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三缸内燃式水泵的功率流动研究

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三缸内燃式水泵的功率流动研究
王晓静，张铁柱，赵红
青岛大学机电工程学院，青岛(266071）
E-mail：wangxiaojing82@126.com
摘要：本文对三缸内燃式水泵中的动力活塞、水泵、曲轴及飞轮进行了功率分析，给出了特定工况下曲轴在一个工作循环中的真实运动规律并应用MATLAB软件对其工作过程进行仿真计算，分析了三缸内燃式水泵中的功率流动,为其应用和推广提供理论依据。关键词：三缸内燃式水泵，仿真计算，功率流动中图分类号：TK4
1.引言
三缸内燃式水泵(three-cylinderInternalCombustionWaterPump，简称ICWP是利用液压自由活塞发动机HFPE（HydraulicFreePistonEngine）依靠活塞直线往复运动将燃料燃烧产生的热能直接转换成流体压力能的原理，同时吸收传统活塞式内燃机活塞运动受曲柄连杆机构约束，容易实现工作协调、启动、附属系统驱动等优点，将发动机与柱塞式水泵的结构原理和技术特点融会一体形成的一种易于产业化的新型动力装置。三缸内燃式水泵克服了传统的内燃机—水泵组合系统结构复杂、有效功率低等弊端，吸收了HFPE利用活塞往复运动直接进行能量转换的优点，保留了传统发动机技术成熟、工作可靠的特点[1]。
2.工作原理
内燃式压气机的结构如图1所示，。用一个联接杆将动力活塞、液压柱塞塞和导向滑块联接在一起。在动力室中动力活塞下行时带动液压柱塞实现排水动作，上行时带动液压柱塞实现吸水动作，动力活塞在完成吸气——压缩——膨胀——排气这一个工作循环时带动液压柱塞完成吸水－排水－吸水－排水两个工作循环。曲柄连杆机构驱动曲轴转动并带动飞轮蓄能为回程提供能量。
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图1内燃式水泵结构原理图

1-连杆；2-导向滑块；3-联接杆；4-进水口；5-液压柱塞；6-连接板；7-动力活塞；8-第一工作室；
9-第二工作室；10-出水口；11-第三工作室；12-曲轴；A-分流点
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3.内燃式水泵主要部分功率分析
3.1活塞输出功率
气缸内活塞的功率主要来自活塞两侧气体的压力。对于动力活塞，在第一工作室内的吸，可用函数Pi=气和排气压力可认为等于大气压（约为0.1Mpa）
pmivsni
，其中pmi(Pa平均120
指示压力，Vs(m3为气缸工作容积，n（rad/s）为转速，i表示气缸数[2]。
3.2水泵输出功率
水泵的功率Pp主要来自出水阀和进水阀的压力差及它们的流量。可用函数
Pp=
(pc−ps×Q
3600
表示，其中pc（Pa）表示水泵的最大输出压力，ps（Pa）为水泵的
输入压力，Q(m3/s为流量。
3.3飞轮能量
飞轮的能量Pb主要来自自身的转速。可用函数pb=
1
mbωb2rb2表示，其中mb(kg为飞轮2
的转速，ωb(r/min为飞轮的角速度，rb(m为飞轮的半径。
3.4曲轴上的功率
为了求得曲轴在内燃式水泵工作过程中的真实运动规律，取曲轴作为等效构件。根据质点系动能原理将作用于机械系统的所有外力和外力矩、所有构件的质量和转动惯量都向等效构件转化。转化的原则是等效构件的质量和转动惯量所具有的动能应等于整个系统的动能，等效构件上的等效力和力矩所产生的功应等于系统所有力和力矩所产生的功。
内燃式水泵的真实运动可通过建立等效构件运动方程式求解。根据内燃式水泵曲轴的能量形式运动方程式可得：
112
Jeω2=Je0ω0+∫Medϕ（1）220
式中Je表示等效构件曲轴的转动惯量，由于等效半径是一个随转角变化的量，因此Je为转角Je0表示起始位置时曲轴的等效转动惯量，的函数；ω表示曲轴转速；ω0表示曲轴的初始转速；
ϕ
Me表示曲轴的等效力矩。
4.内燃式水泵各主要部分在特定工况下的功率仿真结果及分析
本文采用AVLBoost软件建立模型对三缸内燃式水泵燃烧室内热力学过程进行模拟，得出内燃泵燃烧室内的气体压力曲线，以此为基础采用MATLAB软件进行仿真分析[3]。
三缸内燃式水泵对应部分以KM385B型直喷式风冷柴油机为原形，设计中相关参数通过实测得到，泵腔部分（第二工作室）自行研制。活塞三缸内燃式水泵对应部分以KM385B型直喷式风冷柴油机为原型，设计中相关参数通过实测得到，泵腔部分（第二工作室）自行研制。活塞与缸套、曲轴与轴瓦之间的摩擦系数根据KM385B的额定工况通过实验校准。水的
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体积弹性模量通过三缸内燃式系统的容积效率和压力脉动实验校准。活塞-柱塞组件与导套之间的摩擦系数通过对三缸内燃式水泵的有效效率试验校准。主要参数为（采用国际标准单位）：系统转动惯量I0=0.501；活塞-柱塞行程S=0.09；曲柄半径r=0.045；内燃泵往复移动质量mj=3.271；连杆长度l=0.135；活塞直径D=0.09；压缩比ε=18；余隙长度x0s=0.61076，x0c=0.70076[4]。
仿真将燃烧过程分为定压燃烧和定容燃烧两个过程，并以定压燃烧开始时为仿真起点，不计各部分摩擦，对内燃式水泵各部分进行研究。
4.1内燃式水泵各主要部分在特定工况下的功率仿真结果

图1.动力活塞功率输出与曲轴转角的关系



图2.水泵功率输出与曲轴转角的关系


图3.飞轮功率与曲轴转角的关系
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图4.曲轴等效功率与曲轴转角的关系


4.2内燃式水泵各主要部分在特定工况下的功率仿真结果分析（1）内燃式水泵各部分总体成周期性变化。
（2）水泵输出功平均占到活塞输出功率的73.8291％。
（3）飞轮在储能方面起到了很重要的作用，最高功率达到7.2573KW.
（4）曲轴上的能量流动在-1.0677KW与1.4805KW之间，波动小于单缸内燃式水泵。
5.结论
通过对三缸内燃式水泵中的动力活塞、水泵、曲轴及飞轮进行功率分析，研究了三缸内燃式水泵中的功率流动,为其应用和推广提供理论依据。
参考文献
[1]张继忠,张铁柱,戴作强等.内燃式水泵方案分析与设计.青岛大学学报(工程技术版,2005.8-9.[2]郑启福.内燃机动力学[M].北京:国防工业出版社,1993.
[3]吴楠，等.内燃机曲柄连杆机构的多体动力学仿真[C].MSC．Software中国用户论文集,2004.[4]刘国庆，三缸内燃式水泵性能仿真研究[D].青岛:青岛大学，2007
Dynamicsimulatingofpowerfluctuationoncrankshraftof
thethree-cylinderinternalcombustionpump
WangXiaojing，ZhangTiezhu，Zhaohong
QingdaoUniversity，Qingdao，Shandong（266071）
Abstract
Thisthesismakespowerfluctuationanalysisonactivepiston、pump、andcrackshraftofthethree-cylinderinternalcombustionpump,.ByapplyingMATLABtosimulateitsworkingprocess,itsummarizestheactualworkingprocessofcrankshaftunderawholeworkingcycle,showedthepowerfluctuationoncrankshraft，maketheroticfoundationforitsapplicationanddevelopment.
Keywords：Simulation，three-cylinderinternalcombustionpump，Powerfluctuation
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本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/db130c52ad02de80d4d84059.html

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