CN104763525A - 一种自吸式液压自由活塞直线发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自吸式液压自由活塞直线发动机，能够利用活塞的高速移动产生的压力差将油液吸入泵腔，可省去单独的供油泵，从而减少能量损失，提高发动机效率。该线发电机包括内燃机部分和液压部分，其中内燃机部分采用二冲程柴油机工作原理，直流扫气方式；液压部分为压缩冲程提供能量同时将做功冲程产生的能量储存至蓄能器。包括气缸体、活塞组件、扫气室、低压蓄能器、高压蓄能器、压力油箱、气动控制阀和喷油器；其中活塞组件包括固接在一起的气缸活塞、泵活塞和压缩活塞。活塞组件做循环往复直线运动，在压缩冲程中，泵活塞从低压油路吸人低压油；在膨胀冲程中，压缩活塞将低压油转化为高压油，完成功率输出。

Description

一种自吸式液压自由活塞直线发动机

技术领域

发明涉及一种动力装置，具体涉及一种活塞式发动机，属于混合动力技术领域。

背景技术

随着内燃机工业迅速的发展和应用，人们对动力装置的结构、效率、功率密度、污染排放有着越来越高的要求。因此世界各国都在孜孜追求新技术新原理，努力开发高效、低污染、可靠和具有良好技术继承性的新型发动机，以适用当代的物质和技术条件。液压自由活塞发动机就是在此大背景下发展起来的新型特种内燃机。液压自由活塞发动机是现代液压技术、微电子技术、控制技术及内燃机技术的综合。这种新型动力装置与传统曲柄连杆式内燃机有着很大的不同，液压自由活塞直线发动机通过蓄能器的供油和燃料的燃烧做功实现活塞的往复运动，省去了曲柄连杆机构和液压柱塞泵中的斜盘机构，而且活塞运动规律不受机械结构的限制，没有侧向力的作用，磨损小；工作过程中压缩比可以灵活调节，具有功率密度高、经济性好、燃料类型广、排放污染轻等潜在优势。因此液压自由活塞发动机作为一种新型的液压动力源，广泛应用于车辆、国防军工、精密仪器以及微型机器人等诸多领域，具有较高的实用价值和较好的发展前景。

现有的液压自由活塞直线发动机均存在结构复杂、无自吸功能、燃料利用率低、经济性差等不足。如中国专利CN101363397公开了一种单活塞式液压自由活塞发动机，将传统往复活塞式内燃机与柱塞式液压泵集成为一体，一个泵活塞和两个压缩活塞同时刚性连接于动力活塞上组成活塞组件。国际专利CN01812182.9公开一种自由活塞发动机，具有能被级差液压活塞驱动的发动机活塞。液压活塞的较大直径在压缩缸中引导，而较小直径设置在做功缸中。在压缩冲程中，压缩缸与高压蓄能器连接，做功缸与低压蓄能器或高压蓄能器连接。这些发明中整个系统不具有自吸油功能，在压缩冲程中均是通过低压蓄能器或者油泵来向压缩腔内供油，如此则增加了系统的复杂程度，使发动机整体的燃料利用率差低，经济性差。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种自吸式液压自由活塞直线发动机，能够利用活塞的高速移动产生的压力差将油液吸入泵腔，可省去单独的供油泵，从而减少能量损失，提高发动机效率。

该自吸式液压自由活塞直线发动机包括：气缸体、活塞组件、低压蓄能器、高压蓄能器、压力油箱、气动控制阀和喷油器；

所述活塞组件包括气缸活塞、泵活塞和压缩活塞；所述气缸活塞为圆盘形结构，所述泵活塞为两端均开口的中空的柱形结构，通过连接筒与气缸活塞同轴固接；所述压缩活塞位于泵活塞内部，通过连接柱与气缸活塞同轴固接；

所述气缸体内部通过隔离板隔离为两个腔室，在其中一个腔室内，同轴固定有两个套装在一起安装筒，令其中直径较大的安装筒为安装筒B，直径较小的安装筒为安装筒A；两个安装筒之间所形成的环形空腔的厚度与所述泵活塞的厚度一致，安装筒A的内径与所述压缩活塞的直径一致；活塞组件安装完成后，所述泵活塞位于两个安装筒之间的环形空腔内，所述压缩活塞位于安装筒A内；由此所述泵活塞端部与环形空腔内底面形成泵腔，所述压缩活塞端部与安装筒A内底面之间形成压缩腔；所述安装筒A和与压缩活塞相连的连接柱之间的环形腔体为启动腔，所述连接筒上加工有与启动腔贯通的启动油道；

与泵活塞相连的连接筒以及与压缩活塞相连的连接柱穿过所述隔离板，使气缸活塞位于气缸体的另一个腔室内，由此所述气缸活塞与隔离板之间形成扫气室，与气缸体内底面之间形成密闭的气体腔，所述扫气室的直径大于气体腔的直径；在所述气缸体上设置有与所述气体腔连通的气门和喷油器；在所述隔离板上设置有气孔，该气孔通过设置有进气单向阀的管路与气缸体的外界贯通；

所述低压蓄能器分别通过两个油路与设置在安装筒B圆周面上的低压油口相连，其中一个油路上设置有低压出油阀，另一个油路上设置有低压进油阀；所述高压蓄能器通过两个油路分别与泵腔和压缩腔连通，在与所述泵腔连通的油路上设置有高压出油阀，与所述压缩腔连通的油路上设置有循环出油阀；所述压力油箱通过设置有自吸进油阀的油路与泵腔连通；

所述高压蓄能器和压力油箱分别与气动控制阀相连，所述气动控制阀为两位三通电磁阀；当其位于上位时，所述高压蓄能器通过油路与压缩腔连通，压力油箱通过油路与启动油道连通；当其位于下位时，所述压力油箱通过一条油路与泵腔连通，通过另一条油路与压缩腔连通，所述高压蓄能器通过油路与启动油道连通。

该发动机为二冲程发动机，其一个工作循环包括第一冲程和第二冲程；在所述第一冲程和第二冲程内，所述气动控制阀均位于上位；

第一冲程内，所述活塞组件从下止点位置向上止点位置移动，压缩气体腔内的可燃混合气体；在所述泵活塞移动的过程中，泵腔内形成真空,将低压油吸入泵腔，具体为：初始时，由于所述泵活塞封闭低压油口，只将压力油箱内的液压油经过自吸进油阀吸入泵腔；当所述泵活塞的位置超过低压油口后，所述低压蓄能器内的低压油液经过低压进油阀从低压油口进入泵腔；

第二冲程内，所述活塞组件在所述可燃混合气体燃烧所产生的燃气的作用下从上止点位置向下止点位置移动；在所述泵活塞移动的过程中，当其没有封闭低压油口时，所述泵活塞将泵腔内的油液通过低压出油阀压入低压蓄能器；当其封闭低压油口后，所述泵活塞将泵腔内的油液通过高压出油阀压入高压蓄能器；

所述下止点位置指气缸活塞向隔离板所在端移动至其最大行程处；此时，所述气体腔和所述扫气室连通，泵活塞封闭低压油口；

所述上止点位置指气缸活塞向远离隔离板的方向移动至其最大行程处；此时，所述气体腔通过气缸活塞封闭，所述低压蓄能器通过低压油口与泵腔连通。

该发动机工作前，通过启动工况将所述气缸活塞移动至其下止点位置；

所述启动工况为：所述启动控制阀位于下位，所述高压蓄能器将其内部的高压油液通过启动油道注入启动腔，从而推动压缩活塞向远离隔离板的方向移动，直至气缸活塞移动至其下止点位置；在移动过程中，所述泵活塞将泵腔内的油液通过低压出油阀压入低压蓄能器中；所述压缩活塞将压缩腔内的油液通过启动控制阀压入压力油箱。

有益效果：

(1)该发电机利用泵活塞的高速移动产生的真空，将压力油箱内的油液吸入到压缩腔内，由此能够省去附加的供油泵，简化了系统的结构，提升了发动机效率及可靠性；同时能量传递链短，效率高，经济性好。

(2)活塞组件惯量小，具有良好的瞬态响应；且该发电机启停方便，操作简单。

附图说明

图1为该直线发动机的整体结构示意图；

图2为该直线发动机启动工况原理图；

图3为该直线发动机第一冲程初始状态时各元件位置示意图；

图4为该直线发动机第二冲程初始状态时各元件位置示意图；

其中：1-气门、2-气缸体、3-气缸活塞、4-扫气室、5-进气单向阀、6-泵活塞、7-泵腔、8-高压出油阀、9-低压进油阀、10-低压出油阀、11-低压蓄能器、12-高压蓄能器、13-压力油箱、14-气动控制阀、15-自吸进油阀、16-循环出油阀、17-压缩腔、18-压缩活塞、19-启动油道、20-喷油器、21-启动腔、22-低压油口。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种具有自吸能力的液压自由活塞直线发动机，能够解决现有直线发动机效率低，燃料率差，结构复杂等问题。

该直线发动机包括：气缸体2、活塞组件、低压蓄能器11、高压蓄能器12、压力油箱13、气动控制阀14和喷油器20。其中气缸体2为机体，高压蓄能器12和低压蓄能器11为储能装置，活塞组件包括气缸活塞3、泵活塞6和压缩活塞18。

其整体连接关系如图1所示：所述气缸体2为中空的柱形结构，提供活塞组件的安装腔。所述气缸体2依据直径的不同，可沿轴向分为三段，从左至右依次为柱形段A、柱形段B和柱形段C，其中柱形段B的直径大于柱形段C的直径，柱形段C的直径大于柱形段A的直径。所述气缸活塞3为与所述柱形段A的内径匹配的圆盘形结构，所述泵活塞6为两端均开口的中空的柱形结构，其通过壁厚较小的连接筒同轴固接在气缸活塞3的一侧端面上(所述连接筒也可与泵活塞6一体化加工)。压缩活塞18为柱形结构，同轴位于泵活塞6内部，并通过直径较小的连接柱固接在气缸活塞3的端面上(所述连接柱也可与泵活塞6一体化加工)；由此使得气缸活塞3、泵活塞6和压缩活塞18刚性连接在一起，形成活塞组件。

所述气缸体2内部，通过柱形段B和柱形段C过渡处的圆形隔离板将其隔离为两个腔室。该隔离板朝向柱形段C所在侧的端面上同轴固接有两个套装在一起安装筒，令其中直径较大的安装筒为安装筒B，直径较小的安装筒为安装筒A。两个安装筒之间所形成的环形空腔的厚度与泵活塞6的厚度一致，安装筒A的内径与压缩活塞18的直径一致。活塞组件安装完成后，所述泵活塞6位于两个安装筒之间的环形空腔内，压缩活塞18位于安装筒A内，与泵活塞6相连的连接筒以及与压缩活塞18相连的连接柱穿过隔离板，使气缸活塞3位于柱形段A内。此时，气缸活塞3与气缸体2左侧端面(即柱形段A的端面)之间的腔室为气体腔，气缸活塞3与隔离板之间的腔室为扫气室4。泵活塞6与环形空腔右侧内底面之间形成的腔室为泵腔7，压缩活塞18与安装筒A右侧内底面之间形成的腔室为压缩腔17。所述安装筒A与连接柱之间的环形腔体为启动腔21，从所述连接筒右侧端面上，沿其轴向加工有启动油道19，所述启动油道19与启动腔21贯通。所述启动腔21、泵腔7和压缩腔17内均注有液压油。

在气缸体2柱形段A左侧端面上设置有气门1和喷油器20。在所述隔离板上设置有气孔，该气孔通过设置有进气单向阀5的管路与气缸体的外界贯通，从而使扫气室4和气体腔能够与外界进行气体交换。

所述低压蓄能器11分别通过两个油路与设置在安装筒B圆周面上的低压油口22相连，其中一个油路上设置有低压出油阀10，另一个油路上设置有低压进油阀9。所述高压蓄能器12通过两个油路分别与泵腔7和压缩腔17连通，在与泵腔7连通的油路上设置有高压出油阀8，在与压缩腔17连通的油路上设置有循环出油阀16。所述压力油箱13通过设置有自吸进油阀15的油路与泵腔7连通。

所述高压蓄能器12和压力油箱13分别与气动控制阀14相连，所述气动控制阀14为两位三通电磁阀，当其位于上位时，所述高压蓄能器12通过油路与压缩腔17连通，压力油箱13通过油路与启动油道19连通；当其位于下位时，所述压力油箱13通过一条油路与泵腔7连通，通过另一条油路与压缩腔17连通，所述高压蓄能器12通过油路与启动油道19连通。

下面结合图2至图4具体说明该直线发电机的工作原理：

该直线发电机包括内燃机部分和液压部分，其中内燃机部分采用二冲程柴油机工作原理，直流扫气方式；液压部分为压缩冲程提供能量同时将做功冲程产生的能量储存至蓄能器。工作过程中，由气缸活塞3、泵活塞6和压缩活塞18形成的活塞组件做循环往复直线运动，在压缩冲程中，泵活塞6从低压油路吸人低压油；在膨胀冲程中,压缩活塞18将低压油转化为高压油，完成功率输出。在活塞组件运动过程中，令其向右运动至其最大行程时，气缸活塞3所在位置为其下止点位置，如图3所示位置。令其向左运动至其最大行程时，气缸活塞3所在位置为其上止点位置，如图4所示位置。

启动前，由于气缸活塞3可位于扫气室4的任意位置，因此需通过启动工况使气缸活塞3移动至特定位置。如开启启动工况前，活塞组件的位置如图2所示。先将启动控制阀14移至下位，此时高压蓄能器12将高压油液通过启动油道19注入启动腔21，启动腔21内的高压油液推动压缩活塞18从左向右移动，即活塞组件从左向右运移动。在活塞组件向右运动过程中，泵活塞6将泵腔7内的油液通过低压出油阀10压入低压蓄能器11中，压缩活塞18将压缩腔17内的油液通过启动控制阀14压入压力油箱13。当气缸活塞3向右移动至其下止点位置时，启动工况结束。此时活塞组件在气缸体2内的位置如图3所示。

启动工况结束后，调整控制阀14使其位于上位，并开启气门1，扫气室4和气体腔连通，如图3所示；发电机进入第一冲程。控制高压蓄能器12向压缩腔17内注入高压液压油，从而推动压缩活塞18从右向左运动，由于气缸活塞3与压缩活塞18固接，使得气缸活塞3从下止点位置向上止点位置运动。在此过程中，扫气室4和气体腔内的空气通过气门1出，外界的新鲜空气通过进气单向阀进入扫气室4和气体腔，从而实现换气。在气缸活塞3向左运动的过程中，由于泵活塞6的快速移动使得泵腔7形成一定真空,从而将低压油吸入泵腔，具体为：初始时，由于泵活塞6的运动速度较低，泵腔7内的真空度较小，只能够将压力油箱13内的液压油经过自吸进油阀15吸入泵腔7；随着泵活塞6向左运动，当其位置超过低压油口22时，低压蓄能器内的低压油液经过低压进油阀9从低压油口22进入泵腔7，向泵腔7内补充低压油液。当气缸活塞3向左移动至设定位置时(本实施例中当气缸活塞3移动至扫气室4和气体腔过渡处时)，关闭气门1，此时气体腔成为封闭的腔体，进入压缩冲程，在压缩冲程中，由于气缸活塞3继续向左移动使得气体腔内的空气被压缩，当气缸活塞3接近其上止点位置时，启动喷油器20向气体腔内喷射燃油并自行着火燃烧，气体腔内的压力、温度急剧升高。当气缸活塞3移动至其上止点位置时，此时活塞组件在气缸体2内的位置如图4所示。发电机完成第一冲程工作，进入第二冲程。

由于此时气体腔内为高温、高压气体，气缸活塞3在高温、高压气体的作用下从左向右运动，即从上止点位置向下止点位置运动，对外做功，此时为膨胀冲程。在膨胀冲程中，当泵活塞6在低压油口22左侧，没有封闭低压油口22时，泵活塞6将泵腔7内的油液通过低压出油阀10压入低压蓄能器11；当泵活塞6继续向右移动封闭低压油口22后，泵活塞6将泵腔7内的油液通过高压出油阀8压入高压蓄能器12。而压缩活塞18则将压缩腔17内的油液通过循环出油阀16压入高压蓄能器12。当气缸活塞3向右移动至其2/3行程时，开启气门1，膨胀冲程结束，排出气体腔内的废气，气缸内压力、温度降低，使得外部空气通过进气单向阀5进入扫气室4和气体腔，实现换气。当气缸活塞3向右移动至其下止点位置时，第二冲程结束，至此，完成一个工作循环，实现了将燃料燃烧的热能通过活塞组件转换成液压能存储在低压蓄能器11和高压蓄能器12中，并通过低压蓄能器11对外输出。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种自吸式液压自由活塞直线发动机，其特征在于，包括：气缸体(2)、活塞组件、低压蓄能器(11)、高压蓄能器(12)、压力油箱(13)、气动控制阀(14)和喷油器(20)；

所述活塞组件包括气缸活塞(3)、泵活塞(6)和压缩活塞(18)；所述气缸活塞(3)为圆盘形结构，所述泵活塞(6)为两端均开口的中空的柱形结构，通过连接筒与气缸活塞(3)同轴固接；所述压缩活塞(18)位于泵活塞(6)内部，通过连接柱与气缸活塞(3)同轴固接；

所述气缸体(2)内部通过隔离板隔离为两个腔室，在其中一个腔室内，同轴固定有两个套装在一起安装筒，令其中直径较大的安装筒为安装筒B，直径较小的安装筒为安装筒A；两个安装筒之间所形成的环形空腔的厚度与所述泵活塞(6)的厚度一致，安装筒A的内径与所述压缩活塞(18)的直径一致；活塞组件安装完成后，所述泵活塞(6)位于两个安装筒之间的环形空腔内，所述压缩活塞(18)位于安装筒A内；由此所述泵活塞(6)端部与环形空腔内底面形成泵腔(7)，所述压缩活塞(18)端部与安装筒A内底面之间形成压缩腔(17)；所述安装筒A和与压缩活塞(18)相连的连接柱之间的环形腔体为启动腔(21)，所述连接筒上加工有与启动腔(21)贯通的启动油道(19)；

与泵活塞(6)相连的连接筒以及与压缩活塞(18)相连的连接柱穿过所述隔离板，使气缸活塞(3)位于气缸体(2)的另一个腔室内，由此所述气缸活塞(3)与隔离板之间形成扫气室(4)，与气缸体(2)内底面之间形成密闭的气体腔，所述扫气室(4)的直径大于气体腔的直径；在所述气缸体(2)上设置有与所述气体腔连通的气门(1)和喷油器(20)；在所述隔离板上设置有气孔，该气孔通过设置有进气单向阀(5)的管路与气缸体的外界贯通；

所述低压蓄能器(11)分别通过两个油路与设置在安装筒B圆周面上的低压油口(22)相连，其中一个油路上设置有低压出油阀(10)，另一个油路上设置有低压进油阀(9)；所述高压蓄能器(12)通过两个油路分别与泵腔(7)和压缩腔(17)连通，在与所述泵腔(7)连通的油路上设置有高压出油阀(8)，与所述压缩腔(17)连通的油路上设置有循环出油阀(16)；所述压力油箱(13)通过设置有自吸进油阀(15)的油路与泵腔(7)连通；

所述高压蓄能器(12)和压力油箱(13)分别与气动控制阀(14)相连，所述气动控制阀(14)为两位三通电磁阀；当其位于上位时，所述高压蓄能器(12)通过油路与压缩腔(17)连通，压力油箱(13)通过油路与启动油道(19)连通；当其位于下位时，所述压力油箱(13)通过一条油路与泵腔(7)连通，通过另一条油路与压缩腔(17)连通，所述高压蓄能器(12)通过油路与启动油道(19)连通。

2.如权利要求1所述的自吸式液压自由活塞直线发动机，其特征在于，该发动机为二冲程发动机，其一个工作循环包括第一冲程和第二冲程；在所述第一冲程和第二冲程内，所述气动控制阀(14)均位于上位；

第一冲程内，所述活塞组件从下止点位置向上止点位置移动，压缩气体腔内的可燃混合气体；在所述泵活塞(6)移动的过程中，泵腔(7)内形成真空,将低压油吸入泵腔(7)，具体为：初始时，由于所述泵活塞(6)封闭低压油口(22)，只将压力油箱(13)内的液压油经过自吸进油阀(15)吸入泵腔(7)；当所述泵活塞(6)的位置超过低压油口(22)后，所述低压蓄能器(11)内的低压油液经过低压进油阀(9)从低压油口(22)进入泵腔(7)；

第二冲程内，所述活塞组件在所述可燃混合气体燃烧所产生的燃气的作用下从上止点位置向下止点位置移动；在所述泵活塞(6)移动的过程中，当其没有封闭低压油口(22)时，所述泵活塞(6)将泵腔(7)内的油液通过低压出油阀(10)压入低压蓄能器(11)；当其封闭低压油口(22)后，所述泵活塞(6)将泵腔(7)内的油液通过高压出油阀(8)压入高压蓄能器(12)；

所述下止点位置指气缸活塞(3)向隔离板所在端移动至其最大行程处时的位置；此时，所述气体腔和所述扫气室(4)连通，泵活塞(6)封闭低压油口(22)；

所述上止点位置指气缸活塞(3)向远离隔离板的方向移动至其最大行程处时的位置；此时，所述气体腔通过气缸活塞(3)封闭，所述低压蓄能器(11)通过低压油口(22)与泵腔(7)连通。

3.如权利要求1或2所述的自吸式液压自由活塞直线发动机，其特征在于，该发动机工作前，通过启动工况将所述气缸活塞(3)移动至其下止点位置；

所述启动工况为：所述启动控制阀(14)位于下位，所述高压蓄能器(12)将其内部的高压油液通过启动油道(19)注入启动腔(21)，从而推动压缩活塞(18)向远离隔离板的方向移动，直至气缸活塞(3)移动至其下止点位置；在移动过程中，所述泵活塞(6)将泵腔(7)内的油液通过低压出油阀(10)压入低压蓄能器(11)中；所述压缩活塞(18)将压缩腔(17)内的油液通过启动控制阀(14)压入压力油箱(13)。