化設(shè)計。首先介紹了數(shù)