液压自由活塞柴油机的做功影响因素分析

张栓录，赵长禄，钟科2，赵振峰

（1.北京理工大学机械与车辆学院，北京100081；2.重庆铁马工业集团有限公司，重庆400050）

液压自由活塞柴油机的做功影响因素分析

张栓录1，赵长禄1，钟科2，赵振峰1

（1.北京理工大学机械与车辆学院，北京100081；2.重庆铁马工业集团有限公司，重庆400050）

在研制的二冲程单活塞式液压自由活塞柴油机（HFPDE）原理样机试验平台上，通过对发动机压缩膨胀过程中活塞的受力情况的分析，得出了影响HFPDE指示功大小的主要因素为燃油预喷油量、燃油开始喷射时活塞的位置以及排气门开启时刻。为分析这些影响因素对HFPDE做功的影响规律，研究了不同喷油时刻及预喷油量对循环指示功的影响，发现燃油开始喷射时刻对HFPDE的指示功影响主要来源于压缩过程中活塞速度的波动。在工作压力为25 MPa工况下，预喷油量对循环指示功的影响主要表现为上止点的变化。展开不同排气门开启位置对HFPDE做功的影响规律研究，研究结果发现：排气门开启时刻越早，对应的平均指示压力越低，最终降低了发动机的热效率。

动力机械工程；受力分析；自由活塞柴油机；指示功；指示热效率

0 引言

自由活塞发动机采用二冲程发动机原理，与传统四冲程发动机相比具有较高的功率密度，符合目前军用动力高功率密度的发展趋势。近10年，电控液压技术的进步使得液压自由活塞发动机成为国内外研究的热点［1-4］。对于自由活塞发动机，研究者们主要侧重于自由活塞的数学模型［5-6］、热力学与动力学参数匹配［7-8］、新型燃烧方式［9-10］、影响其循环稳定的因素以及稳定性控制方法［11-14］。对影响其做功能力的描述也进行了定性的分析，但并没有特意从做功角度对自由活塞发动机进行研究。

本文结合所研制的单活塞式液压自由活塞柴油机（HFPDE）样机，分析了发动机在压缩膨胀过程中活塞的主要受力情况，探讨了压缩膨胀各个阶段的活塞的主导力，还探讨了上止点（TDC）附近HFPDE泵腔压力建立滞后的因素。基于对活塞的受力分析进一步研究了特定工作压力条件下不同喷油位置（喷油时活塞距上止点的位置）、不同循环喷油量对循环指示功的影响，最后讨论了不同排气门开启时刻对平均指示压力及指示热效率的影响，从而为发动机的设计优化提供了方向。

1 HFPDE原理样机及试验测试系统

1.1HFPDE工作过程

单活塞式HFPDE样机的基本原理如图1所示。HFPDE为直流扫气两冲程发动机，其动力腔主要是由燃烧室及其配件组成的，扫气过程为直流扫气，排气门和喷油器驱动采用液压驱动方式，进气由罗茨泵供给。驱动油压来自系统输出的高压油路；高压腔、泵腔和压缩腔一起构成HFPDE的液压部分。HFPDE通过由直径较大的泵活塞和直径较小的压缩活塞构成的活塞组件的轴向移动实现从低压油路的吸油和向高压油路的排油［15］。电控喷油及排气信号源由激光位移传感器提供。表1为原理样机原始的具体参数。

表1　原理样机主要设计技术参数Tab.1 Main technical parameters of HFPDE prototype

1.2HFPDE试验系统

HFPDE试验系统是一个复杂的多参数采集与控制系统，为了方便液压系统参数的调整，在输出端连接一个压力可调的高压油源系统，用于负载压力的调节，同时压缩油路通过与高压油源系统和低压油源系统的连接，也可对压缩腔压力进行调节。压缩压力由压缩蓄能器提供，设计压力为15 MPa；泵端输出高压液压油，设计输出压力为25 MPa，可以在试验过程中根据试验需要调整系统输出压力和压缩腔压力，为HFPDE的参数影响规律研究和优化匹配研究提供条件。

图1　HFPDE原理图及测试系统Fig.1 Configuration of HFPDE

图1展示了整个试验的测试系统，主要包括原理样机、控制系统、上位机控制与标定系统和数据采集系统。试验平台中配备了气缸压力传感器、液压压力传感器、活塞位移传感器、进气压力与温度传感器等，用于各关键参数的测量，各传感器的技术参数如表2所示。

2 HFPDE受力分析

2.1压缩过程受力分析

为了研究HFPDE自身特性对其做功的影响，需从活塞受力的角度对循环过程进行分析，图2为活塞所受各个压力腔的压力、气缸压力以及活塞合力。图3为在对各液压力及气缸压力测量的基础上，绘制的各力受力变化曲线。从力的合成角度来看在压缩过程前期活塞所受合力主要由控制腔液压力控制，直到气缸内压力达到一定值时气缸提供的压力才变为主导活塞运动的力。在TDC附近，即到TDC之间包含了发动机的着火过程，这一过程气缸压力完全成为活塞的主导力。

表2　原理样机主要测试传感器参数Tab.2 Main technical parameters of sensors

图2　HFPDE活塞受力图Fig.2 Force analysis of HFPDE piston

图3　活塞各向受力与位移随时间的变化关系Fig.3 Force and displacement of piston vs.time

2.2膨胀过程受力分析

由图3可知，活塞在膨胀过程中主导力经历了两个阶段：TDC到泵腔压力建立（t2时刻）过程中，气缸内由燃烧产生的巨大压力占主导地位；随着泵腔压力的建立及活塞的快速膨胀（t2时刻以后）控制腔压力与泵腔压力成为作用在活塞上主导力。显然膨胀过程中，影响活塞运动规律的作用力来自于缸内气体压力和液压端的液压力。在膨胀冲程中，阻碍活塞运动的液压力是控制腔压力和泵腔压力，而加速活塞运动的是缸内气体压力和回弹压力。

在整个循环过程中，试验系统采集的泵腔压力如图4所示。当TDC附近缸内气体压力达到最大值时，泵腔压力还未建立，压力值较小，因此活塞加速度也接近最大值，此时泵腔压力对减小缸内容积变化率作用有限。事实上，泵腔压力的建立需要一定的时间，造成泵腔在TDC后建立高压存在延迟的原因主要是单向阀的响应时间长［16］。

图4　泵腔压力与位移随时间的变化关系Fig.4 Pressure and displacement of pump chamber vs.time

由以上分析可知，泵腔压力建立的滞后性受到单向阀响应的影响，文献［15］采用改善单向阀落座响应能力来缓解这一情况，但仍存在滞后。因此，HFPDE在TDC后一段时间内活塞处于近似的单向受力状态。燃油燃烧后产生的大量热量，使得气缸内混合气压力在TDC前急剧上升，而膨胀阶段开始后，并没有直接受到阻碍作用而快速膨胀，这直接导致了压力的快速降低，影响到TDC后的燃烧。

以上分析可知缸内燃烧过程是决定膨胀过程的关键，而影响缸内燃烧过程的条件除了膨胀速度制约外，还直接受到燃烧初始条件的约束，因此可以断定燃烧的初始条件对发动机的惯性力有直接影响，尤其是喷油量与喷油位置，这两个参数直接影响到缸内燃烧过程。此外，排气门的开启时刻也会影响到缸内气流组织及残余废气量，这些参数势必影响到发动机下一循环的燃烧，对发动机性能产生影响。由于燃烧过程与膨胀过程活塞所受的惯性力、活塞速度相互耦合，解耦困难，因此为定性分析喷油量与喷油位置对发动机燃烧过程的影响，采用指示功分析法来评价参数的优劣性。

3 HFPDE指示功变动分析

以上进行了HFPDE的工作过程的受力分析，并将其与传统发动机作对比。事实上活塞的受力与发动机的燃烧过程相互影响。为进一步研究发动机的性能，对HFPDE不同工况的指示功及指示效率及影响因素进行了分析。

3.1喷油提前量对做功的影响

为研究喷油提前量对HFPDE的对外做功特性的影响，选取了TDC前不同喷油位置但喷油量相同的几个循环作为研究对象，如图5所示。结果表明：TDC前喷油位置过大，将导致喷入气缸内的柴油提前着火，而活塞继续向TDC靠近，最终导致等容度下降，影响其指示功输出。相反，适当的减小喷油提前位置能够提高发动机的等容度。从活塞受力分析来看，由于活塞惯性力在燃烧阶段受气缸内气体压力主导，而发动机提前着火使得气缸压力上升，造成活塞受力正向增大，进而加速度提前增大，使得活塞提前减速，TDC位置右移。而正因为TDC的变化使得气缸压力上升空间减小，并不能像传统发动机一样产生大的爆发压力，指示功并不能提高。相反，喷油位置适当的向TDC靠近，使得着火点接近TDC，着火时气缸体积较小，生成较高的爆发压力，而此时活塞主要受缸内气体的反弹力作用向缸盖附近移动有限，最终导致缸内混合燃料近似地等容燃烧。但是需指出的是，当喷油提前位置过小时，喷入气缸内的柴油燃烧放热时膨胀过程已经开始，活塞快速膨胀，压力下降较快从而影响到发动机的指示功。

图5　不同喷油提前量对应的指示功图Fig.5 Effects of different fuel injection positions on indicated work

值得注意的是，在图5中不同的喷油位置并未导致缸内最大爆发压力的明显波动，这与传统发动机有很大不同，传统曲柄连杆式发动机的活塞位移曲线取决于连杆长度、曲柄半径及曲轴转角，当喷油提前角不同时，必然导致着火点不同，而气缸容积大小不会受到着火时刻的影响，因此缸内的最大爆发压力将会不同。自由活塞发动机由于活塞不受约束，虽然喷油时刻的提前会导致预混燃烧量增加，但发动机着火后缸内压力升高而引起的活塞减速过程是相似的。即缸内压力达到某一水平时减速过程完成，膨胀过程开始，缸内压力不再升高，缸内压力与活塞减速过程有关，当负载一定时，在允许范围内改变喷油时刻将不会大幅度改变缸内压力。图5表明影响循环指示功大小的主要段位于TDC前，而TDC后的指示功差异不大。由于HFPDE存在循环波动，下止点（BDC）的波动势必造成压缩过程输入能量的波动，尽管喷油触发位置未发生改变，而由于活塞在压缩过程中速度的变化将会导致实际的喷油位置的偏移。从而造成HFPDE指示功变化。

3.2预喷油量对指示功的影响

发动机指示功的输出除了与喷油位置有关以外还与喷油量有直接的关系。本文原理样机所采用的喷油器（HEUI）为美国卡特皮勒公司的HEUI，测试喷油量的仪器为 Inov8 AKRIBISⅡ，供油压力为16 MPa.由图6可看出，HEUI喷油规律存在一个预喷期，在发动机10 Hz工作状态下，喷油信号较短，喷油速率形状呈现三角形。由于预喷油量对发动机做功有直接影响，为研究HFPDE的预喷油量对输出指示功的影响，选取了几个不同预喷油量工况下的循环，如图7所示。由图7可见，随着预喷油量的增加，活塞最大位移处距TDC的距离增加，这与较大预喷油量导致较大的压升率，从而使活塞减速较快有关。

图6　HEUI喷油规律Fig.6 Fuel injection characteristics of HEUI

在发动机着火以后，活塞所受外力除去气缸压力外其他液压力近似于常数。根据能量守恒，从发动机着火到活塞到达TDC，活塞着火时具有的动能与其他液压力对活塞做功之和等于这一过程中气缸压力对活塞做的功。

为了方便分析不同循环预喷油量下，指示功图中TDC的不同、最大爆发压力也不相同的原因，假设气缸的作用力在着火以后按线性增长。显然由于预喷油量的增加将会导致较高的压升率，从而进一步加强缸内气体对活塞的阻碍作用，从而使得活塞到达TDC的位置提前。由于不同预喷油量下，HFPDE的TDC并不一致，在统计不同预喷油量工况下得出最大爆发压力与X（着火位置与活塞实际TDC的位置之间的距离）之间的关系如图8所示。

图7　不同预喷油量下对应的指示功图Fig.7 Effects of different fuel injection quantities on indicated work

图8　不同预喷油量下缸内最大在爆发压力与X的关系Fig.8 Relation between maximum in-cylinder pressure and X under different fuel injection quantities

由图8可知，不同预喷油量工况下，试验获取的最大爆发压力与X表现出相反的趋势。而最大爆发压力随着预喷油量的增加而增加，这是由于预喷油量增加导致的较大的压升率，使得最大爆发压力上升。

3.3排气门开启时刻对指示功的影响

发动机的进排气是组织燃烧的必要环节，进排气的设置参数对发动机的性能影响较大。由于本文HFPDE采用的液压气门，因此可实现可变气门正时及升程，从而直接优化发动机的燃烧，进而改进发动机的整体性能。此外，由于液压系统的波动可能导致的气门正时的改变对发动机做功产生一定的影响。因此本文研究不同气门开启时刻对容积效率、平均指示有效压力（IMEP）、指示热效率以及缸内最大爆发压力的影响规律，如图9和图10所示，图中气门开启位置以气缸盖与气缸接触平面为参照零点。

图9　不同气门开启时刻对容积效率及IMEP影响规律Fig.9 Effects of different exhaust value opens on volumetric efficiency and IMEP

图10　不同气门开启时刻对指示热效率以及缸内最大爆发压力的影响规律Fig.10 Effects of different exhaust value opens on indicated thermal efficiency and maximum in-cylinder pressure

尽管二冲程发动机在换气过程中没有泵气损失，但排气门开启时刻对扫气功有直接影响。图9和图10表明，随着排气门开启时刻的提前，IMEP降低，容积效率变大。这主要是因为排气门过早的开启使得缸内压力提前下降，从而造成一个工作循环内所得到的有用功减少；排气门过早的开启导致进气口开启时，缸内压力降低，从而可以在扫气过程进入更多的新鲜空气，使得容积效率提高。在下一循环开始后，更多的新鲜空气使得发动机在TDC处燃烧时氧气供给量增多，瞬时放热率增加，最终HFPDE的缸内最大爆发压力将会增加，如图10所示。另一方面气门过早开启将会导致膨胀比减小，虽然缸内最大爆发压力上升，可以使得指示功上升，但过早气门开启导致的指示功损失更大一些，因此指示热效率将会随着排气门时刻的提前而略微降低。

4 结论

1）HFPDE工作过程中活塞惯性力的影响因素分为几个阶段：压缩过程主要为控制腔压力；TDC附近为气缸气体爆发压力；TDC后主要为泵腔压力，而泵腔建立高压存在一定的滞后性，其原因是单向阀的响应时间较长。而压力建立的滞后性不易完全避免，且即使改变滞后性，对活塞快速膨胀的特性的改变也很小。

2）喷油位置对HFPDE指示功有一定的影响，不同的喷油位置并未导致缸内最大爆发压力的明显波动，而影响循环指示功大小的主要段位于TDC前，而TDC后的指示功差异不大。喷油位置对指示功影响主要来源于压缩过程活塞速度的波动。

3）循环预喷油量的波动将会导致TDC的位置及缸内最大爆发压力的变化。缸内最大爆发压力随着预喷油量的增加而增加。

4）排气门开启时刻的提前尽管会提高容积效率及缸内最大爆发压力，但过早开启将会导致IMEP的降低，影响到HFPDE的指示热效率。

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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

国家部委基础研究项目（62201070215）

张栓录（1988—），男，博士研究生。E-mail：zhangshuanl@163.com；赵长禄（1963—），男，教授，博士生导师。E-mail：clzhao@bit.edu.cn