自由活塞发动机活塞环密封特性研究

为获得自由活塞发动机活塞环密封特性,基于热力学方程和一维等熵流动方程建立了工作过程活塞环密封数学模型,对比发动机静态密封试验数据对模型进行了修正。运用所建密封模型和已有工作过程计算模型分析了自由活塞发动机和传统发动机活塞环密封特性之间的差异,并研究了相关参数对自由活塞发动机漏气损失的影响规律。研究发现:一个循环时间内,自由活塞发动机活塞环密封工作的时间较传统发动机长,但缸内气体泄漏质量较少;压缩过程中,自由活塞发动机缸内气体泄漏质量较多,但燃烧过程和膨胀过程泄漏的质量较少;选取适当的压缩比、活塞环间距和电磁负载有助于减小漏气损失。     

自由活塞发动机工作特性仿真分析

以自由活塞发动机为研究对象,基于MATLAB/Simulink建立仿真模型,分析动子质量和外部负载对自由活塞发动机电磁力、电磁力做功的影响。结果表明：所建立的模型可以初步模拟自由活塞发动机系统动子运动等特征,动子质量要足够大,动子质量小于3.0 kg时该发动机不能正常工作,动子质量大于3.3 kg时,发动机能够正常工作;随动子质量增大,电磁力做功功率呈先增大后下降趋势,动子质量为3.7 kg时电磁力功率最大,为1.42 kW;随外部负载增加,电磁力峰值降低,电磁力做功功率先增大后降低,当外部负载为8Ω时电磁力功率最大,为2.10 kW。     

液压自由活塞发动机活塞运动规律自适应特性的研究

在一台液压自由活塞发动机(HFPE)样机上进行了活塞运动规率的试验。研究表明:活塞的运动规律对于燃烧相位和累积放热量的变动具有自适应性;随着燃烧相位的提前或累积放热量的增大,活塞换向提前,最大升程和压缩比降低;这种自适应性可有效避免均质压燃过程中的爆震与后燃现象,保证缸内最高压力、最大放热速率的稳定,减少指示功的损失。     

车用发动机低散热活塞的传热

介绍了车用低散热活塞的研究工作及其结构设计方案，讨论了活塞的三维有限元分析和试验结果，活塞温度场，散热量的计算结果表明，低散热活塞可显著降低散热量，达到设计目的。     

自由活塞发动机活塞环-气缸套的润滑及摩擦特性

自由活塞发动机(FPE)工作过程中缸内负载特征、活塞运动规律与曲轴式发动机(CE)不同,为研究FPE活塞环润滑及摩擦特性,利用流体润滑方程与微凸体接触方程建立了FPE活塞环润滑及摩擦模型,并通过试验验证了仿真模型的有效性.通过数值仿真对比了相同结构活塞环在FPE与CE两种工作模式下最小油膜厚度、摩擦力及摩擦功率周期历程,分析了FPE活塞环摩擦学参数对润滑及摩擦性能的影响.结果表明:相对于CE,FPE活塞环在上止点附近最小油膜厚度较大,处于边界润滑状态时间历程较短,摩擦力峰值与摩擦损失较小,但摩擦功率峰值明显高于CE;FPE活塞环桶面高度由2,μm增至4,μm,上止点附近最小油膜厚度降幅为47%,,摩擦力峰值增幅为20%,,摩擦损失降幅为4.6%,;FPE活塞环桶面由-50,μm偏移至50,μm,最小油膜厚度在活塞上行过程减小,下行过程增加,膨胀行程的摩擦力峰值及其作用时间减小,摩擦功率峰值降幅为32%,,摩擦损失降幅为5.2%,.     

液压自由活塞发动机活塞运动规律动态仿真研究

为研究液压自由活塞发动机(HFPE)的活塞运动特性,建立了液压自由活塞发动机动态仿真模型,针对循环供油量、喷油定时、气门正时、压缩压力、负载压力等主要控制变量对活塞运动情况的影响进行了规律性研究.结果表明:各控制变量的变化影响活塞受力的变化,进而使活塞的下止点位置和压缩比发生变化,并影响发动机的正常运转和性能;循环油量与活塞膨胀行程长度、压缩能量与压缩比均近似呈线性关系;HFPE循环工作是一个多参数耦合和能量重新分配的复杂过程;执行器滞后引入的正时控制误差将是影响控制精度的重要因素.     

基于活塞运动规律的自由活塞发动机燃烧放热规律

自由活塞发动机具有异于传统发动机的活塞运动规律,为研究其对自由活塞发动机燃烧放热规律的影响,提出了等效转速变换的概念,将试验示功图反算得到的燃烧放热规律以曲轴转角为计量单位表示,分析了自由活塞发动机与传统发动机放热规律的差异,最后采用三维仿真与试验的结论进行对比.结果表明:自由活塞发动机在压缩行程比传统发动机有较高的运动速度与加速度,这使其在压缩行程有良好的雾化与油气混合效果,预混燃烧量达到80%,;膨胀行程缸内容积变化率较大,缸内压力温度下降较快,因而缓燃期和后燃期持续时间远低于传统柴油机;双韦伯函数拟合的自由活塞内燃发电动力系统(FPEG)放热规律预混合燃烧品质系数和扩散燃烧品质系数分别为3.451和10.24,与传统柴油机相比均偏大;受活塞运动规律的影响,自由活塞发动机与相同缸径的传统发动机相比最高爆发压力较小,出现最高爆发压力的时间较晚,且滞燃期较短.     

液压自由活塞发动机的能量平衡分析

液压自由活塞发动机是将一次动力机－内燃机与二次动力机－液压泵的集成为一体，以液体为工作介质，利用油液压力能来实现动力非刚性传输的复合发动机，针对稳态运转的液压自由活塞发动机，分析了其能量输入，耗散，分配及输出情况，给出了各能量组分所占的比例，并估算了活塞的最大运动速度和负载压力，为HFPE的结构设计，控制和效率提高指明方向。     

液压自由活塞发动机点火系统的研制

液压自由活塞发动机是将内燃机与液压泵集成为一体的新型特种发动机，由于无曲轴-连杆等旋转部件，使得其点火系统与曲轴式发动机有着诸多不同，本文结合液压自由活塞发动机的结构及运动特点，设计了液压自由活塞发动机的基本点火电路及外围电路，以数字仿真为基础，为主要元器件结构选型及参数选择提供根据，并在样机的调试过程中，对点火系统进行了实测。仿真研究和实测结果说明了所设计的计算机控制点火系统是简单易行的。     

液压自由活塞柴油机喷油特性研究

针对液压自由活塞柴油机的特点提出了共轨液压式柴油喷油系统,即利用液压自由活塞柴油机的高压油路替代供油系统的高压油泵。通过对共轨液压式喷油系统的原理分析,利用活塞式供油规律测试仪对其喷油规律展开离线研究,研究了不同驱动压力、不同喷射频率条件下的循环喷油量、喷油延迟时间的变化规律。为进一步研究发动机实际运行过程中气门控制油路等对喷油过程产生的影响,在线对循环喷油量进行了测量。结果表明:由于喷油器驱动油路和气门驱动油路连接在一起,气门驱动供油造成了喷油器驱动油路的压力波动,从而使得循环喷油量变动范围变大(-6.9%9.5%),最终影响发动机稳定运行。对发动机气门及喷油驱动油路改进后进行连续运行试验,试验研究结果表明:循环喷油量的波动及实际喷油位置的变化都会影响液压自由活塞发动机连续稳定运行,要实现液压自由活塞发动机连续可靠稳定运行,必须减小循环喷油量波动和喷油延迟时间。     

斯特林发动机传热特性的研究

过去对斯特林发动机进行传热分析和模拟计算时,均采用稳定流动状况下的准则公式,因而带来较大的误差。为此,本文对斯特林发动机的非稳定传热特性进行了理论分析和试验研究,并整理出在低雷诺数下的准则公式。     

基于Simulink和GT-Power的自由活塞发动机仿真

自由活塞发动机(Free Piston Linear Generator,以下称FPLG)具有结构简单,效率高,适应燃料多的优点。由于取消了曲柄连杆机构,活塞的位置控制是实现自由活塞发动机稳定运行的关键。本文基于Simulink建立了机械-流体-电控耦合系统模型,并用GT-Power及样机倒拖试验数据进行流体部分的验证。针对FPLG的非稳定状态建立了仿真模型,着重研究FPLG运行过程中换气,燃烧过程的不稳定情况,及其对FPLG运行特性的影响。     

改善活塞摩擦特性 提高发动机性能

从摩擦磨损的机理出发,探讨了在活塞气缸摩擦副之间人为建立“第三物体”的方法,根据铝活塞材料的晶体结构特点,巧妙地利用化学热处理方法,改善了活塞在气缸内运动时的摩擦学特性。证明了改善活塞的摩擦,可以缩小活塞缸间隙,提高发动机的性能,利用台架发动机拉缸试验,对新的活塞进行了极为严格的考核,在节能和排放两个方面取得了满意的效果。     

液压自由活塞柴油机控制参数影响特性试验

在研制的单活塞式液压自由活塞柴油机上开展了控制参数影响特性、启动特性及运行特性等规律性试验.结果表明:改变压缩压力可以实现压缩比的控制,随着压缩压力的增大压缩比将增大;循环喷油量、喷油正时和排气门正时等参数对自由活塞发动机的膨胀行程、压缩比和下止点位置等具有决定作用;频率控制阀信号脉宽影响发动机的启动过程,脉宽较小时会导致活塞运动速度减慢甚至启动困难.对其特性的研究结果表明:活塞运动规律呈明显的非对称性,膨胀行程用时较压缩行程短;缸内燃烧过程呈近等容燃烧;液压输出能量受单向阀响应性影响会损失掉一部分高压能.     

自由活塞斯特林发电机启动特性实验研究

启动是开展自由活塞斯特林发电机实验研究的前提，为更系统研究发电机的启动特性，搭建相关实验测试系统并开展实验。发现发电机在激励过后，只有热端温度超过一定值才能成功启动，并以此定义发电机的启动温度。然后以启动温度为评价指标，探究充气压力，配气活塞板弹簧刚度等参数对发电机启动的影响规律。实验结果表明：随着充气压力增加，发电机对应的启动温度逐渐降低。配气活塞板弹簧刚度只有在一定范围内，发电机才能成功启动，并存在最优值。同时，减小外负载阻值以及通过串连电容增加系统的谐振都有利于发电机的启动。     

发动机活塞传热的无网格RKPM计算模型及应用

利用无网格重构核粒子法(RKPM)建立了发动机活塞传热分析的计算模型,采用罚函数法施加第一类边界条件,推导了基于RKPM的活塞传热离散控制方程,并引入可视性准则处理了复杂几何区域中RKPM温度场的非连续性.选择具有解析解的算例验证了计算方法和程序的正确性,并利用RKPM传热计算模型求解了混合边界条件下的发动机活塞温度场,温度分布与有限元法、有限体积法结果吻合得很好.结果表明,基于无网格RKPM的传热计算模型无论对规则区域还是对复杂几何区域下的混合边界工程传热问题,都能取得较高的计算精度,为发动机活塞传热分析提供了一种新的方法.     

发动机活塞传热的三维无网格法模拟及试验验证

利用三维光滑点插值无网格法(FS-PIM)建立了发动机活塞三维传热分析的计算模型,在FS-PIM中引入广义梯度光滑技术对协调梯度场进行修正;详细推导了活塞传热的三维无网格离散控制方程,并编写无网格法FORTRAN程序模拟了活塞的三维温度场。引用活塞温度的硬度塞法测试结果,对三维无网格法活塞温度计算结果进行对比验证,发现在复杂几何结构和混合边界条件传热问题中,其计算结果与有限元法、试验测试等结果吻合得较好,而且在相同节点布置和传热边界的前提下,无网格法的计算精度比传统有限元法高,更接近试验结果,说明计算模型是高效可行的。此外,FS-PIM法无需计算形函数的导数,比其他无网格法的计算成本要低,降低了对场函数连续性的要求。     

自由活塞发动机电动压气机优化及熵产分析

为了使设计工况下匹配的增压器性能更优从而提高系统能量利用率,针对自由活塞发动机匹配的电动压气机,采用遗传算法对原压气机进行了优化,研究了优化前、后压气机内部流场特性,以熵产分析的方法量化了3种不可逆因素导致的流动损失,并将优化前、后压气机熵产和涡度分布对比分析,进一步明确了压气机的优化策略．结果表明：叶轮和扩压器中湍流耗散、传热耗散和黏性耗散的比例近乎为6∶3∶1．不可逆损失主要集中在叶顶间隙和叶片压力面,损失来源为间隙泄漏流与部分主流掺混形成的反向涡团．压壳中湍流耗散占比超过85%,具体表现为局部损失和沿程损失．优化后压气机等熵效率提高了6%,流道内涡团的范围、幅值大幅减小,不可逆流动损失降低．上述工作揭示了压气机流场中不同耗散机制的不可逆因素对能量损失的影响机理,为压气机气动优化设计提供指导．     

对置活塞二冲程发动机耗气特性研究

针对对置活塞二冲程发动机对扫气效率优化和功率目标匹配的需求,基于试验和理论分析研究了发动机的耗气特性。采用试验数据和数学模型联合得到发动机的等效流量系数,分析了不同进排气参数、气口开启面积等对发动机耗气量的影响规律。研究结果表明:耗气量只由扫气压力、排气压力和绝热效率三个因素决定,与发动机转速无关;该发动机的等效流量系数近似等于0.272;不同曲轴转角所对应的流量系数与气口开启面积有关,当气口开启面积增加到一定值(4 500~4 668mm2),并继续增加时流量系数保持不变。     

发动机活塞设计

介绍了活塞设计中应当注意的事项及基本思路,包括活塞材料、基本尺寸,头部结构对热负荷的影响,头部结构对漏气、机油消耗的影响,燃烧室喉口设计对结构强度的影响;活塞销座及销孔设计对变形、承载能力的影响;活塞裙部的形线、热变形、控制变形的方法,提高抗拉缸能力的设计方法;还介绍了活塞热负荷和冷却方式的关系及结构等。