液压自由活塞发动机活塞运动特征参数变化机理与调控

The hydraulic free-piston engine (HFPE) has advantages in such as efficiency, exhaust, et al. The researches on the HFPE develop fast in the past decades. Compared with the piston motion in the conventional two-stroke crank IC engine, the piston motion in the HFPE has no analytical expression, no fixed trajectory and no fixed limit position. It leads to the decrease of the cycle-by-cycle stability. The power density and the energy conversion efficiency are also reduced. The robustness of the system control is insufficient and the HFPE application is limited. Based on the former theoretical and tested results, the project application intends to use the in-cylinder gas and the hydraulic cavity oil which interact with the piston directly to perform the "virtual crank" function. By studying the coupling relationship between the HFPE fluid pressure variations and the piston motion characteristics, the change mechanism of piston motion characteristic parameters, such as the piston frequency and limit position will be revealed. The changes of the parameter for the cycle-by-cycle variation analysis of the piston motion will be proposed. The parameter calculation method for the cycle-by-cycle variation analysis of piston motion will be established. By exploring the mechanism of the HFPE hydraulic pressure interval regulation with hydraulic inertia simulation, the HFPE hydraulic pressure interval regulation method will be presented. It is aimed to provide a perspective for the improvement of the cycle-by-cycle stability and control robustness of the HFPE.

液压自由活塞发动机（HFPE）以在效率、排放等方面的优势，在近十几年发展迅速。与传统二冲程曲柄连杆内燃机活塞运动相比，HFPE活塞运动无解析表达、无固定运动轨迹、无固定极限位置，造成系统循环稳定性变差、功率密度和能量转换效率低于预期，系统控制的鲁棒性不足，影响了HFPE的进一步发展。基于项目组前期理论研究与试验测试结果，本项目申请拟利用与活塞直接作用的气缸气体、液压腔油液实现"虚拟曲柄连杆"的功能，并以一个机理揭示为基础，实现方法的创新。通过开展HFPE流体压力变化规律与活塞运动特性之间的耦合关系研究，揭示活塞频率、极限位置等活塞运动特征参数变化机理，获取活塞运动循环变动的分析参数变化规律，建立活塞运动循环变动的分析参数计算方法，探究引入"液压惯性模拟"思想的HFPE液压压力区间调控机制，形成液压压力区间调控方法，为提高系统循环稳定性、改善系统控制的鲁棒性提供思路。

液压自由活塞发动机（HFPE）由于其活塞运动无固定轨迹、无固定极限位置，造成系统循环稳定性差、功率密度和能量转换效率低于预期，系统鲁棒性不足。通过建立HFPE活塞运动特性研究试验装置和理论分析模型，揭示活塞频率、极限位置等活塞运动特征参数变化机理，建立活塞运动循环变动的分析参数计算方法，系统循环变动的原因、规律进行研究，实现了基于“液压惯性”的“虚拟曲柄连杆”功能。重要结果包括：.专题1，HFPE活塞运动特征参数变化机理研究及活塞运动规律优化，1）根据动力和负载特征建立系统的非线性模型，对气体介质刚度、活塞质量等特征参数对活塞频率的影响进行了分析。形成基于压缩比和活塞运动平衡位置变化的活塞运动可控性理论，在自由压缩轨迹包络范围内易于实现对活塞运动参数的控制；超越该包络范围，活塞运动参数表现为不可控。对蓄能器能量损失的分析表明，蓄能器低频时热损失占主导；高频时，液压损失严重。2）定义了反应燃烧效率的定容增压比概念，随着定容增压比的增高膨胀行程变大。系统膨胀过程中，活塞振动角频率受气体介质刚度项和能量项两部分影响；且燃烧速度对频率有很大影响，可以通过改善燃烧方式来调整频率特性。基于Atkinson循环获得的热效率相比传统计算热效率提高约4%。.专题2，HFPE活塞运动循环变动研究，提出了适用于液压自由活塞发动机循环变动分析的评价参数。分析表明，HFPE上止点位置循环变动小，下止点位置循环变动较大，循环间压缩比有小幅波动。低频时，HFPE平均指示压力、缸内压力峰值及其对应活塞位置的循环变动率均偏大；HFPE最大燃烧放热率、50%放热点活塞位置和燃烧持续期也较大，表明HFPE在低频运行工况的燃烧变动较大。.专题3，HFPE液压压力区间调控方法研究，为克服原结构液压阀芯动态响应滞后导致的燃烧不充分和液压腔容积效率低的问题，将泵腔结构改为双输入双输出的四油口结构。新液压循环系统最高总效率为35.11%，相对传统液压循环系统最高总效率34.89%提高了0.63%。新液压循环系统响应延迟造成的液压能损失为0.004J，相对传统液压循环系统液压能损失0.13J 降低了约96.9%。.专题4，HFPE应用研究，基于液压自由活塞发动机提出了基于压力交叉反馈的液压恒压网络车辆驱动系统结构，分析了驱动系统的四象限工作原理，总结了系统在驱动模式和再生制动模式之间自适应切换的特点。