基于AMESimMATLAB液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)仿真研究

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1、基于AMESim/MATLAB的液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)仿真研究0自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)(Free-PistonEngine，F(xiàn)PE)作為一種能夠適應(yīng)未來(lái)要求的新型內(nèi)燃機(jī)，近幾年發(fā)展非常迅速。[1-8]將自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和油泵進(jìn)行組合即得到了液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)(HydraulicFreePistonEngine，HFPE)，它實(shí)現(xiàn)了內(nèi)燃機(jī)和液壓泵的一體化設(shè)計(jì)，如圖1所示。液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，在工程機(jī)械和農(nóng)用機(jī)械領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。圖1液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)單活塞液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)(SinglePistonHydraulicFree-PistonE

2、ngine，SPHFPE)只有一個(gè)燃燒腔和一個(gè)自由活塞組件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單零件少，工作頻率即輸出流量控制可以通過(guò)開(kāi)關(guān)閥開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，制造成本低。雖然單活塞液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)的壓縮回復(fù)系統(tǒng)增加了復(fù)雜程度，但是又可以很輕易改變發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，振動(dòng)問(wèn)題是另一個(gè)挑戰(zhàn)。由于液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的曲軸式內(nèi)燃機(jī)相比在結(jié)構(gòu)上和原理上均有較大差別，所以對(duì)于進(jìn)行研制液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)講，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性研究是非常必要的。本文將通過(guò)AMESim/MATLAB聯(lián)合仿真技術(shù)對(duì)所研制的單活塞液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)進(jìn)行建模、仿真和動(dòng)態(tài)特性分析，并進(jìn)行試驗(yàn)研究。1SPH

3、FPE的工作原理SPHFPE的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，燃燒腔主要是由燃燒室及其配件組成的；高壓腔、泵腔和壓縮腔一起構(gòu)成SPHFPE的液壓部分。在SPHFPE中，活塞組件由直徑較大的泵活塞和直徑較小的控制活塞構(gòu)成，它的軸向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)吸油和排油。由于單活塞液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件，因此不可能通過(guò)飛輪將膨脹沖程的能量傳遞到其他沖程，所以它一般為二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，并且排氣閥和噴油器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用液壓驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)油壓均是由液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的高壓油。SPHFPE的高壓油有兩個(gè)輸出：①在壓縮沖程，活塞向左運(yùn)動(dòng)時(shí)由高壓腔輸出；②在膨脹做功沖程由泵腔

4、輸出。雙輸出可以減小輸出高壓油的脈動(dòng)。此外，SPHFPE中還要設(shè)置滿足超低工作頻率（小于10Hz）以及變壓縮比要求的控制油路。A燃燒腔B高壓腔C泵腔D壓縮腔a動(dòng)力活塞b泵活塞c控制活塞1出油單向閥2控制單向閥3頻率控制閥4補(bǔ)油單向閥5進(jìn)油單向閥6壓縮蓄能器7高壓蓄能器8低壓蓄能器9排氣噴油閥組圖2單活塞液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)原理圖2SPHFPE模型SPHFPE燃燒腔模型將通過(guò)MATLAB建立，而液壓系統(tǒng)將在AMESim中建立。2.1基本假設(shè)在對(duì)SPHFPE進(jìn)行仿真研究時(shí)，作如下假設(shè)：1假設(shè)燃燒腔氣缸內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)均勻，同一瞬間各點(diǎn)的壓力、溫度

5、、濃度處處相等。假設(shè)工質(zhì)為理想氣體，在整個(gè)循環(huán)中其物理及化學(xué)性質(zhì)保持不變。不考慮泄漏等的影響，工質(zhì)的總質(zhì)量保持不變，熱力循環(huán)是在定量工質(zhì)下進(jìn)行的，忽略進(jìn)、排氣流動(dòng)損失及其影響。[7][8]2用韋柏放熱函數(shù)代替燃料的實(shí)際燃燒過(guò)程。3忽略進(jìn)、排氣流動(dòng)損失及其影響，忽略噴油過(guò)程的影響。泵的進(jìn)油壓力（低壓油）和負(fù)載壓力（高壓油）為恒定值。2.2燃燒腔壓力變化模型根據(jù)文獻(xiàn)[7-9]及基本假設(shè)，取燃燒腔缸頭缸壁及動(dòng)力活塞頂部所圍成的邊界為控制面，所包圍的空間容積為控制體積。在SPHFPE工作過(guò)程中，所取的控制體的邊界在不斷變化。由熱力學(xué)第一定律：(

6、1)其中，—系統(tǒng)吸收的熱量，—系統(tǒng)內(nèi)能的變化量，—系統(tǒng)對(duì)外作功。對(duì)外所作的功可以表示為：(2)其中，—?dú)飧變?nèi)工質(zhì)的瞬時(shí)壓力，—?dú)飧兹莘e的變化量。4根據(jù)假設(shè)條件及比定容熱容得到理想氣體內(nèi)能的變化量和溫度的變化量之間的關(guān)系為：(3)其中，—?dú)怏w質(zhì)量，—比定容熱容，—溫度的變化量。由~式得到控制體中的能量守恒方程：(4)根據(jù)理想氣體狀體方程得到：(5)由和式得到SPHFPE燃燒腔內(nèi)工質(zhì)壓力模型：(6)根據(jù)式簡(jiǎn)化可以得到燃燒腔內(nèi)壓力變化方程：(7)其中，—?dú)飧兹莘e的瞬時(shí)體積，—工質(zhì)的絕熱指數(shù)。由單韋柏燃燒放熱函數(shù)得到的瞬時(shí)放熱率：(8)其中，—

7、SPHFPE的循環(huán)總放熱量，—燃料低熱值，—循環(huán)燃料量，—能量利用系數(shù)，—燃燒品質(zhì)指數(shù)，—燃燒持續(xù)時(shí)間。2.3液壓系統(tǒng)模型2.3.1液壓腔模型液壓腔模型將分為液壓腔體積流量變化模型和壓力變化模型，通過(guò)兩個(gè)模型的組合得到液壓腔內(nèi)壓力和出口流量計(jì)算模型。體積流量變化方程：(9)(10)其中，—液壓腔體積，—液壓腔活塞的直徑，—液壓腔活塞桿的直徑，—液壓腔活塞的初始位置，—液壓腔活塞的位移，—液壓腔出口的流量，—液壓腔活塞速度。下標(biāo)=1，2，3，分別表示高壓腔、泵腔和壓縮腔。壓力變化方程為：(11)其中，—液壓腔壓力，—油液體積彈性模量780

8、MPa，—液壓腔死區(qū)容積。根據(jù)以上分析，在AMESim中搭建的液壓腔模型，各種結(jié)構(gòu)參數(shù)均根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置。2.3.2單向閥模型單向閥完全開(kāi)啟前的流量與閥口壓降成線性關(guān)系，在此不考慮單向閥開(kāi)啟時(shí)滯后作用的影響