一种基于电控压缩冲程的两缸四冲程液压自由活塞发动机制造技术

本发明专利技术提供一种易于控制且压缩过程较为稳定的基于电控压缩冲程的两缸四冲程液压自由活塞发动机，包括内燃机部分、液压部分和电动机/发动机等。活塞杆将液压泵活塞与动力活塞连接起来组成一个活塞组件并安装在液压缸体和内燃机缸体；活塞杆上安装有齿条，与齿轮啮合；齿轮的输出轴与电动机/发电机的一端输出轴连接；而电动机/发电机的另一端与液压泵/马达的输出轴连接；电动机/发电机由超级电容/蓄电池供电，其运转情况由电机控制器控制；两个活塞组件在齿轮-齿条副的带动下同时向上止点或向下止点运动；压缩冲程由电动机驱动齿轮带动活塞组件压缩燃烧腔中的新鲜空气以获得合适的压缩比；膨胀冲程时由处于发电机工况的电机回收部分膨胀能实现活塞组件的制动。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种发动机，尤其是一种基于电控压缩冲程的两缸四冲程液压自由活塞发动机。
技术介绍
为了维持全球经济的可持续发展，人们日益重视节能和环保两大问题，采取各种措施来降低能源的消耗。作为能源消耗大户的工程机械也成为人们实现节能的主战场，势能回收、制动能量回收及混合动力系统的应用在一定程度上提高了能量的利用率，实现了工程机械的节能。这些方式的应用并没有涉及到内燃机本身的技术革新，只是在液压系统上进行了相关的改进和优化，传动系统的传动链长，结构复杂，效率较低。针对这些问题，一种新兴动力装置——液压自由活塞发动机应运而生，它直接将内燃机活塞和液压泵活塞刚性连接，将往复直线运动-旋转运动-直线运动简化成直线-直线运动，系统的传动链大为降低，结构得以简化，使得活塞的受力状况大为改善，只承受直线运动的摩擦力，而没有了随曲轴运转过程中的侧向力，因此使得发动机的寿命延长；且它具有可变压缩比的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，取得了一定的进展，也形成了单活塞式、双活塞式和对置活塞式等不同的结构形式，在内燃机的运用上有采用二冲程回流扫气式、二冲程直流扫气式和四冲程式等不同形式。尤其是单活塞式液压自由活塞发动机由于结构简单、控制系统相对简单而吸引了较多的研究，并且是目前唯一获得工程示范应用的液压自由活塞发动机形式。但是尽管如此，对于液压自由活塞发动机的研究大部分仍处于实验室研制阶段，并没有获得大规模的工程应用。究其原因，主要是由于液压自由活塞发动机本身结构的限制，其活塞组件是“自由”的，不受任何机械构件的限制，因此具有可变的止点位置和压缩比，这有利于使发动机在不同工况下都处于最佳的燃烧状态和最低的排放，但是对于发动机的控制也提出了很高的要求。单活塞式液压自由活塞发动机的压缩过程是通过液压蓄能器中储存一定压力的液压油经过控制阀进入压缩腔而推动活塞组件运动的，因此压缩冲程的运行过程和压缩比与压缩蓄能器的压力水平、频率控制阀的响应特性等有密切关系。由于蓄能器中的液压油是循环使用的，在压缩冲程中对外输出推动活塞进行压缩冲程，而在膨胀冲程中则吸收液压能，在这个往复的吸收/释放液压能的过程中，由于经过较多的液压控制阀必然产生一定的能量损失，从而影响每一循环的对外输出的压力能，从而导致发动机的压缩过程不稳定，这也是限制液压自由活塞发动机产业化的一个重大问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于电控压缩冲程的两缸四冲程液压自由活塞发动机，其易于控制且压缩过程较为稳定。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于电控压缩冲程的两缸四冲程液压自由活塞发动机，包括第一组系统、第二组系统、负载蓄能器和能量储存转换模块；所述第一组系统和所述第二组系统分别具有液压缸体、内燃缸体、活塞组件、2/3换向阀、泵油单向阀和2/2换向阀；所述第一、第二组系统的所述液压缸体并列放置，所述第一、第二组系统的所述内燃缸体并列放置；所述活塞组件具有活塞杆、动力活塞和泵活塞；所述动力活塞设于所述活塞杆的一端并适配穿设于所述内燃缸体内，配合所述动力活塞于所述内燃缸体内形成燃烧腔，所述燃烧腔的缸头上设置有进气门、排气门以及喷油器；所述泵活塞设于所述活塞杆的另一端并适配穿设于所述液压缸体内，配合所述泵活塞于所述液压缸体内依次形成平衡腔和液压泵腔；所述第一组系统和第二组系统的动力活塞的端面在同一平面内，同时向上止点运动和向下止点运动；所述平衡腔与所述2/3换向阀的入口相连通，所述液压泵腔分别与所述泵油单向阀的入口和所述2/2换向阀的入口相连通，所述2/3换向阀的第一出口与油箱相通，所述2/2换向阀的出口与油箱相通，所述2/3换向阀的第二出口分别与所述能量储存转换模块的入口和所述泵油单向阀的出口相连通，所述能量储存转换模块的出口分别与所述负载蓄能器和负载的输入口相连通，负载的出油口连接至油箱；同一组系统中，所述活塞杆位于所述内燃缸体与所述液压缸体之间的部分沿所述活塞杆的轴向设置有齿条，所述第一、二组系统的齿条相向设置且两者之间设置有两个相啮合的齿轮，此两个齿轮分属于所述第一、二组系统并分别与所述第一、二组系统的齿条相对应啮合；所述能量储能转换模块包括储能方式选择阀、充电/放电选择阀、液压泵/马达、电动机/发电机、超级电容/蓄电池和电机控制器；所述储能方式选择阀的入口即为能量储存转换模块的入口，所述储能方式选择阀的第一出口分别与所述液压泵/马达的进油口和所述充电/放电选择阀的出口相通，所述储能方式选择阀的第二出口即为所述能量储存转换模块的出口，所述储能方式选择阀的第二出口分别与所述负载蓄能器和所述充电/放电选择阀的入口相通，所述液压泵/马达的出油口连接到油箱；所述液压泵/马达的输出轴与所述电动机/发电机的一输出轴连接；所述电动机/发电机由所述超级电容/蓄电池供电，所述电动机/发电机的运转情况由所述电机控制器控制；所述电动机/发电机的另一输出轴与所述第一组系统的齿轮或第二组系统的齿轮相连接，驱动齿轮或由齿轮带动发电。采用上述技术方案，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术的基于电控压缩冲程的两缸四冲程液压自由活塞发动机的压缩冲程依靠电动机带动齿轮齿条推动活塞组件运动进行。与液压驱动相比，电气控制具有更高的响应速度和更易于控制，因此通过电机控制器的控制作用，可以根据当前工况选择合适的电机运行速度对燃烧腔中的新鲜空气进行压缩而获得合适的压缩比。并且在压缩过程中也可以根据突发工况进行及时的调整而获得理想的压缩比；而采用液压系统进行压缩过程，一旦控制阀开启则其压缩过程基本上固定，可控制性较差。且电机可以采用超级电容或蓄电池进行能源供给，在本身配备超级电容或蓄电池的混合动力工程机械上很容易实现。另外，由于液压自由活塞发动机活塞的运动速度很高且运动时间短，在行程终了很容易对液压缸体等产生较大的机械冲击，传统的液压自由活塞发动机是在压缩腔的末端设置缓冲装置，让燃料燃烧所释放的能量以热能的形式散失掉，一方面造成能源的浪费，另一方面使液压油发热，影响密封件的寿命，造成系统泄漏或其它事故。而采用本方案，则可以在膨胀冲程的后期，将电动机/发电机与齿轮连接，并使其处于发电机状态，吸收活塞组件动能，使活塞的运动速度降低，达到避免活塞组本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电控压缩冲程的两缸四冲程液压自由活塞发动机，其特征在于：包括第一组系统、第二组系统、负载蓄能器和能量储存转换模块；所述第一组系统和所述第二组系统分别具有液压缸体、内燃缸体、活塞组件、2/3换向阀、泵油单向阀和2/2换向阀；所述第一、第二组系统的所述液压缸体并列放置，所述第一、第二组系统的所述内燃缸体并列放置；所述活塞组件具有活塞杆、动力活塞和泵活塞；所述动力活塞设于所述活塞杆的一端并适配穿设于所述内燃缸体内，配合所述动力活塞于所述内燃缸体内形成燃烧腔，所述燃烧腔的缸头上设置有进气门、排气门以及喷油器；所述泵活塞设于所述活塞杆的另一端并适配穿设于所述液压缸体内，配合所述泵活塞于所述液压缸体内依次形成平衡腔和液压泵腔；所述第一组系统和第二组系统的动力活塞的端面在同一平面内，同时向上止点运动和向下止点运动；所述平衡腔与所述2/3换向阀的入口相连通，所述液压泵腔分别与所述泵油单向阀的入口和所述2/2换向阀的入口相连通，所述2/3换向阀的第一出口与油箱相通，所述2/2换向阀的出口与油箱相通，所述2/3换向阀的第二出口分别与所述能量储存转换模块的入口和所述泵油单向阀的出口相连通，所述能量储存转换模块的出口分别与所述负载蓄能器和负载的输入口相连通，负载的出油口连接至油箱；同一组系统中，所述活塞杆位于所述内燃缸体与所述液压缸体之间的部分沿所述活塞杆的轴向设置有齿条，所述第一、二组系统的齿条相向设置且两者之间设置有两个相啮合的齿轮，此两个齿轮分属于所述第一、二组系统并分别与所述第一、二组系统的齿条相对应啮合；所述能量储能转换模块包括储能方式选择阀、充电/放电选择阀、液压泵/马达、电动机/发电机、超级电容/蓄电池和电机控制器；所述储能方式选择阀的入口即为能量储存转换模块的入口，所述储能方式选择阀的第一出口分别与所述液压泵/马达的进油口和所述充电/放电选择阀的出口相通，所述储能方式选择阀的第二出口即为所述能量储存转换模块的出口，所述储能方式选择阀的第二出口分别与所述负载蓄能器和所述充电/放电选择阀的入口相通，所述液压泵/马达的出油口连接到油箱；所述液压泵/马达的输出轴与所述电动机/发电机的一输出轴连接；所述电动机/发电机由所述超级电容/蓄电池供电，所述电动机/发电机的运转情况由所述电机控制器控制；所述电动机/发电机的另一输出轴与所述第一组系统的齿轮或第二组系统的齿轮相连接，驱动齿轮或由齿轮带动发电。...

【技术特征摘要】
1.一种基于电控压缩冲程的两缸四冲程液压自由活塞发动机，其特征
在于：包括第一组系统、第二组系统、负载蓄能器和能量储存转换模块；
所述第一组系统和所述第二组系统分别具有液压缸体、内燃缸体、活
塞组件、2/3换向阀、泵油单向阀和2/2换向阀；
所述第一、第二组系统的所述液压缸体并列放置，所述第一、第二组
系统的所述内燃缸体并列放置；
所述活塞组件具有活塞杆、动力活塞和泵活塞；所述动力活塞设于所
述活塞杆的一端并适配穿设于所述内燃缸体内，配合所述动力活塞于所述
内燃缸体内形成燃烧腔，所述燃烧腔的缸头上设置有进气门、排气门以及
喷油器；所述泵活塞设于所述活塞杆的另一端并适配穿设于所述液压缸体
内，配合所述泵活塞于所述液压缸体内依次形成平衡腔和液压泵腔；
所述第一组系统和第二组系统的动力活塞的端面在同一平面内，同时
向上止点运动和向下止点运动；
所述平衡腔与所述2/3换向阀的入口相连通，所述液压泵腔分别与所
述泵油单向阀的入口和所述2/2换向阀的入口相连通，所述2/3换向阀的
第一出口与油箱相通，所述2/2换向阀的出口与油箱相通，所述2/3换向
阀的第二出口分别与所述能量储存转换模块的入口和所述泵油单向阀的出
口相连通，所述能量储存转换模块的出口分别...

【专利技术属性】
技术研发人员：任好玲，林添良，付胜杰，杨帆，叶月影，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
国别省市：福建;35