CN100520036C - 双组元液压自由活塞发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双组元液压自由活塞发动机。该发动机采用双活塞式液压自由活塞发动机，利用单向阀对液压泵配流。该装置采用航空单组元推进剂作为氧化剂，高能矿物燃料作为燃烧剂，组成双组元驱动能源；利用氧化剂催化分解产生的高温和氧气引燃矿物燃料，从而释放出巨大的能量，推动液压自由活塞发动机工作，对外输出高压油，驱动负载工作。由于燃料的燃烧直接利用氧化剂提供的氧气和热量而形成自燃，不需要对发动机进行压缩比和点火正时的控制，因此对于活塞组件的位置要求不严格，不会出现“缺火”现象，具有很高的可靠性；取消了点火和起动装置，因此结构简单，具有更高的能量密度。

Description

双组元液压自由活塞发动机

技术领域

本发明涉及活塞式发动机，尤其是涉及一种双组元液压自由活塞发动机。

背景技术

由于全球性的能源危机以及环保意识的加强，对发动机的环保和节能的要求越来越迫切，液压自由活塞发动机不仅是行走机械有希望的动力之星，而且是推动现代液压技术发展的强劲动力。燃料的选择以及如何突破液压自由活塞发动机需要精确设计的压缩冲程和压缩比精确控制的限制成为目前研究的重点。

对于液压自由活塞发动机的研发主要集中在自由活塞组件的结构以及燃料的选择上。

从活塞组件及动力腔的数目和压缩冲程实现方式分：液压自由活塞发动机可分为单活塞、对置活塞及双活塞。单活塞式需单独的回复系统，存在振动问题，直流扫气需专门阀系配合，目前所研制的样机可在液压叉车进行示范性应用；对置活塞式也需要单独的回复系统，并且结构复杂，难于实现两对置活塞运动的精确同步控制，目前尚处于实验室研究和样机试制阶段；双活塞式难以实现压缩比的精确控制，同样存在振动问题，流量调节较困难，扫气时间短，直流扫气需专门阀系，目前也是处于实验室研究和样机试制阶段。但是由于其功率密度最大，并且不需独立的回复系统，因此双活塞式液压自由活塞发动机成为目前研究的热点。目前的液压自由活塞发动机主要是基于内燃式工作方式，需要单独的点火系统，并且对压缩比和压缩冲程要求严格，成为制约其发展的瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双组元液压自由活塞发动机，该发动机采用航空单组元推进剂作为氧化剂，以高能矿物燃料作为燃烧剂，组成双组元驱动能源；利用单组元推进剂催化分解产生的高温和氧气来引燃矿物燃料；由于利用的催化分解反应，因此不需要对压缩比进行精确的控制，无需点火和起动装置。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

包括第一气缸经液压泵腔与第二气缸连接，连接活塞杆中一端的第一动力活塞、中部的泵活塞和另一端的第二动力活塞，分别装在第一气缸、液压泵腔和第二气缸内，泵活塞上接有配流单向阀组，配流单向阀组的一端经高压蓄能器接负载的一端，配流单向阀组的另一端经低压蓄能器接负载的另一端；氧化剂罐出口分两路，一路经第一氧化剂控制阀接第一气缸的进气口，另一路经第二氧化剂控制阀接第二气缸的进气口；燃烧剂罐出口分两路，一路经第一燃烧剂控制阀接第一气缸的进气口，另一路经第二燃烧剂控制阀接第二气缸的进气口；微机控制单元分别与第一燃烧剂控制阀、第二燃烧剂控制阀、第一氧化剂控制阀和第二氧化剂控制阀电连接。

它使用航空单组元推进剂+高能矿物燃料，并在燃料中溶有催化剂。当在电控单元的控制下，氧化剂和燃料混合后，燃料中的催化剂催化分解单组元推进剂，使其分解产生高温，并释放出氧气，在高温和氧气的条件下，矿物燃料被引燃，释放出巨大能量，推动活塞组件运动，对外输出液压能。由于燃料的点火是通过单组元燃料催化分解引燃的，因此不需要点火和起动装置，也不需要对活塞组件的行程作严格的控制，因此结构和控制系统简单，系统不会出现缺火现象，能够可靠运行。

本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：无需压缩冲程和点火及起动装置，使得其结构更为简单；无需怠速，可产生离散的发动机冲程，适应于变负载场合；不依赖氧化剂，使用范围广；无需压缩比的精确控制，系统可靠性高。

附图说明

附图是双组元液压自由活塞发动机结构原理图。

图中：1.氧化剂罐，2.燃烧剂罐，3、3′.燃烧剂控制阀，4、4′.进气口，5、5′.气缸，6、6′.动力活塞，7、7′.液压泵腔，8.配流单向阀组，9.泵体，10.高压蓄能器，11.负载，12.低压蓄能器，13.泵活塞，14.连接活塞杆，15、15′.排气口，16、16′.氧化剂控制阀，17.微机控制单元。

具体实施方式

如附图所示，本发明包括第一气缸5经液压泵腔7与第二气缸5′连接，连接活塞杆14中一端的第一动力活塞6、中部的泵活塞13和另一端的第二动力活塞6′，分别装在第一气缸5、液压泵腔7和第二气缸5′内，泵活塞13上接有配流单向阀组8，配流单向阀组8的一端经高压蓄能器10接负载11的一端，配流单向阀组8的另一端经低压蓄能器12接负载11的另一端。氧化剂罐1出口分两路，一路经第一氧化剂控制阀16接第一气缸5的进气口4，另一路经第二氧化剂控制阀16′接第二气缸5′的进气口4′；燃烧剂罐2出口分两路，一路经第一燃烧剂控制阀3接第一气缸5的进气口4，另一路经第二燃烧剂控制阀3′接第二气缸5′的进气口4′；微机控制单元17分别与第一燃烧剂控制阀3、第二燃烧剂控制阀3′、第一氧化剂控制阀16和第二氧化剂控制阀16′电连接。

微机控制单元17采用NI公司的数据采集系统(DAQ)或单片机MCS51系统，来控制氧化剂控制阀和燃烧剂控制阀的开关时间。

为了保证驱动能源存放的安全性以及使用过程的灵活性，氧化剂和燃烧剂单独存放在不同的储料罐中。其中所使用的氧化剂是推进剂级高浓度过氧化氢(HTP)，质量浓度一般为90％；为保证高浓度HTP的安全存放，氧化剂罐在使用之前经过浓硫酸的钝化，并在其中加入一定量的稳定剂，以保证在常温下可以长期存放，避免杂质分解过氧化氢；燃烧剂中溶有一定量的能够催化分解过氧化氢的催化剂，但是与燃烧剂不起反应。为了保证氧化剂和燃烧剂快速的通过控制阀进入气缸，对氧化剂罐和燃烧剂罐利用惰性气体进行预加压。并且为了保证高浓度过氧化氢的使用安全，在氧化剂罐的上部安装有爆破隔膜，确保过氧化氢在异常分解的情况下快速释放，防止爆炸。

根据负载的情况，双组元液压自由活塞发动机可以分为连续工作和空载运行工作状态。

a)连续工作状态

当双组元液压自由活塞发动机处于正常工作状态时，在微机控制单元17的控制下，左氧化剂控制阀16和燃料剂控制阀3同时开启，由于燃料罐和氧化剂罐在开始时实行了预加压，因此氧化剂与燃料剂将在左动力腔5内以较快的流速实现迅速混合。由于燃料剂中溶有催化剂，在混合过程中，氧化剂将发生剧烈的分解放热反应并释放出氧气，点燃燃料剂，驱动活塞组件14向右移动，当活塞组件运动到将排气口15打开，气缸5中的高温混合气体从15排到大气中。与此同时，在配流阀组8的控制下，中间液压泵7从油箱如低压蓄能器12吸入液压油并向负载回路输送高压液压油，驱动液压负载11工作。同理，若右燃料控制阀3′和氧化剂控制阀16′同时开启，则在燃料释放能量的驱动下，连接活塞杆14将向左运动并泵出高压油驱动负载工作。在活塞组件向左运动终了时，排气口15′打开，将气缸5′中的废气排出。因此，在两侧燃料控制阀和氧化剂控制阀的交替动作的情况下，双组元液压自由活塞发动机将连续不断地向负载回路输送液压油，驱动负载11连续工作。

b)空载运行状态：

当系统处于空载状态时，在微机控制单元17的控制作用下，左右两部分的燃料剂控制阀和氧化剂控制阀都处于关闭状态，禁止向系统提供燃料，因此系统中没有氧化剂的分解和燃料的燃烧，活塞组件处于静止状态，不向负载提供高压液压油，系统处于空载状态。

一旦系统需要有载运行，则在微机控制单元17的作用下，打开燃料剂控制阀和氧化剂控制阀，则在催化剂的作用下，氧化剂分解产生热量引燃矿物燃料，燃烧释放热量驱动活塞组件运动输出高压油驱动负载工作。因此双组元液压自由活塞发动机可以产生离散的发动机冲程，不需要怠速运行，提高了系统的效率。

Claims (2)

1、双组元液压自由活塞发动机，包括第一气缸(5)经液压泵腔(7)与第二气缸(5′)连接，连接活塞杆(14)中一端的第一动力活塞(6)、中部的泵活塞(13)和另一端的第二动力活塞(6′)，分别装在第一气缸(5)、液压泵腔(7)和第二气缸(5′)内，泵活塞(13)上接有配流单向阀组(8)，配流单向阀组(8)的一端经高压蓄能器(10)接负载(11)的一端，配流单向阀组(8)的另一端经低压蓄能器(12)接负载(11)的另一端；其特征在于：氧化剂罐(1)出口分两路，一路经第一氧化剂控制阀(16)接第一气缸(5)的进气口(4)，另一路经第二氧化剂控制阀(16′)接第二气缸(5′)的进气口(4′)；燃烧剂罐(2)出口分两路，一路经第一燃烧剂控制阀(3)接第一气缸(5)的进气口(4)，另一路经第二燃烧剂控制阀(3′)接第二气缸(5′)的进气口(4′)，微机控制单元(17)分别与第一燃烧剂控制阀(3)、第二燃烧剂控制阀(3′)、第一氧化剂控制阀(16)和第二氧化剂控制阀(16′)电连接。

2、根据权利要求1所述的双组元液压自由活塞发动机，其特征在于：所述的微机控制单元(17)采用NI公司的数据采集系统DAQ或单片机MCS51系统。

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