液压自由活塞发动机能量回收装置及能量回收方法

摘要

本发明涉及液压自由活塞发动机能量回收装置及能量回收方法，目的是提供一种液压自由活塞发动机能量回收装置及能量回收方法，以及使用上述能量回收装置的液压自由活塞发动机及驱动方法。液压自由活塞发动机能量回收装置包括：在第一柱塞下止点处安置的第二柱塞、第二柱塞套、弹簧、第六液压通道、第七液压通道、第五单向阀、第六单向阀；本发明相对于现有技术的优点在于：实现多余的能量回收，提高发动机的输出功率。

说明书

技术领域：

本发明涉及自由活塞发动机，进一步涉及液压自由活塞发动机能量回收装置及能量回收方法。

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，液压自由活塞发动机运行存在的问题之一是：活塞在下止点易发生碰撞反弹现象，导致下止点不一致。

发明内容：

本发明的目的是提供一种液压自由活塞发动机能量回收装置及能量回收方法，以及使用上述能量回收装置的液压自由活塞发动机及驱动方法。具体技术方案如下：

液压自由活塞发动机能量回收装置，所述液压自由活塞发动机，包括：对称布置的一对活塞、与每个活塞连接的第一柱塞以及与第一柱塞相连的液压油路，与第一柱塞配合的第一柱塞套、第一柱塞外端面201、第一柱塞内端面202，位于第一柱塞套上的第一通孔101，所述液压油路分为高压油路和低压油路；所述能量回收装置包括：在第一柱塞下止点处安置的第二柱塞、第二柱塞套、弹簧、第六液压通道115、第七液压通道116、第五单向阀117、第六单向阀118；

所述第六液压通道通过第五单向阀117和第二电磁阀3与发动机的低压油路相连；

所述第七液压通道通过第六单向阀118与发动机的高压油路相连。

作为优选方案之一，所述第六液压通道、所述第五第五单向阀均位于第二柱塞腔外。

作为优选方案之二，所述第六液压通道、所述第五第五单向阀均位于第二柱塞的柱塞段内，从第二柱塞的回油腔向第二柱塞的柱塞腔单向连通。

在上述能量回收装置上实现的液压自由活塞发动机能量回收方法，过程如下：

当活塞下行到下止点时，第一柱塞的外端面碰撞第二柱塞的内端面，推动第二柱塞腔内的液压油通过第七液压通道进入高压系统，进而将活塞的动能吸收；

当活塞向上止点运动的过程中，由于能量回收装置中弹簧的作用，第二活塞向上止点方向滑动，直到能量回收活塞恢复到初始位置；压差的作用下，第五单向阀打开，液压油通过第六液压通道流入第二活塞的柱塞腔。

包括上述能量回收装置的液压自由活塞发动机，还包括：

位于第一柱塞套上的第二通孔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；

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第一柱塞外端面；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。

上述对置式液压自由活塞发动机的优选方案之一，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，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。

上述对置式液压自由活塞发动机的进一步优选方案之一，所述定容阀一端与第二通孔连接，另一端与高压油路连接；上述对置式液压自由活塞发动机的进一步优选方案之二，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。

上述对置式液压自由活塞发动机的优选方案之二，所述定量供油装置为蓄能器。

上述对置式液压自由活塞发动机的优选方案之三，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。

在上述能量回收装置上实现的液压自由活塞发动机能量回收方法，过程如下：

当活塞下行到下止点时，第一柱塞的外端面碰撞第二柱塞的内端面，推动第二柱塞腔内的液压油通过第七液压通道进入高压系统，进而将活塞的动能吸收；

当活塞向上止点运动的过程中，由于能量回收装置中弹簧的作用，第二活塞向上止点方向滑动，直到能量回收活塞恢复到初始位置；压差的作用下，第五单向阀打开，液压油通过第六液压通道流入第二活塞的柱塞腔。

在上述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；第二活塞向上止点方向滑动，第二柱塞在弹簧的作用下，回到初始位置；在压差的作用下，第五单向阀打开，液压油通过第六液压通道流入第二活塞的柱塞腔；

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，第一柱塞腔内液压油压力上升；当活塞下行到下止点时，第一柱塞的外端面碰撞第二柱塞的内端面，推动第二柱塞腔内的液压油通过第七液压通道进入高压系统，进而将活塞的动能吸收；

步骤6：高压油路驱动液压能输出装置。

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。

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；

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。

本发明相对于现有技术的优点在于：

(一)当活塞带动第一柱塞运行到下止点时，剩余的动能撞击第二柱塞，第二柱塞较小的移动，便可以将第二柱塞腔内的液压油推入高压油路，实现多余的能量回收，提高发动机的输出功率；同时，避免活塞在下止点发生碰撞反弹现象，有利于提高活塞运行过程中下止点的一致性。

(二)在液压自由活塞发动机的技术方案中，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中使用了本发明能量回收装置的液压自由活塞发动机结构示意图；图中，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，11、11'代表第二液压通道，12、12'代表第三液压通道，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，115、115'代表第六液压通道，116、116'代表第七液压通道，117、117'代表第五单向阀，118、118'代表第六单向阀。

图2为本发明实施例3中使用了本发明能量回收装置的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，115、115'代表第六液压通道，116、116'代表第七液压通道，117、117'代表第五单向阀，118、118'代表第六单向阀。

图3为本发明实施例6中使用了本发明能量回收装置的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、29'代表位移传感器，30、30'代表第三蓄能器，31、31'代表第五电磁阀，115、115'代表第六液压通道，116、116'代表第七液压通道，117、117'代表第五单向阀，118、118'代表第六单向阀。

图4为本发明实施例4中使用了本发明能量回收装置的液压自由活塞发动机控制系统示意图；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，115、115'代表第六液压通道，116、116'代表第七液压通道，117、117'代表第五单向阀，118、118'代表第六单向阀。

图5为第一柱塞结构示意图，图中，201代表柱塞外端面、202代表柱塞内端面。

图6为实施例2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7为实施例3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：

液压自由活塞发动机，包括：对称布置的一对活塞、与每个活塞连接的第一柱塞以及与第一柱塞相连的液压油路，与第一柱塞配合的第一柱塞套、第一柱塞外端面、第一柱塞内端面，位于第一柱塞套上的第一通孔101、第二电磁阀3、第二单向阀4、第三单向阀5、第六单向阀118、第三电磁阀7、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；能量回收装置；

所述液压油路分为高压油路和低压油路，包括：第二液压通道11、第三液压通道12、第五液压通道14、第六液压通道115、第七液压通道116；

所述第六液压通道通过第五单向阀和第二电磁阀与发动机的低压油路相连；所述第七液压通道通过第六单向阀与发动机的高压油路相连。

在上述能量回收装置上实现的液压自由活塞发动机能量回收方法，过程如下：

压缩行程为：打开电磁阀7，活塞上行，当活塞具有运行到上止点的动能后，关闭电磁阀7，柱塞腔压力降低，单向阀4开启，液压油从低压级液压系统进入柱塞腔，此时，燃烧室内到达混合气燃烧条件，混合气燃烧推动活塞做功。

膨胀行程为：活塞推动柱塞下行，当活塞下行到下止点时，第一柱塞的外端面碰撞第二柱塞的内端面，推动第二柱塞腔内的液压油通过第七液压通道进入高压系统，进而将活塞的动能吸收；当活塞向上止点运动的过程中，由于能量回收装置中弹簧的作用，第二活塞向上止点方向滑动，直到能量回收活塞恢复到初始位置；压差的作用下，第五单向阀打开，液压油通过第六液压通道流入第二活塞的柱塞腔。

实施例2：

液压自由活塞发动机，包括：对称布置的一对活塞、与每个活塞连接的第一柱塞以及与第一柱塞相连的液压油路，与第一柱塞配合的第一柱塞套、第一柱塞外端面、第一柱塞内端面，位于第一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；能量回收装置；

所述液压油路分为高压油路和低压油路，包括：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、第六液压通道115、第七液压通道116；

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，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；由于阀塞左右的移动距离固定，因此，充油与供油量固定；

所述能量回收装置包括：在第一柱塞下止点处安置的第二柱塞、第二柱塞套、弹簧、第六液压通道115、第七液压通道116、第五单向阀117、第六单向阀116；

所述第二柱塞分为二段：与第一柱塞共用柱塞套的回油段、与第二柱塞套配合且直径大于回油腔段的柱塞段；

所述第六液压通道通过单向阀117和第二电磁阀3与发动机的低压油路相连；

所述第七液压通道通过单向阀118与发动机的高压油路相连。

所述第六液压通道、所述第五单向阀均位于第二柱塞腔外。

所述液压能输出装置为液压马达，其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第一柱塞外端面；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，第二柱塞在弹簧的作用下，回到初始位置；

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，第一柱塞腔内液压油压力上升；当活塞下行到下止点时，第一柱塞碰撞第二柱塞，推动第二柱塞腔内的液压油高压油路，进而将活塞的动能吸收；

步骤6：高压油路驱动液压马达。

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；

当活塞向上止点运动的过程中，由于能量回收装置中弹簧的作用，第二活塞向上止点方向滑动，直到能量回收活塞恢复到初始位置；压差的作用下，第五单向阀打开，液压油通过第六液压通道流入第二活塞的柱塞腔。

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；当活塞下行到下止点时，第一柱塞的外端面碰撞第二柱塞的内端面，推动第二柱塞腔内的液压油通过第七液压通道进入高压系统，进而将活塞的动能吸收；实现活塞的动能转化为液压能。

实施例3：

在本实施例中，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4：

在本实施例中，所述定量供油装置6为第三蓄能器30；其它部分与实施例1相同。

实施例5：

在本实施例中，所述第六液压通道、所述第五单向阀均位于第二柱塞的柱塞段内，从第二柱塞的回油腔向第二柱塞的柱塞腔单向连通；其它部分与实施例1相同。

实施例6：

在本实施例中，所述第六液压通道、所述第五单向阀均位于第二柱塞的柱塞段内，从第二柱塞的回油腔向第二柱塞的柱塞腔单向连通；其它部分与实施例2相同。

实施例7：

在本实施例中，所述第六液压通道、所述第五单向阀均位于第二柱塞的柱塞段内，从第二柱塞的回油腔向第二柱塞的柱塞腔单向连通；其它部分与实施例3相同。