可减小泵流量脉动的单活塞式液压自由活塞发动机

摘要

本发明公开一种可减小泵流量脉动的单活塞式液压自由活塞发动机，其两个动力活塞分别置两缸直列式气缸体的两个气缸体内且与活塞杆固定联接，两个动力活塞端面处于同一竖直面；液压泵活塞和压缩活塞置液压缸体内且与活塞杆固定联接，液压泵活塞外径大于压缩活塞，液压泵活塞和压缩活塞将液压缸体分隔成第一液压泵腔、第二液压泵腔和压缩腔，第二液压泵腔由工作腔和背压腔组成，工作腔内径与液压泵活塞外径匹配，背压腔内径与压缩活塞外径匹配；高压蓄能器通过单向阀经工作腔第一泵油口与工作腔连通，流量调节阀第一个油口经第一液压泵腔第二泵油口与第一液压泵腔连通，流量调节阀第二个油口与高压蓄能器连通，流量调节阀第三个油口与低压油箱连通。

说明书

技术领域

本发明涉及活塞式发动机，尤其是涉及一种可减小泵流量脉动的单活塞式液压自由活塞发动机。

背景技术

随着人们节能和环保意识的加强，对内燃机的性能要求日渐增高；具有可以变压缩比的液压自由活塞发动机由于可以燃烧多种替代燃料，并且可以根据负载工况选择最佳的压缩比，使发动机处于最佳燃料经济点或最低排放点或者两者的折中点，从而提高了燃料经济性及降低了排放污染。因此液压自由活塞发动机被誉为“行走机械有希望的动力之星”。

单活塞式液压自由活塞发动机的液压泵部分是一个阀配流式柱塞泵，柱塞在泵腔往复运动一次完成一次吸油和泵油过程。因此每个柱塞腔的输出流量是不连续的，即存在流量脉动。传统的柱塞泵可以通过设置多个柱塞来降低流量脉动，但是对于液压自由活塞发动机而言，增加柱塞个数即相当于增加发动机单元，增加了结构的复杂性。因此寻求外部的方法是减小液压自由活塞发动机输出流量脉动的最佳方法。单活塞式液压自由活塞发动机可以通过调整自由活塞组件在止点的停留时间来调整泵的输出流量；或者通过将液压泵腔分成多个单独的泵油腔，通过选择其中的一个、几个或全部来调整输出的流量。但是通过停留时间来调节流量会造成泵的输出流量脉动增大，为了减小流量脉动对负载的影响，一般需要选择较大容积的蓄能器，增加了系统的重量和所占用的空间，降低了发动机的功率重量比；将液压泵腔分成几个单独的小腔，则增加了系统结构的复杂性和控制的复杂性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可减小泵流量脉动的单活塞式液压自由活塞发动机，该发动机的输出流量范围宽、流量脉动率小，结构简单。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：该可减小泵流量脉动的单活塞式液压自由活塞发动机主要包括自由活塞组件、液压缸体、两缸直列式气缸体、高压蓄能器、流量调节阀和低压油箱，所述两缸直列式气缸体为两缸四冲程气缸体，所述自由活塞组件包括第一动力活塞、第二动力活塞、液压泵活塞、压缩活塞和活塞杆；第一动力活塞和第二动力活塞相应地分别置于两缸直列式气缸体的两个气缸体内且第一动力活塞和第二动力活塞的端面处于同一竖直面，第一动力活塞和第二动力活塞与活塞杆固定联接；所述液压泵活塞和压缩活塞置于液压缸体内，液压泵活塞的外径大于压缩活塞的外径，液压泵活塞和压缩活塞分别与活塞杆固定联接，液压泵活塞和压缩活塞将液压缸体依次分隔形成第一液压泵腔、第二液压泵腔和压缩腔，第二液压泵腔由工作腔和背压腔组成，工作腔的内径与液压泵活塞的外径相匹配，背压腔的内径与压缩活塞的外径相匹配，液压缸体在工作腔的工作区域开有第一泵油口，液压缸体在第一液压泵腔的工作区域开有第二泵油口；高压蓄能器通过单向阀经第一泵油口与工作腔连通，流量调节阀的第一个油口经第二泵油口与第一液压泵腔连通，流量调节阀的第二个油口与高压蓄能器的进油口连通，流量调节阀的第三个油口与低压油箱连通。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：该液压自由活塞发动机在原结构的基础上仅增加一个流量控制阀，即可以适应负载在不同流量下的工作要求，并降低泵的流量脉动。该流量控制阀根据工作需要可以是手动换向阀、电磁换向阀或数字换向阀等具有两个工作位置的换向阀，在负载流量不经常变化的情况下，可以选择手动阀，而在负载流量变化较频繁的情况下则优先选用数字换向阀和电磁换向阀等响应速度快的换向阀。切换流量控制阀的工作位置，使第一液压泵腔根据工作需要与低压油箱连通或者与高压蓄能器连通，从而改变第一液压泵腔和第二液压泵腔中液压油的工作状态以及自由活塞组件的运行速度，调节液压泵的输出流量，并能减小泵的流量脉动。该结构不改变原有发动机结构，仅根据工作需要增加一个合适的换向阀既可以实现输出流量的快速调节并能在很大程度上减小泵的流量脉动，保证负载的稳定运行，并可以减小所用蓄能器的容积，减小安装空间和重量，提高发动机的功率重量比。可用于工程机械、城市交通车辆等经常处于启停、升降等工况下的动力装置中作为驱动装置，可在启动加速和上升过程中输出大流量，而在停止减速或下降过程中输出小流量甚至是回收系统制动所产生的能量，提高能量的利用率。

附图说明

图1是本发明发动机的小流量工况压缩冲程工作原理示意图。

图2是本发明发动机的小流量工况膨胀做功冲程工作原理示意图。

图3是本发明发动机的小流量工况下泵输出的流量脉动示意图，

a.表示传统结构的泵输出流量；b表示本发明中小流量工况下的泵输出流量。

图4是本发明发动机的大流量工况压缩冲程工作原理示意图。

图5是本发明发动机的大流量工况膨胀做功冲程工作原理示意图。

图6是本发明发动机的大流量工况下泵输出的流量脉动示意图，

a.表示传统结构的泵输出流量；c表示本发明中大流量工况下的泵输出流量。

图中：1.第一燃烧腔，2.第一动力活塞，3.流量控制阀，4.单向阀，5.高压蓄能器，6.压缩活塞，7.压缩蓄能器，8.频率控制阀，9.压缩腔，10.供油蓄能器，11.工作腔，12.液压泵活塞，13.第一液压泵腔，14.液压缸体，15.活塞杆，16.第二动力活塞，17.第二燃烧腔，18.背压腔，19.第一泵油口，20.第二泵油口，21.低压油箱，22.单向阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的说明。

如附图1、图2、图4、图5所示，本发明包括液压缸体14、两缸直列式气缸体、高压蓄能器5、流量调节阀3、低压油箱21，以及由第一动力活塞2、第二动力活塞16、压缩活塞6、液压泵活塞12和活塞杆15组成的自由活塞组件。其中，两缸直列式气缸体为两缸四冲程气缸体；第一动力活塞2和第二动力活塞16相应地分别置于两缸直列式气缸体的两个气缸体内且第一动力活塞2和第二动力活塞16的端面处于同一竖直面，第一动力活塞2和第二动力活塞16与活塞杆15固定联接；液压泵活塞12和压缩活塞6置于液压缸体14内，液压泵活塞12的外径大于压缩活塞6的外径，液压泵活塞12和压缩活塞6分别与活塞杆15固定联接。液压泵活塞12和压缩活塞6将液压缸体14依次分隔形成第一液压泵腔13、第二液压泵腔和压缩腔9。第二液压泵腔由工作腔11和背压腔18组成，工作腔11的内径与液压泵活塞12的外径相匹配，背压腔18的内径与压缩活塞6的外径相匹配，由于压缩活塞6的外径比液压泵活塞12的外径小，因此在自由活塞组件往复运动时使工作腔与背压腔的容积变大或减小，从而使工作腔完成液压泵的吸油和泵油过程。液压缸体14在工作腔11的工作区域开有第一泵油口19，液压缸体14在在第一液压泵腔13的工作区域开有第二泵油口20；第二液压泵腔的工作腔11的一侧通过第一泵油口19、单向阀4与高压蓄能器5连通，另一侧通过单向阀22与供油蓄能器10连通。流量调节阀3的第一个油口经第二泵油口20与第一液压泵腔13连通，流量调节阀3的第二个油口与高压蓄能器5的进油口连通，流量调节阀3的第三个油口与低压油箱21连通。液压泵活塞12的右侧通过活塞杆15与压缩活塞6相连。压缩活塞6的右侧是压缩腔9，压缩腔9的一侧通过单向阀和频率控制阀8与压缩蓄能器7连通，另一侧通过单向阀与供油蓄能器10连通。负载连接在供油蓄能器10与高压蓄能器5之间。

本发明中的发动机工作时，如图1和图2所示，当负载所需要的流量较小时，使液压自由活塞发动机工作于PPM(Pulse Pause Modulation)方式下，即自由活塞组件往复运动一个周期回到起点并停留所预定的时间，然后再进行下一个工作循环。在这种情况下，使第一液压泵腔13通过第二泵油口20、流量控制阀3的第一个油口和第二个油口与高压蓄能器5连通。自由活塞组件往复运动一个循环回到起点时，由于油液的可压缩性，使得要在起点位置停留的自由活塞组件受到一个反向作用力促使自由活塞组件反向运动，直到自由活塞组件达到新的受力平衡为止，此时自由活塞组件的停留位置距离起点有一定的距离，这样就会影响下一个工作循环的压缩冲程长度，进而影响发动机的稳定运行。要保持发动机稳定的运行，就需要有足够的力来平衡被压缩液压油的反作用力，使自由活塞组件停留在起点位置。因此此时使第一液压泵腔13通过流量调节阀3的第一个油口和第二个油口与高压蓄能器5连通，则使第一液压泵腔处于高压状态，从而可以达到平衡被压缩液压油反作用力的目的，保证自由活塞组件停留在起点位置。

如图4和图5所示，当负载所需要的流量较大时，液压自由活塞发动机工作于连续工作方式下，即自由活塞组件往复运动一个周期回到起点后，并不停留，而是直接开始下一个工作循环。此时被压缩液压油的反作用力是推动自由活塞组件反向运动的助推力，应该加以利用而不是阻止，因此不需要在第一液压泵腔13设置高压来阻止自由活塞组件的运动。为了提高泵的输出流量应该提高自由活塞组件的运行速度以缩短运行时间，因此降低自由活塞组件运动的阻力是一种有效的手段。因此使第一液压泵腔13通过第二泵油口20、流量调节阀3的第一个油口和第三个油口与低压油箱21连通，使第一液压泵腔13处于低压状态，降低自由活塞组件的运动阻力以达到提高输出流量和减小流量脉动的目的。

a)小流量压缩冲程

如图1所示，流量控制阀3处于左位，即第一个油口与第二个油口连通，第一液压泵腔13与高压蓄能器5连通，第一液压泵腔13处于高压状态。发动机开始工作时，电控信号使频率控制阀8打开，使压缩蓄能器7中的高压油通过频率控制阀8进入到压缩腔9中，推动压缩活塞6及整个自由活塞组件向左运动；同时第二液压泵腔由于容积扩大产生一定的真空，通过单向阀22从供油蓄能器10中汲取低压油；同时，第一液压泵腔13中的液压油在液压泵活塞12的驱动下，通过第二泵油口20、流量调节阀3的第一歌油口和第二个油口进入高压蓄能器5和负载中，对外输出高压油，由于压缩冲程相对于膨胀做功冲程而言所经历的时间要长，因此流量曲线如图3曲线b所示的峰值较小的一段。由于第一燃烧腔1缸头的进气门和排气门都处于关闭状态，因此第一动力活塞2压缩第一燃烧腔1中的新鲜空气；第二燃烧腔17中的排气门处于打开状态，因此在第二动力活塞16的驱动下，第二燃烧腔17中的废气从排气门中排出。自由活塞组件在压缩蓄能器7的高压油的作用下继续向左运动，直到自由活塞组件运行到规定位置，此时第一燃烧腔1中的喷油器向第一燃烧腔1内喷入雾化柴油。压缩冲程结束。

b)小流量膨胀做功冲程

如图2所示，在膨胀做功冲程中，第一燃烧腔1中进行的是燃烧和膨胀过程，第一燃烧腔1缸头的进气门和排气门仍然处于关闭状态；而第二燃烧腔17缸头的排气门关闭，进气门打开，进行的是吸气冲程。自由活塞组件在第一燃烧腔1中由于柴油燃烧所释放的能量的推动下向右运动，膨胀做功冲程开始。此时第二液压泵腔的工作腔11中的液压油在液压泵活塞12的作用下通过第一泵油口19和单向阀4，一部分进入到高压蓄能器5和负载中，另一部分进入到第一液压泵腔13中，因此降低了第二液压泵腔对外输出流量的峰值，输出的流量曲线如图3的曲线b所示峰值较大的一段；压缩腔9中的液压油在压缩活塞6的作用下流回到压缩蓄能器7中，为下一个压缩冲程做准备。直到自由活塞组件回到起点，膨胀做功冲程结束。

以上两个过程是负载工作于小流量情况下发动机的工作过程。通过比较图3的曲线a和b，曲线a只有一个工作冲程对外输出流量，流量峰值大，平均流量小；而曲线b在两个工作冲程中都有流量输出，流量峰值小，而平均流量大，因此根据泵的流量脉动率的计算公式，曲线b的流量脉动率与曲线a相比明显减小，即该结构在小流量情况下可以达到减小流量脉动的目的。

c)大流量压缩冲程

大流量压缩冲程与小流量压缩冲程工作过程类似，只是此时的流量控制阀3工作于右位，即第一个油口与第三个油口连通，第一液压泵腔13与低压油箱21连通，第一液压泵腔13中的液体流向不同，如图4所示。发动机开始工作时，电控信号使频率控制阀8打开，使压缩蓄能器7中的高压油通过频率控制阀8进入到压缩腔9中，推动压缩活塞6及整个自由活塞组件向左运动；同时第一液压泵腔的工作腔11由于容积扩大产生一定的真空，通过单向阀22从供油蓄能器10中汲取低压油；同时，第一液压泵腔13中的液压油在液压泵活塞12的驱动下，通过第二泵油口、流量调节阀3的第一个油口和第三个油口流回到低压油箱21中。由于第一燃烧腔1缸头的进气门和排气门都处于关闭状态，因此第一动力活塞2压缩第一燃烧腔1中的新鲜空气；第二燃烧腔17中的排气门处于打开状态，因此在第二动力活塞16的驱动下，第二燃烧腔17中的废气从排气门中排出。自由活塞组件在压缩蓄能器7的高压油的作用下继续向左运动，直到自由活塞组件运行到规定位置，此时第一燃烧腔1中的喷油器向第一燃烧腔1内喷入雾化柴油。压缩冲程结束。由于此时第一液压泵腔13没有与高压蓄能器5和负载连通，而与高压蓄能器5和负载链接的第二液压泵腔此时处于吸油冲程，因此此时液压泵的输出流量为零，如图6中曲线c的水平部分所示。

d)大流量膨胀做功冲程

同样，大流量膨胀做功冲程与小流量膨胀做功冲程的工作过程也是类似的，只是此时第二液压泵腔中的液压油的流向不同，如图5所示。在膨胀做功冲程中，第一燃烧腔1中进行的是燃烧和膨胀过程，第一燃烧腔1缸头的进气门和排气门仍然处于关闭状态；而第二燃烧腔17缸头的排气门关闭，进气门打开，进行的是吸气冲程。自由活塞组件在第一燃烧腔1中由于柴油燃烧所释放的能量的推动下向右运动，膨胀做功冲程开始。此时第二液压泵腔的工作腔11中的液压油在液压泵活塞12的作用下通过第一泵油口19、单向阀4进入到高压蓄能器5和负载中，输出的流量曲线如图6中的曲线c所示的水平段后面一部分曲线所示；第一液压泵腔13由于液压泵活塞12的运动而形成部分真空，通过第二泵油口20、流量调节阀3的第一个油口和第三个油口从低压油箱21中汲取低压油；压缩腔9中的液压油在压缩活塞6的作用下流回到压缩蓄能器7中，为下一个压缩冲程做准备。直到自由活塞组件运行到起点，膨胀做功冲程结束。

以上两个过程是负载工作于大流量情况下发动机的工作过程。通过比较图6的曲线a和c，曲线a与c相似，都只有一个工作冲程对外输出流量，具有较大的流量峰值；但是曲线c的频率明显高于曲线a的，因此曲线c具有更大的平均流量；因此根据泵的流量脉动率的计算公式，曲线c的流量脉动率比曲线才的明显减小，即该结构在大流量情况下同样可以达到减小液压泵输出流量脉动的目的。

不论是大流量工况还是小流量工况，经过上述两个压缩和膨胀做功冲程，本发明发动机完成一个工作循环，液压泵吸油——泵油一次。下一个工作循环与上面两个过程类似，只是工作气缸由第一燃烧腔1转变为第二燃烧腔17，并根据工作需要，决定在起点是停留一定的时间还是立即进行下一个工作循环。本发明发动机往复运行即可连续不断的对外输出高压油。