CN1065124A - 数控液压传动自由活塞内燃机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

数控液压传动自由活塞内燃机及其控制方法，其 特点在于采用“机电液一体化”技术，实现了液压传动 自由活塞内燃机的计算机自动控制。本发明的内燃 机包括有自由活塞内燃液压泵、微计算机控制系统和 燃油喷射系统。由于采用微计算机闭环控制，本内燃 机具有效率高(总效率百分之五十五左右)；体积小 (升功率达480KW)；运行平稳；易操作；可变量；标 准化程度高等特点。这种内燃机可用于陆路运输、工 程机械，农用机械作为动力源。

Description

车辆的行走机构目前主要有机械驱动、液压驱动、电驱动和静动四种方式。

近年来静压驱动更多地得到应用，这是因为它具有以下优点：无级、灵敏的行驶;直接换向;操作简单;广泛的控制与调节方法;行驶自动化;液压马达和泵能灵活地安装;可有效地利用所提供的功率;能利用静压系统帮助制动;液压马达无超载等。

所谓自由活塞内燃机是指活塞借助于作用在活塞表面的压力所产生的力而运动。它没有曲柄连机构，这与传统的发动机不同。到现在为止，人们设想了各种形式的自由活塞内燃机。按照功率的传递结构可分为四种：1、机械式;2、电动式;3、气动式;4、液压式。在这四种形式中，液压传动自由活塞内燃机是最优越的：输出的扭矩和速度控制性能好;对自由活塞部件的操作非常容易，尤其对功率范围几十到几千千瓦的系统，液压式更为合适，因为可以采用现成的液压技术。液压传动自由活塞内燃机，与现有的静压驱动装置相比具有以下特点：

一、结构简单：液压传动自由活塞内燃机最简单直接地实现了由热能到液压能的转换。它没有普通静压驱动装置中从内燃机活塞到轴向液压泵柱塞之间的一系列传动机构，形成直接作用的活塞式内燃机，因而创造出最紧凑的液压动力泵，显着降低了静压驱动装置的成本及重量。

二、机体应力均匀：液压传动自由活塞内燃机的气缸及液压泵活塞副均无侧压力，应力分布均匀，比压（法向力×运动速度）小，机械效率高。因其合理的结构形式，可以承受较大的燃烧爆发压力（可达Pzmax＝30～40Mpa）;采用较大的压缩比（≥30）。因此具有很高的热效率及机械效率，其总效率可达40～50%。

三、可变压缩比：液压传动自由活塞内燃机，活塞的行程可以随着燃油喷入量而改变;因而液压泵的排量在一定范围内可以调节。因为具有可变的活塞行程，可以提高起动时的压缩比，可以在低温环境时也能保证良好的起动性能。液压传动自由活塞内燃机还可以燃用不同馏分的燃油，特别是可以燃用廉价的重质燃油。其原因是：用改变着火落后期的方法，自动调节压缩比及内止点位置。如果着火落后期大，则活塞行程及压缩比增大;空气的温度及压力升高，反而使着火落后期减小。

四、机构对称：液压传动自由活塞内燃机中，活塞两两对称，发动机重心始终处于静上状态，内力平衡，运行平稳，无振动。

五、自润滑：由于往复液压柱塞泵具有自润滑能力，从而省去了普通内燃机复杂的润滑系统。对气缸活塞部分只须将低压油路通到气缸壁的润滑油注油孔处，从而使气缸活塞副润滑。

但是，现有的液压传动自由活塞内燃机，在具有上述一系列优点的同时，也存在下列是难以解决的题：

一、当多个液压传动自由活塞内燃机共同工作时，很难使各组往复液压泵的工作过程均匀分配，液压泵输出的压力不均匀，脉动系数大。

二、由于液压传动自由活塞内燃机没有飞轮作为储能装置，必须用反弹气缸或液压储能器来储存能量。这时发动机的结构就复杂化，紧凑性也变差。如果住复液压泵是内藏到反弹气缸中时，还会对往复液压泵的散热造成困难。

三、液压传动自由活塞内燃机的同步装置，在采用连杆式和齿轮齿条式时，结构复杂紧凑性差;在采用阻尼同步阀时耗能高效率低;在采用同步油缸时另件形状复杂加工精度高。从而使体积增大，成本增加效率降低。

四、由于液压传动自由活塞内燃机的同步装置没有等速旋转的轴，故油泵把燃料正常地喷射到气缸中的过程遇到困难。发动机活塞对在内止点相互靠近时，它们的运动速度急剧下降，此时燃油泵柱塞的运动速度也降低，难以把燃料可靠而迅速地喷入气缸。

五、对于运行速度在20～30KM/h的农用机械或工程机械等低速车辆，由于其速度变化范围小，油液流量小，因而最适于采用“变量泵-定量马达”静压驱动方案。但现有的液压传动自由活塞内燃机只有定量（往复）液压泵（或只能在小范围内变量），这就限制了它的使用范围。

本发明的目的，就在于解决以上问题。

发明综述

为了解决现有液压传动自由活塞内燃机存在的以上问题，本发明采用“机电液一体化”技术。”实现了液压传动自由活塞内燃机的计算机自动控制。具体采取了下列措施：

一、在液压传动自由活塞内燃机上设置了一系列传感器：数字化活塞位移传感器;柱塞油缸液压传感器;燃烧室气体压力传感器。这些传感器构成了数控液压传动自由活塞内燃机最基本的数据采集系统。它们为数控液压传动自由活塞内燃机的起动程序控制，同步伺服控制，液压泵双向变量控制，电子喷油控制提供准确及时的数据。

二、设计了具有以插装阀、电控二位三通先导阀构成的双向可控液压桥式整流回路。该回路构成了数控液压传动自由活塞内燃机控制系统的执行机构。在电控先导阀的控制下，当插装阀成为阻尼阀时它对活塞产生瞬时阻尼同步控制;当插装阀自由导通时，回路短路，它对液压传动自由活塞内燃机产生恒输出功率控制;当控制逻辑取逆时，回路输出反向。当控制系统使输出功率为零时，回路输出为零，液压传动自由活塞内燃机处于“空转”状态。

三、设计了以控制微机为核心，具有子系统：油压检测电路、同步伺服电路、喷油控制电路、启动驱动电路及外设键盘、多功能显示器及电源组成的数控液压传动自由活塞内燃机电子自动控制系统。

四、设计了数控液压传动自由活塞内燃机自动控制系统的控制程序。程序主要执行输出功计算、有效功计算、循环频率平方计算及起动程序顺序控制，正反向逻辑控制等。

五、设计了由气缸内空气驱动的、由喷油控制电路控制的乳化型泵-喷油器。其喷油规律不受活塞运动规律的影向;喷油正常时准确、所设计的泵-喷油器具有以下特点：喷油持续期短，喷油压力高（≥100MPa），喷油初期缓慢，结束喷油迅速，没有二个喷射。所以燃油雾化好、燃烧完全，排气烟色好。

六、设计了在任何工况时，仅当气缸内空气、压力达到给定的最终压缩压力PC时，泵喷油器才向气缸内喷油的模式的电子喷油控制器。发动机在各种负荷条件下均达到允许最大总压缩比Eomax，使喷油系统实现了最低油耗控制。

七、使液压传动自由活塞内燃机的往复液压泵能够发展成变量的。满足了液压传动自由活塞内燃机在低速车辆上的使用要求。由于采用了恒功率的双曲线变流量规律，取得了液压传动自由活塞内燃机与负载之间的最佳匹配。

八、简化结构、方便加工，尽量减少外轮廊尺寸、体积和重量。并使之适合于生产的工艺系列化生产以降低成本和价格。

结构和工作过程

本发明的数控液压传动自由活塞内燃机主要由以下几个组成：

一、自由活塞内燃液压泵;二、微计算机控制系统;三、燃油喷射系统。

一、自由活塞内燃油液压泵：图1为自由活塞内燃液压泵的液压系统图。它具有内燃机缸体1，缸体1上具有上下两个气缸。对称于缸体1的中心线，上部气缸装有对置活塞2、2′;下部气缸装有对置活塞3、3′。对置活塞2、2′分别与柱塞油缸4、4′的柱塞33刚性联接;对置活塞3、3′分别与柱塞油缸5、5′的柱塞33刚性联接。柱塞油缸4和5用螺纹35固定在阀体13上;柱塞油缸4′和5′用螺纹35固定在阀体13′上。自由活塞内燃液压泵在工作时会产生高温，为了避免热量传入柱塞油缸4（4′）、5（5′），在缸体1上开有通风散热孔12，以使用进出的空气冷却柱塞油缸4（4′）、5（5′），在缸体1上开有进气孔8和排气孔8′（图1中上部气缸的进气孔8和8′被对置活塞2、2′遮挡）。进气孔8与进气道6相通，进气道6与涡轮增压器18的压气机相通。排气孔8′与排气道6′相通，排气道6′与涡轮增压器18的涡轮机相通。涡轮增压器18起扫气及增压作用。在缸体1的进气孔8和排气孔8′的外侧，沿气缸壁的园周上开有数个润滑油注油孔11。润滑油通过润滑油注油孔11进入气缸内壁，给对置活塞2、2′和对置活塞3、3′进行润滑。润滑油采用液压系统的液压油，利用油管将润滑油注油孔11和补油系统的低压油路接通。在缸体1的进气通道6和排气道6′之间，还具有冷却水腔9，它与冷却系统相接。当然，在缸体1的中心线处，燃烧室7和燃烧室7′的气缸壁上分别设有电控泵-喷油器10和电控泵喷油器10′。在缸体1的进气道6和排气道6′的外侧，对应于对置活塞2、2′和对置活塞3、3′，装有活塞位移传感头14、14′和活塞位移传感头15，15′。同时，在缸体1的中心线平面内，燃烧室7和燃烧室7′的气缸壁上分别设有气压传感器52和气压传感器52′。气压传感器52测量燃烧室7内气体压力;气压传感器52′测量燃烧室7′内气体压力（图1中未示出）。上气缸的柱塞油缸4、4′装有液压传感器46;下气缸的柱塞油缸5、5′装有液压传感器46′（图1中未示出）。在自由活塞内燃压泵的液压系统中，还包括起动电机19，起动油泵20，起为控制阀21组成的起动回路，其油路分别与阀体13和阀体13′的启动供油口OP、OP′相通。同时，涡轮增压器18还装有起动电机16和离合器17，起动电机16在自由活塞内燃液压泵起动时驱动涡轮增压器18扫气之用;离合器17则在自由活塞内内燃液压泵起动之后，使涡轮冲压器18与起动电机16分离，以减少涡轮冲压器18的转动惯量。

图2为阀体13和阀体13′内双向可控液压桥式整流回路，柱塞油缸4、4′的油分别与阀体13、13′的液压输入口LI相通，柱塞油缸5、5′的油口分别与阀体13、13′的液压输入口LI′相通。双向可控液压桥式整流回路的控制原理与双向可控硅组成的桥式整流回路相比拟，电控先导阀24、24′分别控制插装阀22、22′;电控先导阀25、25′分别控制插装阀23、23′。

如图3所示，插装阀具有进油口I，出油口O，及控制油口K。插装阀的控制机能如图3a和3b所示。当控制口K与出油口O相通时，其作用如同一个普通单向阀，其等效图如图3a。当控制口K与进油口I相通时，此时插装阀反向导通，其作用如同一个反接的单向阀，其等效图如图3b。阀体13、（13′）中双向可控液压桥式整流回路的工作过程，可分为五种方式：1、正向导通;2、反向输出;3、短路;4、断路;5、阻尼。

1、正向输出：电控先导阀24（24′）、25（25′）均未通电，双向可控液压桥式整流回路为正向输出，即液压输出口LO出油，液压输出口LO′进油。此时回路的等效图如图3c所示，实箭头为燃烧室7内对置活塞2（2′）外行程膨胀做功;燃烧室7′内对置活塞3（3′）内行程压缩时的油液路径，虚箭头线为燃烧室7内对置外行程压缩;燃烧室7′内对置活塞3（3′）外行程膨胀作功时的油液路径（以下均同此）。图中RL为负载。

2、反向输出：电控先导阀24（24′），25（25′）均通电，双向可控液压桥式回路为反向输出，即液压输出口LO′出油，液压输出口LO进油。此时回路的等效图如图3d所示。

3、短路：

（1）正向输出情况下，当燃烧室7′膨胀做功，燃烧室7′压缩时，此时先导阀25′通电，插装阀23′正向导通，油压从液压输入口LI′经插装阀23′，22′直接流向液压输入口LI而短路，其等效图如图3e所示;当燃烧室7膨胀做功，燃烧室7′压缩时，此时先导阀24′通电，插装阀22′正向导通，油液从液压输入口LI经插装阀22′、23′直接流向液压输入口LI′而短路，其等效图如图3f所示。

（2）反向输出情况下，当燃烧室7膨胀做功燃烧室7′压缩时，此时先导阀25′断电。插装阀23′反向导通，油液从液压输入口LI经插装阀22′、23′直接流向液压输入口LI′而短路、其等效图如图4g所示;当燃烧室7′膨胀做功燃烧室7压缩时，此时先导阀24′断电，插装阀22′反向导通，油液从液压输入口LI′经插装阀23′，22′直接流向液压输入口LI而短路，其等效图如图4h所示。

4、断路：当先导阀24、25通电，先导阀24′、25′断电时，插装阀22、23反向导通，插装阀22′、23′正向导通，此时回路处于断路状态。其等效图如图4i所示。

5、阻尼：图4k为正向输出时阀体13与阀体13′回路等效图。在燃烧室7膨胀做功，燃烧室7′压缩时，阀体13中的电控先导阀24通电，插装阀22反向导通，从而使阀体13中的回路断路迫使活塞2和活塞3静止，此时相当于对活塞2和活塞3施加了阻尼;其等效图如图4j所示。对于其它行程及输出时施加阻尼的情况，可根据以上原理类推。

图4为自由活塞内燃液压泵的细部构造。为了防止燃烧室7向柱塞油缸传热，活塞2′具有带气隙28的陶磁或不锈钢活塞顶27。缸体1可以是整体浇铸的，也可以是缸体1内装入气体缸套1′的分离形式，其间用密封圈32保持冷却水腔9的密封。活塞2′镶有活塞环29，并且还具有作为活塞位移标尺的活塞裙30。缸体1与阀体13′之间采用螺栓拉杆31联接，并且用螺母36紧固。柱塞油缸2′包括有柱塞33和油缸34，油缸34用螺纹35固定在阀体13′上。

位移传感头14′及与其相对应的作为活塞位移检测标尺的活塞裙30构成了本发明的活塞位移传感器。如图8b所示，活塞裙30开有等间隔环槽，当活塞为钢、铁等铁磁性物质时，环形槽内铸满非铁磁金属如铜合金、铝合金;当活塞裙30为铝合金等非铁磁金属时，环形槽内镶入铁磁性金属如钢、铁等。

图6b是活塞位移传感器的工作原理图。图中S为霍尔传感器，它是利用半导体的霍尔效应制成的集成电路，当霍尔传感器S与活塞裙距离小于0.4mm时，它可做为开关信号源。当铁磁金属矩形齿接近霍尔传感器S时，其输出电压Vo跃变等于输入电压;并保持到活塞裙移至矩形齿未端为止;在铜质镶嵌料接近霍尔传感器S时，输出电压Vo跃变等于0;并保持到活塞裙移至下一个矩形齿前端，继续重复上述变化过程。由图6b可见输出波形与活塞裙环槽形齿一一对应。

图6b所示装置不能辨别活塞裙移动方向。为此设计了如图7a所示采用两个霍尔传感器S1，S2组合的检测装置。按图7a排列的霍尔传感器可以得到相位差为90的两列脉冲信号。当活塞裙30自右向左移动时，由霍尔传感器S1输出的信号比霍尔传感器S2输出的信号超前90。据此用相应的相位比较电路可以把活塞裙30两个不同位移方向区分开来。图7a霍尔传感器的巧妙排列不仅区别出活塞裙移动方向，还为脉冲信号倍频提供了条件。对应于一个波长P，每只传感器输出信号相位差90时，选用如图7b所示与非门65阵列电路，对应每一个波长P可由X得到两个方波信号即二倍频。因此对应每个波长P实际得到四条线段组成的两个方波信号。

同样，若在传感器系统中采用N个霍尔传感器并按适当方式排列，即可得到N倍频信号，而N倍频信号可能分辨活塞位移的最小距离△＝P/2N。N个霍尔位移传感器可沿活塞裙园柱方齿左侧定位。第一个霍尔传感器与方齿的左侧对齐，其余霍尔传感器在长为P/2的齿顶上成等距△＝P/2N分布。当活塞裙自右向左移动时，第N个霍尔传感器输出信号比第（N-1）个霍尔传感器输出信号超前相位180/N;当活塞裙自左向右移动时，第N个霍尔传感器输出信号比第（N-1）个霍尔传感器输出信号滞后相位180°/N。这样既可区分移动方向，又可使单个霍尔传感器输出的脉冲信号N倍频，提高传感系统的分辨能力。

图6a为根据以上原理设计的位移传感头14、14′、15、15′内有相位比较电路63与倍频器64，霍尔集成块S1～SN输出的脉冲信号经相位比较电路63比较后输出活塞位移方向信号N;经倍频器64倍频后输出信频信号X。本发明的位移传感头，根据需要可设置2～4个霍尔集成块。如图5所示位移传感头14′与带有环槽的活塞裙30构成了本发明的活塞位移传感器。

二、微计算机控制系统：如图8所示，它包括有控制微机37、柱塞油缸液压检测系统38，活塞位移同步伺服系统39，电子喷油控制系统40、键盘41、启动驱动系统42，恒功率驱动系统43、电源44、多功能显示器45。

图9为微机控制系统的具体结构。柱塞油缸液压检测系统38由液压传感器46、46′，比较电路47，模数转换器48组成。活塞位移同步伺服系统39由位移传感头14、14′、15、15′，计数器49，比较电路50，控制逻辑51、电控先导阀24、25组成。电子喷油控制系统40由气压传感器52、52′、比较电路53、或门电路55、频率计56、喷油驱动电路54、电控泵-喷油器10、10′，脉宽调速器57，电动输油泵58组成。启动驱动系统42由启动驱动电路59，起动电机19、16，起动控制阀21组成。恒功率驱动系统43由恒功率驱动电路60，电控先导阀24′，25′组成。

数控液压传动自由活塞内燃机微计算机控制系统的控制方法：

a、液压检测系统38的控制方法，液压传感器46测得柱塞油缸4、4′油压;液压传感器46′测得柱塞油缸5，5′油压，送入比较电路47形成柱塞油缸4、4′与柱塞油缸5、5′之间的油压差，送入模数转换器48形成并行数字信号，送入控制微机37用于有效功计算;

b、同步伺服系统39的控制方法，位移传感头14、14′、15、15′分别测出活塞2、2′、3、3′的位移串行信号X及方向信号N，送入计数器49形成活塞2、2′、3、3′的位移并行信号，其中一路还送入控制微机37用于有效功计算;该并行信号送入比较电路50形成活塞4与活塞4′，活塞5与活塞5′的位移误差信号，送入控制逻辑51;控制逻辑51同时受控制微机37方向控制信号F的控制，逻辑关系为：

其中：

P（2）、P（3）、P（2’）、P（3’）-为位移误差信号，当活塞2超前活塞2′时，P（2）＝1，P（2’）＝0;P（2’），P（3’）同理;

P（13，24）、P（13，25）、P（13’，24）、P（13’，25）-为阀体13，13’的电控先导阀24，25的控制信号，阻尼时为1，非阻尼时为0;

c、电子喷油控制系统40的控制方法，气压传感器52测得燃烧室7内气体压力，气压传感器52’测得燃烧7′内气体压力，送入比较电路53与控制微机37的基准线K相比较，基准线的电压值VO相当于设定的最终压缩压力Pc，当燃烧室7（或7′）内气压达到Pc时，比较电路53向喷油驱动电路54发出触发信号，经喷油驱动电路54功率放大后驱动电控泵-喷油器10（或10′）;另外该触发信号经过或门电路55送到频率计56，频率计56测得内燃机循环频率F后送入控制微机37，起动初速时频率F较低，小于怠速频率Fo，控制微机37自动取F＝Fo;控制微机37计算电动输油泵58转速控制信号：

N＝K·F·F

该信号送入脉宽调速器57驱动电动输油泵58，其中系数K由加速踏板传感器控制;N为电动输油泵的转速;

d、启动驱动系统42的控制方法，键盘41向控制微机37输入起动命令，起动程序起动，起动控制信号按程序触发起动驱动电路59，从而推动起动控制阀21、起动电机16、起动电机19，其起动顺序为：

（1）控制微机37向控制逻辑51发出控制信号，控制逻辑51向阀体13和阀体13′的电控先导阀24、25发出信号使其插装阀22、23关闭，双向可控液压桥式整流回路此时断路;

（2）控制微机37向起动驱动电路59发出控制信号使起动驱动电路59推动电控起动阀21开启;

（3）控制微机37向启动驱动电路59发出控制信号使起动驱动电路59推动起动电机19正转，起动油泵20从柱塞油缸5、5′吸油，向柱塞油缸4、4′泵油，从而使活塞2、2′位于内止点，活塞3、3′位于外止点，计数器49归零;

（4）离合器17吸合，控制微机37向启动驱动电路59发出控制信号使启动驱动电路59推动涡轮增压器18的起动电机16，涡轮增压器18对燃烧室7′扫气;

（5）控制微机37向启动驱动电路59发出控制信号使起动驱动电路59推动起动电机19反转，起动油泵20从柱塞油缸4、4′吸油，向柱塞油缸5、5′泵油，从而使活塞2、2′向外止点运动，燃烧室7扫气;使活塞3、3′向内止点运动，燃烧室7压缩行程，当燃烧室7′内气体压力达到Pc时，电子喷油控制系统40推动电控泵-喷油器10′喷油，此时内燃机已经起动，微机37以电子喷油控制系统40收到循环频率F＞0的信号，启动驱动系统42退出工作，离合器17分离，起动电机16及起动电机19断电，起动控制阀21复位;

（6）控制微机37向控制逻辑51发出信号，控制逻辑51向阀体13和阀体13′的电控先导阀24、25断电使其复位，从而使插装阀22、23复位，双向可控液压桥式整流回路导通，同步伺服系统39进行正常工作状态;

e、恒功率驱动系统43的控制方法，控制微机37根据电子喷油控制系统40电控泵-喷油器10（或10′）每一冲程的喷油量Ve求出每一冲程的有效功：

W＝Ve (P·z)/(b)

式中：

Ve-喷油量

P-燃油比重

b-比油耗

Z-气缸数，为Z＝2

控制微机37根据液压检测系统38提供的柱塞油缸4、4′与柱塞油缸5、5′之间的瞬时油压差△P（t），由同步伺服系统39提供活塞瞬时位移值S（t），求出数控液压传动自由活塞燃机92每一时刻发出的有效功：

W(t)=∫△P(t)dv

= (πd²)/4 ∫△P(t)·ds(t)

式中：d-柱塞油缸内径

△P（t）-油压差

S（t）-位移值

当W（t）≥W时，控制微机37向恒功率驱动电路60发出触发信号，该触发信号经恒功率驱动电路60放大后驱动电控先导阀24′，25′;触信号为：

式中：

P（4，4′），P（5，5′）-

行程信号;当活塞4、4′为作功行程、活塞5，5’为压缩行程时，P（4，4′）＝1，P（5，5′）＝0;反之，当活塞4，4′为压缩行程，活塞5，5′为作功行程时，P（4，4′）＝0，P（5，5′）＝1;

F-方向信号，当正向输出时为1，反向时对行程信号P（4，4′），P（5，5′）取逆;

P（24′），P（25′）-电控先导阀24′，25′驱动触发信号，当数控液压传动自由活塞内燃机处于怠速运行及起动状态时恒为1。

f、控制微机37的控制方法，其程序粗框图为：

（1）运行起动程序，启动驱动系统42工作;

（2）起动程序完成，启动驱动系统42退出工作

（3）根据电子喷油控制系统40提供的循环频率F及加速踏板传感器61提供的供油系数K求出电动输油泵58的转速控制信号：

成压比，即：

Q＝K.SQR（P）

式中：Q-燃油流量;

K-流量系数;

P-计量孔前后压力差;

SQR-平方根函数。

电控泵-喷油器10（10′）计量孔76的开关启时间（即计量时间）随数控液压传动自由活塞内燃机循环频率F改变而改变，循环频率升高，进油时间缩短，喷油量减少。为了使得加速踏板传感器61位置一定时，不同循环频率下的喷的量VE不变，可提高电控泵-喷油器10（10′）的供油压力，使供油压力与循环频率的平方成正比;这就要求控制微机37输出的电动输油泵转速控制信号与循环频率的平方成正比：

n＝K·F·F

式中：K-比列系数，由加速踏板控制;

F-循环频率;

n-电动输油泵的转速（或频率），

电动输油泵58采用定量泵，且其转速与循环频率的平方成正比，这样就可使电动输油泵58对电控泵-喷油器10（10′）的供油压力与循环频率F的平方成正比。电动输油泵58可以采用齿轮输油泵，叶片输油泵或活塞式输油泵;相应的电动机可以采用旋转或往复式并激直流电机。在这些结构中，采用往复式电磁钢球泵最为简单可靠。

电控泵-喷油器10（10′）实际上为一个由电子喷油控制系统40

N＝K·F·F，

由转速N求出喷油量VE＝K;

（4）根据喷油量VE求出求有效功W;

（5）根据液压检测系统38提供的油压差△P（t）及同步伺服系统39提供的活塞行程S（t），计算已做功W（t），当W（t）≥W向恒功率驱动系统43发出触发信号;

（6）根据健键盘输入的方向控制信号对控制逻辑51进行控制，对恒功率触发信号进行逻辑运算;

（7）返回（3）;

三、燃油喷射系统：如图11所示，它包括有电子喷油控制系统40，燃油箱89，电动输油泵58，燃油蓄压器90，燃油过虑器91，电控泵-喷油器10（10′）、气压传感器52（52′）等。

电子喷油控制系统40具体如图9所示，它包括有气压传感器52（52′），比较电路53，或门电路55，频率计56，喷油驱动电路54，电控泵-喷油器10（10′），脉宽调速器57，电动输油泵58。

电控泵-喷油器10（10′）的具体结构如图10所示，它主要由电控溢流阀及泵喷油器两部分组成。电控溢流阀包括有电磁铁66，阀针67，泄油口68，阀孔69，回油口70，阀体71，带有阻尼孔83的阀芯86，弹簧87，弹簧档圈88。泵喷油器包括有固定柱塞72，弹簧挡圈79，空心柱塞80，泵体81，单向球阀84，进油口85。固定柱塞72及泵体81均由联接螺纹固定到阀体71上。泵体81中装有空心柱塞80，固定柱塞72插到空心柱塞80的泵油腔77中。空心柱塞80留有计量孔76及喷油孔78，泵体81的端部开有槽，槽中镶有弹簧挡圈79将空心柱塞80止挡。阀体71上留有进油口85，进油口85处装有单向球阀84。

如图1所示，电控泵-喷油器10（10′）直接安装在气缸体上，由压缩行程时气缸内空气驱动。计量孔76是用来控制燃油流量的。计量孔76为薄壁孔，通过计量孔76的流量与其前后压力差的平方根控制的，由气缸内压缩行程时空气驱动乳化型P-T喷油器。其工作过程由下述四个部分组成：

1、计量：自由活塞内燃液压泵换气行程及以后的压缩行程开始后不久，这时阀针67落下将阀孔69关阀，阀芯86由于阻尼孔83的连通作用其前后压力相等，阀芯86在弹簧87的作用下将电磁溢流关闭。与此同时，燃油箱89中的燃油经电动输油泵58升压后通向燃油蓄压器90经过过滤器91过滤后进入电控泵-喷油器10（10′）的进油口85。燃油从进油口85推开单向球阀84，通过油道82及油道73进入供油腔74中，升压后的燃油推动空心柱塞80向下，计量孔76打开，燃油经计量孔76进入泵油腔77，经过计量时间T后，泵油腔77内注满了体积为VE的燃油。压缩过程进行到一定程度后，这时因燃烧室7（7′）内的空气被压缩，空气压力升高，当压力大于输油泵58输出的燃油压力时，供油腔74内燃油因气缸燃烧室7（7′）内空气压迫空心柱塞80而压力上升，单向球阀84截止。同时空心柱塞80向上移动关闭计量孔76，计量过程结束。

2、乳化：压缩行程继续进行，燃烧室7（7′）内气体压力及供油腔74、泵油腔77内压力继续上升。电控溢流阀及单向球阀84截止，空心柱塞80静止不动，这时燃烧室7（7′）内的压缩空气有一部分经过喷油孔78进入泵油腔77。由于压缩空气的作用，泵油腔77内燃油与空气充分混合，最后形成气油相乳化状燃油。

3、喷射：正当乳化过程仍然在进行时，气压传感器52（52′）测量燃烧室7（7′）内气体压力，并将该数据传输到电子喷油控制系统40中。气压传感器52（52′）的压力信号送入比较电路53与控制微机37的基准线K相比较，基准线的电平VO相当于设定的最终压缩压力Pc。当燃烧室7（7′）内气体压力达到Pc时，比较电路53向喷油驱动电路54发出触发信号，经喷油驱动电路54功率放大后驱动电控泵-喷油器10（10′）的电磁铁66，阀针67抬起，阀芯86背面的燃油经泄油口68排回燃油箱89。由于阻尼孔83的阻尼作用阀芯86背面的压力降低供油腔74内的燃油因燃烧室7（7′）内的气体压迫空心柱塞80，通过油道73及油道82推开阀芯86经回油口70排回燃油箱89，电控溢流阀溢流。这时供油腔74内压力降到了电动输油泵58的供油压力。由于空心柱塞80的增压作用，从而泵油腔77内的燃油压力也大于燃烧室7（7′）内的空气压力，最后乳化燃烧油喷入燃烧室7（7′），经过着火落后期，燃烧混合物自燃。直到固定柱塞72占据了整个泵油腔77，喷油过程结束。

4、回油：电控溢流阀仍导通，输油泵58供给的燃烧油通过油口85推开单向球阀84，经过电控溢流阀从回油口70排回燃油箱89，直到燃烧室7（7′）内的膨涨气体压力降到Pc时，电子喷油控制系统40对电控泵-喷油器10（10′）的电磁铁66断电，电控溢流阀关闭，开始重复计量过程。

另外比较电路53发出的触发信号经过或门电路55送到频率计56，频率计56测得循环频率F后送到控制微机37。起动初速时频率F较低，小于怠速频率Fo，控制微机37自动取F＝Fo。控制微机37计算电动输油泵58转速控制信号：

n＝K.F.F

式中：

K-系数，由加速踏板控制;

F-循环频率;

n-电动输油泵58转速。

以此控制电动输油泵58的供油压力。

火花点火式数控液压传动自由活塞内燃机的燃油喷射系统为燃油在压缩完成前喷入工作燃烧室空气中的电子控制汽油喷射系统。其特点是电动输油泵供油压力恒定，喷油阀的喷油量与驱动脉冲宽度（即喷油阀开启时间）成正比，即：

VE＝K.B

式中：

VE-喷油量;

K-比列系数，由喷油阀控制;

B-脉冲宽度，由加速踏板传感器控制。

电子控制油喷射系统的工作过程为：换气完成后，喷油阀根据加速踏板传感器的位置控制脉宽调制器的脉冲进行计量及喷射，与此同时气压传感器测量燃烧室内空气压力并送入比较电路进行比较，当气体压力达到设定值Pc时比较电路触发火花塞驱动电路，进而火花塞点火，混合气燃烧。

本发明的主要特征

一、具有很高的效率。静压驱动装置能否在各种车辆上广泛使用，最关键的问题在于其效率能否满足要求。在本发明中由于往复液压柱塞泵采用了同步伺服系统，没有反弹气缸（或液压蓄能器），总压缩比可达40;最大燃烧爆发压力达Pz＝30～40MPa;由于电控泵喷油器极高的喷油压力（≥100MPa），燃油雾化好，燃烧完全，所以本发明的数控液压传动自由活塞内燃机有很高的热效率，指示热效率在70%以上。

在本发明中，由于内燃机活塞副及柱塞油缸柱塞副均无压力;同步伺服系统仅采用瞬时阻尼，节流损失小;内燃机活塞采用压力润滑。所以本发明的数控液压传动自由活塞内燃机具有较高的机械效率，机械效率可达95%以上。

因此，本发明的数控液压传动自由活塞内燃机具有很高的效率，总效率达45%～55%。

二、具有很高的能量密度。本发明的数控液压传动自由活塞内燃机单位气缸容积功率达到了480KW/升，高出现有曲柄连杆式内燃机一个数量级。

本发明的数控液压传动自由活塞内燃机配有定压燃烧燃油喷射系统。这种燃油喷射系统的特点是：仅当燃烧室内的空气被压缩到给定的最终压缩压力Pc时，喷射系统才向燃烧室喷油，其喷油正时不受活塞行程控制，于是有最终压缩压力Pc＝常数。标准海平面大气压力为Pa＝0.1MPa，空气绝缘比热比K＝1.35。热力循环的压力升高比变化范围很小，故可以认为它是常数，取入＝2.0;因此，总压缩比E0＝E1·E2＝Pε/Pa及燃烧爆发压力Pz成为常量，它们在各种工况不变。因此本发明的数控液压传动自由活塞内燃机往复热机部分和涡轮增压器部分达到最佳匹配，充分地利用了气缸容积和机体的机械强度。经计处表明，在全负荷时当取热效率ηt＝0.65，活塞部分压缩比E2＝8，涡轮增压器的增压比πk＝6，压力升高比λ＝2.0，膨胀比ρ＝1.5，绝热比K＝1.35时，平均有效压力

P= (E₂ ^Kπ_Kρ_αηt)/((E₂-1)(K-1)) 〔λ-1+Kλ(ρ-1)〕

= (8^1.35×6×0.1×0.65)/((8-1)×(1.35-1)) 〔2.0-1+1.35×2.0(1.5-1)〕

 =6.0MPa=60bar

当取循环频率n＝4800次/mm时，单位升功率：

PH＝4800×60/600＝480KW/升

而此时的燃烧爆发压力Pz＝λPc＝20MP_α，在允许范围之内。

三、可以使两组自由活塞内燃液压泵协条工作，液压脉冲系数小，由于采用精确的同步伺服系统，可使两组自由活塞内燃液压泵协同工作，使液压输出均匀分配，减小了脉冲动系数，满足了大功率多缸自由活塞内燃机的使用要求。

四、本发明的数控液压传动自由活塞内燃机由于省去了反弹气缸，并且由双向液压桥式整流回路的阀组13（13′）兼做自由活塞内燃液压泵的端盖，机体的空间利用率高，可以方便灵活地安装在各种工作场合。

五、结构简单，所有液压无件均可采用现成的标准无件，电子控制系统均可采用现有的各种通用集成电路。插装阀、电控先导阀均可采用专业厂生产的定型产品;柱塞油缸可采用现有柱塞泵的柱塞油缸副定型产品。自由活塞内燃液压泵只有活塞和缸体需要定型加工，因此生产成本低，性能价格比较好。

实施例

图10为本发明的一个实施例，是一个车辆的静压驱动装置。在该闭路形式中，静压驱动装置由一个数控液压传动自由活塞内燃机92，两个车轮马达94（94′）组成。数控液压传动自由活塞内燃机92与车轮马达94（94′）之间用管或软管联接。两位四通阀97为刹车阀，当踩下两位四通阀97时，车轮马达94（94′）变为液压泵，将刹车时的能量转换为液压能贮存到液压储能器95中，到下次起步时与数控液压传动自由活塞内燃机92共同驱动车轮马达94（94′）。液压蓄能器95平时做为缓冲蓄能器吸收数控液压传动自由活塞由燃机92的脉冲液压能，以减少脉动系数。在微计算机系统的控制下，数控液压传动自由活塞内燃机可双向输出液压油，以驱动双向液压马达94（94′）使车辆前进或到退。由液压油油箱26、滤油器98、补油泵99、补油泵电动机100，单向阀93、93′组成补油回路，以补偿漏油损失。数控液压传动自由活塞内燃机92可以从零到在最大驱动速度下的最大输油量连续地调整，液压马达94（94′）的输出转速就可以无级地变化。该装置适于用于低速车辆。

液压马达94（94′）的输出扭矩主要决定于其排量，如需要提高静压驱动装置的转速范围，也就是最大转速，液压马达94（94′）可用变量马达。当数控液压传动自由活塞内燃机92在最大排量时，液压马达94（94′）可以通过使用它的调节装置来减少排量。由于本发明的数控液压传动自由活塞内燃机92具有恒功率输出特征，故该驱动装置的车辆具有光滑的双曲线力矩速度特征。

附图标记对照表

1、-缸体  1′-气缸套

2、2′-活塞  3、3′-活塞

4、4′-柱塞油缸  5、5′-柱塞油缸

6、-进气道  6′-排气道

7、7′-燃烧室  8-进气孔

8′-排气孔  9-冷却水腔

10、10′-电控泵-喷油器  11-润滑油注油孔

12-冷却通风孔  13、13′-阀体

14、14′-位移传感头  15、15′-位移传感头

16-起动电机  17-离合器

18-涡轮增压器  19-起动电机

20-起动油泵  21-起动控制阀

22、22′-插装阀  23、23′-插装阀

24、24′-电控先导阀  25、25′-电控先导阀

26-液压油油箱  27-活塞顶

28-气隙  29-活塞环

30-活塞裙  31-螺栓拉杆

32-密封圈  33-柱塞

34-油缸  35-螺纹

36-螺母  37-控制微机

38-液压检测系统  39-同步伺服系统

40-电子喷油控制系统  41-键盘

42-启动驱动系统  43-恒功率驱动系统

44-电源  45-多功能显示器

46、46′-液压传感器  47-比较电路

48-模数转换器  49-计数器

50-比较电路  51-控制逻辑

52、52′-气压传感器  53-比较电路

54-喷油驱动电路  55-或门电路

56-频率计  57-脉宽调速器

58-电动输油泵  59-启动驱动电路

60-恒功率驱动电路  61-加速踏板传感器

62-导磁物质  63-相位比较电路

64-倍频器  65-与非门

66-电磁铁  67-阀针

68-泄油口  69-阀孔

70-回油口  71-阀体

72-固定柱塞  73-油道

74-供油腔  75-空腔

76-计量孔  77-泵油腔

78-喷油孔  79-弹簧档圈

80-空心柱塞  81-泵体

82-油道  83-阻尼孔

84-单向球阀  85-进油口

86-阀芯  87-弹簧

88-弹簧档圈  89-燃油箱

90-燃油蓄压器  91-过滤器

92-数控液压传动自由活塞内燃机

93、93′-单向阀  94、94′-液压马达

95-液压蓄能器  96-梭形阀

97-二位四通阀  98-滤油器

99-补油泵  100-电动机

LI、LI′-液压输入口  LO、LO′-液压输出口

OP、OP′-启动供油口  S、S1、S2-霍尔集成块

VO-输出电压  P-波长

K-控制线、控制口  X-倍频输出

LE-向左移动  RI-向右移动

F-方向控制信号  I-进油口

O-出油口

Claims (7)

1、数控液压传动自由活塞内燃机，包括有缸体1、活塞2、2’，3、3′，柱塞油缸4、4′，5、5′，涡轮增压器18，起动电机16，离合器17，起动控制阀21，起动油泵20，起动电机19，

其特征在于：

a、具有数字式活塞位移传感器；柱塞油缸液压传感器46、46′；气缸气压传感器52，52′；

b、具有以插装阀22、22′，23、23′，电控先导阀24、24′，25、25′构成的双向可控液压桥式整流回路，该回路拥有一个共同的阀体13、13′，阀体固定在缸体1上，它同时作为缸体的端盖，柱塞油缸4、5固定在阀体13上，柱塞油缸4′、5′固定在阀体13′上，其油口分别与各自的双向可控压式整流回路的输入端LI，LI′相通；

c、具有以子系统：柱塞油缸液压检测系统38、活塞位移同步伺服系统39，电子喷油控制系统40、键盘41，启动驱动系统42，恒功率驱动系统43、电源44、多功能显示器45及控制微机37组成的微计算机控制系统。

2、根据权力要求1所述的数控液压传动自由活塞内燃机，其特征在于：数字式活塞位移传感器，相应于活塞2、2′，3、3′在缸体1上装有位移传感头14、14’，15、15’在活塞2、2′，3’、3’的裙部30开有作为活塞位移检测标尺的等间隔环槽，槽内装有与活塞裙30导磁性相异的异性磁物质;位移传感头内置若干个霍尔集成块S1～SN，第一个霍尔集成块S1与方齿右侧对齐，其余各集成块在长为P/2的齿顶上成等距P/2N分布，其中P为等间隔环槽齿的波长;位移传感头14、14′、15、15′内具有相位比较电路63与倍频器64，霍尔集成块S1～SN输出的脉冲信号经相位比较电路63后输出活塞位移方向信号N;经倍频器64后输出倍频信号X。

3、根据权力要求1所述的数控液压传动自由活塞内燃机，其特征在于：双向可控液压桥式整流回路回中，插装阀22、23及电控先导阀24、25可由电控单向阻尼阀代替;插装阀22′、23′及电控先导阀24′、25′可由电控单向阀代替。

4、根据权力要求1所述的数控液压传动自由活塞内燃机，其特征在于：柱塞油缸液压检测系统38由液压传感器46、46′，比较电路47，模数转换器48组成;活塞位移同步伺服系统39由位移传感头14、14′、15、15′，计数器49，比较电路50，控制逻辑51，电控先导阀24、25组成;电子喷油控制系统40由气压传感器52、52′，比较电路53，或门电路55，频率计56，喷油驱动电路54，电控泵一喷油器10、10′，脉宽调速器57，电动输油泵58组成;启动驱动系统42由启动驱动电路59，起动电机19、16，起动控制阀21组成;恒功率驱动系统43由恒功率驱动电路60，电控先导阀24′，25′组成。

5、根据权力要求1及4所述的数控液压传动自由活塞内燃机，其特征在于：电控泵-喷油器10、10′具有空心柱塞80，泵油腔77内插入固定柱塞72，空心柱塞80留有计量孔76及喷油孔78，泄油口68处具有电控溢流阀，进油口65处装有单向球阀84。

6、根据权力要求1及4所述的数控液压传动自由活塞内燃机，其特征在于：可以是燃油在气体完成压缩前喷射到工作缸进气中的火花点火内燃机，其相应的燃油系统为电子控制汽油喷射系统。

7、数控液压传动自由活塞内燃机控制方法，其特征在于：

a、液压检测系统38的控制方法，液压传感器46测得柱塞油缸4、4′油压;液压传感器46′测得柱塞油缸5、5′油压，送入比较电路47形成柱塞油缸4、4′与柱塞油缸5、5′之间的油压差，送入模数转换器48形成并行数字信号，送入控制微机37用于有效功计算;

b、同步伺服系统39的控制方法，位移传感头14、14′、15、15′分别测出活塞2、2′、3、3′的位移串行信号X及方向信号N，送入计数器49形成活塞2、2′、3、3′的位移并行信号，其中一路还送入控制微机37用于有效功计算;该并行信号送入比较电路50形成活塞4与活塞4′，活塞5与活塞5′的位移误差信号，送入控制逻辑51;控制逻辑51同时受控制微机37方向控制信号F的控制，逻辑关系为：

其中：

P（2）、P（3）、P（2’）、P（3’）-为位移误差信号，当活塞2超前活塞2′时，P（2）＝1，P（2’）＝0;P（2′），P（3’）同理;

P（13，24）、P（13，25）、P（13’，24）、P（13’，25）-为阀体13，13’的电控先导阀24，25的控制信号，阻尼时为1，非阻尼时为0;

c、电子喷油控制系统40的控制方法，气压传感器52测得燃烧室7内气体压力，气压传感器52测得燃烧7′内气体压力，送入比较电路53与控制微机37的基准线K相比较，基准线的电压值V0相当于设定的最终压缩压力Pc，当燃烧室7（或7′）内气压达到Pc时，比较电路53向喷油驱动电路54发出触发信号，经喷油驱动电路54功率放大后驱动电控泵-喷油器10（或10′）;另外该触发信号经过或门电路55送到频率计56，频率计56测得内燃机循环频率F后送入控制微机37，起动初速时频率F较低，小于怠速频率Fo，控制微机37自动取F＝Fo，控制微机37计算电动输油泵58转速控制信号：

N＝K·F·F

该信号送入脉宽调速器57驱动电动输油泵58，其中系数K由加速踏板传感器控制;N为电动输油泵的转速;

d、启动驱动系统42的控制方法，键盘41向控制微机37输入起动命令，起动程序起动，起动控制信号按程序触发起动驱动电路59，从而推动起动控制阀21、起动电机16、起动电机19，其起动顺序为：

（1）控制微机37向控制逻辑51发出控制信号，控制逻辑51向阀体13和阀体13′的电控先导阀24、25发出信号使其插装阀22、23关闭，双向可控液压桥式整流回路此时断路;

（2）控制微机37向起动驱动电路59发出控制信号使起动驱动电路59推动电控起动阀21开启;

（3）控制微机37向启动驱动电路59发出控制信号使起动驱动电路59推动起动电机19正转，起动油泵20从柱塞油缸5、5′吸油，向柱塞油缸4、4′泵油，从而使活塞2、2′位于内止点，活塞3、3′位于外止点，计数器49归零;

（4）离合器17吸合，控制微机37向启动驱动电路59发出控制信号使启动驱动电路59推动涡轮增压器18的起动电机16，涡轮增压器18对燃烧室7′扫气;

（5）控制微机37向启动驱动电路59发出控制信号使起动驱动电路59推动起动电机19反转，起动油泵20从柱塞油缸4、4′吸油，向柱塞油缸5、5′泵油，从而使活塞2、2′向外止点运动，燃烧室7扫气;使活塞3、3′向内止点运动，燃烧室7压缩行程，当燃烧室7′内气体压力达到Pc时，电子喷油控制系统40推动电控泵-喷油器10′喷油，此时内燃机已经起动，微机37以电子喷油控制系统40收到循环频率F＞0的信号，启动驱动系统42退出工作，离合器17分离，起动电机16及起动电机19断电，起动控制阀21复位;

（6）控制微机37向控制逻辑51发出信号，控制逻辑51向阀体13和阀体13′的电控先导阀24、25断电使其复位，从而使插装阀22、23复位，双向可控液压桥式整流回路导通，同步伺服系统39进行正常工作状态;

e、恒功率驱动系统43的控制方法，控制微机37根据电子喷油控制系统40电控泵-喷油器10（或10′）每一冲程的喷油量Ve求出每一冲程的有效功：

W＝Ve (P·z)/(b)

式中：

Ve-喷油量

P-燃油比重

b-比油耗

Z-气缸数，为Z＝2

控制微机37根据液压检测系统38提供的柱塞油缸4、4′与柱塞油缸5、5′之间的瞬时油压差△P（t），由同步伺服系统39提供活塞瞬时位移值S（t），求出数控液压传动自由活塞燃机92每一时刻发出的有效功：

W(t)=∫△P(t)dv

= (πd²)/4 ∫△P(t)·ds(t)

式中：d-柱塞油缸内径

△P（t）-油压差

S（t）-位移值

当W（t）≥W时，控制微机37向恒功率驱动电路60发出触发信号，该触发信号经恒功率驱动电路60放大后驱动电控先导阀24′，25′;触信号为：

式中：

P（4，4′），P（5，5′）-

行程信号;当活塞4、4′为作功行程、活塞5，5′为压缩行程时，P（4，4′）＝1，P（5，5′）＝0;反之，当活塞4，4′为压缩行程，活塞5，5′为作功行程时，P（4，4′）＝0，P（5，5′）＝1;

F-方向信号，当正向输出时为1，反向时对行程信号P（4，4′），P（5，5′）取逆;

P（24′），P（25′）-电控先导阀24′，25′驱动触发信号，当数控液压传动自由活塞内燃机处于怠速运行及起动状态时恒为1。

f、控制微机37的控制方法，其程序粗框图为：

（1）运行起动程序，启动驱动系统42工作;

（2）起动程序完成，启动驱动系统42退出工作

（3）根据电子喷油控制系统40提供的循环频率F及加速踏板传感器61提供的供油系数K求出电动输油泵58的转速控制信号：

N＝K·F·F，

由转速N求出喷油量VE＝K;

（4）根据喷油量VE求出求有效功W;

（5）根据液压检测系统38提供的油压差△P（t）及同步伺服系统39提供的活塞行程S（t），计算已做功W（t），当W（t）≥W向恒功率驱动系统43发出触发信号;

（6）根据健键盘输入的方向控制信号对控制逻辑51进行控制，对恒功率触发信号进行逻辑运算;

（7）返回（3）;

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