CN104791307B - 一种齿轮随动式两缸四冲程液压自由活塞发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种齿轮随动式两缸四冲程液压自由活塞发动机，其具有第一、第二组系统，第一、第二组系统中的液压缸体分别通过活塞杆与相应的内燃缸体串联在一起，并通过其中一组系统的活塞杆上的齿条带动齿轮来驱动另一组系统的齿轮，从而带动另一组系统的活塞杆上的齿条，最终实现两组系统的活塞杆做同向运动。本发明中，处于排气/吸气冲程的活塞杆基本处于不受力状态，仅在齿轮‑齿条副的带动下跟随处于压缩/膨胀冲程的活塞杆往复运动。整个过程活塞组件在齿轮的驱动下运动，不受扭转力矩作用，活塞组件运动平稳，且齿轮传动的可靠性高，传动精确，因此能有效的完成液压自由活塞发动机的基本工作过程。

Description

一种齿轮随动式两缸四冲程液压自由活塞发动机

技术领域

本发明涉及一种发动机，尤其是一种两缸四冲程液压自由活塞发动机。

背景技术

随着全球经济的发展，全球变暖和能源危机日益严重，因此各国政府均在提高能源能效、开发新能源、节能减排等方面提出了新的需求。我国更是高度重视气候变暖问题，把建设生态文明确定为一项战略任务，实行坚持资源节约和环境保护的基本国策。众多新技术，如混合动力、纯电驱动等新能源项目应用于动力装置，各种能量回收装置和能量再生技术也获得了广泛的研究和应用。作为一种新兴的动力装置，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，在提高燃料经济性并降低排放污染的同时，能够对制动能量进行回收，是行走机械有希望的动力之星。

液压自由活塞发动机经过近四十年的发展取得了一定的效果。目前的液压自由活塞发动机由以往的回流扫气式二冲程内燃机驱动而衍生出更多的形式，如直流扫气式、四冲程式等，从而在不同程度上克服了回流扫气式二冲程内燃机扫气效率低的问题。由于四冲程内燃机具有独立的扫气和吸气冲程，因此相较于直流扫气式二冲程内燃机具有更高的扫气效率，燃料燃烧更加充分，污染物的排放更低，更符合当前节能减排的目标，因此吸引了更多的研究者。但由于四冲程内燃机在四个冲程中只有一个做功冲程，其它三个冲程都需要依靠外力才能实现，因此单缸四冲程液压自由活塞发动机很难实现一个完整的工作循环，一般需要两个内燃机缸体共同实现。若只采用一个液压泵体与两个内燃机缸体相配合，则容易出现偏转扭矩，使得活塞组件的运动阻力增大，影响发动机的效率；若采用两个液压缸体分别与内燃机缸体串联，并利用连杆使两个活塞组件同步运动，虽然可以实现既定的功能，但是由于连杆的强度与降低活塞组件质量是一对矛盾体，因此也有一定的局限性。

发明专利内容

本发明的目的在于提供一种齿轮随动式两缸四冲程液压自由活塞发动机，其在整个工作过程中活塞组件不受扭转力矩作用，可有效避免活塞组件由于受力不均而产生扭转力矩。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种齿轮随动式两缸四冲程液压自由活塞发动机，包括第一组系统、第二组系统、负载蓄能器、供油蓄能器、压缩蓄能器、频率控制阀和选择换向阀；

所述第一组系统和所述第二组系统分别具有液压缸体、内燃缸体、活塞组件、第一换向阀、泵油单向阀、第一液控单向阀、第二液控单向阀、第二换向阀和控制油路；

所述第一、第二组系统的所述液压缸体并列放置，所述第一、第二组系统的所述内燃缸体并列放置；

所述活塞组件具有活塞杆、动力活塞、泵活塞和压缩活塞；所述动力活塞设于所述活塞杆的一端并适配穿设于所述内燃缸体内，配合所述动力活塞于所述内燃缸体内形成燃烧腔，所述燃烧腔的缸头上设置有进气门、排气门以及喷油器；所述泵活塞和所述压缩活塞沿所述活塞杆的轴向依次设于所述活塞杆的另一端并适配穿设于所述液压缸体内，配合所述泵活塞和所述压缩活塞于所述液压缸体内依次形成平衡腔、泵腔和压缩腔；

所述平衡腔与所述第一换向阀的入口相连通，所述泵腔与所述泵油单向阀的入口相连通，所述第一换向阀的第一出口与油箱相通，所述第一换向阀的第二出口和所述泵油单向阀的出口均连接至所述负载蓄能器，所述负载蓄能器与负载连接；所述压缩腔与所述选择换向阀的出口相连通，所述选择换向阀的入口连接所述频率控制阀的出口，所述频率控制阀的入口连接所述压缩蓄能器；所述第一液控单向阀和所述第二液控单向阀的出口分别对应与所述压缩腔和所述泵腔相连通，所述第一液控单向阀和所述第二液控单向阀的入口均连接至所述供油蓄能器，所述供油蓄能器与负载连接；

所述第二换向阀的出口分别连接所述第一液控单向阀和所述第二液控单向阀的控制端，所述第二换向阀的入口与所述控制油路连接；

同一组系统中，所述活塞杆位于所述内燃缸体与所述液压缸体之间的部分沿所述活塞杆的轴向设置有齿条，所述第一、二组系统的齿条相向设置且两者之间设置有两个相啮合的齿轮，此两个齿轮分属于所述第一、二组系统并分别与所述第一、二组系统的齿条相对应啮合。

所述两个齿轮中的一个连接有齿轮驱动装置。

所述齿轮驱动装置包括电机和电机驱动控制器，所述电机与对应的所述齿轮之间通过离合器连接，所述电机的接线端子与超级电容的接线端子通过常规方式进行电连接，使超级电容放电时电机处于电动状态，电机处于发电状态时对超级电容充电。

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。

采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

本发明的齿轮随动式两缸四冲程液压自由活塞发动机，第一、第二组系统中的液压缸体分别通过活塞杆与相应的内燃缸体串联在一起，并通过其中一组系统的活塞杆上的齿条带动齿轮来驱动另一组系统的齿轮，从而带动另一组系统的活塞杆上的齿条，最终实现两组系统的活塞杆做同向运动。这样当一组液压缸体的压缩腔流入高压油时，推动该组系统的内燃缸体的燃烧腔在进行压缩/膨胀冲程时，与该内燃缸体相对应的液压缸体的泵腔进行吸油、泵油过程；另一组系统的内燃缸体的燃烧腔进行排气、吸气冲程，与该内燃缸体相对应的液压缸体的三个液压腔(平衡腔、泵腔和压缩腔)均与低压油路相连，这样安装在该内燃缸体的活塞杆基本处于不受力状态，仅在齿轮-齿条副的带动下跟随活塞杆往复运动，完成排气、吸气过程，整个过程活塞组件不受扭转力矩作用，既能对燃烧腔的废气进行有效的清除，又避免了活塞组件由于受力不均而产生扭转力矩，且齿轮传动的可靠性高，传动精确，因此能有效的完成液压自由活塞发动机的基本工作过程。

由于其中一个齿轮与电机连接，当压缩能小于该工况下所需要的压缩能时，电控系统检测到齿轮的转速达不到预期要求时，此时电机通过离合器与齿轮啮合，电机驱动控制器输出控制信号，电机从超级电容吸收瞬时能量，快速驱动齿轮，与液压压缩能一起完成压缩过程；另一方面，当电控系统检测到当前的压缩能大于该工况所需压缩能时，电机驱动控制器发出相应的信号，使电机与齿轮连接，产生一定的制动力矩，此时电机用作发电机，对超级电容进行充电。且超级电容还可以吸收负载制动或负载的重力势能而产生的能量，用于其它需要电能的场合，大大提高了能量的利用率。

说明书附图

图1为本发明齿轮随动式两缸四冲程液压自由活塞发动机的结构连接示意图；

图2为本发明齿轮随动式两缸四冲程液压自由活塞发动机当活塞组件进行压缩冲程时的各电磁阀的工作状态和油路连通关系示意图；

图3为本发明齿轮随动式两缸四冲程液压自由活塞发动机当活塞组件进行膨胀冲程时的各电磁阀的工作状态和油路连通关系示意图；

图4为本发明中齿轮与电机的连接示意图。

图中标示对应如下：

1‐内燃缸体； 2‐进气门；

3‐喷油器； 4‐排气门；

5‐燃烧腔； 6‐动力活塞；

7‐活塞杆； 8‐活塞组件；

9‐液压缸体； 10‐平衡腔；

11‐泵活塞； 12‐泵腔；

13‐压缩活塞； 14‐压缩腔；

15‐选择换向阀； 16‐压缩蓄能器；

17‐频率控制阀； 18‐供油蓄能器；

19‐第一液控单向阀； 20‐第二液控单向阀；

21‐第二换向阀； 22‐控制油路；

23‐泵油单向阀； 24‐负载蓄能器；

25‐第一换向阀； 26‐齿条；

27‐齿轮； 28‐离合器；

29‐电机； 30‐电机驱动控制器；

31‐超级电容。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明专利做进一步的说明。

如图1和图4所示，本实施例提供的齿轮随动式液压自由活塞发动机，包括第一组系统、第二组系统、负载蓄能器24、供油蓄能器18、压缩蓄能器16、频率控制阀17和选择换向阀15。

所述第一组系统和所述第二组系统分别具有液压缸体9、内燃缸体1、活塞组件8、第一换向阀25、泵油单向阀23、第一液控单向阀19、第二液控单向阀20、第二换向阀21和控制油路22。其中，第一换向阀25采用二位三通换向阀，第二换向阀21采用二位二通换向阀。

所述第一、第二组系统中，活塞组件8具有活塞杆7、动力活塞6、泵活塞11和压缩活塞13。

所述第一、第二组系统的液压缸体9并列放置，所述第一、第二组系统的内燃缸体1也并列放置，所述第一、第二组系统的活塞杆7平行设置且端面平齐。

所述第一、第二组系统中，动力活塞6设于活塞杆7的一端并适配穿设于内燃缸体1内，配合动力活塞6于内燃缸体1内形成燃烧腔5，燃烧腔5的缸头上设置有进气门2、排气门4以及喷油器3。泵活塞11和压缩活塞13沿活塞杆7的轴向依次设于活塞杆7的另一端并适配穿设于液压缸体9内，配合泵活塞11和压缩活塞13于液压缸体9内依次形成平衡腔10、泵腔12和压缩腔14。

所述第一、第二组系统中，平衡腔10与第一换向阀25的入口相连通，泵腔12与泵油单向阀23的入口相连通，第一换向阀25的第一出口与油箱相通，第一换向阀25的第二出口和泵油单向阀23的出口均连接至负载蓄能器24，负载蓄能器24与负载连接。压缩腔14与选择换向阀15的出口相连通，选择换向阀15的入口连接频率控制阀17的出口，频率控制阀17的入口连接压缩蓄能器16；第一液控单向阀19和第二液控单向阀20的出口分别对应与压缩腔14和泵腔12相连通，第一液控单向阀19和第二液控单向阀20的入口均连接至供油蓄能器18，供油蓄能器18同时与负载连接。

所述第一、第二组系统中，第二换向阀21的出口分别连接第一液控单向阀19和第二液控单向阀20的控制端，第二换向阀21的入口与控制油路22连接。

同一组系统中，活塞杆7位于内燃缸体1与液压缸体9之间的部分沿活塞杆7的轴向设置有齿条26，所述第一、二组系统的齿条26相向设置且两者之间设置有两个相啮合的齿轮27，此两个齿轮27分属于所述第一、二组系统并分别与所述第一、二组系统的齿条26相对应啮合。

所述两个齿轮27中的一个连接有齿轮驱动装置。此齿轮驱动装置包括电机29和电机驱动控制器30，电机29的输出轴连接离合器28，离合器28上设有键，从而使得电机29与对应的所述齿轮27之间通过离合器28进行传动连接。

电机29的接线端子与超级电容31的接线端子通过常规方式进行电连接，构成充放电回路，使超级电容31放电时电机29处于电动状态，电机29处于发电状态时对超级电容31充电。

下面根据本实施例齿轮随动式液压自由活塞发动机的不同工作阶段对本实施例齿轮随动式液压自由活塞发动机的使用做进一步说明。

(1)准备阶段：

供油蓄能器18、负载蓄能器24和压缩蓄能器16注油，使得它们都达到工作所要求的压力，该压力根据实际需要预先设置。同时，活塞组件8应使动力活塞6处于下止点位置。图中各液压阀均不通电处于图1所示位置。

以图1中上侧的一组系统为第一组系统，下侧的一组系统为第二组系统，假设第一组系统的内燃缸体1的燃烧腔5处于压缩、膨胀工作状态，第二组系统的内燃缸体1的燃烧腔5处于排气、吸气工作状态。

活塞杆7带动齿条26运动，而齿条26与齿轮27啮合。因此当第一组系统的活塞杆7带动第一组系统的齿条26向图1所示的左侧运动时，带动与其啮合的第一组系统的齿轮27逆时针旋转，与第一组系统的齿轮27啮合的第二组系统的齿轮27顺时针旋转，从而带动与其啮合的第二组系统的齿条26向左侧运动，从而第二组系统的活塞杆7带动第二组系统的活塞组件8向左侧运动。同理，当第一组系统的活塞杆7向右侧运动时，同样经过齿轮-齿条副(齿条26配合齿轮27)带动第二组系统的活塞杆7也向右侧运动。因此经过齿轮-齿条副，使得第一、二组系统的活塞组件8保持同方向的同步运动。

(2)压缩冲程阶段：

在上述假设状态下，如图2所示，第一组系统的燃烧腔5的进气门和排气门都处于关闭状态；而第二组系统的燃烧腔5的排气门处于打开状态，进气门处于关闭状态。当频率控制阀17和第二组系统的第一换向阀25的电磁铁通电，使频率控制阀17的上位工作，第二组系统的第一换向阀25的右位工作时，此时压缩蓄能器16中的高压油经频率控制阀17上位经选择换向阀15的下位进入第一组系统的压缩腔14中，推动第一组系统的活塞组件8向左运动，此时第一组系统的泵腔12经第二液控单向阀20从供油蓄能器18中汲取低压油；而平衡腔10的液压油在泵活塞11的推动下经第一换向阀25的左位进入负载蓄能器24和负载中；同时，第一组系统的燃烧腔5中的气体被压缩，内燃机进行压缩冲程。而第二组系统的活塞组件8在齿轮-齿条副(齿条26配合齿轮27)的带动下同样向左运动，此时第二组系统的压缩腔14和泵腔12经第二组系统的第一液控单向阀19和第二液控单向阀20从供油蓄能器18中汲取低压油，平衡腔10中的液压油经第一换向阀25的右位回油箱；同时，第二组系统的燃烧腔5内的废气经排气门排出，进行排气冲程。

当第一组系统的动力活塞6运动到上止点附近时，燃油喷入到第一组系统的燃烧腔5，发动机完成压缩冲程。

(3)膨胀冲程阶段

如图3所示，第一组系统的燃烧腔5内由于燃油的喷入产生巨大能量，从而推动活塞组件8向右运动；第一组系统的压缩腔14内的液压油在压缩活塞13的作用下重新流入到压缩蓄能器16中，用于下一次的压缩冲程；泵腔12液压油在泵活塞11的作用下经泵油单向阀23流入到负载蓄能器24中，并有极少一部分经第一换向阀25的左位流入到平衡腔10。第二组系统的活塞组件8在齿轮-齿条副(齿条26配合齿轮27)的作用下同样向右运动，此时，第二组系统的第二换向阀21通电，下位工作。此时，第二组系统的泵腔12和压缩腔14内的液压油在泵活塞11和压缩活塞13的作用下分别经第一液控单向阀19和第二液控单向阀20流回到供油蓄能器18中；第二组系统的平衡腔10经第一换向阀25的右位从油箱中吸油；同时，第二组系统的燃烧腔5的排气门4关闭，进气门2打开进行吸气冲程。

当活塞组件8回到下止点后，发动机的膨胀冲程结束，此时频率控制阀17断电，切断压缩蓄能器16与压缩腔14的通道，活塞组件8在下止点停留，直到下一次的控制信号到来。

经过上述两个工作过程，第一组系统完成一个压缩-膨胀工作循环，而第二组系统完成一个排气-吸气工作循环，完成第一个工作循环。

(4)第二个工作循环

第二个工作循环的基本工作过程与第一个工作循环基本类似，在此过程中选择换向阀15通电，下位工作，以便使第二组系统的燃烧腔完成压缩/膨胀冲程，而相应的第二组系统的泵腔完成吸油/泵油过程；第一组系统的燃烧腔完成排气/吸气冲程，相应的第一组系统的平衡腔、泵腔和压缩腔等三个液压腔均通油箱，完成随动过程。相应的工作腔和控制阀的工作状态发生变化，此处不再详述。

当第二个工作循环完成后，齿轮随动式液压自由活塞发动机完成了一个完整的工作循环。

(5)压缩不足工况

当系统由于负载工况发生变化或者由于泄漏等原因造成压缩蓄能器的压力不足时，此时会出现压缩蓄能器16输出的压缩能不能使燃烧腔5内的新鲜空气获得需要的压缩能时，此时电控装置检测到齿轮27的转速和转角位置小于预定参数，此时电机驱动控制器30输出控制信号，使电机29的输出轴通过离合器28与齿轮27啮合，此时电机29处于电动状态从超级电容31吸取瞬时大能量驱动齿轮27经齿条26带动活塞组件8快速运动，达到预定的压缩比，从而避免缺火故障的出现。

(6)压缩能过大

当负载变化或蓄能器内部由于充压过高时，电控单元检测到发动机的转速和转角位置大于预定参数时，此时电机驱动控制器30控制电机29与齿轮27啮合并工作于发电状态，对齿轮27起制动作用，此时超级电容31与电机29构成充电回路，使发动机的部分能量转化为电能储存在超级电容31中用于其它的电控单元供电。另外当发动机的负载处于制动或依靠重力下降时，此时该部分能量也可以通过液压马达带动电机处于发动机状态将能量储存在超级电容31中，对能量进行回收再利用，提高能量的利用率。

使用超级电容是因为它具有很高的功率密度，可以快速的对齿轮进行驱动和制动，满足液压自由活塞发动机快速运动的需求。

本实施例齿轮随动式液压自由活塞发动机的活塞组件通过齿轮-齿条副的传动作用，使两个活塞组件保持同步运动，使一组系统的燃烧腔处于压缩/膨胀冲程，液压系统处于吸油/泵油过程，而另一组系统的燃烧腔处于排气/吸气冲程，液压系统处于随动状态，均与低压系统连通，保证了活塞组件仅受轴向力的作用，避免了侧向力和扭转力矩的出现，从而可以保证发动机的运动平稳。并且由于引入了超级电容-电机系统，可以根据随动齿轮的运动状态，给发动机系统提供压缩能或吸收压缩能，从而保证发动机压缩比的稳定，且能对能量进行回收，提高了系统的能量利用率。

上面结合附图对本发明专利做了详细的说明，但是本发明专利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专利做出各种变形，如在本实施例的基础上增加液压缸体和与液压缸体相对应的内燃缸体的数量等，这些都属于本发明专利的保护范围。

Claims (5)

1.一种齿轮随动式两缸四冲程液压自由活塞发动机，其特征在于：包括第一组系统、第二组系统、负载蓄能器、供油蓄能器、压缩蓄能器、频率控制阀和选择换向阀；

所述第一组系统和所述第二组系统分别具有液压缸体、内燃缸体、活塞组件、第一换向阀、泵油单向阀、第一液控单向阀、第二液控单向阀、第二换向阀和控制油路；

所述第一组系统、所述第二组系统的所述液压缸体并列放置，所述第一组系统、所述第二组系统的所述内燃缸体并列放置；

所述活塞组件具有活塞杆、动力活塞、泵活塞和压缩活塞；所述动力活塞设于所述活塞杆的一端并适配穿设于所述内燃缸体内，配合所述动力活塞于所述内燃缸体内形成燃烧腔，所述燃烧腔的缸头上设置有进气门、排气门以及喷油器；所述泵活塞和所述压缩活塞沿所述活塞杆的轴向依次设于所述活塞杆的另一端并适配穿设于所述液压缸体内，配合所述泵活塞和所述压缩活塞于所述液压缸体内依次形成平衡腔、泵腔和压缩腔；

所述平衡腔与所述第一换向阀的入口相连通，所述泵腔与所述泵油单向阀的入口相连通，所述第一换向阀的第一出口与油箱相通，所述第一换向阀的第二出口和所述泵油单向阀的出口均连接至所述负载蓄能器，所述负载蓄能器与负载连接；所述压缩腔与所述选择换向阀的出口相连通，所述选择换向阀的入口连接所述频率控制阀的出口，所述频率控制阀的入口连接所述压缩蓄能器；所述第一液控单向阀和所述第二液控单向阀的出口分别对应与所述压缩腔和所述泵腔相连通，所述第一液控单向阀和所述第二液控单向阀的入口均连接至所述供油蓄能器，所述供油蓄能器与负载连接；

所述第二换向阀的出口分别连接所述第一液控单向阀和所述第二液控单向阀的控制端，所述第二换向阀的入口与所述控制油路连接；

同一组系统中，所述活塞杆位于所述内燃缸体与所述液压缸体之间的部分沿所述活塞杆的轴向设置有齿条，所述第一组系统、所述第二组系统的齿条相向设置且两者之间设置有两个相啮合的齿轮，此两个齿轮分属于所述第一组系统、所述第二组系统并分别与所述第一组系统、所述第二组系统的齿条相对应啮合。

2.根据权利要求1所述的一种齿轮随动式两缸四冲程液压自由活塞发动机，其特征在于：两个所述齿轮中的一个连接有齿轮驱动装置。

3.根据权利要求2所述的一种齿轮随动式两缸四冲程液压自由活塞发动机，其特征在于：所述齿轮驱动装置包括电机和电机驱动控制器，所述电机与对应的所述齿轮之间通过离合器连接，所述电机的接线端子与超级电容的接线端子通过常规方式进行电连接，使超级电容放电时电机处于电动状态，电机处于发电状态时对超级电容充电。

4.根据权利要求1所述的一种齿轮随动式两缸四冲程液压自由活塞发动机，其特征在于：所述第一换向阀为二位三通换向阀。

5.根据权利要求1所述的一种齿轮随动式两缸四冲程液压自由活塞发动机，其特征在于：所述第二换向阀为二位二通换向阀。