液压自由活塞发动机的实验研究

液压自由活塞发动机的实验研究赵振峰、张富军、黄英、赵长禄、郭峰毕业于中国机械与运载工程学院、北京理工大学1. 液压自由活塞发动机的实验研究2. 液压自由活塞发动机的原型开发。3. 实现样机稳定运行4. 详细提出和分析原型活塞发动机的实验研究。5. 对活塞动力学，燃烧过程和水力特性进行了实验验证。6. 指示热效率和平均指示有效压力已经由实验获得。关键词：液压自由活塞发动机、实验、燃烧过程、活塞动态液压自由活塞发动机的原型已经开发出来，直接实现高效的能量转换燃料的化学能到液压能。在稳定运行状态下，为了验证这种发动机的特性，活塞动力学，燃烧过程和水力特性是通过一系列的原型的测试研究。实验结果表明，大多数的燃料燃烧中的快速燃烧阶段这是由于在压缩冲程的最后部分的高活塞速度。燃烧的特征是恒定的体积的过程。此外，指示热效率和在本研究中提出的原型的指示平均有效压力分别为 41和 5.2bar.1.介绍随着工业技术的发展，能源危机和环境污染已成为世界各地的两个严重的社会问题。因此，提高燃油价格和严格的环境立法存在很大的挑战内燃机的设计师。正在投入更多的研究工作进入发动机技术，旨在降低发动机排放，提高效率。虽然一些研究人员仍然在努力改善和优化常规发动机的性能，其他研究人员正在致力于探索和研究更高效的非常规的引擎。自由活塞发动机是一种非常规的发动机具有简单性和操作灵活性的特点，它从发动机的研究人员得出的注意大量。先进的微处理器为基础的控制系统和现代发动机技术，如电子控制燃油喷射和气门驱动系统显著推动这一研究的发展作为自由活塞发动机的改进操作控制的结果，为各种运行条件增强优化的可能性。自由活塞发动机是一种线性 crankless发动机，其中往复运动的活塞与一个线性负载装置，如液压泵或电功率2-4 直接耦合。自由活塞概念最早是在20世纪 30 年代提出的佩斯卡拉，它的成功应用是压缩机及气体发电机组在20世纪中叶。对自由活塞发动机的历史背景研究，液压自由活塞发动机和自由活塞发电机的优势，可以在参考文献中找到，在这里作者不会给更多的描述。液压自由活塞发动机集成的内部燃烧过程发动机和液压泵。和从燃烧过程中释放的能量直接转化成液压能。这种有前途的方法比，因为它简单，它允许更紧凑的结构，减少了摩擦损失，降低维护成本和更高的操作灵活性传统技术的潜在优势。此外，消除曲轴机甲 -anism 的导致的可变压缩比它适合于多种类型的燃料的有价值的特性。在过去的几十年中，涉及到液压自由活塞发动机的研究已经进行了由任何研究机构或大学。这家荷兰公司伊纳斯 BV 公司开发出一种单活塞液压自由活塞发动机样机，并 Achten 等。给了一个描述。他们比较了液压自由活塞式发动机与传统发动机的活塞动力学。周围上死点 （TDC ）更高的活塞加速度被重新移植，并在膨胀冲程期间，活塞速度明显高于在传统发动机更高。高部分负荷效率，由于采用 PPM （脉冲暂停调制）控制和高效率的指示进行了报道。技术和赫尔辛基理工大学坦佩雷大学前 - sented在细节的双活塞液压自由活塞发动机的建模与仿真，配单活塞液压自由活塞发动机相比性能特点。可以发现，在活塞速度和双活塞发动机的加速是由于较重的活塞组件的低洱比单活塞发动机。报告的压缩比和气缸明镜气体压力周期到周期的变化。其他研究小组，如钠周志武汽车和燃料排放实验室，美国环保局， FEV 发动机技术公司，和丰桥技术科学大学，也进行了一系列的对液压自由活塞吨级的研究发动机，但只有一小部分的原型已成功地开发。截至目前为止，已经进行了研究的很多只专注于性能仿真和液压自由活塞发动机与传统发动机的活塞运动轨迹的比较。不对称的活塞吨运动曲线相对于TDC ，围绕 TDC 更高活塞加速度和更高速度的活塞的膨胀冲程比在压缩冲程期间被报告为从传统发动机的主要差异。虽然液压自由活塞发动机的特点被一些开发商简要讨论，很少有研究论文已已发表的有关实验研究从连续运行宁原型，特别是关于燃烧过程，这是用的最多的细节重要的课题为研究这种发动机。本文的目的主要集中在实验方法研究液压自由活塞式发动机的特性以及施加在燃烧过程中活塞运动的亲文件的影响进行审查和讨论。2.液压自由活塞发动机原理这里所研究的液压自由活塞发动机是一种特殊的发动机，它结合所述的内燃机，没有任何其它机械系统中的往复活塞泵。燃料的燃烧能量可以通过刚性的活塞组件被直接转换为液压能，并在传统的发动机中常见的曲轴销。显示了液压自由活塞发动机的工作原理ING 。即从现有的这种发动机的不同，内燃机部件，其特征在于由一个直流扫气系统，它提供了一个更好地清除质量比循环清除系统。但是，这也提出了更高的技术挑战。排气阀系统不能像传统发动机的凸轮轴正时，对于活塞移动自如，之间的两个端点，而往复运动是阻止，开采的气缸内气体压力的瞬时平衡旋转机构来驱动中，液压力和摩擦力。因此，排气阀必须进行控制及驱动快速，准确地根据所述活塞的位置。在此原型中，液压排气阀系统的开发和装备在汽缸盖。所述活塞组件的运动不是由曲轴限制。活塞组件由动力活塞，泵活塞和活塞反弹这是由活塞杆刚性连接的。蓄能器用作可逆储能装置提供能量的压缩冲程。根据原理图，工作过程可以简要描述如下：在压缩冲程中，活塞组件的 DRI - 法师通过从蓄能器的液压能量以 COM- 压机燃烧气缸中的气体。在同一时间，泵的活塞，通过吸入阀吸入的低压油。当所述活塞组件接近 TDC ，燃料被喷入燃烧室并燃烧。在膨胀冲程期间，燃料的能量由液压系统所吸收。它推动活塞组件朝向下死点。高压油通过压力阀输出由泵活塞。最后，压缩活塞推 COM 压缩油到累加器一次。所提供的能量从蓄能器，以在所述活塞组件由频率控制阀来控制。该阀决定了操作频率的发动机。只要该阀关闭时，活塞将居住在 BDC 的高压油推动活塞反弹吨。当阀门打开时，一个新的行程将开始。液压自由活塞式发动机的工作过程的详细描述可以在文献中找到。3.液压自由活塞发动机样机3.1.原型制造和规格液压自由活塞发动机的原型，其示于图 2，与表 1 中给出的规范，已经建立以验证上面所讨论的技术方案的可行性。原型是单活塞的配置，两冲程，直喷和压缩点火柴油发动机，单流 scaveng-ing与液压驱动排气门。活塞位移传感器，气缸压力传感器和液压压力传感器获得的运行状态的系统，并提供信号给控制器。根据这些信号，控制器计算控制参数，如燃料喷射正时和燃料喷射持续时间，排气阀定时和排气阀的持续时间。图 1 液压自由活塞发动机配置的示意图。图 2 液压自由活塞发动机的原型。3.2.原型的控制策略与单活塞式液压自由活塞发动机相关的主要控制的挑战是要保持发动机运转在稳定的状态，因为活塞是 自由。该控制策略必须实现保持活塞运动的终点在紧迫的限制的要求。需要 BDC 的精确控制，以确保活塞可停在正确的位置。这样的定位使得有可能实现发动机输出流的 PPM 控制，并保证在发动机缸 - INDER 高效的清除。在 BDC 控制策略已被实现，通过控制根据活塞位置反馈信号的燃料输送。TDC 位置必须在窄幅区间内经由控制蓄能器的液压控制，以确保有足够的高压缩比燃油汽车点火。另一挑战是控制定时和燃料喷射和排气门的持续时间，因为这些变量是密切相关的活塞运动。喷油时序和持续时间的控制是显著减少周期到周期杂物，系统蒸发散，避免过多的气缸内气体的压力。此外，这些参数可以使用下列方法对压缩比N 和燃烧过程的优化。因为活塞没有被曲轴约束，控制器必须提供排气阀的正确和精确的命令，以避免在正常发动机运行 ning 和失火期间，活塞和排气门之间的碰撞。当控制器检测到一个可能的失火，通过一组位置通过在预测的活塞速度，控制器将关闭排气阀或不会打开它们。同时，喷射正时和持续时间，排气阀定时和持续时间用于优化的热效率并减少发动机的排放。4.样机测试结果及分析4.1.实验装置为了实现发动机测试中大量的设备重新quired 来测量发动机动力学的燃烧过程和水力特性的参数，以及原型本身。该试验台是示于图3 和测量设备列于表 2 中。一种压力传感器，直接放置到汽缸头这是用于发动机动力和燃烧过程ANALY -SIS。燃烧分析的另一重要的输入是燃烧的气缸容积，它是由活塞位置推导。为了直接测量瞬时活塞位置，激光位移传感器施加和测量方法进行了详细的以前的工作中所述。信号采集卡是由美国国家仪器公司和数据采集软件开发在 LabVIEW 环境。采样频率设定在100 千赫所有两个通道，每个通道具有50 kHz 的活塞位移和汽缸气体压力数据采集分别的能力。在图3 中的其他信号所示，传送到一个多功能数据采集卡和每个信道被给予5 千赫。4.2.活塞动力学和发动机的工作特性在稳定运行条件宁原型的活塞运动轨迹测量和它的一部分如图4 所示。活塞位置的曲线形状是显著从该曲轴的发动机的不同。在液压自由活塞发动机，在活塞组件，其作用的力量决定了活塞动力学和运动。根据这种发动机的工作原理，发动机运行的频率可以通过在频率控制阀（在图 1 中示出），改变活塞的停留时间在 BDC 进行控制。在这种情况下，发动机运行的频率设定为10 赫兹。滞留时间大约是 75 毫秒。活塞停止周围的BDC 之前的弹跳可以清楚地看到从图4 。当活塞到达 BDC 具有非常高的速度，在所述压缩室中的油将是压缩的。活塞的动能和液压能转换成彼此在活塞弹跳过程，直到活塞停止在BDC 。液压自由活塞发动机的特定活塞运动轨迹进行了模拟和自由活塞式发动机与传统发动机的主要区别已经比较了许多作者。活塞运动曲线是已知的在膨胀冲程过程中是不对称的相对于TDC 和活塞速度比在压缩冲程中更快和更高的活塞的速度和加速度的特性的报道。这些功能可能十字形ENCE 气缸内气体的运动和燃烧过程。图。图 5a 示出了一个完整的周期，它是由活塞位移传感器信号的日期所产生的活塞位置的曲线。这些特征和活塞动力学的细节清楚地表明在该图中。可以看出，该活塞运动是不对称的，这是由于缺乏cranktrain 的。因为活塞运动是通过气缸内的气体压力和液压的力控制，较大的力差导致比在压缩冲程（CS）的时间消耗在膨胀冲程（ES）略短的时间。除了在压缩冲程和膨胀冲程中，有一个弹跳和停止阶段的完整周期，这是从传统发动机不同。同的测量活塞位置信息的知识由位移传感器，活塞的速度和加速度，计算在该循环。图 5b 和 c 示出了活塞的运动速度和一个周期的同一时间内的活塞加速度曲线坐标。图 3 实验设置。图 4 测定原型的活塞位置。图 5 示出了在压缩冲程的活塞峰值速度比在膨胀冲程低。在这种情况下，在压缩冲程的活塞峰值速度约为 10 米/秒，但是，它为 14 米 /秒的膨胀冲程。其原因可以归因于不同的力在压缩冲程和膨胀冲程过程中作用在活塞总成。液压自由活塞发动机，从浓度的主要区别ventional 引擎是围绕贸发局相对较高的活塞加速。这个特定的特征，可以发现从活塞如图加速度曲线。液压自由活塞发动机拥有约贸发局极高活塞的加速度时，气缸内气体压力达到峰值。活塞动态参数直接相关于所述活塞组件，其作用的力。由于气缸内气体压力支配的周围TDC 活塞的成果 ing 力，在这一点上的力在活塞上的和为最大。因此加速度达贸易发展局围绕它的最大价值。与此相反，该加速度下降到周围 BDC 最小值。在若干个周期的速度和活塞位置之间的关系示于图 6 。由于活塞是 自由 在发动机运转时，活塞吨动力学的周期到周期的变化是可见的，尤其是在 BDC 。由于活塞的运动是由所述活塞组件的瞬时力的平衡来确定，周期到周期的变化，在燃烧亲塞斯，这主要受燃料喷射量的变化，导致每个循环中的不同气缸的气体压力。此外，液压不可能完全在每个周期中是相同的。所有这些因素导致活塞动力学的周期到周期的变化。在最初的几次循环发动机刚起动后，这些差异也较明显。然而，丢弃最初的几次循环（约 100 周期），可以得到图中所示的曲线 7。可以看出，该周期到周期变化是比图 2 所示的所有循环好得多。这表明活塞吨动力学的周期到周期的变化变小，当发动机在 STA- BLE 情况运行。从图 7可以看出， TDC 的变化是非常小的。本实验结果表明， TDC 的变化为小于 1 毫米，相对变化到整个行程（ 110 mm）为小于 0.9。然而， 1mm 的 TDC 错误将导致 VAR- iation 从 12.9 实际压缩比为 14.8 ，相对变化约 12.8 。动态参数杂物，蒸发散在压缩冲程中，是少于在 EXPAN - 锡永冲程由于较少的液压的变化相对于燃烧循环的变化。它也可以注意到，不对称性的尝试在压缩冲程和膨胀冲程是显而易见的。如上所示活塞动力学的这些特性可在气缸内影响气体运动时，热量传递到气缸壁与燃烧室中的燃烧期间的体积变化率，并由此影响液压自由活塞发动机的整体性能。图 5 测得的一个完整周期的活塞动力。图 6 为在所有循环活塞速度的函数。图 7 作为在稳定运行的活塞速度的函数。4.3.燃烧过程燃烧过程的分析受所测量的活塞位置和内筒中的气体压力的影响。热释放速率和内筒的气体温度分别从测量的数据来计算。图8 示出的活塞位置，热释放速率，燃料能量的热释放率，气体压力和温度范围内筒作为时间的函数。热释放速率曲线，点 a 表示的起始燃料喷射，点 b 为燃烧开始时，点 c 对应的是缸内气体压力峰值的 C 点， D 点对应于气缸的峰值温度 D 的点，并且点 E 对应的点燃烧 E 的端它从图中可以看出。在燃烧过程中在三种可区分阶段燃烧的收益。第一阶段是迅速燃烧阶段（BC）这是主要的热量释放期，持续约1 毫秒。在这种状态下，燃烧速率是非常高的和热释放率的峰值发生在这个阶段。约70的燃料的燃烧在此阶段，这是从传统发动机不同。这个现象可以解释为：活塞动力学是从传统的发动机，其具有 TDC 附近内的高流速和更快速的压缩不同。这些特点增加了气体湍流，并导致更多的燃油与空气混合迅速在点火重刑延迟时间。当开始燃烧，燃料，这与空气混合并完成了可燃极限，燃烧说唱袖手旁观其特点为预混燃烧。与此同时，活塞仍然迅速压缩气体朝向上止点。这些影响不仅会导致气体湍流和燃烧速度的增加，同时也导致气缸内的气体迅速上升的压力。如该图所示 9。上止点前压力上升的峰值大约为 130 巴/毫秒。 大部分燃料在液压自由活塞发动机燃烧的预混合阶段，产生具有二至五倍的压力梯度非常高的热释放速率比可比的常规发动机。有人指出，贸发局围绕高活塞速度，增加气缸内的气体运动和湍流水平占预混的燃烧的较高部分相对于传统发动机。当活塞速度在上止点后反转，高活塞 veloc 性导致大体积变化率燃烧亲塞斯期间。由于各地贸发局的加剧体积膨胀的结果，气缸内气体的压力和温度急剧下降。这使得该燃烧环境比较差，并导致燃烧过程的早期结束。这个功能也可以从压力上升速率曲线检测为示于图 9 。最小压力上升速率是 EXPAN - 锡永行程中约 -70 酒吧 /毫秒。在传统的发动机中，活塞运动曲线由曲轴确定。飞轮的转动惯量高，使活塞运动为正弦曲线。相对缓慢的活塞速度提供了足够的时间用于燃烧过程。持续时间从 c 到 d 点的放热曲线称为慢燃烧阶段。有时热释放速率可在此阶段达到第二峰值。液压自由活塞发动机，如何以往任何时候都缓慢燃烧阶段很短的特点是贸发局后，高活塞向下的速度。它从图 8 中可以看出，由于短期缓慢的燃烧过程导致气缸内气体温度低。总之，液压自由活塞发动机的燃烧过程有两个显着特征。首先，大多数的燃料燃烧中的快速燃烧相位缓慢燃烧阶段很短。这两个功能可能会在发动机排放一定的影响。的HC 和 CO 排放量可能会增加，由于低温和短氧化时间的缓慢燃烧相位。在更短的时间在该循环的高温部分使用了会降低循环效率，导致汽缸传热损失的减少。 Mikalsen 和 Roshkilly 表明，由于在气缸内传热的热损失降低约 7和 NO 的形成是在较低的自由活塞式发动机相比，传统的发动机通过仿真。图 10 示出了气缸内的气体压力为音量的功能。根据液压自由活塞发动机的燃烧过程的前面的分析，大部分燃料燃烧发生在快速燃烧相位接近TDC ，导致了几乎不变的体积燃烧过程中，如图10 所示，根据 P-V 图中，指示热效率和平均指示有效压力 （ IMEP ）可以计算得到。在这个实验中的情况下，发动机的指示热效率是 41 时， IMEP 是 5.2 巴。这些数据表明，由于在自由活塞发动机具有等容燃烧过程，因此高 er 效率可以预期在高 IMEP 条件的低 IMEP 条件良好的效率。图 8 测样机的燃烧过程数据图 9 压力升高率图 10 测得的压力 - 容积图。图 11 测量泵腔压力和活塞位置。图 12 泵输出的压力测量位置曲线4.4.水力特性根据液压自由活塞式发动机的工作原理，在往复运动的活塞组件转换燃料能量转换成液压能。图11 示出了泵室的测得的压力，并且活塞的位置，这清楚地表明，泵的压力和活塞位置之间的关系。在压缩冲程（CS）中的低压油被吸入到泵室中，并在膨胀冲程（ ES）中的高压油被输出。在膨胀冲程开始时，随着活塞的速度在上止点反转和活塞行进朝向BDC 时，吸入阀应该被立即关闭。但是，因为开口元件的动力学的一个延迟阀门关闭，从而导致压力递增ment 在泵室中的延迟。在泵室中的压力不能立即增加，当活塞逆转在TDC ，直到吸入阀关闭。同样的情况发生在膨胀冲程结束时，当活塞反弹到TDC 从 BDC ，在所述泵腔中的压力将减小由于油体积增量。因为输出止回阀的延迟但是，在该泵室中的压力提供了一个延迟，如图11 所示，在泵操作的分析变得容易，当泵室压力被绘制为图 12 所示的活塞位置的函数。曲线的方向为顺时针方向和进气行程开始位置是在 BDC 。可以发现，在 TDC 期间泵室压力曲线是 REL-atively 低，这是压缩的，只有当吸入阀关闭。压力峰值是显着高于负载压力（ 150 巴） ，是由活塞加速引起的。压力振荡，该计算过程的输送冲程中也观察到。因为在泵室中的压力不能 TDC 之后迅速增加时，液压油的负载不能作用于所述活塞组件紧接 TDC 之后，而这可能会影响发动机的燃烧过程。从图 11和 12 ，可以看出，该液压负载作用在活塞时活塞的位置是大约后。因此，止回阀响应的改进是必要的液压自由活塞吨的发动机，进一步验证单向阀的响应时间对燃烧过程的影响。5.结论20mm TDC 之然而，需要以液压自由活塞发动机样机已经开发并实验研究，已经呈现稳定 oper-振动原型。实验结果表明，活塞动力是不对称的，它消耗多一点的时间，而在压缩冲程的活塞峰值速度约为10 米 /秒和 14 米 /秒的膨胀冲程。结果发现，约70的燃料被烧毁在快速燃烧阶段。在实验的情况下，原型的指示热效率可达到 41和平均指示有效压力为 5.2 巴。进一步的工作将集中在的 COM- 最优控制燃烧过程和排放测量。液压自由活塞发动机的总效率将通过测试的液压输出功率进行评估。此外，均匀的效果带电压燃 （ HCCI ）的操作，以及这台发动机的 MUL- TI 燃料适应性要进一步进行调查。References1Mikalsen R, Jones E, Roskilly AP. 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