CN104912660A - 一种基于电控压缩冲程的两缸四冲程液压自由活塞发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种易于控制且压缩过程较为稳定的基于电控压缩冲程的两缸四冲程液压自由活塞发动机，包括内燃机部分、液压部分和电动机/发动机等。活塞杆将液压泵活塞与动力活塞连接起来组成一个活塞组件并安装在液压缸体和内燃机缸体；活塞杆上安装有齿条，与齿轮啮合；齿轮的输出轴与电动机/发电机的一端输出轴连接；而电动机/发电机的另一端与液压泵/马达的输出轴连接；电动机/发电机由超级电容/蓄电池供电，其运转情况由电机控制器控制；两个活塞组件在齿轮-齿条副的带动下同时向上止点或向下止点运动；压缩冲程由电动机驱动齿轮带动活塞组件压缩燃烧腔中的新鲜空气以获得合适的压缩比；膨胀冲程时由处于发电机工况的电机回收部分膨胀能实现活塞组件的制动。

Description

一种基于电控压缩冲程的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，尤其是一种基于电控压缩冲程的两缸四冲程液压自由活塞发动机。

背景技术

为了维持全球经济的可持续发展，人们日益重视节能和环保两大问题，采取各种措施来降低能源的消耗。作为能源消耗大户的工程机械也成为人们实现节能的主战场，势能回收、制动能量回收及混合动力系统的应用在一定程度上提高了能量的利用率，实现了工程机械的节能。这些方式的应用并没有涉及到内燃机本身的技术革新，只是在液压系统上进行了相关的改进和优化，传动系统的传动链长，结构复杂，效率较低。针对这些问题，一种新兴动力装置——液压自由活塞发动机应运而生，它直接将内燃机活塞和液压泵活塞刚性连接，将往复直线运动-旋转运动-直线运动简化成直线-直线运动，系统的传动链大为降低，结构得以简化，使得活塞的受力状况大为改善，只承受直线运动的摩擦力，而没有了随曲轴运转过程中的侧向力，因此使得发动机的寿命延长；且它具有可变压缩比的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。

液压自由活塞发动机经过近四十年的发展，取得了一定的进展，也形成了单活塞式、双活塞式和对置活塞式等不同的结构形式，在内燃机的运用上有采用二冲程回流扫气式、二冲程直流扫气式和四冲程式等不同形式。尤其是单活塞式液压自由活塞发动机由于结构简单、控制系统相对简单而吸引了较多的研究，并且是目前唯一获得工程示范应用的液压自由活塞发动机形式。但是尽管如此，对于液压自由活塞发动机的研究大部分仍处于实验室研制阶段，并没有获得大规模的工程应用。究其原因，主要是由于液压自由活塞发动机本身结构的限制，其活塞组件是“自由”的，不受任何机械构件的限制，因此具有可变的止点位置和压缩比，这有利于使发动机在不同工况下都处于最佳的燃烧状态和最低的排放，但是对于发动机的控制也提出了很高的要求。单活塞式液压自由活塞发动机的压缩过程是通过液压蓄能器中储存一定压力的液压油经过控制阀进入压缩腔而推动活塞组件运动的，因此压缩冲程的运行过程和压缩比与压缩蓄能器的压力水平、频率控制阀的响应特性等有密切关系。由于蓄能器中的液压油是循环使用的，在压缩冲程中对外输出推动活塞进行压缩冲程，而在膨胀冲程中则吸收液压能，在这个往复的吸收/释放液压能的过程中，由于经过较多的液压控制阀必然产生一定的能量损失，从而影响每一循环的对外输出的压力能，从而导致发动机的压缩过程不稳定，这也是限制液压自由活塞发动机产业化的一个重大问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电控压缩冲程的两缸四冲程液压自由活塞发动机，其易于控制且压缩过程较为稳定。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于电控压缩冲程的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、负载蓄能器和能量储存转换模块；

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、2/3换向阀、泵油单向阀和2/2换向阀；

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、动力活塞和泵活塞；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，配合所述泵活塞于所述液压缸体内依次形成平衡腔和液压泵腔；

所述第一组系统和第二组系统的动力活塞的端面在同一平面内，同时向上止点运动和向下止点运动；

所述平衡腔与所述2/3换向阀的入口相连通，所述液压泵腔分别与所述泵油单向阀的入口和所述2/2换向阀的入口相连通，所述2/3换向阀的第一出口与油箱相通，所述2/2换向阀的出口与油箱相通，所述2/3换向阀的第二出口分别与所述能量储存转换模块的入口和所述泵油单向阀的出口相连通，所述能量储存转换模块的出口分别与所述负载蓄能器和负载的输入口相连通，负载的出油口连接至油箱；

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；

所述能量储能转换模块包括储能方式选择阀、充电/放电选择阀、液压泵/马达、电动机/发电机、超级电容/蓄电池和电机控制器；所述储能方式选择阀的入口即为能量储存转换模块的入口，所述储能方式选择阀的第一出口分别与所述液压泵/马达的进油口和所述充电/放电选择阀的出口相通，所述储能方式选择阀的第二出口即为所述能量储存转换模块的出口，所述储能方式选择阀的第二出口分别与所述负载蓄能器和所述充电/放电选择阀的入口相通，所述液压泵/马达的出油口连接到油箱；所述液压泵/马达的输出轴与所述电动机/发电机的一输出轴连接；所述电动机/发电机由所述超级电容/蓄电池供电，所述电动机/发电机的运转情况由所述电机控制器控制；所述电动机/发电机的另一输出轴与所述第一组系统的齿轮或第二组系统的齿轮相连接，驱动齿轮或由齿轮带动发电。

采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

本发明的基于电控压缩冲程的两缸四冲程液压自由活塞发动机的压缩冲程依靠电动机带动齿轮齿条推动活塞组件运动进行。与液压驱动相比，电气控制具有更高的响应速度和更易于控制，因此通过电机控制器的控制作用，可以根据当前工况选择合适的电机运行速度对燃烧腔中的新鲜空气进行压缩而获得合适的压缩比。并且在压缩过程中也可以根据突发工况进行及时的调整而获得理想的压缩比；而采用液压系统进行压缩过程，一旦控制阀开启则其压缩过程基本上固定，可控制性较差。且电机可以采用超级电容或蓄电池进行能源供给，在本身配备超级电容或蓄电池的混合动力工程机械上很容易实现。另外，由于液压自由活塞发动机活塞的运动速度很高且运动时间短，在行程终了很容易对液压缸体等产生较大的机械冲击，传统的液压自由活塞发动机是在压缩腔的末端设置缓冲装置，让燃料燃烧所释放的能量以热能的形式散失掉，一方面造成能源的浪费，另一方面使液压油发热，影响密封件的寿命，造成系统泄漏或其它事故。而采用本方案，则可以在膨胀冲程的后期，将电动机/发电机与齿轮连接，并使其处于发电机状态，吸收活塞组件动能，使活塞的运动速度降低，达到避免活塞组件与液压缸体冲击的目的。发电机发出的电能储存在超级电容或蓄电池中用于下一个压缩冲程使用或系统中其它需要电能的场合。

说明书附图

图1为本发明基于电控压缩冲程的两缸四冲程液压自由活塞发动机的基本结构连接示意图；

图2为本发明中能量储存转换模块的结构示意图。

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-液压泵活塞；        12-液压泵腔；

13-2/2换向阀；         14-2/3换向阀；

15-泵油单向阀；        16-负载蓄能器；

17-齿轮；              18-齿条；

19-液压泵/马达；              20-电动机/发电机；

21-超级电容/蓄电池            22-充电/放电选择阀

23-储能方式选择阀             24-电机控制器

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，一种基于电控压缩冲程的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16和能量储存转换模块；

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、2/3换向阀14、泵油单向阀15和2/2换向阀13；

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和泵活塞11。

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；所述第一组系统和第二组系统的动力活塞6的端面在同一平面内，同时向上止点运动和向下止点运动。

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于液压缸体9内依次形成平衡腔10和液压泵腔12。

所述第一、第二组系统中，平衡腔10与2/3换向阀14的入口相连通，液压泵腔12分别与泵油单向阀15的入口和2/2换向阀13的入口相连通，2/3换向阀14的第一出口与油箱相通，2/2换向阀13的出口与油箱相通，2/3换向阀14的第二出口分别与能量储存转换模块的入口B和泵油单向阀15的出口相连通，能量储存转换模块的出口A分别与负载蓄能器16和负载的输出口相连通，负载的出油口连接至油箱。

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18，所述第一、二组系统的齿条18相向设置且两者之间设置有两个相啮合的齿轮17，此两个齿轮17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18相对应啮合。

如图2所示，所述能量储存转换模块包括储能方式选择阀23、充电/放电选择阀22、液压泵/马达19、电动机/发电机20、超级电容/蓄电池21和电机控制器24；储能方式选择阀23的入口即为能量储存转换模块的入口B，，储能方式选择阀23的第一出口分别与液压泵/马达19的进油口和充电/放电选择阀22的出口相通，储能方式选择阀23的第二出口即为能量储存转换模块的出口A，储能方式选择阀23的第二出口分别与负载蓄能器16和充电/放电选择阀22的入口相通，液压泵/马达19的出油口连接到油箱；液压泵/马达19的输出轴与电动机/发电机20的一输出轴连接；电动机/发电机20由超级电容/蓄电池21供电，电动机/发电机20的运转情况由电机控制器24控制；电动机/发电机20的另一输出轴通过离合器与所述两个齿轮17中的一个相连接，驱动齿轮17或由齿轮17带动发电。

电动机/发电机20的接线端子与超级电容/蓄电池21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/蓄电池21放电时电动机/发电机20处于电动状态，电动机/发电机20处于发电状态时对超级电容/蓄电池21充电。

本发明中，充/放电选择阀、液压泵/马达、电动机/发电机和超级电容/蓄电池中的斜线符号均表示“或”关系。即，“充/放电选择阀”的含义为充电或放电选择阀；“液压泵/马达”的含义为可工作于液压泵方式或液压马达方式；“电动机/发电机”的含义为可作为电动机使用或发电机使用，“超级电容/蓄电池”的含义为超级电容或蓄电池。2/2换向阀13为二位二通换向阀，2/3换向阀14为二位三通换向阀，充/放电选择阀22采用二位二通换向阀。

下面根据两缸四冲程液压自由活塞发动机的不同工作阶段对本实施例基于电控压缩冲程的两缸四冲程液压自由活塞发动机的使用做进一步说明。

本发明具有完全相同两组系统，两组系统分时工作完成一个完整的发动机工作循环。为便于表述，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。

(1)准备阶段

在发动机没有开始工作前，系统中的各阀处于图1、图2所示状态，活塞组件8位于下止点位置；第一组系统的进气门2、排气门3均处于关闭状态，而第二组系统的排气门4处于开启状态。

活塞杆7带动齿条18运动，而齿条18与齿轮17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18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17逆时针旋转，与第一组系统的齿轮17啮合的第二组系统的齿轮17顺时针旋转，从而带动与其啮合的第二组系统的齿条18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18配合齿轮17)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，当发动机开始工作时，主控单元(图中没有给出)发出控制信号使第二组系统的2/3换向阀14右位工作，使平衡腔10与油箱相通；电机控制器24根据当前工况要求发出控制信号使电动机/发电机20处于电动机工况并按照要求的转速运转；电动机/发电机20带动齿轮17，并通过齿轮-齿轮啮合和齿轮-齿条啮合带动第一组系统和第二组系统的活塞组件8向上止点运动。

对第一组系统：燃烧腔5内的气体在动力活塞6的驱动下压缩；同时液压泵腔12通过2/2换向阀13的左位从油箱中吸油；平衡腔10的液压油在液压泵活塞11的作用下通过2/3换向阀14的左位流入到负载蓄能器16和负载中。

对于第二组系统：燃烧腔5内的废气在动力活塞6的驱动下通过排气门4排出；液压泵腔12通过2/2换向阀13的左位从油箱吸油；平衡腔10内的液压油在液压泵活塞11的驱动下通过2/3换向阀14的右位流回油箱。

由于电动机/发电机20的响应速度较液压阀的响应速度大为提高，因此从电动机/发电机20获得启动信号到活塞组件8开始运动的时间很短；并且电动机/发电机20的运行效率很高；而电动机/发电机20的运转则是由电机控制器24根据当前的实际工况发出控制信号，因此其转速可以实时调整，更能快速的适应负载的变化需求。与采用液压的压缩系统相比，一方面能保证压缩冲程的稳定和可重复性，另一方面响应速度加快，跟踪负载变化而实时调整压缩过程的能力得到大幅提高。

(3)膨胀冲程阶段：

当活塞组件8运动到上止点附近时，第一组系统的喷油器3向燃烧腔5内喷入适量燃油，燃油燃烧释放的能量推动第一组系统的活塞组件8向下止点运动；第一组系统的活塞组件8通过齿轮-齿条、齿轮-齿轮机构带动第二组系统的活塞组件8同样向下止点运动；在此过程中，第二组系统的燃烧腔5的排气门4关闭，进气门2打开，新鲜空气通过进气门2进入到燃烧腔5中，第二组系统的2/2换向阀13通电右位工作；第一组系统的液压泵腔12内的液压油在液压泵活塞11的推动下依次经泵油单向阀15、能量储存转换模块的储能方式选择阀23下位进入到负载蓄能器16和负载中，并有一部分通过2/3换向阀14的左位流入到平衡腔10内；第二组系统的液压泵腔12内的液压油在液压泵活塞11的驱动下通过2/2换向阀13的右位回油箱，平衡腔10通过2/3换向阀14的右位从油箱吸油。

在膨胀冲程的后期，由于燃料燃烧所释放的能量不能完全转化为液压能储存在负载蓄能器16中，这必然导致活塞组件8的运动速度较高，当活塞组件8运动到下止点时就会引起活塞与液压缸体的机械撞击，引起机械振动和噪声，甚至引起活塞组件的变形等机械故障；在传统的液压系统中，这一部分能量是通过在压缩腔设置合适的缓冲装置，使这部分能量以热能的形式散发掉，这一方面对燃料的化学能利用率降低，另一方面会造成液压油温度升高而引起液压油变质或密封失效而带来的泄漏等问题。如果采用本实施例的方式，在膨胀冲程的后期使电动机/发电机20处于发电机工况，通过齿轮-齿条的传动，将活塞组件8的动能转化成电能储存在超级电容或蓄电池21等储能元件中，用于下一个压缩冲程驱动电机或系统中其它需要电能的场合。从而大幅提高对于能量的回收和利用。

当活塞组件8运动到下止点时，第一组系统的液压泵腔12完成一个吸油/泵油工作循环，而第一组系统的燃烧腔5则完成压缩/膨胀工作循环，第二组系统的燃烧腔5完成排气/吸气工作循环。

(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，只是相应的第一组系统和第二组系统及对应的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，本发明的基于电控压缩冲程的两缸四冲程液压自由活塞发动机完成了一个完整的工作循环。

在上述过程中，始终有一个活塞组件处于随动状态；在往复运动过程中，只承受一定的大气压力和较低的油箱压力，相较于处于压缩/膨胀和作用有负载压力的另一活塞组件而言，基本处于不受力状态，因此不会对主要的工作活塞组件造成较大的运动阻力，不会产生较多的驱动能量。

(5)充电过程

在系统工作时，若超级电容/蓄电池21的电压低于设定极限值后，此时主控单元(图中没有给出)发出控制信号使充电/放电选择阀22右位工作，负载蓄能器16中的高压油流出并使液压泵/马达19处于马达工况，带动电动机/发电机20处于发电机工况对超级电容/蓄电池21充电。

(6)能量回收过程

当负载处于制动或下放过程时，其所具有的动能或势能一般通过热能的形式散发掉；而利用本实施例，使充电/放电选择阀22右位工作，则可以通过液压泵/马达19带动电动机/发电机20对超级电容/蓄电池21充电或对负载蓄能器16充油，从而使这部分能量以电能或压力能的形式存储起来。

(7)蓄能器充油

当负载短时需要大流量而负载蓄能器16的供油能力不足时，此时主控单元(图中没有给出)发出控制信号使充电/放电选择阀22右位工作，电动机/发动机20处于电动机工况带动液压泵/马达19工作于液压泵工况对负载蓄能器16进行供油，从而暂时满足负载大流量的需求。

由于单活塞式液压自由活塞发动机可以工作于脉冲间歇控制模式(PPM)，即活塞组件完成一个工作循环可以在下止点停留一定的时间再开始下一个工作循环从而对输出流量进行调整。当负载蓄能器16达到设定压力后，此时主控单元(图中没有给出)发出控制信号使储能方式选择阀23上位工作，使负载蓄能器16输出的液压油经过液压泵/马达19驱动电动机/发动机20对超级电容/蓄电池21进行充电；当达到储能元件的设定电压值后，主控单元(图中没有给出)发出控制信号使液压泵/马达19停止工作；或者在充电过程中，负载蓄能器16的压力值低于设定值后，主控单元(图中没有给出)发出控制信号使储能方式选择阀23下位工作，使液压泵/马达19给负载蓄能器16供油。因此本实施例能很好的实现油电液混合对外输出能量，能与现有的混合动力工程机械进行良好的衔接。

本发明中提到的主控单元为两缸四冲程液压自由活塞发动机中常用的主控单元，由其控制整个系统的工作时序。

Claims (1)

1.一种基于电控压缩冲程的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、负载蓄能器和能量储存转换模块；

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、2/3换向阀、泵油单向阀和2/2换向阀；

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、动力活塞和泵活塞；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，配合所述泵活塞于所述液压缸体内依次形成平衡腔和液压泵腔；

所述第一组系统和第二组系统的动力活塞的端面在同一平面内，同时向上止点运动和向下止点运动；

所述平衡腔与所述2/3换向阀的入口相连通，所述液压泵腔分别与所述泵油单向阀的入口和所述2/2换向阀的入口相连通，所述2/3换向阀的第一出口与油箱相通，所述2/2换向阀的出口与油箱相通，所述2/3换向阀的第二出口分别与所述能量储存转换模块的入口和所述泵油单向阀的出口相连通，所述能量储存转换模块的出口分别与所述负载蓄能器和负载的输入口相连通，负载的出油口连接至油箱；

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；

所述能量储能转换模块包括储能方式选择阀、充电/放电选择阀、液压泵/马达、电动机/发电机、超级电容/蓄电池和电机控制器；所述储能方式选择阀的入口即为能量储存转换模块的入口，所述储能方式选择阀的第一出口分别与所述液压泵/马达的进油口和所述充电/放电选择阀的出口相通，所述储能方式选择阀的第二出口即为所述能量储存转换模块的出口，所述储能方式选择阀的第二出口分别与所述负载蓄能器和所述充电/放电选择阀的入口相通，所述液压泵/马达的出油口连接到油箱；所述液压泵/马达的输出轴与所述电动机/发电机的一输出轴连接；所述电动机/发电机由所述超级电容/蓄电池供电，所述电动机/发电机的运转情况由所述电机控制器控制；所述电动机/发电机的另一输出轴与所述第一组系统的齿轮或第二组系统的齿轮相连接，驱动齿轮或由齿轮带动发电。