双缸四冲程液压自由活塞发动机可变气门与压缩比协同精确控制机理研究

Power / weight ratio, the hydraulic free piston engine (HFPE) compression than the variable cost and low, especially adapted to require mobility, direct hydraulic output requirements of the walk construction machinery applications. But current HFPE mostly two-stroke internal combustion engine as a drive unit, thus there is poor ventilation efficiency, fuel consumption and emissions serious problem. In addition vibration and compression ratio control problem has been the two biggest problems plaguing single-piston type HFPE. This project seeks to adopt a two-cylinder four-stroke diesel engine as drive of HFPE, piston movement characteristics and the nature of sport asymmetric; from the start of the piston force analysis, modal analysis method to get the engine block vibration response spectrum, study the vibration characteristics of the HFPE, looking for ways to reduce the vibration. Select the appropriate valve actuation methods and control strategies, and coordinate the relationship between the valve and piston movement. Classical feedback theory, parameter estimation and fuzzy control theory and structure identification on HFPE compression ratio of the operating performance of the piston and the engine control. The success of the project implemented, will improve the HFPE and other sports the unbalanced system, the vibration problem and the engine's variable valve control technology have a positive impact.

液压自由活塞发动机（HFPE）由于功率/重量比大、压缩比可变和成本低等优点，尤其适应于要求机动性好、有直接液压输出要求的行走式工程机械的应用。但目前的HFPE大多采用二冲程内燃机作为驱动装置，因而存在换气效率差、燃油消耗大和排放严重等问题。另外振动和压缩比的控制等问题一直是困扰单活塞式HFPE的两大难题。本项目试图采用两缸四冲程柴油机作为HFPE的驱动装置，研究活塞的运动特性和运动非对称性的本质；从活塞的受力分析入手，采用模态分析的方法获取发动机机体振动的响应谱，研究HFPE的振动特性，寻找减小振动的方法。选择合适的气门驱动方式和控制策略，协调气门与活塞运动之间的关系。利用经典反馈理论，将参数估计与模糊控制理论及结构辨识相结合，对HFPE的压缩比、活塞运动以及发动机的操作性能进行控制。该项目的成功实施，将对改善HFPE及其它运动不平衡系统的振动问题和发动机的可变气门控制技术产生积极的影响。

液压自由活塞发动机（Hydraulic Free Piston Engine，简称HFPE）是为适应工业界对节能和环保双重要求大环境下发展起来的一种新兴动力装置。与传统的内燃机加液压泵结构相比，HFPE结构简单，零件数目少，功率/重量比大，且压缩比可变，能够适应多种燃料。因此HFPE适用于需要频繁启停的城市公交系统以及起重类工程机械，具有广泛的工程应用前景和重要的学术研究价值。.项目主要研究内容：（1）研究四冲程单活塞式液压自由活塞发动机的基本结构和工作原理，建立活塞组件振动方程，分析活塞组件在不同条件下的振动特性，研究活塞运动非对称性的本质及其影响因素。（2）对内燃机配气凸轮轴的驱动进行了重新设计使其符合液压自由活塞发动机的运动规律，设计计算液压自由活塞发动机压缩腔的缓冲结构和压缩特性参数。（3）建立了发动机整体仿真模型，分析了发动机活塞组件的运动特性、各液压腔和动力腔的压力特性、内燃机的温度特性、燃油喷射特性和进排气特性。并分析了发动机一个工作循环内的能量分配情况，为更好的提高发动机的效率，优化发动机设计提供依据。（4）针对发动机的压缩子系统、泵油子系统、“缺火”复位子系统、缓冲子系统以及伺服电机驱动的配气子系统和喷油子系统进行实验研究，重点分析压缩腔建压时间对系统的运行频率的影响，并开展参数优化设计。.项目重要研究结果：（1）而当输入能量与输出能量不相等时，活塞组件经过一段时间的调整仍能达到新的平衡状态稳定振动。（2）随着摩擦力、负载压力和输入能量的增大，活塞组件在压缩冲程中的最大速度逐渐减小，膨胀冲程的最大速度逐渐增大，活塞组件的不对称性越明显。（3）喷油泵的喷油压力和喷油持续时间只与喷油时刻的转速有关，采取提前启动方式能够加快喷油泵的响应速度，当转速高于100r/min时，喷油器喷出的燃油可以达到较理想的的雾化效果。（4）缓冲功能在活塞回位时能够有效的降低活塞组件的运动速度，避免活塞组件与液压缸的碰撞。（5）HFPE理论最大工作频率大约为23Hz；采用四冲程柴油机能将扫气效率从80%提高到95%。.通过本项目的研究，推动了自由活塞发动机与四冲程柴油机的技术结合，为HFPE朝大功率应用方向发展提供必要的理论研究基础。