单活塞式液压自由活塞柴油机启动过程研究

　　自由活塞发动机在经历了 20 世纪中期的成功后，由于传统内燃机等技术的成熟，曾经淡出了历史舞台［1］。在近20 年，潜在优点加上相关技术的进步使得自由活塞发动机在电驱动和液压驱动领域的应用成为国内外研究的热点［2 －5］。

　　单活塞式液压自由活塞发动机结构紧凑且可控性高，但启动问题被普遍认为是其一大致命劣势［1］。Achten 等［5］曾指出单活塞式液压自由活塞发动机的启动工况与其稳定运行工况没有任何区别，但在实际应用过程中，他们所设计的以液压自由活塞发动机为动力源的工程机械仍然需要在实验室发动，而后才能进行野外作业。

　　单活塞式液压自由活塞发动机的启动过程是一个不同形式能量相互转化的过程，最终目的是要使气缸气体状态满足燃料燃烧的需要。本文结合所研制的单活塞式液压自由活塞柴油机( HFPDE) 样机，根据样机的基本结构，对整个启动过程的能量分配及相关装置的参数匹配方法进行了分析，同时利用样机对启动过程进行了试验研究，以期为改善发动机启动过程提供参考。

　　1 HFPDE 结构特征

　　所研制的 HEPDE 的基本原理如图 1 所示。

　　HFPDE 为直流扫气两冲程发动机，其动力腔主要是由燃烧室及其配件组成的，排气门和喷油器驱动采用液压驱动方式，驱动油压来自系统输出的高压油; 高压腔、泵腔和压缩腔一起构成 HFPDE 的液压部分。HFPDE 通过由直径较大的泵活塞和直径较小的压缩活塞构成的活塞组件的轴向移动实现吸油和排油。

　　2 HFPDE 启动过程分析

　　传统柴油机要完成启动，其压缩过程所形成的压缩空气压力要达到 3 ～4 MPa，温度则达到了 723 ～823 K［6］，对于以柴油作为燃料的 HFPDE 也是如此。

　　2. 1 能量分析

　　HFPDE 启动过程是一个将回复蓄能器中液压能转化为气缸气体内能的过程，中间还经历了气囊气体内能向液压能的转化以及液压能向活塞组件动能的转化。启动能量转化过程的能量释放源为蓄能器液压能和泵腔液压能，而能量吸收源为气缸气体内能、高压腔液压能和各种能量损耗。

　　2. 1. 1 液压能

　　液压腔中液压能的变化量主要与液压腔的压力及其进出流量有关，其在压缩过程的相互关系为

　　式中: ΔE_H为液压能变化量; p_H为液压腔压力; q_H为进出液压腔的流量，进油为正; t_C为压缩过程耗时; t为时间; 下标 i =1，2，3，分别为高压腔、泵腔和压缩腔。

　　根据 HFPDE 工作过程中进出液压腔的流量可知，泵腔和压缩腔能量变化为正，而高压腔为负，即高压腔在压缩过程对外输出液压能。