CN107100724B - 对置式液压自由活塞发动机及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对置式液压自由活塞发动机及其驱动方法，对置式液压自由活塞发动机，包括：对称布置的一对活塞、与每个活塞连接的柱塞以及与柱塞相连的液压油路；还包括：与柱塞配合的柱塞套、柱塞外端面、柱塞内端面，位于柱塞套上的第一通孔、第二通孔；第一电磁阀、第一单向阀、第二电磁阀、第二单向阀、第三单向阀、定量供油装置、第三电磁阀、第四电磁阀、第四单向阀、第一蓄能器、第二蓄能器；ECU控制单元；液压能输出装置；本发明相对于现有技术的优点在于：能够满足液压自由活塞发动机对液压油通断的高响应性和流量大的要求。

Description

对置式液压自由活塞发动机及其驱动方法

技术领域：

本发明涉及自由活塞发动机，进一步涉及对置式液压自由活塞发动机及其驱动方法。

背景技术：

随着全球能源危机与环境污染问题越来越突出，人们对内燃机的动力性与经济性要求也越来越高。液压自由活塞发动机通过往复运动的活塞组件及液压泵将燃料燃烧所释放的能量转化为液压能输出。其具有结构简单、能量传动链短、压缩比灵活可变、布置灵活等特点。对置式液压自由活塞发动机进一步取消缸盖等结构，由两个对置的活塞与缸套形成燃烧室，在拥有单活塞式液压自由活塞发动机优点的基础上，进一步具有减少散热量、减少振动的优势。

从目前关于液压自由活塞发动机的研究来分析，其处于技术探索阶段，限制其应用的主要因素之一是：液压自由活塞发动机对液压系统的工作和控制有很高的要求，要求控制阀具有高响应性和大流量的特点，这是液压应用技术上难以协调的矛盾对立面。因此急需一种可以满足高响应性和大流量开关的开关来满足。

发明内容：

本发明目的是设计了一套配有高响应性和大流量开关的对置式液压自由活塞发动机及其驱动方法。具体技术方案如下：

对置式液压自由活塞发动机，包括：对称布置的一对活塞、与每个活塞连接的柱塞以及与柱塞相连的液压油路；还包括：与柱塞配合的柱塞套、柱塞外端面、柱塞内端面，位于柱塞套上的第一通孔101、第二通孔102；第一电磁阀1、第一单向阀2、第二电磁阀3、第二单向阀4、第三单向阀5、定量供油装置6、第三电磁阀7、第四电磁阀8、第四单向阀9、第一蓄能器15、第二蓄能器16；ECU控制单元；液压能输出装置28；

所述液压油路包括：低压油路、高压油路，第一液压通道10、第二液压通道11、第三液压通道12、第四液压通道13、第五液压通道14；

所述液压能输出装置的进油端与高压油路相连，出油端与低压油路相连；

所述第一蓄能器与低压油路相连，所述第二蓄能器与高压油路相连；

所述第二液压通道的一端与第一通孔相连，另一端通过并联连接的第二电磁阀3、第二单向阀4与低压油路连接，所述第二单向阀可实现低压油路向第二液压通道单向供油；

所述第三液压通道的一端与第二通孔相连，另一端通过并联连接的第三电磁阀7、第三单向阀5与高压油路连接，所述第三单向阀可实现第三液压通道向高压油路单向供油；当柱塞头滑动到第二通孔下方时，第二通孔与柱塞头外表面之间密闭，当柱塞头向左滑动离开第二通孔时，第二通孔打开，第四液压通道内的液体通过第二通孔进入到柱塞外端面；所述定量供油装置6与第二通孔连接；

所述第一液压通道位于柱塞套靠近上止点方向，其通过并联连接的第一电磁阀1、第一单向阀2与低压油路连接，所述第一单向阀可实现低压油路向第一液压通道单向供油；

所述第五液压通道位于柱塞套靠近上止点方向，其通过并联连接的第四电磁阀8、第四单向阀9与高压油路连接，所述第四单向阀可实现第五液压通道向高压油路单向供油；

所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀均与ECU控制单元相连。

在上述对置式液压自由活塞发动机上实现的驱动方法，过程如下：

步骤1：油路压力检测；

步骤2：将活塞调整到下止点；具体过程如下：

开启第二电磁阀、第四电磁阀；

步骤3：定量供油装置充油；

步骤4：开始压缩冲程，气缸内混合充气体被压缩；

步骤5：缸内开始燃烧，对活塞做功，推动活塞下行，开始膨胀冲程，柱塞腔内液压油压力上升；

步骤6：高压油路驱动液压能输出装置。

上述步骤1具体过程如下：

步骤1.1：检测高压油路是否满足启动所需压力，满足转步骤1.3，否则转步骤1.2；

步骤1.2：启动油泵27加压，然后转步骤1.3；

步骤1.3：检测低压油路是否满足启动所需压力，满足转步骤1.5；否则转步骤1.4；

步骤1.4：启动第一电磁阀、第四电磁阀；然后返回步骤1.1；

步骤1.5：油路压力检测合格，待启动。

上述步骤2具体过程如下：开启第二电磁阀、第四电磁阀。

上述步骤3具体过程如下：开启第三电磁阀。

上述步骤4具体过程如下：

步骤4.1：打开第一电磁阀，此时回位油腔内液压油压力与低压油路压力相同，由于第二单向单向阀允许低压油路的液压油流入柱塞腔内，故柱塞腔内的液压与回位油腔内的液压相同，而回位油腔的作用面积小于柱塞腔的作用面积，使得两个面所受的液压力不同，液压力的合力指向活塞压缩冲程运动的方向，在这个合力的作用下，活塞开始压缩冲程，但由于是低压级液压作用，活塞运动的速度较慢；柱塞头位于第二通孔下方，第二通孔与柱塞头外表面之间密闭；

步骤4.2：活塞缓慢向上止点运动的过程中，当柱塞头滑动离开第二通孔时，第二通孔打开，定量供油装置内的高压油体迅速通过第二通孔进入到柱塞外端面，推动柱塞和内燃机活塞快速向上止点方向运动；当定量供油装置供油完毕后，活塞已具有到达预定上止点位置的动能，随着活塞继续上行，柱塞腔出现真空，与低压级液压油路相连的第二单向阀在压差的作用下打开，低压油被吸入柱塞腔，直到活塞运行到上止点的位置。

上述步骤5具体过程如下：具体过程如下：

在膨胀冲程中，由于定量供油装置内的弹簧作用且其直接与柱塞腔相通，能确保定量供油装置充满液压油，为发动机下一循环做准备，当柱塞腔内油压上升到与高压级液压油路液压相同时，第三单向阀打开，柱塞腔内的液压油被推入高压液压油路，实现活塞的动能转化为液压能。

本发明相对于现有技术的优点在于：

本发明的技术方案中，位于柱塞套上的第二通孔，通过第四液压通道与柱塞形成滑阀，使滑阀与定量供油装置连接，能够满足液压自由活塞发动机对液压油通断的高响应性和流量大的要求。高压级油路压力不变时，每循环中定量供油装置为活塞上行提供的动能相同，能较好解决液压自由活塞发动机的上止点一致性问题，并降低对控制策略的要求。同时，使用压差级柱塞结构，能够提高液压机构的工艺性与紧凑性。

附图说明：

图1为本发明实施例1中液压自由活塞发动机结构示意图；图中，1、1'代表第一电磁阀，2、2'代表第一单向阀，3、3'代表第二电磁阀，4、4'代表第二单向阀，5、5'代表第三单向阀，6、6'代表定量供油装置，7、7'代表第三电磁阀，8、8'代表第四电磁阀，9、9'代表第四单向阀，10、10'代表第一液压通道，11、11'代表第二液压通道，12、12'代表第三液压通道，13、13'代表第四液压通道，14、14'代表第五液压通道，15代表第一蓄能器，16代表第二蓄能器，17代表簧片阀，18代表进气管，19代表扫气箱，20代表扫气口，21代表缸内压力传感器，22代表排气口，23代表喷油器，24代表低压溢流阀，25代表高压溢流阀，26代表单向阀，27代表油泵，28代表液压能输出装置，29代表位移传感器。

图2为本发明实施例2中液压自由活塞发动机结构示意图；图中，1、1'代表第一电磁阀，2、2'代表第一单向阀，3、3'代表第二电磁阀，4、4'代表第二单向阀，5、5'代表第三单向阀，6、6'代表定量供油装置，7、7'代表第三电磁阀，8、8'代表第四电磁阀，9、9'代表第四单向阀，10、10'代表第一液压通道，11、11'代表第二液压通道，12、12'代表第三液压通道，13、13'代表第四液压通道，14、14'代表第五液压通道，15代表第一蓄能器，16代表第二蓄能器，17代表簧片阀，18代表进气管，19代表扫气箱，20代表扫气口，21代表缸内压力传感器，22代表排气口，23代表喷油器，24代表低压溢流阀，25代表高压溢流阀，26代表单向阀，27代表油泵，28代表液压能输出装置，29代表位移传感器，30、30'代表第二蓄能器，31、31'代表第五电磁阀。

图3为本发明实施例3中液压自由活塞发动机结构示意图；图中，1、1'代表第一电磁阀，2、2'代表第一单向阀，3、3'代表第二电磁阀，4、4'代表第二单向阀，5、5'代表第三单向阀，7、7'代表第三电磁阀，8、8'代表第四电磁阀，9、9'代表第四单向阀，10、10'代表第一液压通道，11、11'代表第二液压通道，12、12'代表第三液压通道，13、13'代表第四液压通道，14、14'代表第五液压通道，15代表第一蓄能器，16代表第二蓄能器，17代表簧片阀，18代表进气管，19代表扫气箱，20代表扫气口，21代表缸内压力传感器，22代表排气口，23代表喷油器，24代表低压溢流阀，25代表高压溢流阀，26代表单向阀，27代表油泵，28代表液压能输出装置，29代表位移传感器，30、30'代表第三蓄能器。

图4为柱塞结构示意图，图中，201代表柱塞外端面、202代表柱塞内端面。

图5为实施例中柱塞套沿轴线半剖结构示意图，其中，101代表第一通孔，102代表第二通孔，a，b，c处安装密封圈，为环形密封；第一通孔为垂直于轴向方向上分布的液压通道，第一通孔数量为4，周向均匀分布；第二通孔为垂直于轴向方向上分布的液压通道，第一通孔数量为4，周向均匀分布。

图6为实施例2中的定容阀沿轴线全剖结构示意图，图中，6a代表圆柱形阀体，6b代表阀塞，6c代表弹簧；6d处安装密封圈。

具体实施方式：

实施例1：

对置式液压自由活塞发动机，包括：对称布置的一对活塞、与每个活塞连接的柱塞以及与柱塞相连的液压油路；还包括：与柱塞配合的柱塞套、柱塞外端面、柱塞内端面，位于柱塞套上的第一通孔101、第二通孔102；第一电磁阀1、第一单向阀2、第二电磁阀3、第二单向阀4、第三单向阀5、定量供油装置6、第三电磁阀7、第四电磁阀8、第四单向阀9、第一蓄能器15、第二蓄能器16；ECU控制单元；液压能输出装置28；本实施例中，液压能输出装置为液压马达；

所述液压油路包括：低压油路、高压油路，第一液压通道10、第二液压通道11、第三液压通道12、第四液压通道13、第五液压通道14；

所述液压能输出装置的进油端与高压油路相连，出油端与低压油路相连；

所述第一蓄能器与低压油路相连，所述第二蓄能器与高压油路相连；

所述第二液压通道的一端与第一通孔相连，另一端通过并联连接的第二电磁阀3、第二单向阀4与低压油路连接，所述第二单向阀可实现低压油路向第二液压通道单向供油；

所述第三液压通道的一端与第二通孔相连，另一端通过并联连接的第三电磁阀7、第三单向阀5与高压油路连接，所述第三单向阀可实现第三液压通道向高压油路单向供油；当柱塞头滑动到第二通孔下方时，第二通孔与柱塞头外表面之间密闭，当柱塞头向左滑动离开第二通孔时，第二通孔打开，第四液压通道内的液体通过第二通孔进入到柱塞外端面；所述定量供油装置6为定容阀，其一端与第二通孔连接，另一端连接高压油路；

所述第一液压通道位于柱塞套靠近上止点方向，其通过并联连接的第一电磁阀1、第一单向阀2与低压油路连接，所述第一单向阀可实现低压油路向第一液压通道单向供油；

所述第五液压通道位于柱塞套靠近上止点方向，其通过并联连接的第四电磁阀8、第四单向阀9与高压油路连接，所述第四单向阀可实现第五液压通道向高压油路单向供油；

所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀均与ECU控制单元相连。

在上述对置式液压自由活塞发动机上实现的驱动方法，过程如下：

步骤1：油路压力检测；

步骤2：将活塞调整到下止点；具体过程如下：

开启第二电磁阀、第四电磁阀；

步骤3：定量供油装置充油；

步骤4：开始压缩冲程，气缸内混合充气体被压缩；

步骤5：缸内开始燃烧，对活塞做功，推动活塞下行，开始膨胀冲程，柱塞腔内液压油压力上升；

步骤6：高压油路驱动液压能输出装置。

上述步骤1具体过程如下：

步骤1.1：检测高压油路是否满足启动所需压力，满足转步骤1.3，否则转步骤1.2；

步骤1.2：启动油泵27加压，然后转步骤1.3

步骤1.3：检测低压油路是否满足启动所需压力，满足转步骤1.5；否则转步骤1.4；

步骤1.4：启动第一电磁阀、第四电磁阀；然后返回步骤1.1；

步骤1.5：油路压力检测合格，待启动。

上述步骤2具体过程如下：开启第二电磁阀、第四电磁阀。

上述步骤3具体过程如下：开启第三电磁阀。

上述步骤4具体过程如下：

步骤4.1：打开第一电磁阀，此时回位油腔内液压油压力与低压油路压力相同，由于第二单向单向阀允许低压油路的液压油流入柱塞腔内，故柱塞腔内的液压与回位油腔内的液压相同，而回位油腔的作用面积小于柱塞腔的作用面积，使得两个面所受的液压力不同，液压力的合力指向活塞压缩冲程运动的方向，在这个合力的作用下，活塞开始压缩冲程，但由于是低压级液压作用，活塞运动的速度较慢；柱塞头位于第二通孔下方，第二通孔与柱塞头外表面之间密闭；

步骤4.2：活塞缓慢向上止点运动的过程中，当柱塞头滑动离开第二通孔时，第二通孔打开，定量供油装置内的高压油体迅速通过第二通孔进入到柱塞外端面，推动柱塞和内燃机活塞快速向上止点方向运动；当定量供油装置供油完毕后，活塞已具有到达预定上止点位置的动能，随着活塞继续上行，柱塞腔出现真空，与低压级液压油路相连的第二单向阀在压差的作用下打开，低压油被吸入柱塞腔，直到活塞运行到上止点的位置。

上述步骤5具体过程如下：具体过程如下：

在膨胀冲程中，由于定量供油装置内的弹簧作用，且其直接与柱塞腔相通，能确保定量供油装置充满液压油，为发动机下一循环做准备，当柱塞腔内油压上升到与高压级液压油路液压相同时，第三单向阀打开，柱塞腔内的液压油被推入高压液压油路，实现活塞的动能转化为液压能。

实施例2：

在本实施例中，所述定量供油装置6为定容阀，所述定容阀包括：圆柱形阀体6a，位于阀体内的阀腔，在圆柱形阀体中滑动的阀塞6b，阀塞将阀腔分割为两部分，阀腔与第四液压通道相连的一侧安装弹簧6c，有弹簧的这一侧是工作面；当弹簧一侧阀腔对阀塞的作用力较大时，定容阀充油，当弹簧一侧阀腔对阀塞的作用力较小时，定容阀供油；当由于阀塞左右的移动距离固定，因此，充油与供油量固定。定容阀一端与第二通孔连接，另一端连接独立的第三蓄能器，第三蓄能器与高压油路通过第五电磁阀连接；其它部分与实施例1相同。

实施例3：

在本实施例中，所述定量供油装置为第三蓄能器；其它部分与实施例1相同。

上述实施例为本发明较佳的方式，但本发明的实施方式不受上述实施例的限制，在任何未背离本发明的技术实质与原理的情形下所做的修饰、改变、组合、替代、简化。均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.对置式液压自由活塞发动机，包括：对称布置的一对活塞、与每个活塞连接的柱塞以及与柱塞相连的液压油路；其特征在于，还包括：与柱塞配合的柱塞套、柱塞外端面(201)、柱塞内端面(202)，位于柱塞套上的第一通孔(101)、第二通孔(102)；第一电磁阀(1)、第一单向阀(2)、第二电磁阀(3)、第二单向阀(4)、第三单向阀(5)、定量供油装置(6)、第三电磁阀(7)、第四电磁阀(8)、第四单向阀(9)、第一蓄能器(15)、第二蓄能器(16)；ECU控制单元；液压能输出装置(28)；

所述液压油路包括：低压油路、高压油路、第一液压通道(10)、第二液压通道(11)、第三液压通道(12)、第四液压通道(13)、第五液压通道(14)；

所述液压能输出装置的进油端与高压油路相连，出油端与低压油路相连；

所述第一蓄能器与低压油路相连，所述第二蓄能器与高压油路相连；

所述第二液压通道的一端与第一通孔相连，另一端通过并联连接的第二电磁阀(3)、第二单向阀(4)与低压油路连接，所述第二单向阀可实现低压油路向第二液压通道单向供油；

所述第三液压通道的一端与第二通孔相连，另一端通过并联连接的第三电磁阀(7)、第三单向阀(5)与高压油路连接，所述第三单向阀可实现第三液压通道向高压油路单向供油；当柱塞头滑动到第二通孔下方时，第二通孔与柱塞头外表面之间密闭，当柱塞头向左滑动离开第二通孔时，第二通孔打开，第四液压通道内的液体通过第二通孔进入到柱塞外端面；所述定量供油装置(6)与第二通孔连接；

所述第一液压通道位于柱塞套靠近上止点方向，其通过并联连接的第一电磁阀(1)、第一单向阀(2)与低压油路连接，所述第一单向阀可实现低压油路向第一液压通道单向供油；

所述第五液压通道位于柱塞套靠近上止点方向，其通过并联连接的第四电磁阀(8)、第四单向阀(9)与高压油路连接，所述第四单向阀可实现第五液压通道向高压油路单向供油；

所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀均与ECU控制单元相连。

2.根据权利要求1所述对置式液压自由活塞发动机，其特征在于，所述定量供油装置为定容阀；所述定容阀包括：圆柱形阀体(6a)，位于阀体内的阀腔，在圆柱形阀体中滑动的阀塞(6b)，阀塞将阀腔分割为两部分，阀腔与第四液压通道相连的一侧安装弹簧(6c)；当弹簧一侧阀腔对阀塞的作用力较大时，定容阀充油，当弹簧一侧阀腔对阀塞的作用力较小时，定容阀供油；当由于阀塞左右的移动距离固定，因此，充油与供油量固定。

3.根据权利要求2所述对置式液压自由活塞发动机，其特征在于，所述定容阀一端与第二通孔连接，另一端与高压油路连接。

4.根据权利要求2所述对置式液压自由活塞发动机，其特征在于，所述定容阀一端与第二通孔连接，另一端与独立的蓄能器连接。

5.根据权利要求1所述对置式液压自由活塞发动机，其特征在于，所述定量供油装置为蓄能器。

6.根据权利要求1所述对置式液压自由活塞发动机，其特征在于，还包括：缸内压力传感器(21)、位移传感器(29)；所述缸内压力传感器、位移传感器均与ECU控制单元相连。

7.在权利要求1所述对置式液压自由活塞发动机上实现的驱动方法，其特征在于，过程如下：

步骤1：油路压力检测；

步骤2：将活塞调整到下止点；具体过程如下：

开启第二电磁阀、第四电磁阀；

步骤3：定量供油装置充油；

步骤4：开始压缩冲程，气缸内混合充气体被压缩；

步骤5：缸内开始燃烧，对活塞做功，推动活塞下行，开始膨胀冲程，柱塞腔内液压油压力上升；

步骤6：高压油路驱动液压马达。

8.根据权利要求7所述驱动方法，其特征在于，所述步骤1具体过程如下：

步骤1.1：检测高压油路是否满足启动所需压力，满足转步骤1.3，否则转步骤1.2；

步骤1.2：启动油泵(27)加压，然后转步骤1.3；

步骤1.3：检测低压油路是否满足启动所需压力，满足转步骤1.5；否则转步骤1.4；

步骤1.4：启动第一电磁阀、第四电磁阀；然后返回步骤1.1；

步骤1.5：油路压力检测合格，待启动。

9.根据权利要求7所述驱动方法，其特征在于，

所述步骤2具体过程如下：开启第二电磁阀、第四电磁阀；

所述步骤3具体过程如下：开启第三电磁阀；

所述步骤4具体过程如下：

步骤4.1：打开第一电磁阀，此时回位油腔内液压油压力与低压油路压力相同，由于第二单向单向阀允许低压油路的液压油流入柱塞腔内，故柱塞腔内的液压与回位油腔内的液压相同，而回位油腔的作用面积小于柱塞腔的作用面积，使得两个面所受的液压力不同，液压力的合力指向活塞压缩冲程运动的方向，在这个合力的作用下，活塞开始压缩冲程，但由于是低压级液压作用，活塞运动的速度较慢；柱塞头位于第二通孔下方，第二通孔与柱塞头外表面之间密闭；

步骤4.2：活塞缓慢向上止点运动的过程中，当柱塞头滑动离开第二通孔时，第二通孔打开，定量供油装置内的高压油体迅速通过第二通孔进入到第一柱塞外端面，推动柱塞和内燃机活塞快速向上止点方向运动；当定量供油装置供油完毕后，活塞已具有到达预定上止点位置的动能，随着活塞继续上行，柱塞腔出现真空，与低压级液压油路相连的第二单向阀在压差的作用下打开，低压油被吸入柱塞腔，直到活塞运行到上止点的位置；

10.根据权利要求7所述驱动方法，其特征在于，所述步骤5具体过程如下：

在膨胀冲程中，由于定量供油装置内的弹簧作用且其直接与柱塞腔相通，能确保定量供油装置充满液压油，为发动机下一循环做准备，当柱塞腔内油压上升到与高压级液压油路液压相同时，第三单向阀打开，柱塞腔内的液压油被推入高压液压油路，实现活塞的动能转化为液压能。