CN104329164B - 一种自由活塞发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自由活塞发动机，包括缸体、压缩蓄能器、泵站以及活塞组件，还包括第一比例溢流阀、比例减压阀、比例调速阀以及压力传感器，所述活塞组件将所述缸体内的活塞腔分割为燃烧腔、进气腔、平衡腔、泵腔以及压缩腔。由于与压缩腔的压缩主油口和压缩启动油口两个入口与压缩蓄能器连接的管道上设置有比例减压阀、比例调速阀、换向阀、比例溢流阀以及压力传感器，这样根据与压缩蓄能器相连的压力传感器的检测信号，使换向阀在压缩蓄能器与供油蓄能器之间切换，从而利用一个液压泵站完成对高低压两个油路的补油工作，且压缩蓄能器中的液压油经过比例减压阀后可获得一个稳定的压力供给给压缩腔，使得压缩腔入口的压力稳定。

Description

一种自由活塞发动机

技术领域

本发明涉及一种发动机，尤其是一种压缩腔入口压力稳定的自由活塞发动机。

背景技术

随着全球经济的发展，对于能源的消耗加剧，而由此带来的环境问题也日渐突出，节能和环保成为目前全球关注的两大课题，液压自由活塞发动机具有可变压缩比同时又可实现柔性布置，从而可提高燃料经济性并降低排放污染，是行走机械有希望的动力之星。

目前液压自由活塞发动机仍然停留在实验室样机试验阶段，有诸多的关键技术和难题需要解决，其中对于压缩比的精确控制是最为重要的一点。对单活塞式液压自由活塞发动机而言，对其压缩比的影响主要有压缩蓄能器的压力水平、负载蓄能器的压力水平以及柴油机的喷油时刻，其中压缩蓄能器的压力水平起主要的作用。目前压缩蓄能器向压缩腔输出的液压油，一般是采用压缩蓄能器直接与压缩腔相连的方式，由于活塞组件的运动，压缩腔的容积逐渐增大，因此压缩蓄能器需要不断给压缩腔供油，因此导致压缩蓄能器的压力降低，因而流入到压缩腔的液压油的压力也相应降低；虽然在随后的膨胀冲程中，压缩腔中的液压油又流回到压缩蓄能器中，但是由于中间的泄露等损失，使得压缩蓄能器中的压力逐渐降低，而且不能保证每个循环的压力都相等，因此使得发动机的压缩过程在每一循环都发生变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压缩腔入口压力稳定且流量可调的自由活塞发动机。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种自由活塞发动机，包括缸体、压缩蓄能器、泵站以及设置在所述缸体内的活塞组件，还包括第一比例溢流阀、比例减压阀、比例调速阀以及压力传感器，所述活塞组件将所述缸体内的活塞腔分割为沿所述活塞组件的长度方向依次排列的燃烧腔、进气腔、平衡腔、泵腔以及压缩腔，所述压缩腔设置有与外部连通的压缩主油口和压缩启动油口，所述压缩蓄能器分别与所述第一比例溢流阀的入口、所述比例减压阀的入口、所述比例调速阀的出口以及所述压力传感器的测试口相连接；

所述第一比例溢流阀与所述压缩蓄能器之间的连接管道通过第一换向阀与所述泵站的出口相连接；

所述比例减压阀的出口分别与所述比例调速阀的入口、所述压缩主油口以及所述压缩启动油口相连接，所述比例减压阀与所述压缩启动油口之间的连接管道上并联设置有第二换向阀和压缩单向阀，所述压缩单向阀的入口与所述压缩启动油口相连接。

作为本发明的一种改进，本发明的自由活塞发动机还包括第二比例溢流阀，所述第二比例溢流阀的入口连接在所述第一换向阀与所述泵站之间的连接管道上。

作为本发明的一种改进，所述压缩腔还设置有与外部连通的压缩补油口，所述压缩补油口上连接有供油储能器，所述供油蓄能器与所述压缩补油口之间还设置有液控回复单向阀；

所述泵腔设置有与外部连通的泵腔排油口和泵腔补油口，所述泵腔排油口上连接有泵油单向阀，所述泵油单向阀上连接有负载蓄能器，所述负载蓄能器同时与所述平衡腔连通，所述泵腔补油口与所述供油蓄能器连接，且所述供油蓄能器与所述泵腔补油口之间还设置有液控吸油单向阀，所述供油蓄能器与所述液控吸油单向阀或所述液控回复单向阀连接的管路上并联有直动式溢流阀。

作为本发明的一种改进，本发明的自由活塞发动机还包括控制油路，所述控制油路分别与所述液控吸油单向阀和所述液控回复单向阀的控制端连接。

作为本发明的一种优选，所述第一换向阀为二位三通换向阀，所述第二换向阀为二位二通换向阀。

作为本发明的一种优选，所述燃烧腔设置有排气口，所述进气腔设置有进气口，所述燃烧腔和所述进气腔之间设置有扫气通道。

采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

由于与压缩腔的压缩主油口和压缩启动油口两个入口与压缩蓄能器连接的管道上设置有比例减压阀、比例调速阀、换向阀、比例溢流阀以及压力传感器，这样根据与压缩蓄能器相连的压力传感器的检测信号，使换向阀在压缩蓄能器与供油蓄能器之间切换，从而利用一个液压泵站完成对高低压两个油路的补油工作，且压缩蓄能器中的液压油经过比例减压阀后可获得一个稳定的压力供给给压缩腔，从而使得压缩腔入口的压力稳定。

同时，并联在压缩蓄能器出口的比例溢流阀用来保证压缩蓄能器的最高工作压力。当工作负载发生变化时，只需要相应调节比例减压阀和比例溢流阀的控制电流，从而使压缩腔入口获得一个合适的压力，并仍能保持入口压力的稳定。当发动机进行膨胀做功时，活塞组件向下止点运动，通过泵油单向阀向负载和负载蓄能器提供高压油；此时压缩腔内的高压油在活塞组件的推动下重新经压缩腔开设的启动油口和主油口，经比例调速阀流回到压缩蓄能器中。当负载所需流量较小时，除可以通过降低活塞组件的运动频率外，还可以通过调节比例调速阀的开口大小来调整活塞组件的运动速度，从而达到实时调整输出流量的目的。

此外，当活塞组件运行到接近下止点某一位置时，此时减小比例调速阀的输入电流，使活塞的快速运动得到抑制，在压缩腔中形成缓冲，防止活塞组件与缸体的碰撞。

附图说明

图1为本发明自由活塞发动机的结构连接示意图。

图中标示对应如下：

1-缸体； 2-活塞组件；

3-压缩蓄能器； 4-泵站；

5-第一比例溢流阀； 6-比例减压阀；

7-比例调速阀； 8-压力传感器；

9-燃烧腔； 10-进气腔；

11-平衡腔； 12-泵腔；

13-压缩腔； 14-喷油器；

15-排气口； 16-进气口；

17-进气活塞； 18-密封件；

19-扫气通道； 20-压缩主油口；

21-压缩启动油口； 22-压缩补油口；

23-第一换向阀； 24-第二换向阀；

25-压缩单向阀； 26-第二比例溢流阀；

27-供油储能器； 28-液控回复单向阀；

29-控制油路； 30-泵腔排油口；

31-泵腔补油口； 32-泵油单向阀；

33-负载蓄能器； 34-液控吸油单向阀；

35-直动式溢流阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本实施例提供的自由活塞发动机，包括缸体1、活塞组件2、压缩蓄能器3以及泵站4，还包括第一比例溢流阀5、比例减压阀6、比例调速阀7以及压力传感器8。当然，本实施例的自由活塞发动机还需要有控制系统，在本实施例中控制系统采用现有自由活塞发动机采用的控制系统，其与第一比例溢流阀5、比例减压阀6、比例调速阀7以及压力传感器8等元件及下文提及的各原件的连接方式都是常规的连接方式，此处及下文都不再详述。

活塞组件2设置在缸体1的活塞腔内，并将缸体1内的活塞腔分割为沿活塞组件2的长度方向依次排列的燃烧腔9、进气腔10、平衡腔11、泵腔12以及压缩腔13。活塞组件2与缸体1的配合可以是常规的配合方式，燃烧腔9、进气腔10、平衡腔11和泵腔12与自由活塞发动机各管路的连接方式也可以采用现有技术中的连接方式或采用新型的连接方式。

在本实施例中，燃烧腔9设置有排气口15和喷油器14，排气口15设置在靠近活塞组件2的位置处，喷油器14设置在与活塞组件2相对应的侧面上，这样活塞组件2在压缩燃烧腔9的过程中可以堵住排气口15，但不会影响喷油器14工作。进气腔10设置有进气口16，进气口16处设置有用于控制进气量的进气活塞17。活塞组件2在燃烧腔9和进气腔10之间的位置处设置有密封件18，为了使得进气腔10内的气体可以流入燃烧腔9与燃烧油混合，缸体1上还设置有连通燃烧腔9和进气腔10的扫气通道19，扫气通道19与燃烧腔9连通的口部位置最好与排气口15相对应。

压缩腔13设置有与外部连通的压缩主油口20、压缩启动油口21和压缩补油口22，压缩主油口20位于靠近活塞组件2的位置，压缩启动油口21位于远离活塞组件2的位置，这样活塞组件2在运动过程中可以将压缩主油口20堵住，但是不会将压缩启动油口21堵住。

压缩蓄能器3的接口分为四路，分别与第一比例溢流阀5的入口、比例减压阀6的入口、比例调速阀7的出口以及压力传感器8的测试口相连接。

第一比例溢流阀5与压缩蓄能器3之间的连接管道通过第一换向阀23与泵站4的出口相连接，第一换向阀23优选为二位三通换向阀。第一比例溢流阀5的出口与油缸相连接。

在本实施例中，第一换向阀23与泵站4之间的连接管道上还并联有第二比例溢流阀26，第二比例溢流阀26的入口连接在第一换向阀23与泵站4之间的连接管道上，出口与油缸相连接。

比例减压阀6的出口分为四路，其中一路与比例调速阀7的入口连接、一路与压缩主油口20连接，剩下两路与压缩启动油口21相连接。比例减压阀6与压缩启动油口21之间的两路连接管道并联设置，其中一路管道上安装有第二换向阀24，第二换向阀24优选为二位二通换向阀，另一路管道上安装有压缩单向阀25，压缩单向阀25的入口与压缩启动油口21相连接。

压缩腔13的压缩补油口22上连接有供油储能器27，供油蓄能器27与压缩补油口22之间还设置有液控回复单向阀28，液控回复单向阀28的控制端连接有控制油路29，且液控回复单向阀28的入口与供油蓄能器27连接，出口与压缩补油口22连接。本实施例中的液控回复单向阀28是常规的液控单向阀，当控制油路29未提供压力油时该液控单向阀正常工作，当控制油路29提供压力油时，流经该液控单向阀的油液可以反向流动。

泵腔12设置有与外部连通的泵腔排油口30和泵腔补油口31，泵腔排油口30上连接有泵油单向阀32，泵油单向阀32上连接有负载蓄能器33，泵油单向阀32的具体连接方式为该单向阀入口与泵腔排油口30连接，出口与负载蓄能器33连接。负载蓄能器33同时与平衡腔11连通。

泵腔补油口31也与供油蓄能器27连接，且供油蓄能器27与泵腔补油口31之间设置有液控吸油单向阀34，液控吸油单向阀34的入口与供油蓄能器27连接，出口与泵腔补油口31连接，控制端与控制油路29连接。本实施例中的液控吸油单向阀34也是常规的液控单向阀，当控制油路29未提供压力油时该液控单向阀正常工作，当控制油路29提供压力油时，流经该液控单向阀的油液可以反向流动。

供油蓄能器27与液控吸油单向阀34或液控回复单向阀28连接的管路上并联有直动式溢流阀35，直动式溢流阀35的入口与相应的管路连接，出口与油缸连接。

在本实施例中，负载连接在供油蓄能器27与负载蓄能器33之间，负载与供油蓄能器27之间的管路还通过第一换向阀23与泵站4连接。

下面根据本实施例的自由活塞发动机六个不同阶段的工作过程对本实施例的自由活塞发动机的使用做进一步说明。

(1)准备阶段：

当自由活塞发动机准备工作时，首先将泵站4启动，第一换向阀23连通泵站4与压缩蓄能器3，由于在本实施例中第一换向阀23为二位三通换向阀，此时如图1所示该二位二通换向阀右位工作，泵站4给压缩蓄能器3供油，同时调节第一比例溢流阀5的控制电流，使压缩蓄能器3的压力达到正常工作所需要的压力；当压缩蓄能器3的压力达到要求后，压力传感器8发出信号给控制系统，控制系统控制第一换向阀23断开泵站4与压缩蓄能器3的连接并连通泵站4与负载和供油蓄能器27之间的管路，即此时如图1所示二位三通换向阀进行换向动作并工作于左位，泵站4给供油蓄能器27供油，同时通过直动式溢流阀35设定供油蓄能器27的所需的压力值，此时，控制系统最好控制第二比例溢流阀26的控制电流，使第二比例溢流阀26的溢流压力略高于直动式溢流阀35所设定的压力值，以降低泵站4的功率损耗。

(2)压缩过程恒压力输出阶段：

准备阶段完成后，压缩蓄能器3和供油蓄能器27均达到设定的压力值，此时控制系统发出控制信号，使第二换向阀24连通比例减压阀6与压缩启动油口21，由于在本实施例中第二换向阀24为二位二通换向阀，此时该二位二通换向阀右位工作；同时控制系统根据当前负载的工作情况，确定压缩所需要的压力水平，计算并提供给比例减压阀6和第一比例溢流阀5合适的控制电流，使比例减压阀6输出的压力稳定且符合负载工作需要；此外，第一比例溢流阀5设定的压力值最好略高于比例减压阀6的设定压力值2MPa左右，以保证比例减压阀6的正常工作，具体压力值可以根据实际需要设定。

在此过程中，压缩蓄能器3中的高压油经过比例减压阀6和第二换向阀24经压缩启动油口21进入压缩腔13，进而推动活塞组件2向燃烧腔9方向运动；当活塞组件2运动到将压缩腔13腔体上的压缩主油口20打开后，比例减压阀6流出的液压油可经过压缩启动油口21和压缩主油口20两条通道流入压缩腔13中。

由于比例减压阀6在正常工作时，其出口压力基本保持不变，因此压缩腔13的入口压力基本保持不变，活塞组件2的运动是在恒压下进行的，此时虽然压缩蓄能器3中的压力由于高压油的不断流出而逐渐降低，但是由于比例减压阀6的作用，压缩腔13的入口处始终可以获得基本稳定的压力，这样，活塞组件2的压缩过程就具有很强的重复性，对压缩的控制也相对变得容易。

在活塞组件2向燃烧腔9方向运动的过程中，泵腔12通过液控吸油单向阀34从供油蓄能器27中汲取低压油，此时控制油路29不对液控吸油单向阀34和液控回复单向阀28供油，液控吸油单向阀34正向工作；同时与压缩腔13相连的液控回复单向阀28由于压缩腔13的压力远高于供油蓄能器27的压力而保持关闭状态。

在压缩冲程中，活塞组件2首先推动进气腔10中的气体经过扫气通道19进入燃烧腔9，燃烧腔9内的燃烧废气通过排气口15排出；之后活塞组件2继续运动，当活塞组件2将排气口15堵住后，自由活塞发动机进入实际压缩过程，对燃烧腔9中的空气进行压缩，该压缩过程的突出优点就是不论压缩蓄能器3的压力如何变动，只要保证比例减压阀6的控制电流不变，则压缩主油口20和压缩启动油口21的压力始终稳定，从而确保压缩过程在恒压下进行。

(3)膨胀冲程及输出功率可调阶段：

当活塞组件2向燃烧腔9方向运动到极限位置后，该位置即为活塞组件2的上止点位置，同样的，当活塞组件2往相反反向运动到极限位置后，该位置即为活塞组件2的下止点位置。

当活塞组件2运动到上止点位置后，喷油器14向燃烧腔9内喷入适量燃油，燃油燃烧产生热量推动活塞组件向压缩腔13方向运动，此时，泵腔12中的液压油在活塞组件2的推动下经泵油单向阀32流入到负载蓄能器33和负载中，并有一部分流入到平衡腔11中；此时压缩腔13中的液压油同样在活塞组件2的作用下经过压缩主油口20和压缩启动油口21流出，压缩启动油21的回油经过压缩单向阀25和比例调速阀7流回压缩蓄能器3中，从压缩主油口20流出的回油同样经过比例调速阀7流回压缩蓄能器3中。

当自由活塞发动机的负载所需流量较大时，在控制系统的控制下，比例调速阀7的控制电流也相应增大，使得比例调速阀7的通流能力增强，减小活塞组件2的运动阻力；当自由活塞发动机的负载所需流量极小时，通过控制系统减小比例调速阀7的控制电流，使其通流能力降低，降低活塞组件2的运动速度，从而使自由活塞发动机的输出流量减小，既能保证负载的流量需求，又不至于使自由活塞发动机长时间的处于停机状态。

需要说明的是，当自由活塞发动机的负载所需流量极小时，也可以通过使活塞组件2在下止点长时间停留来实现自由活塞发动机输出流量的调节，但是当活塞组件2停留时间较长时，自由活塞发动机处于长时间的停机状态，每一次重新启动都类似于一次冷启动过程，虽然也可以通过自身的压缩比可变使其燃烧状况处于最佳状态，但是使自由活塞发动机处于一种稳定的工作状态更能节省燃料和降低排放，因此不建议采用这种方式来调节自由活塞发动机的输出流量。

此外，通过减小比例调速阀7的控制电流，使活塞组件2的运动速度降低，也可以避免活塞组件2以较大的速度与缸体1产生碰撞，造成零部件的损坏和损伤。

(4)“缺火”回复阶段：

当自由活塞发动机由于各种随机因素的影响而出现“缺火”故障时，要使其重新工作，必须使活塞组件2从所处的位置回到下止点位置，该过程称之为回复过程，“缺火”故障发生时活塞组件2所处的位置也是随机的，可以是任意位置。

此时控制油路29向液控吸油单向阀34和液控回复单向阀28供油，使液控吸油单向阀34和液控回复单向阀28反向导通，此时压缩腔13与泵腔12与供油蓄能器27的低压油路相通，而平衡腔11与负载蓄能器33的高压油路相通，进而使得活塞组件2在压力差的作用下回到下止点位置，准备下一个工作循环。

(5)补油阶段：

由于泄漏以及液压油经过减压阀后会产生节流损失，虽然在膨胀冲程中压缩腔13的液压油会重新回到压缩蓄能器3中，但是随着活塞组件2的往复运动，压缩蓄能器3中的压力会逐渐降低，直至低于预先设定的最小压力时，控制系统会根据压力传感器8的输出信号，发送信号给第一换向阀23，使其连通泵站4与压缩蓄能器3，即作为第一换向阀23的二位三通换向阀右位工作，给压缩蓄能器3供油，直至压力达到设定的压力值；接着控制器再次发送信号给第一换向阀23，使其左位工作，连通泵站4和供油蓄能器27，给供油蓄能器27供油，在这个过程中可通过直动式溢流阀35溢流。在整个补油阶段，由于压缩腔13一直通过比例减压阀6与压缩蓄能器3相连，因此压缩腔13的压力不受压缩蓄能器3的压力波动的影响，仍保持稳定。

(6)压力调整阶段：

当自由活塞发动机的工作条件发生变化时，需要调整自由活塞发动机的压缩比，以最大限度的发挥自由活塞发动机的优势，此时需要对压缩腔13的推动压力进行调整。具体调整方式为，控制系统根据负载所需要的压缩比大小计算出所需要的压力大小，并根据比例减压阀6和第二比例溢流阀5的压力与电流的对应关系，分别输出相应的控制电流给比例减压阀6和第二比例溢流阀5，使其压力达到设定值，从而方便的调定了流入压缩腔13的压力并使其保持稳定。

上面结合附图对本发明做了详细的说明，但是本发明的实施方式并不仅限于上述实施方式，本领域技术人员根据现有技术可以对本发明做出各种变形，如将上述实施例中的直动式溢流阀35变更为比例溢流阀等，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种自由活塞发动机，包括缸体、压缩蓄能器、泵站以及设置在所述缸体内的活塞组件，其特征在于，还包括第一比例溢流阀、比例减压阀、比例调速阀以及压力传感器，所述活塞组件将所述缸体内的活塞腔分割为沿所述活塞组件的长度方向依次排列的燃烧腔、进气腔、平衡腔、泵腔以及压缩腔，所述压缩腔设置有与外部连通的压缩主油口和压缩启动油口，所述压缩蓄能器分别与所述第一比例溢流阀的入口、所述比例减压阀的入口、所述比例调速阀的出口以及所述压力传感器的测试口相连接；

所述第一比例溢流阀与所述压缩蓄能器之间的连接管道通过第一换向阀与所述泵站的出口相连接；

所述比例减压阀的出口分别与所述比例调速阀的入口、所述压缩主油口以及所述压缩启动油口相连接，所述比例减压阀与所述压缩启动油口之间的连接管道上并联设置有第二换向阀和压缩单向阀，所述压缩单向阀的入口与所述压缩启动油口相连接。

2.如权利要求1所述的自由活塞发动机，其特征在于，还包括第二比例溢流阀，所述第二比例溢流阀的入口连接在所述第一换向阀与所述泵站之间的连接管道上。

3.如权利要求2所述的自由活塞发动机，其特征在于，所述压缩腔还设置有与外部连通的压缩补油口，所述压缩补油口上连接有供油储能器，所述供油储能器与所述压缩补油口之间还设置有液控回复单向阀；

所述泵腔设置有与外部连通的泵腔排油口和泵腔补油口，所述泵腔排油口上连接有泵油单向阀，所述泵油单向阀上连接有负载蓄能器，所述负载蓄能器同时与所述平衡腔连通，所述泵腔补油口与所述供油储能器连接，且所述供油储能器与所述泵腔补油口之间还设置有液控吸油单向阀，所述供油储能器与所述液控吸油单向阀或所述液控回复单向阀连接的管路上并联有直动式溢流阀。

4.如权利要求3所述的自由活塞发动机，其特征在于，还包括控制油路，所述控制油路分别与所述液控吸油单向阀和所述液控回复单向阀的控制端连接。

5.如权利要求1-3中任一权利要求所述的自由活塞发动机，其特征在于，所述第一换向阀为二位三通换向阀，所述第二换向阀为二位二通换向阀。

6.如权利要求1-3中任一权利要求所述的自由活塞发动机，其特征在于，所述燃烧腔设置有排气口，所述进气腔设置有进气口，所述燃烧腔和所述进气腔之间设置有扫气通道。