SAE鄄C2009P118 一种新型车用动力———液压自由活塞发动机 赵振峰摇张付军摇黄英摇刘嘉 北京理工大学摇机械与车辆工程学院 摇摇揖摘要铱摇液压自由活塞发动机是集内燃机技术、液压技术、电子控制技术于一体的一种新型动力系统,由于其具有体 积小、重量轻、高度柔性布置、燃料适应范围广等特点,容易实现无级变速、无级转向、制动能回收功能,是一种很有前途 的车用动力系统。本文介绍了所研究的液压自由活塞发动机原理样机的工作原理、结构特点、试验进展情况,针对当前现有 车辆的动力系统详述了液压自由活塞发动机作为车用动力的应用前景。为新型车辆动力系统开发研究提供新思路。 摇摇揖关键词铱摇液压自由活塞发动机摇车用动力 ANewTypeofVehiclePowerSystem———HydraulicFreePistonEngine ZhaoZhenfeng,ZhangFujun,HuangYing,LiuJia SchoolofMechanicalandVehicularEngineering,BeijingInstituteofTechnology 摇摇Abstract:Hydraulicfreepistonengineisanewtypevehiclepowersystem,whichunityofmultidisciplinary,owingtoitscharac鄄 teristicssuchaseasilyachievedwithacontinuouslyvariable,non鄄classsteering,brakesandotherfunctionscanberecovered,isa promisingvehiclepowersystem.Inthispaper,HFPEintroducetheworkingprinciple,thestructural,andtheexaminationevolvede鄄 tailed.HFPEasthepowersystemwasdiscussed,andtheapplicationsandputforwarduseinthecurrentlyvehicle.Thisisanewcon鄄 ceiveforthenewtypeofthevehicle. 摇摇Keywords:hydraulicfreepistonengine摇vehiclepowersystem 图1摇HFPE工作原理图 1—泵和回弹活塞摇2—泵活塞摇3—压缩活塞摇4—吸油单向阀摇5—压缩单向阀摇6—低压单向阀 7—压缩蓄能器摇8—低压蓄能器摇9—罗茨泵摇10—动力活塞摇11—控制喷油用三通电磁阀摇12—控制排气门开电磁阀 13—控制排气门关电磁阀摇14—失火活塞回位阀摇15—低频活塞回位阀摇16—频率控制阀摇17—蓄能器补油阀摇18—蓄能器泄油阀引摇摇言 摇摇随着车辆保有量的逐年增加,尤其是大中城市汽车保有 量的大量增长,导致道路交通状况日趋恶化,道路拥堵、低 速低负荷运行工况占城市汽车总工况比例增大,导致车辆经 济性和排放性能急剧恶化,进而增加了环境压力和能源危机 压力。面对日趋恶化的环境问题和能源危机,车辆行业和车 用内燃机行业的科研人员一方面积极对传统发动机进行改进 和优化,力图尽可能提高其各个工况下发动机的经济性和排 放性,当前人们针对改善发动机性能提出了很多新概念,譬 如对于传统发动机改善其进排气性能的VVT技术、改善柴 油机燃油系统的高压共轨喷射技术,以及在传统发动机上进行的一系列改进。另一方面人们积极探索新技术、新原理、 新组合,开发新型动力装置,以适应车辆对动力系统的性能 要求,目前的油电混合动力、燃料电池、氢内燃机、机液混 合动力等就是常见的一些新型动力系统。液压自由活塞发动 机是对传统动力传动装置的一次大胆的革新与挑战,将复杂 的内燃机与液压泵进行高度集成,直接将内燃机燃料产生的 热能转化为液压能对外输出。 摇摇液压自由活塞发动机(HydraulicFreePistonEngine,简称 HFPE)以液体作为工作介质,实现动力的非刚性传输。作为 汽车的动力系统省去了传统动力系统中的离合器、变速器、 传动轴、主减速器、半轴等零部件,大大缩短功率传动链; 发动机单元相对独立,实现动力系统的柔性布置,采用蓄能 技术和液压变压器技术成功实现了发动机输出功率和车辆负37 摇2009中国汽车工程学会年会论文集SAE鄄C2009P118 载之间的解耦,发动机可在车辆全工况范围内按优化性能曲 线运行,改善了传统车辆低速低负荷时发动机性能恶化的缺 点,同时容易实现无级变速、无级转向、制动能回收等 功能。 1摇HFPE工作原理 摇摇HFPE工作原理如图1所示,动力活塞10、泵活塞2以 及压缩活塞3,通过活塞杆刚性连接为一个整体,组成活塞 组件。HFPE起动时,活塞组件处于下止点位置(如图1所 示位置),控制频率阀开启16开启,蓄能器7内的压力油通 过频率阀进入压缩活塞所在容腔,活塞组件在该压力油推动 下向上止点方向运动。在此运动过程中,泵活塞将低压油通 过单向阀4吸入泵腔,同时将一部分泵和回弹活塞1将高压 油输出,动力活塞压缩缸内气体,当活塞组件到达上止点前 某个位置时,高压柴油喷入燃烧室,燃料在高温高压的燃烧 室环境内燃烧释放能量,推动活塞组件快速向下止点方向运 动。在此过程中,泵活塞将吸入的低压油加压后通过单向阀 5输出,压缩活塞将该腔内的压力油推回到蓄能器,以备下 一循环使用,如此往复。当HFPE在工作过程中失火时,通 过控制失火回位阀14和低频活塞回位阀15将活塞组件调整 到下止点处,以便于重新起动。 2摇HFPE原理样机设计 摇摇根据HFPE的工作原理,利用基于能量法的参数设计方 法对其进行了结构参数设计,根据对活塞组件进行受力分 析,对HFPE建立了动态特性仿真动力学、热力学仿真模 型,对各个运行参数与结构参数之间进行匹配。根据仿真结 果研制了原理样机(图2)。HFPE原理样机采用直流扫气方 式的二冲程柴油机作为其内燃机部分,供油系统、配气机构采用液压驱动的泵喷嘴供油系统和配气机构,本次原理样 机设计考虑到扩展多缸机,采用三缸一体设计方案,泵体采 用柱塞泵原理加工柱塞和柱塞套,通过螺栓与发动机机体连 接为一体。低压油路和高压油路采用液压软管连接,便于油 路更换与位置调整。 图2摇HFPE原理样机 3摇HFPE系统特性分析 3郾1摇HFPE仿真模型的搭建 摇摇为了考查HFPE系统的动态特性,对其进行了数值仿真, 由于HFPE在结构上和工作原理上与传统发动机存在较大区别, 尤其是HFPE无旋转机构,目前应用于传统发动 机的商业仿真 软件很显然不能适用于HFPE。考虑到HFPE是一个集内燃 机、 液压、电子控制于一体的、复杂的、多学科领域的耦合系统, 根据该情况选择了LMS公司的液压系统仿真软件 AMESim,利 用AMESim搭建HFPE的系统仿真模型。对其进行了动态特性 仿真研究。其仿真模型如图3所示。 图3摇基于AMESim的HFPE系统仿真模型 摇摇该模型中,发动机部分采用AMESim中新近开发的二冲 程柴油机模型,由于其二冲程柴油机模型仍然是传统发动机 模型,根据HFPE进行了适当的修改,即将原模型的回流扫 气改为直流扫气,将自变量由原来的曲轴转角改为时间等, 作了一系列调整之后得到如图3所示的发动机部分的模型。 液压系统搭建了详细的HFPE泵体工作模型。控制系统用于 对HFPE进行运行控制,包括活塞运动频率的控制、循环喷油量的控制、喷油正时、配气正时的控制等。以上各个模型 组成了HFPE系统。 3郾2摇HFPE动态特性分析 3郾2郾1摇活塞运动特性 摇摇根据以上搭建的模型对HFPE进行动态特性仿真分析, 由于HFPE的活塞组件不受机械约束,其运动规律取决于活47 2009中国汽车工程学会年会论文集摇SAE鄄C2009P118 塞两端的受力情况,即活塞组件在液压力、气缸压力、摩擦 力等的共同作用下往复运动,活塞运动轨迹如图4所示,从 图中可以看出,活塞在压缩行程和膨胀行程关于上止点呈现 明显的不对称性,即压缩过程中所用时间约16ms,膨胀冲 程所用时间约10ms。该特性从图5的速度曲线上也可以看 出,产生这种特性的原因在于,HFPE活塞组件在压缩过程 中受到控制腔液压力的作用压缩缸内气体,而膨胀过程中是 由于喷入缸内的燃料着火后释放出的能量推动活塞高速向下 止点方向运动,其速度在压缩过程中的最大速度为12m/s, 而膨胀过程中的最大速度为17m/s。 图4摇HFPE活塞运动位移曲线 图5摇HFPE活塞运动速度曲线 摇摇为了更好地说明HFPE的运动特性,仿真对比了相当结 构参数、相当转速范围的传统发动机与HFPE的运动规律, 图6给出了HFPE与传统发动机的活塞位移曲线对比图。从 图中可以看出,HFPE相比传统发动机其位移曲线关于上止 点呈现不对称性,尤其是上止点处活塞位移曲线变化较大, 从图7速度对比曲线更容易看出其对称性差的特点,且压缩 过程和膨胀过程中的最大速度不相等。 3郾2郾2摇功率调节特性 摇摇HFPE输出功率可以通过“调频冶方式实现,如图4、 图6摇HFPE与传统发动机活塞位移对比 图7摇HFPE与传统发动机活塞速度对比曲线 图5所示,当活塞完成一次循环回到下止点后,频率控制阀通过控制下一循环的开始时间来控制活塞停止在下止点处的 时间,控制活塞的运动频率,进而实现HFPE输出功率的 调节。 摇摇图8给出了HFPE不同频率所对应的活塞位移曲线,从 图中可以看出活塞不同频率只是改变了活塞组件在下止点处 停止的时间驻t的长短。