一种无级调速单活塞式液压自由活塞发动机

摘要

本发明公开一种无极调速单活塞式液压自由活塞发动机，属于混合动力技术领域。该液压自由活塞发动机包括高压蓄能器、低压蓄能器、恒功率变压器、控制阀、气缸体、喷油器和活塞组件。气缸体提供活塞组件的安装腔，并由此形成活塞油腔、启动油腔和扫气室。恒功率变压器的端口A与高压蓄能器相连，端口C与低压蓄能器相连，端口B与活塞油腔连通。设置控制阀使该液压自由活塞发动机在启动工况时，高压蓄能器与启动油腔连通；在第一行程和第二行程时，低压蓄能器与启动油腔连通。该发动机通过恒功率变压装置产生的压力变化使得液压能与燃料燃烧热能直接转化，同时通过改变恒功率变压器的端口压力可以实现自由活塞发动机的无极调速。

说明书

技术领域

本发明涉及一种自由活塞发动机，具体涉及一种无级调速单活塞式液压自由 活塞发动机，属于混合动力技术领域。

技术背景

随着全球能源危机和环境恶化问题的日益显现，对发动机的节能和环保性能 的要求也不断提高。同时随着内燃机工业的迅速发展和应用，人们对动力装置的 结构、效率、功率密度以及污染排放有着越来越高的要求。人们一方面致力于对 传统发动机的改进和完善，另一方面孜孜以求新型的动力装置。液压自由活塞发 动机就是在此大背景下发展起来的新型特种内燃机。液压自由活塞发动机是现代 液压技术、微电子技术、控制技术及内燃机技术的综合。液压自由活塞直线发动 机通过蓄能器的供油和燃料的燃烧做功实现活塞的往复运动，工作过程中压缩比 可以灵活调节，具有功率密度高、燃料类型广、排放污染轻等潜在优势。因此液 压自由活塞发动机具有较高的实用价值和较好的发展前景。

在如今关于液压自由活塞发动机研究工作中，其结构的合理性设计和优化也 是其发展的一个重要方向。现有的液压自由活塞直线发动机存在结构不紧凑、加 工工艺性差、控制复杂等不足。目前所存在的对置活塞式和双活塞式的自由活塞 发动机，这两种布置方案中活塞的布置方式均会导致活塞组件的轴向尺寸过大， 使得液压自由活塞发动机结构不紧凑，活塞组件的加工工艺性变差等缺点。

同时，在液压自由活塞发动机发展过程中，提高效率一直是大家追求的目标。 液压自由活塞发动机是一种将燃料燃烧装置和液压装置有机集成为一体实现将燃 料的化学能转化为液压能的装置。如今诸多的关于液压自由活塞发动机发明中， 在能量转换的过程中，机构复杂，转换繁琐，存在诸多损耗，严重降低了液压自 由活塞发动机的效率。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种无级调速单活塞式液压自由活塞发动机，采用 恒功率变压装置，可以缩短能量传递链，简化结构，采用单活塞式结构，使发动 机结构紧凑。同时，可以通过改变恒功率变压器端口的压力，实现发动机无级调 速的功能。

该无级调速单活塞式液压自由活塞发动机包括：高压蓄能器、低压蓄能器、 恒功率变压器、气缸体、喷油器和活塞组件；所述活塞组件包括依次相连的气缸 活塞、活塞连杆和泵活塞；所述恒功率变压器具有三个端口，分别为端口A、端口 B和端口C。

其连接关系为：所述活塞组件位于气缸体腔体内；所述气缸体依据内腔直径 的不同，沿轴向分为三段，分别柱形段A、柱形段B和柱形段C；其中柱形段B的 直径大于柱形段A的直径；所述泵活塞为与所述柱形段的内径匹配的圆盘形结构； 所述气缸活塞为与所述柱形段A的内径匹配的圆盘形结构；所述柱形段C的内腔 通过仅供活塞连杆穿过的隔板分为腔室A和腔室B，所述泵活塞位于腔室B内，将 腔室B分隔为活塞油腔和启动油腔，其中所述启动油腔为所述隔板与泵活塞之间 的腔室；所述柱形段A的内腔为扫气室，在扫气室所对应的内底面上设置有喷油 器和气门；在所述腔室A的圆周面设置有进气单向阀。

所述恒功率变压器的端口A通过油路与高压蓄能器相连，端口C通过油路与 低压蓄能器相连，端口B通过油路与所述活塞油腔连通；

此外，通过设置控制阀使该液压自由活塞发动机在启动工况时，所述高压蓄 能器与启动油腔连通；在第一行程和第二行程时，所述低压蓄能器与启动油腔连 通。

在所述柱形段B内沿其轴向设置有用于对气缸活塞的移动起导向作用导向壁； 在所述导向壁的圆周面上设置有两个以上透气孔。

有益效果：

(1)在该液压自由活塞发动机种采用恒功率变压器，可以缩短能量传递链， 简化发动机的结构，提升发动机效率和可靠性。

(2)可以通过调节恒功率变压器的端口压力来改变活塞组件的运动规律，实 线无级调速，同时可灵活改变发动机的压缩比。

(3)采用单活塞式结构，使发动机整体结构紧凑，能够做成微型发动机，可 广泛应用于微小机器人、车辆等领域。

附图说明

图1为该自由活塞发动机第一种实施例的结构示意图；

图2为该自由活塞发动机的启动工况原理图；

图3为第一行程气缸体内各元件位置图；

图4为第二行程气缸体内各元件位置图；

图5为镂空导向壁的结构示意图；

图6为该自由活塞发动机第二种实施例的结构示意图。

其中：1-高压蓄能器、2-恒功率变压器、3-控制阀A、4-启动油腔、5-进气单 向阀、6-气缸体、7-扫气室、8-气门、9-喷油器、10-气缸活塞、11-导向壁、12-活 塞连杆、13-控制阀B、14-泵活塞、15-活塞油腔、16-低压蓄能器、17-控制阀C

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种无级调速单活塞式液压自由活塞发动机，通过恒功率变压 装置产生的压力变化使得液压能与燃料燃烧热能直接转化，能够解决已有直线发 动结构不紧凑、控制复杂，能量转换机构复杂、热效率低等问题。通过改变恒功 率变压器两端的压力实现活塞的无级调速功能。

实施例1：

该液压自由活塞发动机包括：高压蓄能器1、低压蓄能器16、恒功率变压器2、 控制阀A3、控制阀B13、气缸体6、喷油器9和活塞组件。其中气缸体6为机体， 高压蓄能器1和低压蓄能器16为储能装置，活塞组件包括依次相连的气缸活塞10、 活塞连杆12和泵活塞14。恒功率变压器2具有三个端口，分别为端口A、端口B 和端口C。

其整体连接关系如图1所示，所述气缸体6为中空的柱形结构，提供活塞组 件的安装腔。所述气缸体6依据直径的不同，可沿轴向分为三段，从左至右依次 为柱形段A、柱形段B和柱形段C，其中柱形段B的直径大于柱形段C和柱形段A 的直径。所述泵活塞14为与所述柱形段C的内径匹配的圆盘形结构，所述气缸活 塞10为与所述柱形段A的内径匹配的圆盘形结构。所述柱形段C的内腔通过仅供 活塞连杆12穿过的隔板分为腔室A和腔室B，所述泵活塞14位于腔室B内，将腔 室B分隔为活塞油腔15和启动油腔4，其中启动油腔4为所述隔板与泵活塞14 之间的腔室。所述柱形段A的内腔为扫气室7，在扫气室7所对应的内底面上设置 有喷油器9和气门8。在所述腔室A的圆周面上开孔，并在开孔处设置有进气单向 阀5，进气单向阀5的作用是使新鲜气体充入扫气室7内。在所述柱形段B内沿其 轴向设置有用于对气缸活塞10的移动起导向作用的导向壁11，所述导向壁11上 加工有多个透气孔，从而保证从进气单向阀5进来的新鲜气体能够进入扫气室7 (气体的流动路线为：进气单向阀5-透气孔-导向壁11与柱形段B之间的环形空腔 -透气孔-扫气室)。

所述高压蓄能器1通过两个油路分别与恒功率变压器2的端口A和启动油腔4 相连；在其与启动油腔4相连的油路上设置控制阀A。所述控制阀A为两位一通电 磁阀，当其位于左位时，高压蓄能器1与启动油腔4连通，当其位于右位时，该 油路在控制阀A处截止。所述低压蓄能器16通过两个油路分别与恒功率变压器2 的端口C和活塞油腔15(或启动油腔4)相连；在其与活塞油腔15相连的油路上 设置控制阀B。所述控制阀B为两位两通电磁阀，当其位于上位时，所述低压蓄能 器16与启动油腔4连通；当其位于下位时，所述低压蓄能器16与活塞油腔15连 通。所述恒功率变压器2的端口B直接与活塞油腔15连通。

所述恒功率变压器2的作用是在其端口A和端口B产生不同的压力，使得油 液从端口C流入低压蓄能器16或者将低压蓄能器16中的油液补给高压蓄能器1， 达到减少能量传递链，优化结构，提高热效率的目的。同时，改变恒功率变压器 的端口压力可以实现发动机的无级调速功能。

下面结合图2至图5具体说明该自由活塞发动机的工作原理：

该自由活塞发动机包括内燃机部分和液压部分，其中内燃机部分采用二冲程 柴油机工作原理，直流扫气方式；液压部分为压缩冲程提供能量同时将做功冲程 产生的能量储存至蓄能器。工作过程中，由气缸活塞11、泵活塞14和活塞连杆 12形成的活塞组件做循环往复直线运动。在压缩冲程中，从高压蓄能器1流出的 油液经恒功率变压器2的端口A流入恒功率变压器2，恒功率变压器2端口B的压 力高于端口A，油液分两路，一路从其端口B流入泵活塞油腔15，为内燃机压缩 冲程提供能量，另一路从其端口C流入低压蓄能器16。在做功冲程中，恒功率变 压器2端口A压力降低，泵活塞油腔15的油液与低压蓄能器16的油液在恒功率 变压器2端口A汇流，完成功率输出。在活塞组件运动过程中，令其向右运动至 其最大行程时，气缸活塞10所在位置为其下止点位置，如图3所示位置；令其向 左运动至其最大行程时，气缸活塞10所在位置为其上止点位置，如图4所示位置。

启动前，由于气缸活塞11可位于扫气室7的任意位置，因此需通过启动工况 使气缸活塞10移动至特定位置。如开启启动工况前，活塞组件的位置如图2所示。 先将控制阀A3移至左位，控制阀B13移至下位，同时将恒功率变压器2关闭，此 时高压蓄能器1通过油路与启动油腔4连通，泵活塞油腔15通过油路与低压蓄能 器16连通。高压蓄能器1将高压油液注入启动油腔4，启动油腔4内的高压油液 推动泵活塞14向右移动，即活塞组件向右运移动。在活塞组件向右移动过程中， 泵活塞14将泵活塞油腔15内的油液压入低压蓄能器16中。当气缸活塞10向右 移动至其下止点位置时，启动工况结束。此时活塞组件在气缸体6内的位置如图3 所示。

启动工况结束后，调整控制阀A3位于右位，控制阀B13位于上位，并开启气 门8，如图3所示；发动机进入第一行程，此时低压蓄能器16与启动油腔4连通。 高压蓄能器1向恒功率变压器2的端口A注入高压液压油，其端口A压力小于端 口B压力，又由于恒功率变压器2的功率恒定，使得高压液压油在恒功率变压器2 内分流，一路经过端口C流入低压蓄能器16，一路经过端口B流入泵活塞腔15， 从而推动泵活塞14向左运动，即活塞组件向左运动，使得气缸活塞10从下止点 位置向上止点位置运动。在此过程中，扫气室7内的空气通过气门8向外排出， 外界的新鲜空气通过进气单向阀5进入扫气室7，从而实现换气。在泵活塞14向 左运动的过程中，将启动油腔4内的启动油液经过控制阀14流入低压蓄能器16。 在第一行程中油液的流动路线如图3中的箭头所示。当气缸活塞10向左移动至设 定位置(本实例中当气缸活塞10移动至柱形段A和柱形段B的过渡处)时，关闭 气门8和进气单向阀5，此时扫气室7成为封闭的腔体，进入压缩冲程。在压缩冲 程中，由于气缸活塞10继续向左移动使得扫气室7内的空气被压缩，当气缸活塞 10接近其上止点位置时，启动喷油器9向气体腔内喷射燃油并自行着火燃烧，气 体腔内的压力、温度急剧升高。

当气缸活塞10移动至其上止点位置时，此时活塞组件在气缸体6内的位置如 图4所示。发动机完成第一行程工作，进入第二行程。由于此时扫气室7内为高 温、高压气体，气缸活塞10在高温、高压气体的作用下从左向右运动，即从上止 点位置向下止点位置运动，对外做功，此时为膨胀冲程。在膨胀冲程中，由于启 动油腔4内的压力低，低压蓄能器16向启动油腔4内冲油，泵活塞14将泵活塞 腔15内的高压油液经过恒功率变压器2的端口B输出，由于在膨胀冲程中，恒功 率变压器2端口B的压力远大于其端口A的压力，则在恒功率变压器2内需要低 压蓄能器从端口C补给一定量的油液，则油液在其端口A汇流，对外输出做功。 此时油液的流动方向如图4中的箭头所示。当气缸活塞10向右移动至其2/3行程 时，开启气门8，膨胀冲程结束，排出气体腔内的废气，气缸内压力、温度降低， 使得外部空气通过进气单向阀5进入扫气7和气体腔，实现换气。当气缸活塞10 向右移动至其下止点位置时，第二行程结束，至此完成一个工作循环，实现了将 燃料燃烧的热能通过活塞组件转换成液压能存储在高压蓄能器1中并对外输出做 功。

实施例2：

该液压自由活塞发动机包括：高压蓄能器1、低压蓄能器16、恒功率变压器2、 控制阀C18、气缸体6、喷油器9和活塞组件。其中气缸体6为机体，高压蓄能器 1和低压蓄能器16为储能装置，活塞组件包括依次相连的气缸活塞10、活塞连杆 12和泵活塞14。恒功率变压器2具有三个端口，分别为端口A、端口B和端口C。

其整体连接关系如图2所示，所述气缸体6为中空的柱形结构，提供活塞组 件的安装腔。所述气缸体6依据直径的不同，可沿轴向分为三段，从左至右依次 为柱形段A、柱形段B和柱形段C，其中柱形段B的直径大于柱形段C和柱形段A 的直径。所述泵活塞14为与所述柱形段C的内径匹配的圆盘形结构，所述气缸活 塞10为与所述柱形段A的内径匹配的圆盘形结构。所述柱形段C的内腔通过仅供 活塞连杆12穿过的隔板分为腔室A和腔室B，所述泵活塞14位于腔室B内，将腔 室B分隔为活塞油腔15和启动油腔4，其中启动油腔4为所述隔板与泵活塞14 之间的腔室。所述柱形段A的内腔为扫气室7，在扫气室7所对应的内底面上设置 有喷油器9和气门8。在所述腔室A的圆周面上开孔，并在开孔处设置有进气单向 阀5，进气单向阀5的作用是使新鲜气体充入扫气室7内。在所述柱形段B内沿其 轴向设置有用于对气缸活塞10的移动起导向作用的导向壁11，所述导向壁11上 加工有多个透气孔。

所述高压蓄能器1通过两个油路分别与恒功率变压器2的端口A和启动油腔4 相连；在其与启动油腔4相连的油路上设置控制阀C17。所述控制阀C17为两位两 通电磁阀，当其位于左位时，高压蓄能器1与启动油腔4连通，当其位于右位时， 低压蓄能器16与启动油腔4连通。所述低压蓄能器16通过油路与恒功率变压器2 的端口C相连；恒功率变压器2的端口B直接与活塞油腔15连通。

上述实施例2为实施例1的改进型方案，相对于实施例1省去了一个控制阀， 简化了操作，其工作原理及过程与实施例1相同。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护 范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均 应包含在本发明的保护范围之内。