CN113530903B - 一种液压驱动式的快速压缩膨胀机及其控制方法 - Google Patents

一种液压驱动式的快速压缩膨胀机及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液压驱动式的快速压缩膨胀机，包括液压泵站系统和燃烧室系统，液压泵站系统包括液压缸、油箱、溢流阀、泄压阀、泄压管路、溢流管路、第一管路和第二管路，第一管路上自油箱至有杆腔进油口依次设有主泵、单向阀、压力表、第一蓄能器组、第二蓄能器组和有杆腔比例阀；第二管路上设有无杆腔比例阀；第二管路与第一管路连接的一端位于第一蓄能器组和第二蓄能器组之间。液压缸包括缸体、液压活塞、液压缸杆以及设置于缸体上的无杆腔进油口和有杆腔进油口，液压活塞安装于缸体中，液压缸杆远离液压活塞的一端设置有压缩活塞，压缩活塞滑动安装于燃烧室系统中。操作更加简单高效，实现了快速响应和精确控制，具有较强的台架适应性。

Description

一种液压驱动式的快速压缩膨胀机及其控制方法
技术领域
本发明涉及热能与动力工程测试技术领域，特别是涉及一种液压驱动式的快速压缩膨胀机及其使用方法。
背景技术
内燃机具有结构紧凑、热效率高、运行维护方便的优点，内燃机在能量密度上相比于电池技术具有显著的优势，而能源短缺与环境恶化的问题，促使全球内燃机方面的研究人员不断地追求内燃机相关的新技术以满足内燃机在能源、环境方面问题的新要求。内燃机的热效率、排放等问题与其燃烧过程息息相关，燃烧过程受到包括燃料种类、当量比、进气温度、点火时刻、喷油时刻和缸内流场等因素的影响，因此对内燃机缸内燃烧过程的研究已经成为了目前内燃机领域关注的一个重要方向。
内燃机的实际工作过程往往十分复杂，并伴随着循环变动，使得在研究发动机缸内燃烧过程时，存在边界条件难以精确控制和试验结果重复性不强等问题。相比于快速压缩机，快速压缩膨胀机可以分别工作在定容燃烧快速压缩机模式和自由膨胀快速压缩膨胀机两种模式下，不仅能模拟发动机单次压缩行程，将燃烧室内的可燃混合气压缩到高温高压的热力学状态，还可以根据不同的试验研究需求，设置不同的模式，以实现发动机的压缩、燃烧和膨胀过程的模拟。传统快速压缩膨胀机多采用气压驱动方式，活塞运行规律和热力学变化轨迹与实际发动机之间存在脱节，对于燃烧过程中的一些现象如自燃及爆震等的形成机理无法全面揭示，而随着发动机的小型强化，这种趋势愈发明显。
发明内容
针对上述现有技术，为解决以上技术问题，本发明提供一种液压驱动式的快速压缩膨胀机及其控制方法，操作更加简单高效，实现了快速响应和精确控制，具有较强的台架适应性。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种液压驱动式的快速压缩膨胀机，包括液压泵站系统和燃烧室系统，所述液压泵站系统包括液压缸和油箱，所述燃烧室系统包括气缸；所述液压缸包括缸体，所述缸体中安装有液压活塞，所述液压活塞的一侧与液压缸杆的一端固定，所述液压缸杆的另一端穿过所述缸体伸至其外部并固定有压缩活塞，所述压缩活塞滑动的安装在所述燃烧室系统的气缸中；所述液压活塞将所述缸体分隔为无杆腔和有杆腔，所述缸体设有与所述无杆腔连通的无杆腔进油口和与所述有杆腔连通的有杆腔进油口；
所述油箱与所述有杆腔进油口之间连接有第一管路，所述无杆腔进油口和所述第一管路之间连接有第二管路；所述第一管路上自所述油箱至所述有杆腔进油口依次设有主泵、单向阀、压力表、第一蓄能器组、第二蓄能器组和有杆腔比例阀；所述第二管路上设有无杆腔比例阀；所述第二管路与所述第一管路连接的一端位于所述第一蓄能器组和所述第二蓄能器组之间；
所述油箱和所述第二管路之间连接有泄压管路，所述泄压管路上设有泄压阀，所述泄压管路与所述第二管路连接的一端位于所述无杆腔比例阀和所述无杆腔进油口之间；
所述油箱和所述压力表之间连接有溢流管路，所述溢流管路上设有溢流阀。
进一步讲，本发明所述的液压驱动式的快速压缩膨胀机，其中：
所述液压泵站系统还包括空气过滤器、液位温度计、循环冷却管路、循环泵、冷却部件和过滤器，所述液位温度计和所述空气过滤器均设置于所述油箱上，所述循环冷却管路的两端均与所述油箱连接，所述循环泵、冷却部件和过滤器依次设置于所述循环冷却管路上。
所述有杆腔比例阀包括第一油口、第二油口、第一控制油路接口和第一泄压油路接口，所述有杆腔比例阀通过第一油口和所述第二油口安装在所述第一管路上，所述第二油口与所述缸体上的有杆腔进油口连接，所述第一控制油路接口连接至所述第一管路上，所述第一泄压油路接口连接至所述泄压管路上、且位于所述的泄压阀与所述邮箱之间。
所述无杆腔比例阀包括第三油口、第四油口、第二控制油路接口和第二泄压油路接口，所述无杆腔比例阀通过所述第三油口和所述第四油口安装在所述第二管路上，所述第四油口与所述缸体上的无杆腔进油口连接，所述第二控制油路接口连接至所述第一管路上，所述第二泄压油路接口与所述泄压管路上、且位于所述的泄压阀与所述邮箱之间。
所述液压缸还包括压力传感器和位移传感器，所述压力传感器设置于所述缸体上且位于所述无杆腔中，所述位移传感器设置于所述缸体中，所述液压缸杆为中空结构，所述位移传感器的测量探头穿过所述液压活塞伸至所述液压缸杆中，所述液压活塞的内部设置有两个第一环形凹槽，两个第一环形凹槽中均分别设置有一个第一密封圈，所述位移传感器与所述第一密封圈相接触；所述液压活塞的外部设置有两个第二环形凹槽，两个第二环形凹槽中均分别设置有一个第二密封圈，所述第二密封圈与所述缸体相接触；所述缸体上设置有用于使得所述液压缸杆穿过的通孔，所述通孔的内壁上由内至外依次设置有一个刮油环安装槽和两个第三环形凹槽，所述刮油环安装槽中设置有刮油环，两个第三环形凹槽中均分别设置有一个第三密封圈，所述液压缸杆与所述第三密封圈相接触。
所述液压缸还包括制动垫片，所述制动垫片设置于所述缸体的端部且位于所述有杆腔中，所述制动垫片套设于所述液压缸杆的外部，所述制动垫片与所述液压缸杆之间设有间隙。
所述有杆腔进油口包括自缸体的中部至所述缸体无杆腔的端部依次连接的第一竖直进油段、第一水平进油段和第二竖直进油段，所述第一水平进油段沿所述缸体的轴线方向延伸设置；所述无杆腔进油口包括自所述缸体的中部至所述缸体有杆腔的端部依次连接的第三竖直进油段、第二水平进油段和第四竖直进油段，所述第二水平进油段沿所述缸体的轴线方向延伸设置。
所述燃烧室系统的气缸的侧壁两端分别设置有进气口和排气口，所述压缩活塞位于所述气缸的一端，所述气缸的另一端固定有燃烧室压盖，所述燃烧室压盖设有中心螺纹孔，通过螺纹连接设有穿过所述燃烧室压盖至所述气缸中的可调节燃烧室顶。
同时，本发明还公开了上述液压驱动式的快速压缩膨胀机的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、初始状态下，所述液压活塞位于下止点位置，所述单向阀和所述溢流阀为关闭状态，开始工作时，先启动所述主泵并打开所述单向阀，提高液压油油压，将高压的液压油存储在所述第一蓄能器组和所述第二蓄能器组中，调节所述溢流阀并参照所述压力表设定液压油压力；
步骤二、压缩行程开始时，同时开启并分别调节所述无杆腔比例阀和所述有杆腔比例阀，此时，所述无杆腔和所述有杆腔同时进液压油，所述液压活塞两侧的压强相等，所述无杆腔的有效面积大于所述有杆腔的有效面积，在所述液压活塞的两侧产生压力差，形成差动速度，从而驱动所述液压活塞向上止点方向以设置好的速度移动，完成所述燃烧室系统的压缩过程；在上述驱动液压活塞的过程中，调节所述无杆腔比例阀和所述有杆腔比例阀使得所述无杆腔和所述有杆腔相通，从而所述有杆腔中的液压油通过所述有杆腔进油口依次经过所述有杆腔比例阀、无杆腔比例阀和无杆腔进油口回流到所述无杆腔；
步骤三、压缩行程结束后，若需要将所述液压活塞缩回，则关闭所述无杆腔比例阀，所述泄压阀全开，调节所述有杆腔比例阀，控制流量以形成返回速度，实现所述液压活塞向下止点方向以设置好的速度移动，此时所述无杆腔中的液压油经过所述泄压阀返回所述油箱，完成所述液压活塞缩回过程；
步骤四、工作结束后，关闭所述主泵及所述单向阀，所述溢流阀全开，使所述第一蓄能器组和所述第二蓄能器组中的液压油迅速流回所述油箱中。
步骤三中，当工作在快速压缩膨胀机模式下，在燃料被点燃后，调节所述泄压阀，使所述无杆腔和所述有杆腔压力相等，同时调节所述无杆腔比例阀和有杆腔比例阀使二者相通，此时所述活塞在气体压力的作用下以一定速度退回，实现自由膨胀，所述无杆腔中的液压油一部分经过所述泄压阀返回所述油箱，一部分则通过所述无杆腔进油口依次经过所述无杆腔比例阀、有杆腔比例阀和有杆腔进油口回流到所述有杆腔。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的液压驱动式的快速压缩膨胀机，运用集成液压站(由油箱1、主泵7、主泵电机16、单向阀8、压力表9、溢流阀10、液位温度计18、空气过滤器17、循环泵20、循环电机23、冷却部件21和过滤器22组成)和高响应蓄能器的驱动系统，与传统气压驱动式快速压缩膨胀机相比，其可以有效地减少建立气压所需要的时间成本，使得快速压缩膨胀机操作更加简单高效。液压缸采用差动控制方式，选用了响应快精度高的无杆腔比例阀和有杆腔比例阀，不仅可以实现液压活塞的快速伸出和返回，在液压活塞动作过程中，可以随时停止液压活塞动作，同时还可以灵活调节液压活塞的运动速度。通过对液压活塞两端的无杆腔比例阀和有杆腔比例阀以及无杆腔端的泄压阀进行调节，可分别实现快速压缩机定容燃烧和快速压缩膨胀机自由膨胀两个模式，可以依据具体的试验(包括但不限于湍流燃烧、化学动力学、爆震等试验)需求，快速切换相应模式，具有较强的台架适应性。
附图说明
图1为本发明液压驱动式的快速压缩膨胀机的原理图；
图2为本发明液压驱动式的快速压缩膨胀机中液压泵站系统的原理图；
图3为本发明中液压缸的结构示意图；
图4为本发明中燃烧室系统的结构示意图。
图中：
1-油箱 2-液压缸 201-缸体
202-液压活塞 203-液压缸杆 204-有杆腔
205-无杆腔 206-有杆腔进油口 207-无杆腔进油口
208-位移传感器 209-压力传感器 210-制动垫片
3-第一管路 4-第二管路 5-溢流管路
6-泄压管路 7-主泵 8-单向阀
9-压力表 10-溢流阀 11-第一蓄能器组
12-第二蓄能器组 13-有杆腔比例阀 A-第一油口
B-第二油口 X-第一控制油路接口 Y-第一泄压油路接口
14-无杆腔比例阀 C-第三油口 D-第四油口
E-第二控制油路接口 F-第二泄压油路接口 15-泄压阀
16-主泵电机 17-空气过滤器 18-液位温度计
19-循环冷却管路 20-循环泵 21-冷却部件
22-过滤器 23-循环电机 24-燃烧室系统
241-气缸 242-燃烧室压盖 243-燃烧室
244-可调节燃烧室顶 245-进气口 246-排气口
25-压缩活塞。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
如图1-图4所示，本发明一种液压驱动式的快速压缩膨胀机的结构是：该液压驱动式的快速压缩膨胀机包括液压泵站系统和燃烧室系统24。
如图4所示，所述燃烧室系统24包括气缸241，所述气缸241的侧壁两端分别设置有进气口245和排气口246，所述压缩活塞25位于所述气缸241的一端，所述气缸241的另一端固定有燃烧室压盖242，所述燃烧室压盖242设有中心螺纹孔，通过螺纹连接设有穿过所述燃烧室压盖242至所述气缸241中的可调节燃烧室顶244。
如图1所示，所述液压泵站系统包括液压缸2、油箱1、空气过滤器17、液位温度计18、循环冷却管路19、循环泵20、冷却部件21和过滤器22，所述液位温度计18和所述空气过滤器17均设置于所述油箱1上，所述循环冷却管路19的两端均与所述油箱1连接，所述循环泵20、冷却部件21和过滤器22依次设置于所述循环冷却管路19上，所述循环泵20与循环电机23连接，本实施例中，所述循环泵20为螺杆循环泵，所述冷却部件21为空气冷却器或风机。当油温较高需要降温时，开启循环泵20，使得液压油经过冷却部件21进行冷却再经过过滤器22回到油箱1，进而实现液压油温度的调节。
如图3所示，所述液压缸2包括缸体201和设置于所述缸体201上且位于所述无杆腔205中的压力传感器209和位移传感器208，所述缸体201中安装有液压活塞202，所述液压活塞202的一侧与液压缸杆203的一端固定，所述液压缸杆203的另一端穿过所述缸体201伸至其外部并固定有压缩活塞25，所述压缩活塞25滑动的安装在所述燃烧室系统的气缸241中，如图4所示；所述液压活塞202将所述缸体201分隔为无杆腔204和有杆腔205，所述缸体201设有与所述无杆腔204连通的无杆腔进油口207和与所述有杆腔205连通的有杆腔进油口206。所述有杆腔进油口206包括自缸体201的中部至所述缸体201无杆腔204的端部依次连接的第一竖直进油段、第一水平进油段和第二竖直进油段，所述第一水平进油段沿所述缸体201的轴线方向延伸设置；所述无杆腔进油口207包括自所述缸体201的中部至所述缸体201有杆腔205的端部依次连接的第三竖直进油段、第二水平进油段和第四竖直进油段，所述第二水平进油段沿所述缸体的轴线方向延伸设置。
如图1和图2所示，所述油箱1与所述有杆腔进油口206之间连接有第一管路3，所述无杆腔进油口207和所述第一管路3之间连接有第二管路4。所述第一管路上3自所述油箱1至所述有杆腔进油口206依次设有主泵7、单向阀8、压力表9、第一蓄能器组11、第二蓄能器组12和有杆腔比例阀13；所述主泵7与主泵电机16连接，本实施例中，所述压力表9的量程范围为0-40MPa。所述第二管路4上设有无杆腔比例阀14；所述第二管路4与所述第一管路3连接的一端位于所述第一蓄能器组11和所述第二蓄能器组12之间。所述油箱1和所述第二管路4之间连接有泄压管路6，所述泄压管路6上设有泄压阀15，所述泄压管路6与所述第二管路4连接的一端位于所述无杆腔比例阀14和所述无杆腔进油口207之间。所述油箱1和所述压力表9之间连接有溢流管路5，所述溢流管路5上设有溢流阀10。
所述液位温度计18和所述空气过滤器17均设置于所述油箱1上，所述循环冷却管路19的两端均与所述油箱1连接，所述循环泵20、冷却部件21和过滤器22依次设置于所述循环冷却管路19上。
所述有杆腔比例阀13包括第一油口A、第二油口B、第一控制油路接口X和第一泄压油路接口Y，所述有杆腔比例阀13通过第一油口A和所述第二油口B安装在所述第一管路3上，所述第二油口B与所述缸体201上的有杆腔进油口206连接，所述第一控制油路接口X连接至所述第一管路3上，所述第一泄压油路接口Y连接至所述泄压管路6上、且位于所述的泄压阀15与所述邮箱1之间。初始状态时，第一油口A为输入接口，第二油口B为输出接口，驱动过程中可以通过调节有杆腔比例阀13中控制第一油口A和第二油口B的电控截门，使得第一油口A为输出接口，第二油口B为输入接口。
所述无杆腔比例阀14包括第三油口B、第四油口C、第二控制油路接口E和第二泄压油路接口F，所述无杆腔比例阀14通过所述第三油口C和所述第四油口B安装在所述第二管路4上，所述第四油口D与所述缸体201上的无杆腔进油口207连接，所述第二控制油路接口E连接至所述第一管路3上，所述第二泄压油路接口F与所述泄压管路6上、且位于所述的泄压阀15与所述邮箱1之间。在整个工作过程中第三油口C为输入接口，第四油口D为输出接口。
本发明中，所述液压缸杆203为中空结构，所述位移传感器208的测量探头穿过所述液压活塞202伸至所述液压缸杆203中，所述液压活塞202的内部设置有两个第一环形凹槽，两个第一环形凹槽中均分别设置有一个第一密封圈，所述位移传感器208与所述第一密封圈相接触；所述位移传感器208用于实时检测液压活塞202的位置和速度，所述压力传感器209用于实时检测液压缸2的推力变化，本实施例中，所述压力传感器209的量程范围为0-40MPa。所述液压活塞202的外部设置有两个第二环形凹槽，两个第二环形凹槽中均分别设置有一个第二密封圈，所述第二密封圈与所述缸体201相接触；所述缸体201上设置有用于使得所述液压缸杆203穿过的通孔，所述通孔的内壁上由内至外依次设置有一个刮油环安装槽和两个第三环形凹槽，所述刮油环安装槽中设置有刮油环，两个第三环形凹槽中均分别设置有一个第三密封圈，所述液压缸杆203与所述第三密封圈相接触，使得液压缸杆203与缸体201之间保持密封状态。
如图3所示，所述液压缸2还包括制动垫片210，所述制动垫片210设置于所述缸体201的端部且位于所述有杆腔204中，所述制动垫片210套设于所述液压缸杆203的外部，所述制动垫片210与所述液压缸杆203之间设有间隙。
所述有杆腔进油口206包括自缸体201的中部至所述缸体201无杆腔204的端部依次连接的第一竖直进油段、第一水平进油段和第二竖直进油段，所述第一水平进油段沿所述缸体201的轴线方向延伸设置；所述无杆腔进油口207包括自所述缸体201的中部至所述缸体201有杆腔205的端部依次连接的第三竖直进油段、第二水平进油段和第四竖直进油段，所述第二水平进油段沿所述缸体的轴线方向延伸设置。
本实施例中，液压活塞202的直径为50mm，液压缸杆203的直径为36mm，液压缸2的行程为240mm，液压活塞202的横截面积则约为19.635cm2，液压缸杆203的横截面积约为10.18cm2，因此液压缸2差动面积为10.18cm2，可见，无杆腔205的有效面积约为有杆腔204的有效面积的2倍，差动速度1m/s时所需流量60L/min 30-40ms内把液压缸2推到240mm行程速度为240/40＝6m/s，所需流量为360L/min，为达到燃烧室系统24最高压力10Mpa的要求，液压缸2差动时所需压力为20Mpa。
本发明中，所述的无杆腔比例阀14、有杆腔比例阀13和泄压阀15组成液压控制阀块，为进一步提高响应速度，把液压控制阀块与液压缸2一体化设计，减少中间压力损失。无杆腔比例阀14和有杆腔比例阀13均为比例流量伺服阀，泄压阀15为逻辑阀，逻辑阀包括逻辑阀座和逻辑阀盖板。为满足液压缸2快速压缩膨胀的需要，主泵7采用125排量的恒功率变量泵，推力小时流量大，推力大时流量变小，主泵7流量最大为1500*125/1000＝187L/min。第一蓄能器组11包括三个第一蓄能器，第二蓄能器组12包括一个第二蓄能器，即本实施例中共有四个蓄能器，在液压控制阀块上直接接4个50L的蓄能器，使得液压泵站系统的总流量达到387L/min，使其大于液压缸2所需的360L/min。
如图4所示，本发明中的气缸241与燃烧室压盖242之间形成燃烧室243，可燃气体则通过进气口245进入燃烧室243内，然后通过燃烧室243上方的排气口246将废气抽出，液压活塞202运动时会通过液压缸杆203带动压缩活塞25在气缸241中往复运动，进而对燃烧室243中的可燃气体进行压缩。具体地，燃烧室压盖242与气缸241之间属于法兰连接，连接处要加密封垫，防止漏气。可调节燃烧室顶244穿过燃烧室压盖242伸至气缸241中，可调节燃烧室顶244与燃烧室压盖242螺纹连接。具体地，可调节燃烧室顶244包括螺杆和固定于螺杆一端的燃烧室顶，螺杆螺纹安装于燃烧室压盖242上，燃烧室顶位于气缸241中，燃烧室顶的外部设置有两个第四环形凹槽，各第四环形凹槽中设置有一个第四密封圈，第四密封圈与气缸241的内壁相接触，使得燃烧室顶与气缸241之间保持密封状态。通过拧动螺杆使得燃烧室顶能够在气缸241中移动，进而可以调节燃烧室243的容积，从而实现对压缩比的调节。
结合图1至图4，并按照以下步骤对本发明所述的液压驱动式的快速压缩膨胀机的工作过程进行控制。
步骤一、初始状态下液压活塞202位于下止点位置，具体地，本实施例中的下止点为远离制动垫片210的一端，上止点为设置有制动垫片210的一端，单向阀8和溢流阀10为关闭状态，启动主泵7并打开单向阀8，提高液压油油压，将高压的液压油存储在第一蓄能器组11和第二蓄能器组12中，调节溢流阀10并参照压力表9设定液压油压力。具体地，使压力表9显示压力为22MPa。在此过程中单向阀8的主要作用是防止液压泵站系统的压力突然升高而损坏主泵7，起止回作用溢流阀10主要作用是调节并稳定压力，由于主泵7提供给的是恒定流量，当系统压力逐渐增大时，流量需求减小，此时溢流阀10开启，使多余液压油溢回油箱1以保证主泵7的出口压力恒定。
之后观察位于油箱1侧面的液位温度计18，液压油的温度在40±5摄氏度为最佳，在冬天气温较低时，让主泵7多运行一段时间使液压油温度大于30摄氏度当油温高于40摄氏度时，打开循环泵20，并启动冷却部件21给液压油降温，在液压油温度降至35摄氏度以下时，停止冷却部件21。液压泵站系统中的循环泵20的主要作用是保持液压油的清洁和温度，其将液压油从油箱1中抽出来，经过冷却部件21冷却之后，再经过过滤器22进行清洁之后再送回油箱1，因此在工作过程中循环泵20运行时间至少为0.5小时。
步骤二、液压缸2初始状态下，无杆腔205上的压力传感器209测得的压力值初始显示为0MPa，位移传感器208测得的位移值显示为0mm。压缩行程开始时，同时开启并分别调节无杆腔比例阀14和有杆腔比例阀13，此时，有杆腔比例阀13的第一油口A为输入接口，第二油口B为输出接口，无杆腔比例阀14的第三油口C为输入接口，第四油口D为输出接口，使得无杆腔205和有杆腔204同时进液压油，液压活塞202两侧的压强相等，但无杆腔205的有效面积大于有杆腔204的有效面积，由此在液压活塞202的两侧产生压力差，形成差动速度，从而驱动液压活塞202向上止点方向以设置好的速度移动，完成燃烧室系统24的压缩过程，此时无杆腔205上的压力传感器209测得的压力值显示为22MPa，位移传感器208测得的位移值显示为240mm。在驱动过程中，调节无杆腔比例阀14和有杆腔比例阀13使得无杆腔205和有杆腔204相通，具体地，使得有杆腔比例阀13的第一油口A为输出接口，第二油口B为输入接口，进而使得有杆腔204中的液压油通过有杆腔进油口206依次经过有杆腔比例阀13、无杆腔比例阀14和无杆腔进油口207回流到无杆腔205，使液压缸2可以快速动作，从而实现小流量高速度。可见，本实施例中无杆腔205、无杆腔进油口207、无杆腔比例阀14、有杆腔比例阀13、有杆腔进油口206和有杆腔204共同构成了差动回路，即为满足液压缸2动作的速度要求，采用了差动控制方式，其原理是利用液压缸2的作用面积差，使有杆腔204的回油回到无杆腔205，在不使用双泵供油和大流量泵及各种辅助元件的情况下，使执行元件速度相对加快，从而保证正常流量下实现高速度。
步骤三、压缩行程结束后，若需要将液压活塞202缩回，则关闭无杆腔比例阀14，泄压阀15全开，调节有杆腔比例阀13，控制流量以形成返回速度，实现液压活塞202向下止点方向以设置好的速度移动，此时无杆腔205中的液压油经过泄压阀15返回油箱1，完成液压活塞202缩回过程，此时无杆腔205的压力传感器209测得的压力值显示为0MPa，位移传感器208测得的位移值显示为0mm。在液压活塞202运动过程中，可随时关闭无杆腔比例阀14和有杆腔比例阀13，液压活塞202将停止动作，使得液压活塞202位移保持不变。
当工作在快速压缩膨胀机模式下，在燃料被点燃后，调节所述泄压阀15，使所述无杆腔205和所述有杆腔204压力相等，同时调节所述无杆腔比例阀14和有杆腔比例阀13使二者相通，此时所述活塞25在气体压力的作用下以一定速度退回，实现自由膨胀，所述无杆腔205中的液压油一部分经过所述泄压阀15返回所述油箱1，一部分则通过所述无杆腔进油口207依次经过所述无杆腔比例阀14、有杆腔比例阀13和有杆腔进油口206回流到所述有杆腔204。
步骤四、实验结束后，关闭主泵7及单向阀8，溢流阀10全开，使第一蓄能器组11和第二蓄能器组12中的液压油迅速流回油箱1中。
可见，本实施例提供的液压驱动式的快速压缩膨胀机及其使用方法，运用集成液压站和高响应蓄能器的驱动系统，与传统气压驱动式快速压缩膨胀机相比，其可以有效地减少建立气压所需要的时间成本，使得快速压缩膨胀机操作更加简单高效。液压缸2采用差动控制方式，选用了响应快精度高的无杆腔比例阀14和有杆腔比例阀13，不仅可以实现液压活塞202的快速伸出和返回，在液压活塞202动作过程中，可以随时停止液压活塞202动作，同时还可以灵活调节液压活塞202的运动速度在压缩上止点位置，由于无杆腔205压力一直存在，液压活塞202会紧紧地贴在液压缸2的制动垫片210上，避免了液压活塞202回弹现象的发生。通过对液压活塞202两端的无杆腔比例阀14和有杆腔比例阀13以及无杆腔205端的泄压阀15进行调节，可分别实现快速压缩机定容燃烧和快速压缩膨胀机自由膨胀两个模式，可以依据试验需求，快速切换相应模式，具有较强的台架适应性。本实施例中液压活塞202位置可调、运行速度可变，可实现压缩比、温度可调，具有较好的燃料适应性，使之能够模拟一次内燃机的压缩、燃烧和膨胀过程，为揭示内燃机的燃烧过程深层机理提供了重要的研究手段，热力学轨迹与实际发动机工作过程更加贴近，从而使快速压缩膨胀机所得研究结果更加具有说服力。由此可知，本实施例中提供了一种液压驱动式的十兆帕级快速压缩膨胀机，实现了热力学变化轨迹可控、燃烧时间尺度可调和反应流场可视化，其最快压缩膨胀时间＜40ms，最高工作背压＞10MPa，能够满足大部分车用发动机的测试工况。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种液压驱动式的快速压缩膨胀机，包括液压泵站系统和燃烧室系统（24），所述液压泵站系统包括液压缸（2）和油箱（1），所述燃烧室系统（24）包括气缸（241）；其特征在于：
所述液压缸（2）包括缸体（201），所述缸体（201）中安装有液压活塞（202），所述液压活塞（202）的一侧与液压缸杆（203）的一端固定，所述液压缸杆（203）的另一端穿过所述缸体（201）伸至其外部并固定有压缩活塞（25），所述压缩活塞（25）滑动的安装在所述燃烧室系统的气缸（241）中；所述液压活塞（202）将所述缸体（201）分隔为无杆腔（204）和有杆腔（205），所述缸体（201）设有与所述无杆腔（204）连通的无杆腔进油口（207）和与所述有杆腔（205）连通的有杆腔进油口（206）；
所述油箱（1）与所述有杆腔进油口（206）之间连接有第一管路（3），所述无杆腔进油口（207）和所述第一管路（3）之间连接有第二管路（4）；所述第一管路上（3）自所述油箱（1）至所述有杆腔进油口（206）依次设有主泵（7）、单向阀（8）、压力表（9）、第一蓄能器组（11）、第二蓄能器组（12）和有杆腔比例阀（13）；所述第二管路（4）上设有无杆腔比例阀（14）；所述第二管路（4）与所述第一管路（3）连接的一端位于所述第一蓄能器组（11）和所述第二蓄能器组（12）之间；
所述油箱（1）和所述第二管路（4）之间连接有泄压管路（6），所述泄压管路（6）上设有泄压阀（15），所述泄压管路（6）与所述第二管路（4）连接的一端位于所述无杆腔比例阀（14）和所述无杆腔进油口（207）之间；
所述有杆腔比例阀（13）包括第一油口（A）、第二油口（B）、第一控制油路接口（X）和第一泄压油路接口（Y），所述有杆腔比例阀（13）通过第一油口（A）和所述第二油口（B）安装在所述第一管路（3）上，所述第二油口（B）与所述缸体（201）上的有杆腔进油口（206）连接，所述第一控制油路接口（X）连接至所述第一管路（3）上，所述第一泄压油路接口（Y）连接至所述泄压管路（6）上、且位于所述的泄压阀（15）与所述油箱（1）之间；
所述无杆腔比例阀（14）包括第三油口（B）、第四油口（C）、第二控制油路接口（E）和第二泄压油路接口（F），所述无杆腔比例阀（14）通过所述第三油口（C）和所述第四油口（B）安装在所述第二管路（4）上，所述第四油口（D）与所述缸体（201）上的无杆腔进油口（207）连接，所述第二控制油路接口（E）连接至所述第一管路（3）上，所述第二泄压油路接口（F）与所述泄压管路（6）上、且位于所述的泄压阀（15）与所述油箱（1）之间；
所述无杆腔比例阀（14）和有杆腔比例阀（13）均为比例流量伺服阀；
所述油箱（1）和所述压力表（9）之间连接有溢流管路（5），所述溢流管路（5）上设有溢流阀（10）。
2.根据权利要求1所述的液压驱动式的快速压缩膨胀机，其特征在于，所述液压泵站系统还包括空气过滤器（17）、液位温度计（18）、循环冷却管路（19）、循环泵（20）、冷却部件（21）和过滤器（22），所述液位温度计（18）和所述空气过滤器（17）均设置于所述油箱（1）上，所述循环冷却管路（19）的两端均与所述油箱（1）连接，所述循环泵（20）、冷却部件（21）和过滤器（22）依次设置于所述循环冷却管路（19）上。
3.根据权利要求1所述的液压驱动式的快速压缩膨胀机，其特征在于，所述液压缸（2）还包括压力传感器（209）和位移传感器（208），所述压力传感器（209）设置于所述缸体（201）上且位于所述无杆腔（205）中，所述位移传感器（208）设置于所述缸体（201）中，所述液压缸杆（203）为中空结构，所述位移传感器（208）的测量探头穿过所述液压活塞（202）伸至所述液压缸杆（203）中，所述液压活塞（202）的内部设置有两个第一环形凹槽，两个第一环形凹槽中均分别设置有一个第一密封圈，所述位移传感器（208）与所述第一密封圈相接触；所述液压活塞（202）的外部设置有两个第二环形凹槽，两个第二环形凹槽中均分别设置有一个第二密封圈，所述第二密封圈与所述缸体（201）相接触；所述缸体（201）上设置有用于使得所述液压缸杆（203）穿过的通孔，所述通孔的内壁上由内至外依次设置有一个刮油环安装槽和两个第三环形凹槽，所述刮油环安装槽中设置有刮油环，两个第三环形凹槽中均分别设置有一个第三密封圈，所述液压缸杆（203）与所述第三密封圈相接触。
4.根据权利要求1所述的液压驱动式的快速压缩膨胀机，其特征在于，所述液压缸（2）还包括制动垫片（210），所述制动垫片（210）设置于所述缸体（201）的端部且位于所述有杆腔（204）中，所述制动垫片（210）套设于所述液压缸杆（203）的外部，所述制动垫片（210）与所述液压缸杆（203）之间设有间隙。
5.根据权利要求1所述的液压驱动式的快速压缩膨胀机，其特征在于，所述有杆腔进油口（206）包括自缸体（201）的中部至所述缸体（201）无杆腔（204）的端部依次连接的第一竖直进油段、第一水平进油段和第二竖直进油段，所述第一水平进油段沿所述缸体（201）的轴线方向延伸设置；所述无杆腔进油口（207）包括自所述缸体（201）的中部至所述缸体（201）有杆腔（205）的端部依次连接的第三竖直进油段、第二水平进油段和第四竖直进油段，所述第二水平进油段沿所述缸体的轴线方向延伸设置。
6.根据权利要求1所述的液压驱动式的快速压缩膨胀机，其特征在于，所述燃烧室系统的气缸（241）的侧壁两端分别设置有进气口（245）和排气口（246），所述压缩活塞（25）位于所述气缸（241）的一端，所述气缸（241）的另一端固定有燃烧室压盖（242），所述燃烧室压盖（242）设有中心螺纹孔，通过螺纹连接设有穿过所述燃烧室压盖（242）至所述气缸（241）中的可调节燃烧室顶（244）。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述的液压驱动式的快速压缩膨胀机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、初始状态下，所述液压活塞（202）位于下止点位置，所述单向阀（8）和所述溢流阀（10）为关闭状态，开始工作时，先启动所述主泵（7）并打开所述单向阀（8），提高液压油油压，将高压的液压油存储在所述第一蓄能器组（11）和所述第二蓄能器组（12）中，调节所述溢流阀（10）并参照所述压力表（9）设定液压油压力；
步骤二、压缩行程开始时，同时开启并分别调节所述无杆腔比例阀（14）和所述有杆腔比例阀（13），此时，所述无杆腔（205）和所述有杆腔（204）同时进液压油，所述液压活塞（202）两侧的压强相等，所述无杆腔（205）的有效面积大于所述有杆腔（204）的有效面积，在所述液压活塞（202）的两侧产生压力差，形成差动速度，从而驱动所述液压活塞（202）向上止点方向以设置好的速度移动，完成所述燃烧室系统（24）的压缩过程；在上述驱动液压活塞（202）的过程中，调节所述无杆腔比例阀（14）和所述有杆腔比例阀（13）使得所述无杆腔（205）和所述有杆腔（204）相通，从而所述有杆腔（204）中的液压油通过所述有杆腔进油口（206）依次经过所述有杆腔比例阀（13）、无杆腔比例阀（14）和无杆腔进油口（207）回流到所述无杆腔（205）；
步骤三、压缩行程结束后，若需要将所述液压活塞（202）缩回，则关闭所述无杆腔比例阀（14），所述泄压阀（15）全开，调节所述有杆腔比例阀（13），控制流量以形成返回速度，实现所述液压活塞（202）向下止点方向以设置好的速度移动，此时所述无杆腔（205）中的液压油经过所述泄压阀（15）返回所述油箱（1），完成所述液压活塞（202）缩回过程；
步骤四、工作结束后，关闭所述主泵（7）及所述单向阀（8），所述溢流阀（10）全开，使所述第一蓄能器组（11）和所述第二蓄能器组（12）中的液压油迅速流回所述油箱（1）中。
8.根据权利要求7所述的液压驱动式的快速压缩膨胀机的控制方法，其特征在于，步骤三中，当工作在快速压缩膨胀机模式下，在燃料被点燃后，调节所述泄压阀（15），使所述无杆腔（205）和所述有杆腔（204）压力相等，同时调节所述无杆腔比例阀（14）和有杆腔比例阀（13）使二者相通，此时所述活塞（25）在气体压力的作用下以一定速度退回，实现自由膨胀，所述无杆腔（205）中的液压油一部分经过所述泄压阀（15）返回所述油箱（1），一部分则通过所述无杆腔进油口（207）依次经过所述无杆腔比例阀（14）、有杆腔比例阀（13）和有杆腔进油口（206）回流到所述有杆腔（204）。
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