CN204175431U - 一种两缸四冲程液压自由活塞发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种两缸四冲程液压自由活塞发动机，包括液压缸体、内燃缸体以及活塞组件，所述液压缸体和所述内燃缸体各有两个，所述内燃缸体具有燃烧腔，所述液压缸体具有相互连通的第一内腔和第二内腔。所述活塞组件包括两个活塞杆以及随动杆，每个所述活塞杆设置有液压活塞和压缩活塞，所述液压活塞将所述第一内腔分隔为平衡腔和泵腔，所述压缩活塞在所述第二内腔内分隔形成压缩腔。通过将活塞杆与相应的内燃缸体串联在一起，当其中一个内燃缸体的燃烧腔在进压缩、膨胀冲程时，另一个内燃缸体的燃烧腔进排气、吸气冲程，这样安装在该内燃缸体的活塞杆仅在随动杆的带动下跟随另一活塞杆往复运动，整个过程活塞组件不受扭转力矩作用。

Description

一种两缸四冲程液压自由活塞发动机

技术领域

本实用新型涉及一种发动机，尤其是一种活塞组件无扭转力矩的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，对于能源的消耗加剧，而由此带来的环境问题也日渐突出，节能和环保成为目前全球关注的两大课题，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，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，在众多学者和科研机构进行了不懈的努力，取得了一定的效果。目前的液压自由活塞发动机一般是运用二冲程内燃机进行动力驱动，但是由于二冲程内燃机的吸气过程与排气过程的重叠度很大，废气的排出不完全，充气系数低，燃料的燃烧不完全，污染物排放超标，因此除了在一些特定的场合还有应用外，市场上已几乎难觅其踪迹。也有研究机构采用两缸四冲程柴油机作为液压自由活塞发动机的动力驱动装置，但是由于两个燃烧腔的工作过程交替进行，而它们只驱动一个液压泵腔，液压泵的轴线在两个燃烧腔的中间位置，这样当其中一个燃烧腔处于压缩、膨胀冲程时，另一腔处于排气、吸气冲程，即一个燃烧腔作用在活塞上的力相对于另一个燃烧腔要大很多，这样对于整个活塞组件来说就会受到一个扭转力矩的作用，使得活塞运动时的阻力增大，降低了发动机的运动频率和输出功率。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种活塞组件不受扭转力矩作用的两缸四冲程液压自由活塞发动机。 

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案： 

一种两缸四冲程液压自由活塞发动机，包括液压缸体、内燃缸体以及活塞组件，所述液压缸体和所述内燃缸体各有两个，每个所述液压缸体分别与一个所述内燃缸体相对应，且两个所述液压缸体和两个所述内燃缸体分别并列放置，所述内燃缸体具有燃烧腔，所述液压缸体具有相互连通的第一内腔和第二内腔。所述活塞组件包括两个平行设置且端面平齐的活塞杆以及用于固定连接两个所述活塞杆的随动杆，同一个所述活塞杆的两端分别安装在所述液压缸体和与该液压缸体相对应的内燃缸体内，且每个所述活塞杆的一端设置有与所述燃烧腔配合的动力活塞，另一端设置有分别与所述第一内腔和所述第二内腔配合的液压活塞和压缩活塞，所述液压活塞将所述第一内腔分隔为平衡腔和泵腔，所述压缩活塞占据所述第二内腔部分空间并在所述第二内腔内分隔形成压缩腔。 

作为本实用新型的一种改进，本实用新型的两缸四冲程液压自由活塞发动机还包括压缩蓄能器、频率控制阀以及选择换向阀，所述压缩蓄能器与所述频率控制阀的入口连接，所述频率控制阀的出口与所述选择换向阀的入口连接，所述选择换向阀的两个出口分别与两个所述液压缸体上的所述压缩腔连接。 

作为本实用新型的一种改进，本实用新型的两缸四冲程液压自由活塞发动机还包括供油蓄能器、第一液控单向阀以及第二液控单向阀，每个所述液压缸体上的所述压缩腔都与一个所述第一液控单向阀的出口连接，每个所述液压缸体上的所述泵腔都与一个所述第二液控单向阀的出口连接，各个所述第一液控单向阀和所述第二液控单向阀的入口都与所述供油蓄能器连接，所述供油蓄能器同时与负载连接。 

作为本实用新型的一种改进，本实用新型的两缸四冲程液压自由活塞发动机还包括负载蓄能器、泵油单向阀以及第一换向阀，每个所述液压缸体上的所述泵腔都与一个所述泵油单向阀的入口连接，每个所述液压缸体上的所述平衡腔都与一个所述第一换向阀的入口连接，各个所述泵油单向阀的出口和所述第一换向阀的出口都与所述负载蓄能器连接，所述负载蓄 能器同时与负载连接。 

作为本实用新型的一种优选，所述第一换向阀为二位三通换向阀。 

作为本实用新型的一种改进，本实用新型的两缸四冲程液压自由活塞发动机还包括控制油路和两个第二换向阀，连接在同一个所述液压缸体上的所述第一液控单向阀和所述第二液控单向阀的控制端与同一个所述第二换向阀的出口连接，两个所述第二换向阀分别与所述控制油路连接。 

作为本实用新型的一种优选，所述第二换向阀为二位二通换向阀。 

作为本实用新型的一种优选，每个所述燃烧腔在与所述动力活塞相对的侧壁上都设置有进气门、排气门以及喷油器。 

采用上述技术方案，本实用新型具有以下有益效果： 

本实用新型的两缸四冲程液压自由活塞发动机的每个液压缸体均通过活塞杆与相应的内燃缸体串联在一起，并通过随动杆将两个活塞杆刚性连接起来，这样当其中一个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，同时该液压缸体的压缩腔流入高压油；另一个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，仅在随动杆的带动下跟随另一活塞杆往复运动，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，进而影响活塞组件的平稳运行，可以提高发动机的运行速度和输出功率。 

附图说明

图1为本实用新型两缸四冲程液压自由活塞发动机的结构连接示意图； 

图2为本实用新型中内燃缸体的结构示意图； 

图3为本实用新型活塞组件的结构示意图。 

图中标示对应如下： 

1-液压缸体；                    2-内燃缸体； 

3-活塞组件；                      4-第一内腔； 

5-第二内腔；                      6-燃烧腔； 

7-活塞杆；                        8-随动杆； 

9-动力活塞；                      10-进气门； 

11-排气门；                       12-喷油器； 

13-液压活塞；                     14-压缩活塞； 

15-平衡腔；                       16-泵腔； 

17-压缩腔；                       18-压缩蓄能器； 

19-频率控制阀；                   20-选择换向阀； 

21-供油蓄能器；                   22-第一液控单向阀； 

23-第二液控单向阀；               24-负载蓄能器； 

25-泵油单向阀；                   26-第一换向阀； 

27-控制油路；                     28-第二换向阀。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的说明。 

如图1所示，本实施例提供的两缸四冲程液压自由活塞发动机，包括液压缸体1、内燃缸体2以及活塞组件3，液压缸体1和内燃缸体2各有两个，每个液压缸体1分别与一个内燃缸体2相对应，且两个液压缸体1和两个内燃缸体2分别并列放置，在本实施例中，两个液压缸体1之间相互平齐放置，两个内燃缸体2之间也相互平齐放置，相对应的液压缸体1和内燃缸体2排列在同一直线上，液压缸体1和内燃缸体2的相对位置是固定的，本领域的技术人员可以采用常规的方式将液压缸体1和内燃缸体2固定连接在一起，这并非本实用新型的重点，此处不再详述。 

如图2所示，液压缸体1具有相互连通的第一内腔4和第二内腔5，第一内腔4和第二内腔5的截面最好为圆形，且第二内腔5的直径最好小于第一内腔4的直径；如图1所示，内燃缸体2具有燃烧腔6；如图3所示，活塞组件3包括两个平行设置且端面平齐的活塞杆7以及用于固定连接两 个活塞杆7的随动杆8，两个活塞杆7和随动杆8连接后呈“H”形。 

如图1和图3所示，同一个活塞杆7的两端分别安装在液压缸体1和与该液压缸体1相对应的内燃缸体2内，且每个活塞杆7的一端设置有与燃烧腔6配合的动力活塞9，同时每个燃烧腔6在与动力活塞9相对的侧壁上都设置有进气门10、排气门11以及喷油器12，进气门10、排气门11以及喷油器12都是发动机上常规气孔或零部件，将进气门10、排气门11以及喷油器12设置在动力活塞相对的侧壁上可以实现直流扫气，提高内燃机的扫气效率；活塞杆7的另一端设置有分别与第一内腔4和第二内腔5配合的液压活塞13和压缩活塞14，液压活塞13将第一内腔4分隔为平衡腔15和泵腔16，压缩活塞14占据第二内腔5部分空间并将第二内腔5分隔形成压缩腔17。 

本实施例中两个液压缸体1的压缩腔17、泵腔16和平衡腔15可以按照常规的连接方式组成两套独立的液压系统，但这样形成的两缸四冲程液压自由活塞发动机体积较大，使用不够方便，本实施例提供了一种新型的液压系统连接方式，使得两个液压缸体1可以与同一个压缩蓄能器、负载蓄能器和/或供油蓄能器连接，有效减小两缸四冲程液压自由活塞发动机的体积。 

如图1所示，本实施例的两缸四冲程液压自由活塞发动机还包括压缩蓄能器18、频率控制阀19以及选择换向阀20，当然，本实施例的两缸四冲程液压自由活塞发动机还需要有控制系统，在本实施例中控制系统采用现有自由活塞发动机采用的控制系统，其频率控制阀19、选择换向阀20等元件及下文提及的各控制元件的连接方式都是常规的连接方式，此处及下文都不再详述。 

频率控制阀19和选择换向阀20可以是常规的频率控制阀和选择换向阀。压缩蓄能器18与频率控制阀19的入口连接，频率控制阀的19出口与选择换向阀20的入口连接，选择换向阀20具有两个出口，分别与两个液压缸体1上的压缩腔17连接。这样两个液压缸体1可以共用一个压缩蓄能器18。 

本实施例的两缸四冲程液压自由活塞发动机还包括供油蓄能器21、第一液控单向阀22以及第二液控单向阀23，第一液控单向阀22和第二液控单向阀23都是常规的液控单向阀，都具有一个入口、一个出口以及一个控制端，当未向控制端提供压力油时，该液控单向阀正常工作，当向控制端提供压力油时，流经液控单向阀的油液可以反向流动。 

每个液压缸体1上的压缩腔17都与一个第一液控单向阀22的出口连接，即第一液控单向阀22有两个；每个液压缸体1上的泵腔16都与一个第二液控单向阀23的出口连接，即第二液控单向阀也有两个；各个第一液控单向阀22和第二液控单向阀23的入口都与所述供油蓄能器21连接，供油蓄能器21同时与负载连接。这样两个液压缸体1可以共用一个供油蓄能器21。 

为了更为高效的对第一液控单向阀和第二液控单向阀进行控制，本实施例中还设置有控制油路27和两个第二换向阀28，第二换向阀28优选为二位二通换向阀。连接在同一个液压缸体1上的第一液控单向阀22和第二液控单向阀23的控制端与同一个第二换向阀28的出口连接，两个第二换向阀28分别与控制油路27连接。 

本实施例的两缸四冲程液压自由活塞发动机还包括负载蓄能器24、泵油单向阀25以及第一换向阀26，第一换向阀26优选为二位三通换向阀。每个液压缸体1上的泵腔16都与一个泵油单向阀25的入口连接，即泵油单向阀25有两个；每个液压缸体1上的平衡腔15都与一个第一换向阀26的入口连接，即第一换向阀26也有两个；各个泵油单向阀25的出口和第一换向阀26的出口都与负载蓄能器24连接，负载蓄能器24同时与负载连接，即负载连接在负载蓄能器24和供油蓄能器21之间，且负载还可以通过负载蓄能器24与泵腔16之间的连接管道与泵腔16连接，此外，第一换向阀26有一个出口与油箱连接。这样，两个液压缸体1可以共用一个负载蓄能器24。 

下面根据本实施例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两缸四冲程液压自由活塞发动机的使用做进一步说明。 

(1)压缩冲程阶段： 

首先往供油蓄能器21、负载蓄能器24和压缩蓄能器18注油，使得供油蓄能器21、负载蓄能器24和压缩蓄能器18都达到工作所要求的压力，该压力可以根据实际需要预先设置，同时，活塞组件3必须往压缩腔17方向移动至极限位置，并以该位置为活塞组件3的下止点位置，同样的，当活塞组件3往燃烧腔6方向移动至极限位置时，该位置为活塞组件3的上止点位置。 

假设其中一个内燃缸体2的燃烧腔6处于压缩、膨胀工作状态，为了表述方便，下文将该内燃缸体2及其相对应的液压缸体1称为第一组系统；另一个内燃缸体2的燃烧腔6处于排气、吸气工作状态，为了表述方便，下文将该内燃缸体2及其相对应的液压缸体1称为第二组系统。 

此时第一组系统的燃烧腔6上的排气门11和进气门10都处于关闭状态，而第二组系统的燃烧腔6上的排气门11处于打开状态，进气门10处于关闭状态。当两缸四冲程液压自由活塞发动机开始工作时，控制系统发出控制信号，使频率控制阀19和与第二组系统连接的第一换向阀26通电，而与第二组系统连接的第二换向阀28、选择换向阀20、与第一组系统连接的第一换向阀26和与第一组系统连接的第二换向阀28不通电，这样，压缩蓄能器18通过频率控制阀19和选择换向阀20与第一组系统的压缩腔17连通，压缩蓄能器18中的液压油经过频率控制阀19和选择换向阀20进入第一组系统的压缩腔17中，推动活塞组件3向上止点位置运动。 

由于活塞组件3向上止点运动，两个泵腔16内的压力都会减小，因此两个泵腔16都会通过与之连接第二液控单向阀23从供油蓄能器21中汲取液压油，第一组系统的压缩腔17通过与之连接的第一液控单向阀22从供油蓄能器21中汲取液压油，第一组系统的平衡腔15中的液压油经过相应的第一换向阀26进入负载蓄能器24和负载中，而第二组系统的平衡腔15中的液压油在活塞组件3的作用下经过相应的第一换向阀26流回油箱。 

在这个过程中，第一组系统的燃烧腔6内的新鲜空气被压缩，第二组系统的燃烧腔6内的废气通过相应的排气门11排出。此时与第一组系统配 合的活塞杆7设置有压缩活塞14的一端受到压缩腔12中高压油的作用，另一端受到燃烧腔6中压缩气体的作用；而与第二组系统配合的活塞杆7两端所受到的液压力和气体阻力都相对较小，主要通过活塞随动杆8带动进行运动。当活塞组件3运动到上止点位置附近时，压缩冲程结束。 

(2)膨胀冲程阶段： 

当活塞组件3运动到上止点位置附近时，安装在第一组系统上的喷油器12向相应的燃烧腔6内喷入适量燃油，喷人的燃油数量可以根据实际需要确定。燃油燃烧释放的热量推动活塞组件3向下止点运动。此时安装在第一组系统燃烧腔6的进气门10和排气门11仍然处于关闭状态，安装在第二组系统燃烧腔6的进气门10处于打开状态，排气门处于关闭状态。 

第一组系统的压缩腔17内的液压油通过选择换向阀20进入频率控制阀19回到压缩蓄能器18中；第一组系统的泵腔16内的液压油经过相应的泵油单向阀25流入到负载蓄能器24和负载中，其中一部分流入第一组系统的平衡腔15中进行补油；同时控制系统发出控制信号使与第二组系统连接的第二换向阀28通电，将相应的第一液控单向阀22和第二液控单向阀23与控制油路27连通，控制油路27的压力油经过该第二换向阀28进入第一液控单向阀22和第二液控单向阀23的控制端，使得这两个单向阀可以反向导通，这样第二组系统的压缩腔17和泵腔16内的液压油经相应的液控单向阀流回到供油蓄能器21中，第二组系统的平衡腔15则通过相应的第一换向阀26从油箱中吸油。 

此时第一组系统的燃烧腔6内由于燃料燃烧而产生的较高压力作用在相应的活塞杆7设置有动力活塞9的一端，该活塞杆7的另一端承受泵腔16和压缩腔17内的高压油的作用力；而另一个活塞杆7的两端承受的气体压力和液压力仍然相对较小，仍然通过随动杆8带动完成膨胀冲程。 

当活塞组件3回到下止点位置后，液压自由活塞发动机完成一个工作循环，此时频率控制阀19断电，压缩蓄能器18不对外输出压力油，活塞组件3在下止点位置停留。 

(3)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，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，在此过程中，各个工作腔内的压力情况如下表所示： 

本实施例两缸四冲程液压自由活塞发动机的活塞组件3的受力主要集中在两根活塞杆7的轴向上，几乎没有与活塞杆7的轴向垂直的侧向力，因此不会产生扭转力矩，活塞组件3运转平稳，不会出现卡死等现象，可以有效提高活塞组件3的运动平稳性和输出效率。 

上面结合附图对本实用新型做了详细的说明，但是本实用新型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实用新型做出各种变形，如在本实施例的基础上增加液压缸体1和与液压缸体1相对应的内燃缸体2的数量等，这些都属于本实用新型的保护范围。 

Claims (8)

1.一种两缸四冲程液压自由活塞发动机，包括液压缸体、内燃缸体以及活塞组件，其特征在于，所述液压缸体和所述内燃缸体各有两个，每个所述液压缸体分别与一个所述内燃缸体相对应，且两个所述液压缸体和两个所述内燃缸体分别并列放置，所述内燃缸体具有燃烧腔，所述液压缸体具有相互连通的第一内腔和第二内腔，所述活塞组件包括两个平行设置且端面平齐的活塞杆以及用于固定连接两个所述活塞杆的随动杆，同一个所述活塞杆的两端分别安装在所述液压缸体和与该液压缸体相对应的内燃缸体内，且每个所述活塞杆的一端设置有与所述燃烧腔配合的动力活塞，另一端设置有分别与所述第一内腔和所述第二内腔配合的液压活塞和压缩活塞，所述液压活塞将所述第一内腔分隔为平衡腔和泵腔，所述压缩活塞占据所述第二内腔部分空间并在所述第二内腔内分隔形成压缩腔。

2.如权利要求1所述的两缸四冲程液压自由活塞发动机，其特征在于，还包括压缩蓄能器、频率控制阀以及选择换向阀，所述压缩蓄能器与所述频率控制阀的入口连接，所述频率控制阀的出口与所述选择换向阀的入口连接，所述选择换向阀的两个出口分别与两个所述液压缸体上的所述压缩腔连接。

3.如权利要求1或2所述的两缸四冲程液压自由活塞发动机，其特征在于，还包括供油蓄能器、第一液控单向阀以及第二液控单向阀，每个所述液压缸体上的所述压缩腔都与一个所述第一液控单向阀的出口连接，每个所述液压缸体上的所述泵腔都与一个所述第二液控单向阀的出口连接，各个所述第一液控单向阀和所述第二液控单向阀的入口都与所述供油蓄能器连接，所述供油蓄能器同时与负载连接。

4.如权利要求3所述的两缸四冲程液压自由活塞发动机，其特征在于，还包括负载蓄能器、泵油单向阀以及第一换向阀，每个所述液压缸体上的所述泵腔都与一个所述泵油单向阀的入口连接，每个所述液压缸体上的所述平衡腔都与一个所述第一换向阀的入口连接，各个所述泵油单向阀的出口和所述第一换向阀的出口都与所述负载蓄能器连接，所述负载蓄能器同时与负载连接。

5.如权利要求4所述的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。

6.如权利要求3所述的两缸四冲程液压自由活塞发动机，其特征在于，还包括控制油路和两个第二换向阀，连接在同一个所述液压缸体上的所述第一液控单向阀和所述第二液控单向阀的控制端与同一个所述第二换向阀的出口连接，两个所述第二换向阀分别与所述控制油路连接。

7.如权利要求6所述的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。

8.如权利要求1、2、4、5、6或7中任一权利要求所述的两缸四冲程液压自由活塞发动机，其特征在于，每个所述燃烧腔在与所述动力活塞相对的侧壁上都设置有进气门、排气门以及喷油器。