液压自由活塞内燃机(Hydraulic Free Piston Engine,HFPE)集内燃机、液压泵于一体,摒弃传统内燃机与液压泵组合的柱塞驱动机构,通过连杆将内燃机活塞与液压泵的柱塞直接连接,燃料化学能直接转化输出为液压能,缩减了能量转化步骤,减少了能量转化损耗,有利于提高燃料热效率,简化发动机结构,实现结构紧凑化设计和功率柔性化输出,便于在工程机械和军用车辆上灵活布置动力系统。HFPE作为一种跨内燃机、液压、微电子、控制等多学科领域的新型特种内燃动力装置,其工程应用前景的广泛性与学术研究价值的重要性不言而喻,已经引起了国际科技界的高度重视,并取得了快速的技术进步,将会带来巨大的经济效益和社会效益。HFPE按照活塞布置结构分为单活塞式、双活塞式和对置活塞式三种类型。本文主要研究对象为单活塞式HFPE的最基本构型:单缸单活塞式HFPE(Single-cylinder single-piston HFPE,SHFPE)。SHFPE具有体积小、重量轻、成本低、结构简单、零部件少、适应燃料广泛、功率输出灵活和易于实现PPM方式控制等诸多优点,且与对置活塞式HFPE有很大的关联性,并且SHFPE的研制经验可以为对置活塞式HFPE提供一定的借鉴。然而SHFPE的活塞“自由”特性所引起的作用力变化容易影响其运动规律及位移,其换气和燃烧过程的不稳定致使“自由活塞”上所受合力发生变化并触及活塞运动,以致于SHFPE的工作稳定性受到较大的影响,甚至导致发动机的工作状态异常。要使SHFPE能够高效、低排稳定运行,就必须对发动机压缩比、换气、喷油、燃烧进行精确控制。因此,非常必要深入研究SHFPE的换气和燃烧过程,努力探究SHFPE能够稳定工作的切实可行的换气和燃烧方式,分析其相关影响因素。本文以单缸单活塞式液压自由活塞柴油机为研究对象,主要研究内容包括三个方面:一是研制了一台SHFPE样机;二是SHFPE系统特征研究;三是SHFPE换气与燃烧过程研究。研究过程中配合理论研究、模拟计算和测试试验等诸多研究方法并应用了从系统整体特征至局部特征之研究策略,期望在SHFPE系统方案设计、SHFPE系统性能预测、SHFPE换气结构优化、SHFPE燃烧过程分析上得到一些有益的成果,为指导SHFPE的研究开发工作奠定一定的基础。简要介绍了自由活塞内燃机基本概念、类型和车辆应用现状,系统概述了自由活塞发动机的发展历程,全面分析、归纳和总结了HFPE的国内外研究现状及需要探究的关键技术问题,扼要说明了本论文的研究方法、策略和主要研究内容。采用对比的方法,具体分析了具有不同主体结构、动力模块结构和液压模块结构HFPE的优势与不足,确定了系统总体技术方案。阐述了该发动机的基本工作原理,利用AMEsim建立了系统的动力学仿真模型,对系统动态特性进行仿真研究。对SHFPE的工作性能随主要参数的变化规律进行了研究。相关仿真数据为换气和燃烧系统设计与仿真提供依据。分析SHFPE活塞运动规律对气口比时面值的影响,运用换气系统结构设计的原则和方法,研究合理确定回流扫气的气口结构参数的方法,在此基础上分析扫、排气口高度和扫气室容积对回流扫气效果的影响,对排气动力效应进行了理论分析和数值模拟,提出了Kadenacy效应综合利用的方法。为研究SHFPE换气结构的宏观扫气效果和微观流场参数奠定基础。以课题组实际设计的SHFPE样机为研究对象,基于SHFPE的特殊运动规律,运用计算流体力学软件AVL FIRE对进扫排气道-扫气室-燃烧室系统进行建模和数值计算,详细探讨了液压自由活塞发动机与传统曲轴式发动机在换气方面的差异与联系,对自由活塞发动机回流扫气过程的特点规律进行细致的分析,并深入研究了气口结构参数对换气过程及换气品质的影响规律。详细介绍了AMEsim和FIRE中使用的点火延迟及燃烧放热模型,然后运用AVL FIRE软件对不同结构燃烧室的SHFPE压缩和燃烧过程的速度场、浓度场和温度场等进行数值模拟研究,探究了燃烧室结构对燃烧过程影响的作用机理,深入分析其燃烧过程的微观特性及宏观表现,为燃烧室结构的改进和优化提供一定的理论基础。梳理了论文研究设计的液压自由活塞柴油发动机试验样机的基本结构和发动机的控制系统部分以及发动机试验调试过程的工作。总结了本文的研究内容、主要结论和创新点,分析和展望下一步需深入研究的相关工作。