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自由活塞电液混合动力系统循环运行特性及稳定性研究

自由活塞电液混合动力系统循环运行特性及稳定性研究

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作者：彭世卓重庆交通大学

学位级别：硕士

能源系统是各类交通工具的“心脏”,从内燃机的发明、电机的应用到航天器九天揽月,不断创新更替的动力装置推动了交通运载行业的跨越式发展。近年来,自由活塞式动力系统(Free Piston Engine Power System,简称FPEPS)因其结构紧凑、多燃... 详细信息

能源系统是各类交通工具的“心脏”,从内燃机的发明、电机的应用到航天器九天揽月,不断创新更替的动力装置推动了交通运载行业的跨越式发展。近年来,自由活塞式动力系统(Free Piston Engine Power System,简称FPEPS)因其结构紧凑、多燃料适配性、可变压缩燃烧和高效传动等诸多优势,在新能源动力汽车、微型飞行器、轻型船舶、机器人等交通应用领域展现出广阔的前景。无曲轴的特殊结构是FPEPS拥有众多优势的原因,但在应对复杂的工况和多变的应用场景时,无机械约束的自由运动也使FPEPS的运行稳定性和能量输出的连续性极易受到干扰而脱离正常的工作状态。为破局FPEPS适应性不足、稳定性较差和能量输出不连续性的难题,本文在其基础上提出自由活塞电液混动系统(Free Piston ElectroHydraulic Hybrid Power System,简称FPEHPS),采用电能和液压能的协同输出机制,同时以液压系统作为活塞的回弹装置,为系统在多样化的应用需求和复杂工况下提供了更灵活、更稳定和多元化的能量输出方式。然而,FPEHPS作为一个机-电-液耦合体,其动力学特性、能量转换特性和运行稳定性直接受到燃烧、动力传递、励磁发电及液压传动多个过程的耦合影响。这些过程之间相互交织,彼此影响,任何一个耦合参数的变化都可能对FPEHPS的运行特性及稳定性产生重要影响,揭示其循环运行规律和稳定性机理成为FPEHPS应用的关键。针对该问题,本文以活塞所受作用力为基础,通过深入分析能量的输入、流动及耗散过程,利用MATLAB/Simulink和Amesim联合搭建了包括发动机热力学模型、摩擦力模型、直线电机模型及液压模型的全循环耦合动力学模型,精确仿真了FPEHPS运行过程。基于此,深入分析了FPEHPS循环运行特性、耦合效应及稳定性。主要研究工作和所得结论如下:1.针对FPEHPS特殊的结构布置和工作原理,以分析活塞独特的运动规律为基础,探讨了直线电机和液压系统的运行过程与活塞运动的耦合关系,并指出了其能量的传递过程。然后,基于FPEHPS动力学特性和能量特性,分析了活塞膨胀末期的运动规律及影响因素。结果表明:FPEHPS呈现慢压缩和快膨胀的运动特征,并且在上止点的加速度很大,这与常规发动机的动力学特性明显不同。发电功率和液压输出功率、流量与活塞速度呈正相关。初始条件下,FPEHPS的组合效率为44.13%,其中液压系统的输出效率为22.21%,电机的输出效率为21.92%。此外,液压阀的延迟响应后和能量的反向释放会导致活塞运动至下止点时发生反弹,但适当增大恢复腔压力、液压油的体积模量和加快单向阀的响应速度可以有效减小活塞的反弹距离,提高运行稳定性。2.围绕FPEHPS的多场耦合机理,重点研究了启动力、活塞质量及负载压力对系统动力学特性、能量传递和转换机制的耦合响应。结果表明:较大的启动力和活塞质量可以有效提高系统的压缩比、能量输出效率以及运行稳定性,但增大活塞质量也会不可避免地降低最大输出功率和活塞运动速度。另一方面,调节负载压力可以实现对液压系统和直线电机的能量和功率的有效调控,且对系统的压缩比和效率影响较小。然而,降低负载压力会显著增加活塞的运动行程和速度,这可能诱发系统运动失稳。3.根据FPEHPS循环运行的动力传递和负载特征,建立了FPEHPS非线性振动模型,利用广义谐波函数解析了活塞的动力学特征,并结合定性理论和定量分析的方法,揭示了FPEHPS振动稳定性机理,进而对影响振幅稳定的关键因素进行分析。结果表明:活塞的振动响应不再关于平衡位置对称,其振动特性直接受到输入能量和耗散能量的之间的平衡调控。FPEHPS的定常振动是稳定的,具有一定的自适应性和鲁棒性。定常振幅的变化主要由能量输入与输出腔的压力、电磁力以及摩擦力之间的匹配关系所决定,当输入能量增大时,定常振幅增大,而输出腔压力、电磁力及摩擦力增大时,定常振幅减小,并且定常振幅对输入能量变化的敏感性最高。

关键词：自由活塞电液混合动力系统循环运行特性能量转换特性机-电-液耦合稳定性机理

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