CN101372913A - 双组元液压自由活塞发动机 - Google Patents

Abstract

一种双组元液压自由活塞发动机，包括液体氧化剂储存罐、液体矿物油燃料储存罐、两个氧化剂控制电磁阀、两个矿物油燃料控制电磁阀、双活塞液压自由活塞发动机和电控单元。它无需外界氧化剂参与发动机的工作过程及工质的压缩过程，无需点火或喷油装置，无需起动装置，结构简单、体积小、重量轻，而且工作可靠，能量密度高，功率密度大，使用寿命长，是一种适用于能量自治行走机械及无氧或缺氧环境中液压能量供应的动力装置。可以在高原、水下及太空等各种缺氧或无氧的环境中工作，使用范围宽，在能量自治行走机械中具有广泛的应用前景。

Description

双组元液压自由活塞发动机

技术领域

本发明涉及一种双组元液压自由活塞发动机，特别涉及一种可为野外作业的中大功率的能量自治行走机械、自走平台以及无氧或缺氧环境(如太空、水下或高原等)中液压能量供应的动力装置，属于能源和动力技术领域。

背景技术

目前，供能问题是制约能量自治行走机械在野外、水下及太空等特殊环境中作业的关键问题之一。大多数野外作业的中小型能量自治行走机械需求功率级为10W～1000W及性能优良的动力或液压能量供应装置。一般而言，目前在此功率范围内的主要能量供给设备有化学电池、燃料电池或小型内燃发电机组等。然而这些供能装置或设备都存在一些不足之处：化学电池的能量密度低，使得其难以适用长时间工作；燃料电池虽较化学电池具有较高的能量密度，但即使不考虑其储氢技术的难题，功率密度低的不足使得其难以胜任需功率快速提升的应用场合；对同样的输出功率而言，与上述化学电池或燃料电池配套使用的电动执行机构如电动机一般而言较液压或气动机构大且笨重，从而导致系统能量密度和功率密度的降低；对小型内燃发电机组而言，虽然汽油或柴油等矿物燃料本身的能量密度高，但是所有的碳氢燃料发动机除了本身的运动件如曲轴和活塞外，还需要复杂的压缩及点火等辅助子系统；另外，小型内燃机必须以很高的速度运转才能获得良好的功率密度，这样为了匹配内燃机和执行机构运动关系，齿轮减速装置常常是必不可少的，这既增加了系统的复杂性也引起整个系统能量和功率密度的降低；而且，由于碳氢燃料内燃机对空气中氧气的依赖性，使得它们在无氧或缺氧环境(如水底或太空)中的应用受到了很大的限制。

发明内容

针对上述常规供能装置的不足和缺点，本发明提供一种双组元液压自由活塞发动机，该双组元液压自由活塞发动机具有工作可靠、体积小、重量轻、能量密度高、功率密度大、输出流量和压力可根据负载调节等突出优点，能为能量自治机器人及其他机械装置在野外、无氧或缺氧环境(如高原、太空及水下)等环境中作业提供能量。

本发明双组元液压自由活塞发动机，包括液体氧化剂储存罐、矿物油燃料储存罐、第一氧化剂控制阀、第二氧化剂控制阀、第一燃料控制阀、第二燃料控制阀、电控单元和双活塞液压自由活塞发动机；双活塞液压自由活塞发动机的第一动力腔的进气口与第一氧化剂控制阀及第一燃料控制阀的出口端连通，第一氧化剂控制阀的进口端与氧化剂储存罐出口端连接，第一燃料控制阀的进口端与矿物油燃料储存罐出口端连接；双活塞液压自由活塞发动机的第二动力腔的进气口与第二氧化剂控制阀及第二燃料控制阀的出口端连通，第二氧化剂控制阀的进口端与氧化剂储存罐出口端连接，第二燃料控制阀的进口端与矿物油燃料储存罐出口端连接；所述两个氧化剂控制阀和两个燃料控制阀的控制端分别接电控单元的相应输出端。

进一步，所述双活塞液压自由活塞发动机包括发动机主体部分和变量液压马达/泵；所述发动机主体部分包含由第一动力缸体、中心液压泵缸体、第二动力缸体依次排列组成的发动机缸体，和分别置于第一动力缸体、中心液压泵缸体及第二动力缸体内并通过活塞杆连为一体的第一动力活塞、液压泵活塞和第二动力活塞，第一动力活塞、液压泵活塞和第二动力活塞组成自由活塞组件；所述第一动力活塞将第一动力缸体内腔分为第一动力腔和第一背腔，第一动力腔的外端设进气口，第一背腔侧壁设置排气口；所述第二动力活塞将第二动力缸体内腔分为第二动力腔和第二背腔，第二动力腔的外端设进气口，第二背腔侧壁设置排气口；所述液压泵活塞将中心液压泵缸体内分为第一泵腔和第二泵腔，两个泵腔通过液压高压回路与变量液压马达/泵的一个端口连接，两个泵腔另通过液压低压回路与变量液压马达/泵的另一个端口连接。

更进一步，所述液压高压回路包括第一配流单向阀和第二配流单向阀；所述第一配流单向阀的进口端与中心液压泵的第一泵腔连通，其出口端与变量液压马达/泵的进口端连通；所述第二配流单向阀的进口端与中心液压泵的第二泵腔连通，其出口端与变量液压马达/泵的进口端连通；所述液压低压回路包括第三配流单向阀和第四配流单向阀；所述第三配流单向阀的进口端与变量液压马达/泵的出口端连通，其出口端与中心液压泵的第二泵腔连通；所述第四配流单向阀的进口端与变量液压马达/泵的出口端连通，其出口端与中心液压泵的第一泵腔连通。

更进一步，在液压高压回路还包括一个高压蓄能器，该高压蓄能器通过管道旁接于液压高压回路中配流单向阀和变量液压马达/泵之间；在液压低压回路还包括一个低压蓄能器，该低压蓄能器通过管道旁接于液压低压回路中配流单向阀和变量液压马达/泵之间。以使本发动机可以回收制动动能或重力势能，实现再生制动。

本发明双组元液压自由活塞发动机以液态氧化剂(如高浓度过氧化氢)和内含催化剂的矿物油(如柴油)为燃料，工作时，当含有催化剂的矿物油燃料与氧化剂相接触而混合的过程中，催化剂首先将氧化剂催化分解为高温混合气并引燃矿物油以作为驱动液压自由活塞发动机工作的动力，从而实现双组元燃料的化学能到液压能的直接转换。

与现有技术相比，本发明发动机具有以有优点：

由于本发明发动机通过矿物油燃料内的催化剂将氧化剂燃料催化分解为高温混合气并引燃矿物油燃料，燃烧所产生的高温高压混合气驱动发动机工作，故无需外界氧化剂的参与发动机的工作过程及工质的压缩过程，无需点火或喷油装置，无需起动装置(如电机)，结构简单，工作可靠。由于氧化剂燃料的分解反应无需氧化剂(如空气等)参与，可以在高原、水下及太空等各种缺氧或无氧的环境中工作，使用范围宽，在能量自治行走机械中具有广泛的应用前景。

它无需暖缸过程，起动容易。通过切断/开启燃料控制电磁阀可立即控制发动机停转/启动，起、停控制容易，而且每个冲程的可控性为整个发动机控制策略的选择提供了更大的灵活性。由于无起动、空转和怠速过程，能量转换效率高。

本发明发动机零件数目少，结构紧凑。其自由活塞组件为该双组元液压自由活塞发动机中的基本运动件，它既作为各工作室之间的密封元件，又作为液压泵的工作活塞。发动机的活塞组件和缸壁之间无侧向摩擦力，摩擦损失减小，可有效提高发动机的工作寿命长。

另外，它还可以回收制动动能或重力势能，实现再生制动。

附图说明

图1为本实施例双组元液压自由活塞发动机的系统原理图；

图2为第一氧化剂控制阀和第一燃料控制阀同时开启时，发动机第一动力腔处于膨胀做功冲程时，双组元液压自由活塞发动机的工作情况示意图；

图3为第二氧化剂控制阀和第二燃料控制阀同时开启时，发动机第二动力腔处于膨胀做功冲程时，双组元液压自由活塞发动机的工作情况示意图；

图4为再生制动过程中，双单组元液压自由活塞发动机内部液压流体的流动情况示意图。

具体实施方式

本发明双单组元液压自由活塞发动机，它以液态氧化剂(如高浓度过氧化氢)和内含催化剂的矿物油(如柴油)为燃料，工作时，当含有催化剂的矿物油燃料与氧化剂相接触而混合的过程中，催化剂首先将氧化剂催化分解为高温混合气并引燃矿物油以作为驱动液压自由活塞发动机工作的动力，从而实现双组元燃料的化学能到液压能的直接转换。本发明发动机具有工作可靠、体积小、重量轻、能量密度高、功率密度大、运动件少，主要运动件只有自由活塞组件，及使用范围宽，适用于太空、高原或水下等各种缺氧或无氧环境等特点。从数十瓦到数千瓦的输出功率都可以通过缩放发动机本体的几何尺寸或改变发动机的工作频率来达到，是一种适用于能量自治行走机械及无氧或缺氧环境中液压能量供应的动力装置。下面结合附图对本发明的具体原理、具体结构和工作过程作进一步的说明。

图1为本实施例整个双组元液压自由活塞发动机的系统原理图。

参照图1，本双组元液压自由活塞发动机，包括液体氧化剂储存罐1、矿物油燃料储存罐2、第一氧化剂控制阀16、第二氧化剂控制阀16′、第一燃料控制阀3、第二燃料控制阀3′、电控单元(ECU)17和双活塞液压自由活塞发动机18；双活塞液压自由活塞发动机18的第一动力腔的进气口4与第一氧化剂控制阀16及第一燃料控制阀3的出口端连通，第一氧化剂控制阀16的进口端与氧化剂储存罐1出口端连接，第一燃料控制阀3的进口端与矿物油燃料储存罐2出口端连接；双活塞液压自由活塞发动机18的第二动力腔的进气口4′与第二氧化剂控制阀16′及第二燃料控制阀3′的出口端连通，第二氧化剂控制阀16′的进口端与氧化剂储存罐1出口端连接，第二燃料控制阀3′的进口端与矿物油燃料储存罐2出口端连接；所述两个氧化剂控制阀16、16′和两个燃料控制阀3、3′的控制端分别接电控单元17的相应输出端。

双活塞液压自由活塞发动机18包括发动机主体部分和变量液压马达/泵11；所述发动机主体部分包含由第一动力缸体5、液压泵缸体9、第二动力缸体5′组成的发动机缸体，和由第一动力活塞6、第二动力活塞6′和液压泵活塞13组成的自由活塞组件14，自由活塞组件14可在发动机缸体内作线形往复运动；所述液压泵缸体9位于第一动力缸体5和第二动力缸体5′之间，所述第一动力活塞6、液压泵活塞13和第二动力活塞6′分别置于第一动力缸体5、液压泵缸体9及第二动力缸体5′内并由活塞杆连为一体；所述第一动力活塞6将第一动力缸体5内腔分为第一动力腔和第一背腔，第一动力腔的外端设进气口4，第一背腔侧壁设置排气口15，所述第二动力活塞6′将第二动力缸体5′内腔分为第二动力腔和第二背腔，第二动力腔的外端设进气口4′，第二背腔侧壁设置排气口15′；所述液压泵活塞13将液压泵缸体9内分为第一泵腔7和第二泵腔7’，两个泵腔7、7’通过液压高压回路与变量液压马达/泵11的一个端口连接，两个泵腔7、7’另通过液压低压回路与变量液压马达/泵11的另一个端口连接。

上述液压高压回路包括第一配流单向阀81和第二配流单向阀82；所述第一配流单向阀81的进口端与中心液压泵的第一泵腔7连通，其出口端与变量液压马达/泵11的进口端连通；所述第二配流单向阀82的进口端与中心液压泵的第二泵腔7′连通，其出口端与变量液压马达/泵11的进口端连通。

上述液压低压回路包括第三配流单向阀83和第四配流单向阀84；所述第三配流单向阀83的进口端与变量液压马达/泵11的出口端连通，其出口端与中心液压泵的第二泵腔7′连通；所述第四配流单向阀84的进口端与变量液压马达/泵11的出口端连通，其出口端与中心液压泵的第一泵腔7连通。

为使本发动机可以回收制动动能或重力势能，实现再生制动，其液压高压回路还包括一个高压蓄能器10，该高压蓄能器10通过管道旁接于液压高压回路中配流单向阀和变量液压马达/泵11之间；其液压低压回路还包括一个低压蓄能器12，该低压蓄能器12通过管道旁接于液压低压回路中配流单向阀和变量液压马达/泵11之间。

本实施例中，第一动力缸体5及其上的各个气口与第二动力缸体5′及其上的各个气口关于中心液压泵缸体9对称布置。

上述液体氧化剂储存罐1内储存增压的氧化剂燃料，该氧化剂燃料在催化分解时能产生引燃矿物油燃料的高温气体；上述矿物油燃料储存罐2内储存增压的矿物油燃料和对液体氧化剂储存罐1内的氧化剂燃料具有迅速催化分解作用的催化剂。

该双组元液压自由活塞发动机的工作过程包括左膨胀做功冲程、右膨胀做功冲程及再生制动过程，下面结合图2-4分别述之：

(一)左膨胀做功冲程

参照图2，在电控单元17的控制下，若第一氧化剂控制阀16和第一燃料控制阀3同时开启，液体氧化剂储存罐1和矿物油燃料储存罐2中已增压的氧化剂燃料(如高浓度过氧化氢)和矿物油燃料(如柴油)将同时按比例流出并混合，由于矿物油燃料中内含对氧化剂燃料具有催化作用的催化剂，氧化剂燃料将产生迅速而剧烈的分解反应，所生成的高温混合气点燃矿物油燃料；燃烧所生成的高温混合气由液压自由活塞发动机18的进气口4进入左气缸(即第一动力缸)5的动力腔，驱动自由活塞组件14向右运动。

在自由活塞组件14向右运动的过程中，各配流阀的工作状态如下：

①第一配流单向阀81(高压回路配流单向阀)关闭；

②第二配流单向阀82(高压回路配流单向阀)开启；

③第三配流单向阀83(低压回路配流单向阀)关闭；

③第四配流单向阀84(低压回路配流单向阀)开启；

在上述四个配流单向阀的控制下，中心液压泵的右泵腔(即第二泵腔)7′经第二配流单向阀82向液压高压回路输送高压液压油，驱动变量液压马达/泵11工作，从而实现燃料的化学能、液压能到机械能的转换；同时，液压低压回路的液压油经第四配流单向阀84流入中心液压泵的左泵腔(即第一泵腔)7。

双组元液压自由活塞发动机的左膨胀做功冲程中，燃料及液压流体的流动情况如图2所示。

(二)右膨胀做功冲程

参照图3，当自由活塞组件14向右运行到指定位置时，若电控单元17发出控制命令同时开启第二氧化剂控制阀16′和第二燃料控制阀3′，液体氧化剂储存罐1和矿物油燃料储存罐2中已增压的氧化剂燃料(如高浓度过氧化氢)和矿物油燃料(如柴油)将同时按比例流出并混合，由于矿物油燃料中内含对氧化剂燃料具有催化作用的催化剂，氧化剂燃料将产生迅速而剧烈的分解反应，所生成的高温混合气点燃矿物油燃料；燃烧所生成的高温混合气由液压自由活塞发动机18的进气口4′进入右气缸(即第二动力缸)5′动力腔，驱动自由活塞组件14向左运动。

在自由活塞组件14向左运动的过程中，各配流阀的工作状态如下：

①第一配流单向阀81(高压回路配流单向阀)开启；

②第二配流单向阀82(高压回路配流单向阀)关闭；

③第三配流单向阀83(低压回路配流单向阀)开启；

③第四配流单向阀84(低压回路配流单向阀)关闭；

在上述四个配流单向阀的控制下，中心液压泵的左泵腔(即第一泵腔)7经第一配流单向阀81向液压高压回路输送高压液压油，驱动变量液压马达/泵11工作，从而实现燃料的化学能、液压能到机械能的转换；同时，液压低压回路的液压油经第三配流单向阀83流入中心液压泵的右泵腔(即第二泵腔)7′。

双组元液压自由活塞发动机的右膨胀做功冲程中，燃料及液压流体的流动情况如图3所示。

(三)再生制动工作方式

将双组元液压自由活塞发动机应用于频繁起停的行走机械或升降机械手中，当发动机停止工作而负载由于惯性而保持原来运动状态时，可实现再生制动。此时，液压马达/泵11处于泵工作方式，将低压蓄能器12中的液压流体泵送至高压回路蓄能器10，从而实现制动动能或重力势能的回收。图4为再生制动工作方式中负载回路液压流体流动状况示意图。

本双组元液压自由活塞发动机具有以下突出的特点：

①结构简单，工作可靠。与内燃液压自由活塞发动机相比，双组元液压自由活塞发动机的燃料为氧化剂(高浓度过氧化氢)和矿物油(柴油)共同组成，在矿物油燃料内催化剂的作用下，氧化剂燃料将被首先催化分解为高温混合气并点燃矿物油燃料；燃烧所生成的高温高压混合气作为驱动发动机工作的动力，故无需燃料/空气的混合及工质的压缩过程，无需点火或喷油装置，无需起动装置(如电机)。②起、停控制容易。与内燃发动机相比，无需暖缸过程，起动容易；切断电磁阀，发动机将立即停止运转；开启燃料控制阀，发动机可立即起动，且单个冲程可控。发动机每个冲程的可控性为整个发动机控制策略的选择提供了更大的灵活性。③无起动、空转和怠速过程，能量转换效率高。④零件数目少，结构紧凑。自由活塞组件为该双组元自由活塞发动机中的基本运动件，它既作为各工作室之间的密封元件，又作为液压泵的工作活塞。⑤发动机的工作寿命长。发动机的活塞组件和缸壁之间无侧向摩擦力，摩擦损失减小。⑥可以灵活改变发动机的输出液压流体的流量，为双组元液压自由活塞发动机和负载间的良好匹配关系提供可能，可以实现变频等工作方式。⑦由于双组元燃料的分解反应无需外界氧化剂(如空气等)参与，可以在高原、水下及太空等各种缺氧或无氧的环境中工作，使用范围宽。⑧可以回收制动动能或重力势能，实现再生制动。

Claims (6)

1.一种双组元液压自由活塞发动机，其特征在于：包括液体氧化剂储存罐(1)、矿物油燃料储存罐(2)、第一氧化剂控制阀(16)、第二氧化剂控制阀(16′)、第一燃料控制阀(3)、第二燃料控制阀(3′)、电控单元(17)和双活塞液压自由活塞发动机(18)；双活塞液压自由活塞发动机(18)的第一动力腔的进气口(4)与第一氧化剂控制阀(16)及第一燃料控制阀(3)的出口端连通，第一氧化剂控制阀(16)的进口端与氧化剂储存罐(1)出口端连接，第一燃料控制阀(3)的进口端与矿物油燃料储存罐(2)出口端连接；双活塞液压自由活塞发动机(18)的第二动力腔的进气口(4′)与第二氧化剂控制阀(16′)及第二燃料控制阀(3′)的出口端连通，第二氧化剂控制阀(16′)的进口端与氧化剂储存罐(1)出口端连接，第二燃料控制阀(3′)的进口端与矿物油燃料储存罐(2)出口端连接；所述两个氧化剂控制阀(16、16′)和两个燃料控制阀(3、3′)的控制端分别接电控单元(17)的相应输出端。

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：所述双活塞液压自由活塞发动机(18)包括发动机主体部分和变量液压马达/泵(11)；所述发动机主体部分包含由第一动力缸体(5)、中心液压泵缸体(9)、第二动力缸体(5′)依次排列组成的发动机缸体，和分别置于第一动力缸体(5)、中心液压泵缸体(9)及第二动力缸体(5′)内并通过活塞杆连为一体的第一动力活塞(6)、液压泵活塞(13)和第二动力活塞(6′)；所述第一动力活塞(6)将第一动力缸体(5)内腔分为第一动力腔和第一背腔，第一动力腔的外端设进气口(4)，第一背腔侧壁设置排气口(15)；所述第二动力活塞(6′)将第二动力缸体(5′)内腔分为第二动力腔和第二背腔，第二动力腔的外端设进气口(4′)，第二背腔侧壁设置排气口(15′)；所述液压泵活塞(13)将中心液压泵缸体(9)内分为第一泵腔(7)和第二泵腔(7’)，两个泵腔(7、7’)通过液压高压回路与变量液压马达/泵(11)的一个端口连接，两个泵腔(7、7’)另通过液压低压回路与变量液压马达/泵(11)的另一个端口连接。

3.根据权利要求2所述的双组元液压自由活塞发动机，其特征在于：

所述液压高压回路包括第一配流单向阀(81)和第二配流单向阀(82)；所述第一配流单向阀(81)的进口端与中心液压泵的第一泵腔(7)连通，其出口端与变量液压马达/泵(11)的进口端连通；所述第二配流单向阀(82)的进口端与中心液压泵的第二泵腔(7′)连通，其出口端与变量液压马达/泵(11)的进口端连通；

所述液压低压回路包括第三配流单向阀(83)和第四配流单向阀(84)；所述第三配流单向阀(83)的进口端与变量液压马达/泵(11)的出口端连通，其出口端与中心液压泵的第二泵腔(7′)连通；所述第四配流单向阀(84)的进口端与变量液压马达/泵(11)的出口端连通，其出口端与中心液压泵的第一泵腔(7)连通。

4.根据权利要求3所述的双组元液压自由活塞发动机，其特征在于：所述液压高压回路还包括一个高压蓄能器(10)，该高压蓄能器(10)通过管道旁接于液压高压回路中配流单向阀和变量液压马达/泵(11)之间；所述液压低压回路还包括一个低压蓄能器(12)，该低压蓄能器(12)通过管道旁接于液压低压回路中配流单向阀和变量液压马达/泵(11)之间。

5.根据权利要求2所述的双组元液压自由活塞发动机，其特征在于：第一动力缸体(5)及其上的各个气口与第二动力缸体(5′)及其上的各个气口关于中心液压泵缸体(9)对称布置。

6.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：所述液体氧化剂储存罐(1)内储存增压的氧化剂燃料，该氧化剂燃料在催化分解时能产生引燃矿物油燃料的高温气体；所述矿物油燃料储存罐(2)内储存增压的矿物油燃料和对液体氧化剂储存罐(1)内的氧化剂燃料具有迅速催化分解作用的催化剂。

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