液壓自由活塞柴油機的做功影響因素分析

張栓錄，趙長祿，鐘科2，趙振峰

（1.北京理工大學機械與車輛學院，北京100081；2.重慶鐵馬工業集團有限公司，重慶400050）

液壓自由活塞柴油機的做功影響因素分析

張栓錄1，趙長祿1，鐘科2，趙振峰1

（1.北京理工大學機械與車輛學院，北京100081；2.重慶鐵馬工業集團有限公司，重慶400050）

在研制的二沖程單活塞式液壓自由活塞柴油機（HFPDE）原理樣機試驗平臺上，通過對發動機壓縮膨脹過程中活塞的受力情況的分析，得出了影響HFPDE指示功大小的主要因素為燃油預噴油量、燃油開始噴射時活塞的位置以及排氣門開啟時刻。為分析這些影響因素對HFPDE做功的影響規律，研究了不同噴油時刻及預噴油量對循環指示功的影響，發現燃油開始噴射時刻對HFPDE的指示功影響主要來源于壓縮過程中活塞速度的波動。在工作壓力為25 MPa工況下，預噴油量對循環指示功的影響主要表現為上止點的變化。展開不同排氣門開啟位置對HFPDE做功的影響規律研究，研究結果發現：排氣門開啟時刻越早，對應的平均指示壓力越低，最終降低了發動機的熱效率。

動力機械工程；受力分析；自由活塞柴油機；指示功；指示熱效率

0 引言

自由活塞發動機采用二沖程發動機原理，與傳統四沖程發動機相比具有較高的功率密度，符合目前軍用動力高功率密度的發展趨勢。近10年，電控液壓技術的進步使得液壓自由活塞發動機成為國內外研究的熱點［1-4］。對于自由活塞發動機，研究者們主要側重于自由活塞的數學模型［5-6］、熱力學與動力學參數匹配［7-8］、新型燃燒方式［9-10］、影響其循環穩定的因素以及穩定性控制方法［11-14］。對影響其做功能力的描述也進行了定性的分析，但并沒有特意從做功角度對自由活塞發動機進行研究。

本文結合所研制的單活塞式液壓自由活塞柴油機（HFPDE）樣機，分析了發動機在壓縮膨脹過程中活塞的主要受力情況，探討了壓縮膨脹各個階段的活塞的主導力，還探討了上止點（TDC）附近HFPDE泵腔壓力建立滯后的因素。基于對活塞的受力分析進一步研究了特定工作壓力條件下不同噴油位置（噴油時活塞距上止點的位置）、不同循環噴油量對循環指示功的影響，最后討論了不同排氣門開啟時刻對平均指示壓力及指示熱效率的影響，從而為發動機的設計優化提供了方向。

1 HFPDE原理樣機及試驗測試系統

1.1HFPDE工作過程

單活塞式HFPDE樣機的基本原理如圖1所示。HFPDE為直流掃氣兩沖程發動機，其動力腔主要是由燃燒室及其配件組成的，掃氣過程為直流掃氣，排氣門和噴油器驅動采用液壓驅動方式，進氣由羅茨泵供給。驅動油壓來自系統輸出的高壓油路；高壓腔、泵腔和壓縮腔一起構成HFPDE的液壓部分。HFPDE通過由直徑較大的泵活塞和直徑較小的壓縮活塞構成的活塞組件的軸向移動實現從低壓油路的吸油和向高壓油路的排油［15］。電控噴油及排氣信號源由激光位移傳感器提供。表1為原理樣機原始的具體參數。

表1　原理樣機主要設計技術參數Tab.1 Main technical parameters of HFPDE prototype

1.2HFPDE試驗系統

HFPDE試驗系統是一個復雜的多參數采集與控制系統，為了方便液壓系統參數的調整，在輸出端連接一個壓力可調的高壓油源系統，用于負載壓力的調節，同時壓縮油路通過與高壓油源系統和低壓油源系統的連接，也可對壓縮腔壓力進行調節。壓縮壓力由壓縮蓄能器提供，設計壓力為15 MPa；泵端輸出高壓液壓油，設計輸出壓力為25 MPa，可以在試驗過程中根據試驗需要調整系統輸出壓力和壓縮腔壓力，為HFPDE的參數影響規律研究和優化匹配研究提供條件。

圖1　HFPDE原理圖及測試系統Fig.1 Configuration of HFPDE

圖1展示了整個試驗的測試系統，主要包括原理樣機、控制系統、上位機控制與標定系統和數據采集系統。試驗平臺中配備了氣缸壓力傳感器、液壓壓力傳感器、活塞位移傳感器、進氣壓力與溫度傳感器等，用于各關鍵參數的測量，各傳感器的技術參數如表2所示。

2 HFPDE受力分析

2.1壓縮過程受力分析

為了研究HFPDE自身特性對其做功的影響，需從活塞受力的角度對循環過程進行分析，圖2為活塞所受各個壓力腔的壓力、氣缸壓力以及活塞合力。圖3為在對各液壓力及氣缸壓力測量的基礎上，繪制的各力受力變化曲線。從力的合成角度來看在壓縮過程前期活塞所受合力主要由控制腔液壓力控制，直到氣缸內壓力達到一定值時氣缸提供的壓力才變為主導活塞運動的力。在TDC附近，即到TDC之間包含了發動機的著火過程，這一過程氣缸壓力完全成為活塞的主導力。

表2　原理樣機主要測試傳感器參數Tab.2 Main technical parameters of sensors

圖2　HFPDE活塞受力圖Fig.2 Force analysis of HFPDE piston

圖3　活塞各向受力與位移隨時間的變化關系Fig.3 Force and displacement of piston vs.time

2.2膨脹過程受力分析

由圖3可知，活塞在膨脹過程中主導力經歷了兩個階段：TDC到泵腔壓力建立（t2時刻）過程中，氣缸內由燃燒產生的巨大壓力占主導地位；隨著泵腔壓力的建立及活塞的快速膨脹（t2時刻以后）控制腔壓力與泵腔壓力成為作用在活塞上主導力。顯然膨脹過程中，影響活塞運動規律的作用力來自于缸內氣體壓力和液壓端的液壓力。在膨脹沖程中，阻礙活塞運動的液壓力是控制腔壓力和泵腔壓力，而加速活塞運動的是缸內氣體壓力和回彈壓力。

在整個循環過程中，試驗系統采集的泵腔壓力如圖4所示。當TDC附近缸內氣體壓力達到最大值時，泵腔壓力還未建立，壓力值較小，因此活塞加速度也接近最大值，此時泵腔壓力對減小缸內容積變化率作用有限。事實上，泵腔壓力的建立需要一定的時間，造成泵腔在TDC后建立高壓存在延遲的原因主要是單向閥的響應時間長［16］。

圖4　泵腔壓力與位移隨時間的變化關系Fig.4 Pressure and displacement of pump chamber vs.time

由以上分析可知，泵腔壓力建立的滯后性受到單向閥響應的影響，文獻［15］采用改善單向閥落座響應能力來緩解這一情況，但仍存在滯后。因此，HFPDE在TDC后一段時間內活塞處于近似的單向受力狀態。燃油燃燒后產生的大量熱量，使得氣缸內混合氣壓力在TDC前急劇上升，而膨脹階段開始后，并沒有直接受到阻礙作用而快速膨脹，這直接導致了壓力的快速降低，影響到TDC后的燃燒。

以上分析可知缸內燃燒過程是決定膨脹過程的關鍵，而影響缸內燃燒過程的條件除了膨脹速度制約外，還直接受到燃燒初始條件的約束，因此可以斷定燃燒的初始條件對發動機的慣性力有直接影響，尤其是噴油量與噴油位置，這兩個參數直接影響到缸內燃燒過程。此外，排氣門的開啟時刻也會影響到缸內氣流組織及殘余廢氣量，這些參數勢必影響到發動機下一循環的燃燒，對發動機性能產生影響。由于燃燒過程與膨脹過程活塞所受的慣性力、活塞速度相互耦合，解耦困難，因此為定性分析噴油量與噴油位置對發動機燃燒過程的影響，采用指示功分析法來評價參數的優劣性。

3 HFPDE指示功變動分析

以上進行了HFPDE的工作過程的受力分析，并將其與傳統發動機作對比。事實上活塞的受力與發動機的燃燒過程相互影響。為進一步研究發動機的性能，對HFPDE不同工況的指示功及指示效率及影響因素進行了分析。

3.1噴油提前量對做功的影響

為研究噴油提前量對HFPDE的對外做功特性的影響，選取了TDC前不同噴油位置但噴油量相同的幾個循環作為研究對象，如圖5所示。結果表明：TDC前噴油位置過大，將導致噴入氣缸內的柴油提前著火，而活塞繼續向TDC靠近，最終導致等容度下降，影響其指示功輸出。相反，適當的減小噴油提前位置能夠提高發動機的等容度。從活塞受力分析來看，由于活塞慣性力在燃燒階段受氣缸內氣體壓力主導，而發動機提前著火使得氣缸壓力上升，造成活塞受力正向增大，進而加速度提前增大，使得活塞提前減速，TDC位置右移。而正因為TDC的變化使得氣缸壓力上升空間減小，并不能像傳統發動機一樣產生大的爆發壓力，指示功并不能提高。相反，噴油位置適當的向TDC靠近，使得著火點接近TDC，著火時氣缸體積較小，生成較高的爆發壓力，而此時活塞主要受缸內氣體的反彈力作用向缸蓋附近移動有限，最終導致缸內混合燃料近似地等容燃燒。但是需指出的是，當噴油提前位置過小時，噴入氣缸內的柴油燃燒放熱時膨脹過程已經開始，活塞快速膨脹，壓力下降較快從而影響到發動機的指示功。

圖5　不同噴油提前量對應的指示功圖Fig.5 Effects of different fuel injection positions on indicated work

值得注意的是，在圖5中不同的噴油位置并未導致缸內最大爆發壓力的明顯波動，這與傳統發動機有很大不同，傳統曲柄連桿式發動機的活塞位移曲線取決于連桿長度、曲柄半徑及曲軸轉角，當噴油提前角不同時，必然導致著火點不同，而氣缸容積大小不會受到著火時刻的影響，因此缸內的最大爆發壓力將會不同。自由活塞發動機由于活塞不受約束，雖然噴油時刻的提前會導致預混燃燒量增加，但發動機著火后缸內壓力升高而引起的活塞減速過程是相似的。即缸內壓力達到某一水平時減速過程完成，膨脹過程開始，缸內壓力不再升高，缸內壓力與活塞減速過程有關，當負載一定時，在允許范圍內改變噴油時刻將不會大幅度改變缸內壓力。圖5表明影響循環指示功大小的主要段位于TDC前，而TDC后的指示功差異不大。由于HFPDE存在循環波動，下止點（BDC）的波動勢必造成壓縮過程輸入能量的波動，盡管噴油觸發位置未發生改變，而由于活塞在壓縮過程中速度的變化將會導致實際的噴油位置的偏移。從而造成HFPDE指示功變化。

3.2預噴油量對指示功的影響

發動機指示功的輸出除了與噴油位置有關以外還與噴油量有直接的關系。本文原理樣機所采用的噴油器（HEUI）為美國卡特皮勒公司的HEUI，測試噴油量的儀器為 Inov8 AKRIBISⅡ，供油壓力為16 MPa.由圖6可看出，HEUI噴油規律存在一個預噴期，在發動機10 Hz工作狀態下，噴油信號較短，噴油速率形狀呈現三角形。由于預噴油量對發動機做功有直接影響，為研究HFPDE的預噴油量對輸出指示功的影響，選取了幾個不同預噴油量工況下的循環，如圖7所示。由圖7可見，隨著預噴油量的增加，活塞最大位移處距TDC的距離增加，這與較大預噴油量導致較大的壓升率，從而使活塞減速較快有關。

圖6　HEUI噴油規律Fig.6 Fuel injection characteristics of HEUI

在發動機著火以后，活塞所受外力除去氣缸壓力外其他液壓力近似于常數。根據能量守恒，從發動機著火到活塞到達TDC，活塞著火時具有的動能與其他液壓力對活塞做功之和等于這一過程中氣缸壓力對活塞做的功。

為了方便分析不同循環預噴油量下，指示功圖中TDC的不同、最大爆發壓力也不相同的原因，假設氣缸的作用力在著火以后按線性增長。顯然由于預噴油量的增加將會導致較高的壓升率，從而進一步加強缸內氣體對活塞的阻礙作用，從而使得活塞到達TDC的位置提前。由于不同預噴油量下，HFPDE的TDC并不一致，在統計不同預噴油量工況下得出最大爆發壓力與X（著火位置與活塞實際TDC的位置之間的距離）之間的關系如圖8所示。

圖7　不同預噴油量下對應的指示功圖Fig.7 Effects of different fuel injection quantities on indicated work

圖8　不同預噴油量下缸內最大在爆發壓力與X的關系Fig.8 Relation between maximum in-cylinder pressure and X under different fuel injection quantities

由圖8可知，不同預噴油量工況下，試驗獲取的最大爆發壓力與X表現出相反的趨勢。而最大爆發壓力隨著預噴油量的增加而增加，這是由于預噴油量增加導致的較大的壓升率，使得最大爆發壓力上升。

3.3排氣門開啟時刻對指示功的影響

發動機的進排氣是組織燃燒的必要環節，進排氣的設置參數對發動機的性能影響較大。由于本文HFPDE采用的液壓氣門，因此可實現可變氣門正時及升程，從而直接優化發動機的燃燒，進而改進發動機的整體性能。此外，由于液壓系統的波動可能導致的氣門正時的改變對發動機做功產生一定的影響。因此本文研究不同氣門開啟時刻對容積效率、平均指示有效壓力（IMEP）、指示熱效率以及缸內最大爆發壓力的影響規律，如圖9和圖10所示，圖中氣門開啟位置以氣缸蓋與氣缸接觸平面為參照零點。

圖9　不同氣門開啟時刻對容積效率及IMEP影響規律Fig.9 Effects of different exhaust value opens on volumetric efficiency and IMEP

圖10　不同氣門開啟時刻對指示熱效率以及缸內最大爆發壓力的影響規律Fig.10 Effects of different exhaust value opens on indicated thermal efficiency and maximum in-cylinder pressure

盡管二沖程發動機在換氣過程中沒有泵氣損失，但排氣門開啟時刻對掃氣功有直接影響。圖9和圖10表明，隨著排氣門開啟時刻的提前，IMEP降低，容積效率變大。這主要是因為排氣門過早的開啟使得缸內壓力提前下降，從而造成一個工作循環內所得到的有用功減少；排氣門過早的開啟導致進氣口開啟時，缸內壓力降低，從而可以在掃氣過程進入更多的新鮮空氣，使得容積效率提高。在下一循環開始后，更多的新鮮空氣使得發動機在TDC處燃燒時氧氣供給量增多，瞬時放熱率增加，最終HFPDE的缸內最大爆發壓力將會增加，如圖10所示。另一方面氣門過早開啟將會導致膨脹比減小，雖然缸內最大爆發壓力上升，可以使得指示功上升，但過早氣門開啟導致的指示功損失更大一些，因此指示熱效率將會隨著排氣門時刻的提前而略微降低。

4 結論

1）HFPDE工作過程中活塞慣性力的影響因素分為幾個階段：壓縮過程主要為控制腔壓力；TDC附近為氣缸氣體爆發壓力；TDC后主要為泵腔壓力，而泵腔建立高壓存在一定的滯后性，其原因是單向閥的響應時間較長。而壓力建立的滯后性不易完全避免，且即使改變滯后性，對活塞快速膨脹的特性的改變也很小。

2）噴油位置對HFPDE指示功有一定的影響，不同的噴油位置并未導致缸內最大爆發壓力的明顯波動，而影響循環指示功大小的主要段位于TDC前，而TDC后的指示功差異不大。噴油位置對指示功影響主要來源于壓縮過程活塞速度的波動。

3）循環預噴油量的波動將會導致TDC的位置及缸內最大爆發壓力的變化。缸內最大爆發壓力隨著預噴油量的增加而增加。

4）排氣門開啟時刻的提前盡管會提高容積效率及缸內最大爆發壓力，但過早開啟將會導致IMEP的降低，影響到HFPDE的指示熱效率。

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Analysis of Indicated Work Effect Factors of Hydraulic Free-piston Diesel Engine

ZHANG Shuan-lu1，ZHAO Chang-lu1，ZHONG Ke2，ZHAO Zhen-feng1
（1.School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.Chongqing Tiema Industries Group Co.Ltd，Chongqing 400050，China）

The force applied on piston during the compression and expansion stroke is analyzed based on the experimental bench of a two-stroke single-piston hydraulic free-piston diesel engine（HFPDE）prototype.The main factors of affecting the indicated work of HFPDE are obtained，such as fuel-injection quantity，piston position at the beginning of fuel injection，and opening moment of exhausts valve.In order to analyze the effects of the factors on the indicated work of HFPDE，the effects of different fuel injection moments and fuel-injection quantity on cyclic indicated work are analyzed.It turned out that the effect of starting moment of fuel injection on the indicated work derives from the fluctuation in piston velocity during compression stroke.The effect of fuel-injection quantity on the indicated work behaves as the fluctuation of top dead center at the working pressure of 25 MPa.The effects of different opening moments of exhaust valve on the indicated work of HFPDE are analyzed.It is found that the earlier opening of exhaust valve leads to lower mean indicated effective pressure，resulting in the reduction in thermal efficiency.

power machinery engineering；force analysis；free-piston diesel engine；indicated work；indicated thermal efficiency

TK441

A

1000-1093（2016）03-0394-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.03.002

2015-06-19

國家部委基礎研究項目（62201070215）

張栓錄（1988—），男，博士研究生。E-mail：zhangshuanl@163.com；趙長祿（1963—），男，教授，博士生導師。E-mail：clzhao@bit.edu.cn