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，它是將內燃機和液壓泵集成為一體，以液體為工作介質，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，它省去了曲軸式內燃機中將活塞往復運動轉換為旋轉運動的曲柄連桿機構，以及液壓泵中將旋轉運動轉換為泵

2、活塞往復運動的旋轉斜盤機構。因此具有結構簡單、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）及其關鍵部件作為研究對象。在國家“863”高技術發(fā)展計劃項目和國家自然科學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的工作頻率與工質壓縮比間

3、存在單調遞增的函數(shù)關系，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。目前已經研制成功第二代DHFPE的關鍵部件──數(shù)字閥和增壓式燃油噴射系統(tǒng)。采用試驗與仿真相結合的方法對數(shù)字閥閥芯優(yōu)化設計開展了系統(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，并給出閥芯設計參數(shù)與液動力的關系曲線。當閥口壓差較大時，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研究背景以及國內外研究現(xiàn)狀，論述了DHFPE系統(tǒng)需要解決的關鍵技術問題，提出了本課題的研究

5、內容。 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設計參數(shù)與系統(tǒng)整體性能指標問的耦合關系。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)字閥設計中的一個關鍵環(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閥芯設計中提出了縫隙滑閥結構，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，減小閥芯運動阻力；錐閥閥芯設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，對流場內氣穴現(xiàn)象及壓力分布進行觀測和測量。在試驗的基礎上，提出閥口紊流射流經驗數(shù)值模型，該模型仿真結果與實驗結果吻合良好。 第4章，數(shù)字電磁鐵優(yōu)化設計。首先介紹了數(shù)