發(fā)布時(shí)間：2019-05-10 02:19

【摘要】：液壓自由活塞內(nèi)燃機(jī)(Hydraulic Free Piston Engine,HFPE)集內(nèi)燃機(jī)、液壓泵于一體,摒棄傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)與液壓泵組合的柱塞驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),通過(guò)連桿將內(nèi)燃機(jī)活塞與液壓泵的柱塞直接連接,燃料化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化輸出為液壓能,縮減了能量轉(zhuǎn)化步驟,減少了能量轉(zhuǎn)化損耗,有利于提高燃料熱效率,簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊化設(shè)計(jì)和功率柔性化輸出,便于在工程機(jī)械和軍用車輛上靈活布置動(dòng)力系統(tǒng)。HFPE作為一種跨內(nèi)燃機(jī)、液壓、微電子、控制等多學(xué)科領(lǐng)域的新型特種內(nèi)燃動(dòng)力裝置,其工程應(yīng)用前景的廣泛性與學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值的重要性不言而喻,已經(jīng)引起了國(guó)際科技界的高度重視,并取得了快速的技術(shù)進(jìn)步,將會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。HFPE按照活塞布置結(jié)構(gòu)分為單活塞式、雙活塞式和對(duì)置活塞式三種類型。本文主要研究對(duì)象為單活塞式HFPE的最基本構(gòu)型:單缸單活塞式HFPE(Single-cylinder single-piston HFPE,SHFPE)。SHFPE具有體積小、重量輕、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零部件少、適應(yīng)燃料廣泛、功率輸出靈活和易于實(shí)現(xiàn)PPM方式控制等諸多優(yōu)點(diǎn),且與對(duì)置活塞式HFPE有很大的關(guān)聯(lián)性,并且SHFPE的研制經(jīng)驗(yàn)可以為對(duì)置活塞式HFPE提供一定的借鑒。然而SHFPE的活塞“自由”特性所引起的作用力變化容易影響其運(yùn)動(dòng)規(guī)律及位移,其換氣和燃燒過(guò)程的不穩(wěn)定致使“自由活塞”上所受合力發(fā)生變化并觸及活塞運(yùn)動(dòng),以致于SHFPE的工作穩(wěn)定性受到較大的影響,甚至導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)異常。要使SHFPE能夠高效、低排穩(wěn)定運(yùn)行,就必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比、換氣、噴油、燃燒進(jìn)行精確控制。因此,非常必要深入研究SHFPE的換氣和燃燒過(guò)程,努力探究SHFPE能夠穩(wěn)定工作的切實(shí)可行的換氣和燃燒方式,分析其相關(guān)影響因素。本文以單缸單活塞式液壓自由活塞柴油機(jī)為研究對(duì)象,主要研究?jī)?nèi)容包括三個(gè)方面:一是研制了一臺(tái)SHFPE樣機(jī);二是SHFPE系統(tǒng)特征研究;三是SHFPE換氣與燃燒過(guò)程研究。研究過(guò)程中配合理論研究、模擬計(jì)算和測(cè)試試驗(yàn)等諸多研究方法并應(yīng)用了從系統(tǒng)整體特征至局部特征之研究策略,期望在SHFPE系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、SHFPE系統(tǒng)性能預(yù)測(cè)、SHFPE換氣結(jié)構(gòu)優(yōu)化、SHFPE燃燒過(guò)程分析上得到一些有益的成果,為指導(dǎo)SHFPE的研究開發(fā)工作奠定一定的基礎(chǔ)。簡(jiǎn)要介紹了自由活塞內(nèi)燃機(jī)基本概念、類型和車輛應(yīng)用現(xiàn)狀,系統(tǒng)概述了自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程,全面分析、歸納和總結(jié)了HFPE的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及需要探究的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,扼要說(shuō)明了本論文的研究方法、策略和主要研究?jī)?nèi)容。采用對(duì)比的方法,具體分析了具有不同主體結(jié)構(gòu)、動(dòng)力模塊結(jié)構(gòu)和液壓模塊結(jié)構(gòu)HFPE的優(yōu)勢(shì)與不足,確定了系統(tǒng)總體技術(shù)方案。闡述了該發(fā)動(dòng)機(jī)的基本工作原理,利用AMEsim建立了系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真模型,對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真研究。對(duì)SHFPE的工作性能隨主要參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。相關(guān)仿真數(shù)據(jù)為換氣和燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真提供依據(jù)。分析SHFPE活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)氣口比時(shí)面值的影響,運(yùn)用換氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則和方法,研究合理確定回流掃氣的氣口結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法,在此基礎(chǔ)上分析掃、排氣口高度和掃氣室容積對(duì)回流掃氣效果的影響,對(duì)排氣動(dòng)力效應(yīng)進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬,提出了Kadenacy效應(yīng)綜合利用的方法。為研究SHFPE換氣結(jié)構(gòu)的宏觀掃氣效果和微觀流場(chǎng)參數(shù)奠定基礎(chǔ)。以課題組實(shí)際設(shè)計(jì)的SHFPE樣機(jī)為研究對(duì)象,基于SHFPE的特殊運(yùn)動(dòng)規(guī)律,運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)軟件AVL FIRE對(duì)進(jìn)掃排氣道-掃氣室-燃燒室系統(tǒng)進(jìn)行建模和數(shù)值計(jì)算,詳細(xì)探討了液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)曲軸式發(fā)動(dòng)機(jī)在換氣方面的差異與聯(lián)系,對(duì)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)回流掃氣過(guò)程的特點(diǎn)規(guī)律進(jìn)行細(xì)致的分析,并深入研究了氣口結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)換氣過(guò)程及換氣品質(zhì)的影響規(guī)律。詳細(xì)介紹了AMEsim和FIRE中使用的點(diǎn)火延遲及燃燒放熱模型,然后運(yùn)用AVL FIRE軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)燃燒室的SHFPE壓縮和燃燒過(guò)程的速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)等進(jìn)行數(shù)值模擬研究,探究了燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒過(guò)程影響的作用機(jī)理,深入分析其燃燒過(guò)程的微觀特性及宏觀表現(xiàn),為燃燒室結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化提供一定的理論基礎(chǔ)。梳理了論文研究設(shè)計(jì)的液壓自由活塞柴油發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)部分以及發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)調(diào)試過(guò)程的工作�？偨Y(jié)了本文的研究?jī)?nèi)容、主要結(jié)論和創(chuàng)新點(diǎn),分析和展望下一步需深入研究的相關(guān)工作。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TK421.2

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本文編號(hào)：2473270