对置式液压自由活塞发动机活塞液力控制策略

汪 洋，宋飞宇，陶成军，李小龙，洪 斌，何亚军

对置式液压自由活塞发动机活塞液力控制策略

汪 洋，宋飞宇，陶成军，李小龙，洪 斌，何亚军

(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

利用Matlab/Simulink软件耦合Amesim软件建立了对置式液压自由活塞发动机(OPHFPE)联合仿真模型．针对OPHFPE在工作过程中的不稳定性，提出了基于活塞位移、速度以及高压油压力的PI反馈控制与预测发动机运转状态的前馈控制相结合的活塞液力控制策略．仿真研究表明：在活塞液力控制策略的调节下，OPHFPE系统可以连续稳定运行，具有良好的鲁棒性．

对置式；液压自由活塞；联合仿真；活塞液力控制策略

液压自由活塞发动机(hydraulic free piston engine，HFPE)无曲柄连杆，能量以液压能输出，具有结构简单、压缩比灵活可变、活塞无侧向力等优势，但由于无曲柄连杆的约束，HFPE活塞运动的上下止点不确定，工作循环不稳定，容易导致失火现象[1-2]．故及时捕捉发动机运行过程中的扰动，合理地补偿活塞运动，是HFPE实现稳定运行的必要条件．HFPE的活塞运动规律的控制方法，可以分为燃烧过程控制和活塞液力控制．其中燃烧过程控制——稀燃方式可以采用油量控制和燃烧相位(喷油相位、点火相位)控制；当量比燃烧方式可采用量调节来实现．通常情况发动机只采用一种燃烧方式，相比之下活塞液力控制则有广泛的适应性，可适用当量比和非当量比燃烧方式．

根据活塞布置方式及燃烧室数目，HFPE可分为3种基本类型：单活塞式，双活塞式和对置式[2-3]．对置式具有工作过程中发动机质心固定、无往复惯性力、扫气效率高等优点[3-4]．国内外研究主要以单活塞和双活塞为主[5-8]，对置式液压自由活塞发动机(opposed-piston HFPE，OPHFPE)的研究主要以日本丰桥工业大学为代表[9-10]．

笔者针对OPHFPE工作循环不稳定的问题，对活塞液力控制的控制算法进行了研究．以Amesim搭建发动机模型，Matlab/Simulink搭建其控制算法，二者进行联合仿真．通过联合仿真，笔者提出一种适用于OPHFPE的活塞液力控制策略，并通过联合仿真验证该策略的可行性，获取关键性控制参数的选用原则．

1 仿真模型的建立及控制方法的提出

1.1 OPHFPE发动机工作原理

图1为研制的OPHFPE原理示意，图2为本课题组开发的OPHFPE发动机样机．系统基本工作过程如下：图1中活塞处于下止点，ECU控制高压电磁阀开启，高压油从蓄能器进入柱塞腔推动活塞上行，压缩冲程开始．当活塞具备到达上止点的动能时，高压电磁阀关闭，活塞继续上行，低压电磁阀由于柱塞腔内抽真空而自动打开，之后低压电磁阀以斩波维持开度，活塞依靠惯性继续上行到上止点，压缩冲程结束．在上止点前喷油，燃料燃烧放热，活塞开始下行，做功冲程开始．为培养活塞动能，低压电磁阀保持开启．当活塞具备到达下止点的动能，低压电磁阀关闭，活塞推动柱塞将高压油压回蓄能器．在活塞下行的同时，进气簧片阀关闭，空气被活塞压缩储存在进气总管和活塞底部的压气腔内．活塞位移小于排气口高度时，排气口随即打开(机械结构决定)，废气开始排出，当活塞继续下行位移小于扫气口高度时，扫气口相继打开，压缩空气经扫气口进入缸内，并推动废气进一步排出．活塞停留在下止点位置，发动机完成了一个工作循环进入待机状态．回位油腔的作用是在发动机发生故障后，推动活塞返回下止点. OPHFPE适合工作在中低频率下．

图1 OPHFPE原理示意Fig.1 Configuration of OPHFPE

图2 OPHFPE样机Fig.2 OPHFPE prototype

1.2 Amesim与Simulink联合仿真模型

图3为采用Amesim软件搭建的发动机模型，其中包括喷油模块、扫气模块、排气模块、压气腔模块、柱塞模块、蓄能器模块、电磁阀模块、燃烧模块等．图4为采用Simulink搭建的发动机控制系统模型，包括顶层算法模块(即活塞液力控制策略)、启动算法模块、底层执行模块及与上述的Amesim发动机模型的接口模块．OPHFPE发动机基本参数如表1所示．

本文采用Hibi和Hu发动机参数[10]来验证Amesim发动机模型的正确性．具体参数如下：高压蓄能器压力p2=17.4,MPa；中压蓄能器(回位油腔)压力p3=9.8,MPa；低压蓄能器(低压油箱)压力p4= 1,MPa；活塞直径100,mm；活塞质量3.7,kg；行程99.5,mm；扫气口和排气口高度均为15,mm；喷油量为0.15,mL；低压阀为并联球阀，球阀直径5×30个，升程1.2,mm；高压阀由2位三通阀和并联球阀组成，球阀直径5×25个，升程1.2,mm；压缩比12～22；高压电磁阀通电时间为10,ms．假设电磁阀响应均为3,ms，不计节流损失，燃烧过程采用Barba模型模拟燃烧[11]．

图3 OPHFPE系统Amesim模型Fig.3 Amesim model for OPHFPE

图4 OPHFPE活塞液力控制策略Simulink模型Fig.4 Piston hydraulics control strategy Simulink model for OPHFPE

由于仿真模型中下止点无弹簧机构，图5(a)中活塞在下止点活塞撞击机体，两活塞速度v1和v2突变为0且有一定的反弹，故两活塞位移x1和x2波动较小，而图5(b)中由于有弹簧机构，故x1和x2会在下止点处波动较大；由于仿真模型中无油泵系统，直接以蓄能器为动力，故忽略泵端压力p1．比较图5(a)和(b)可知，在相同的条件下，仿真和实验得出的左右活塞位移和缸内压力变化趋势是一致的，即验证了OPHFPE发动机模型的可行性．

表1 OPHFPE参数Tab.1 Parameters for OPHFPE

图5 OPHFPE模型验证Fig.5 Validation of model of OPHFP E

1.3 PI和预测前馈控制原理

PI控制主要根据发动机活塞理论位移和实际位移的差值对发动机进行调控；前馈控制可以提高系统的实时响应速度．本文根据OPHFPE发动机的工作原理分析，活塞液力控制主要是对活塞上、下止点位置的控制，其中高压电磁阀的开启、关闭时刻决定上止点位置，低压电磁阀的关闭时刻决定了活塞下止点位置．

1.3.1 启动控制原理

OPHFPE启动前，需要对两活塞位置进行调节，当两活塞均处于下止点时发动机开始工作；如两活塞没都处于下止点时，则开启低压电磁阀，通过回位油腔压力使控制两活塞到达下止点．

1.3.2 压缩冲程控制原理

图6 活塞受力分析Fig.6 Piston force analysis

OPHFPE中单个活塞受力分析如图6所示，其中p′、pair、p分别为缸内气体压力、压气腔内气体压力、高压油压力；A1、A2、A3、A4分别为活塞顶面面积、压气腔对活塞的作用面积、回位油腔对柱塞作用面积、柱塞顶面面积．

如图7所示假设活塞压缩冲程为绝热过程，不计燃油燃烧释放能量、摩擦损失，根据能量守恒方程

式中：Win为高压油对活塞做的功；Ep为活塞的动能；Wgas(s)为活塞对缸内气体做的功；s为活塞位移(理论下止点为0，理论上止点为0.095)；sTDC为目标上止点活塞的位移；sho为本循环高压电磁阀开启时刻活塞的位移；shc1为本循环高压电磁阀基本关闭时刻活塞的位移；fho、fhc分别为高压电磁阀开启、关闭时刻响应修正系数．

图7 压缩过程控制策略Fig.7 Control strategy for compression process

通过高压油压力p和蓄电池电压U查MAP得fho、fhc，通过进气温度airT′、进气压力airp′、高压油压力p、活塞位移s，由式(1)可得shc1．

然而实际过程中，仍然有很多难以准确预测的因素(如燃烧负功、传热损失、摩擦损失)和一些突发事件(如喷油器失效、电磁阀失效)，这些因素导致实际上止点活塞的位移与目标上止点活塞的位移存在差距．根据上循环实际上止点活塞的位移与本循环目标上止点活塞的位移差值，采用PI控制器对本循环shc1进行闭环修正．高压电磁阀控制公式为

式中：shc为本循环高压电磁阀关闭时刻活塞的位移；fPI为控制高压电磁阀的PI调节系数．

1.3.3 膨胀过程控制原理

如图8所示假设活塞膨胀过程为绝热过程；不计摩擦损失，根据能量守恒方程可得

式中：Wout为下行过程中液压油输出功；airW′为膨胀过程压气腔内气体对活塞做的功；sBDC为目标下止点活塞的位移；TDCs′为本循环实际上止点活塞的位移；sLc1为本循环低压电磁阀基本关闭时刻活塞的位移；p0为低压油压力；fLc为低压电磁阀关闭时刻响应修正系数．

图8 膨胀过程控制策略Fig.8 Control strategy for expansion process

通过高压油压力p、蓄电池电压U查MAP得fLc，通过本循环喷油量、发动机热效率(取参考值)、低压油压力p0、高压油压力p、活塞位移s由式(3)得sLc1．

根据上循环实际下止点活塞的位移与本循环目标下止点活塞的位移差值，通过PI调节对本循环sLc1进行修正．低压电磁阀控制公式为

式中：sLc为本循环低压电磁阀关闭时刻活塞的位移；kPI为控制低压电磁阀的PI调节系数．

1.3.4 循环周期控制原理

OPHFPE每循环运转状态不同，故活塞每循环周期不同．正常工作情况下，当低压电磁阀关闭时刻活塞的位移sLc减小，活塞动能较大，循环周期缩短；低压电磁阀关闭时刻活塞的位移sLc增大，活塞动能较小，循环周期延长．通过高压油压力p和活塞速度v实时调控高、低压电磁阀的脉冲周期，使之与发动机运动状态相适应．控制关系为

式中：T为控制信号周期；T0为控制信号基本周期；Cv为速度调节系数；Cp为高压油压力调节系数．

综上所述，通过采用PI反馈控制及根据参数预测OPHFPE运转状态的前馈控制，产生合适的控制脉冲信号，使发动机实现液力控制．

2 仿真分析

假设OPHFPE两端活塞状态完全一致，即发动机两活塞做镜像运动，故本文对发动机单侧进行仿真研究．由于本文主要研究活塞液力控制策略，而喷油时刻和喷油脉宽是燃烧过程控制的内容，故假设发动机喷油脉宽和喷油时刻固定．本文通过控制高、低压电磁阀的开闭来实现OPHFPE活塞液力控制．

如图9所示，在喷油时刻和喷油脉宽固定的情况下，如果没有活塞液力控制策略对活塞的运动规律进行及时修正，活塞实际上、下止点位置距离理论上、下止点位置会越来越远，最终导致发动机熄火．其机理是：如活塞偏离理论下止点，则影响了下一循环的缸内进气量，进而导致发动机做功能力减弱，使活塞远离理论下止点；如活塞偏离理论上止点，则影响下一循环发动机的做功能力，进一步使活塞远离理论下止点．这是一个正反馈过程，说明OPHFPE是一种不稳定系统，必须采用合适的控制方法，才能保证其稳定运行．

图9 Amesim模型活塞运动位移曲线Fig.9 Displacement diagram of piston in Amesim model

图10 为在活塞液力控制策略控制下OPHFPE稳定运行结果，高压电磁阀开启，高压油从蓄能器流入到柱塞腔内，发动机开始工作，故发动机的频率控制主要由高压电磁阀来控制．图10发动机工作周期为25,ms，在活塞液力控制策略的调节下OPHFPE实现了稳定连续运行．

图10 活塞液力控制下OPHFPE运行结果Fig.10 Results of OPHFPE in piston hydraulics control strategy

图11 为当高压油压力出现波动后在活塞液力控制策略控制下OPHFPE运行曲线，发动机工作周期均为25,ms．图11(a)在第2循环引入高压油压力陡增5,MPa，第2循环膨胀过程中活塞液力控制策略调节sLc(低压电磁阀关闭时刻活塞的位移)减小，由于活塞下行培养动能不足以克服5,MPa压力波动，故第2循环活塞无法到达下止点，故在第3循环开启前，低压电磁阀开启来调节活塞到达下止点．压力升高后活塞液力控制策略调节第3循环shc(高压电磁阀开启时刻活塞的位移)减小，但压力波动随后消失，液压对活塞作用时间变短，活塞动能不足，故第3循环无法到达上止点，导致该循环发动机失火，故3循环无法到达下止点，于第4循环即恢复正常．图11(b)在第2循环引入高压油压力陡降5,MPa，该循环膨胀过程活塞动能较大，活塞液力控制策略调节sLc增加，导致第3、4循环控制信号周期T延长，于第5循环恢复正常．高压油压力陡增会影响发动机稳定性，但压力陡降5,MPa对发动机工作稳定性没有影响．在第2循环引入高压蓄能器压力波动，在活塞液力控制策略调节下发动机在第1～3循环恢复正常，可见该控制策略对低频高压油压力的波动具有很好的抑制作用，且具有较好的响应速度．

图11 高压油压力波动对OPHFPE稳定性的影响Fig.11 Stability of OPHFPE influenced by the pressure fluctuations of high pressure oil

图12 为当出现喷油干扰，在活塞液力控制策略控制下OPHFPE活塞运行曲线，其中发动机工作周期均为25,ms．图12(a)在第2循环引入喷油缺失，本循环的发动机失火，活塞下行过程动能不足，活塞液力控制策略调节sLc(低压电磁阀关闭时刻活塞的位移)减小，但不足以弥补动能损失量，故导致第2循环活塞无法到达理论下止点，第3循环开始前启动控制使活塞回到下止点，于第4循环恢复正常．图12(b)在第2循环引入喷油器多喷射1次，导致缸内气体平均压力升高，膨胀过程中活塞动能增加，活塞液力控制策略调节sLc增加，信号控制周期T延长，于第5循环恢复正常．喷油缺失会影响发动机稳定性，但多喷油对发动机工作稳定性没影响．对于喷油缺失、喷油过量和高压油压力突变的干扰，控制策略具有良好的鲁棒性．

图12 喷油干扰对OPHFPE稳定性的影响Fig.12 Stability of OPHFPE influenced by the injection disturbance

3 结 语

根据所开发的OPHFPE样机的工作原理，建立了发动机的模型，并验证了其可行性．OPHFPE属于不稳定系统，如果没有适当的控制策略，发动机容易出现行程衰退现象，最后熄火．提出了基于PI和前馈预测原理的活塞液力控制策略，通过Amesim和Simulink的联合仿真实现该控制策略对发动机的调控，结果表明，该控制策略能有效地对活塞位移进行调控且可抵抗喷油过量、喷油缺失、高压油压力变动的干扰，使发动机连续稳定运行，系统具有良好的鲁棒性．

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(责任编辑：孙立华)

Piston Hydraulics Control Strategy for Opposed-Piston Hydraulic Free Piston Engine

Wang Yang，Song Feiyu，Tao Chengjun，Li Xiaolong，Hong Bin，He Yajun
(State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

A united simulation model of the opposed-piston hydraulic free piston engine (OPHFPE) was established with Amesim and Matlab/Simulink softwares. Combining the PI feedback control based on oil pressure，piston displacement and velocity with feedforward control that predicts the engine′s working state，a piston hydraulics control strategy was proposed to realize the OPHFPE working stability. Simulation results show that the strategy can guarantee steady and continuous working cycles and good robustness of the OPHFPE.

opposed-piston；hydraulic free piston；united simulation；piston hydraulics control strategy

TH137.5

A

0493-2137(2014)03-0224-07

10.11784/tdxbz201207022

2012-07-07；

2012-08-28.

国家自然科学基金资助项目(51176137).

汪 洋(1966— )，男，教授，wang_yang@tju.edu.cn.通讯作者：宋飞宇，412144904@qq.com.