CN101713373B - 可变冲程的四冲程液压自由活塞发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变冲程的四冲程液压自由活塞发动机，主要包括自由活塞组件、液压缸体和两缸直列式气缸体，两缸直列式气缸体为两缸四冲程气缸体，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；液压泵活塞和压缩活塞置于液压缸体内，液压泵活塞和压缩活塞分别与活塞杆固定联接；第一动力活塞和第二动力活塞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通过连杆与活塞杆螺纹联接。本发明每个气缸都有单独的排气和吸气行程，废气清除完全，充气效率高；四冲程气缸体的活塞杆与活塞组件之间螺纹连接，可改变发动机的运行频率和输出功率。

Description

可变冲程的四冲程液压自由活塞发动机

技术领域

本发明涉及活塞式发动机，尤其是涉及一种可变冲程的四冲程液压自由活塞发动机。

背景技术

目前全球能源濒临枯竭，对于节能的呼声越来越高，液压自由活塞发动机在这种大背景下应运而生；液压自由活塞发动机不仅是行走机械有希望的动力之星，并且由于它与内燃机技术、液压技术、微电子技术、控制技术等学科密切相关，对系统各部分提出很高的要求，也是推动现代液压技术发展的强劲动力。

传统的液压自由活塞发动机，不论是单活塞式、双活塞式还是对置活塞式，其动力部分都是采用的二冲程内燃机，即一个工作过程只包括扫气与压缩行程，膨胀与扫气行程等两个行程。相对于四冲程内燃机，二冲程内燃机最主要的优势在于在同样的结构下，具有更高的效率；但是由于其吸气过程和排气过程重叠度很大，废气排出不完全，充气系数低，燃料的燃烧不完全，污染物排放超标。除了在一些特殊的应用场合，如渔船，大型船舶等还有应用外，在市场上几乎难见其踪影。尤其是近年来对于环保要求的日益提高，二冲程内燃机的应用范围逐渐缩小。而且二冲程内燃机燃油燃烧不完全，油耗较大，在目前油价逐年升高的前提下，继续采用二冲程内燃机也是一种非理智选择。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可变冲程的四冲程液压自由活塞发动机，该发动机的吸气系数高、燃烧充分、污染排放低，可降低燃油消耗率和污染度。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：该可变冲程的四冲程液压自由活塞发动机主要包括自由活塞组件、液压缸体和两缸直列式气缸体，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；所述液压泵活塞和压缩活塞置于液压缸体内，液压泵活塞和压缩活塞分别与活塞杆固定联接；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通过连杆与活塞杆螺纹联接，并通过调整连杆和活塞杆的位置来改变第一动力活塞和第二动力活塞的端面距各自气缸体的缸头的距离。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：由于该液压自由活塞发动机的气缸体部分采用四冲程结构，具有单独的排气冲程和吸气冲程，因此发动机的吸气系数高、燃烧充分、污染排放低，可降低燃油消耗率和污染度，能够满足目前对于环保和节能的双重要求，可用于工程机械、城市交通车辆中作为驱动装置；另外，四冲程气缸体的活塞杆与活塞组件之间采用螺纹连接，通过调整活塞组件旋进的长度来调整燃烧活塞与燃烧腔缸头的距离，可改变自由活塞发动机运行的冲程，扩展了发动机的运行频率范围和输出功率范围。

附图说明

图1是本发明发动机的压缩与排气冲程工作原理示意图。

图2是本发明发动机的膨胀与吸气冲程工作原理示意图。

图3是本发明发动机的活塞冲程最大时的活塞组件联接示意图（部分）。

图4是本发明发动机的活塞冲程最小时的活塞组件联接示意图（部分）。

图中：1.第一喷油器，1′.第二喷油器，2.第一进气阀，2′.第二进气阀，3.第一燃烧腔，3′.第二燃烧腔，4.第一动力活塞，4′.第二动力活塞，5.第一气缸体，5′.第二气缸体，6.液压泵左腔，7.液压泵活塞，8.液压泵右腔，9.高压蓄能器，10.泵油单向阀，11.压缩活塞，12.压缩腔，13.单向阀，14.压缩蓄能器，15.第一2/2换向阀，16.第二2/2换向阀，17.溢流阀，18.单向阀，19.第三2/2换向阀，20.液压缸体，21.低压蓄能器，22.第四2/2换向阀，23.供油单向阀组，24.第一排气阀，24′.第二排气阀，25.锁紧螺母，26.连杆，27.活塞杆。

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所示，本发明包括自由活塞组件、液压缸体20和两缸直列式气缸体。两缸直列式气缸体为两缸四冲程气缸体，其中，第一气缸体5的缸头内置有第一进气阀2、第一排气阀24、第一喷油器1，第二气缸体5′的缸头内置有第二进气阀2′、第二排气阀24′、第二喷油器1′。自由活塞组件包括第一动力活塞4、第二动力活塞4′、液压泵活塞7、压缩活塞11和活塞杆27；液压泵活塞7和压缩活塞11置于液压缸体20内，液压泵活塞7和压缩活塞11分别与活塞杆27固定联接；第一动力活塞4置于两缸直列式气缸体的第一气缸体5内，第二动力活塞4′置于两缸直列式气缸体的第二气缸体5′内；并且第一动力活塞4和第二动力活塞4′的端面处于同一竖直面，保证两个动力活塞在运动的每一时刻其端面距各自的气缸体的缸头的距离相同，即两个动力活塞在同一时间到达第一气缸体5和第二气缸体5′的上止点和下止点。第一动力活塞4和第二动力活塞4′通过连杆26与活塞杆27螺纹联接，通过调整锁紧螺母25、连杆26和活塞杆27的位置，进而改变第一动力活塞4和第二动力活塞4′端面距各自气缸体5和5′缸头的距离，即可以改变活塞组件运行的冲程，而冲程改变可以改变活塞组件运行的频率和输出的功率，扩展发动机的输出功率范围和运行频率范围。

第一动力活塞4和第二动力活塞4′的左侧分别是第一气缸体5的第一燃烧腔3和第二气缸体5′的第二燃烧腔3′。液压泵活塞7将液压泵腔分为左右两部分，其中，左侧为液压泵左腔6，右侧为液压泵右腔8。

如图1和图2所示，本发明发动机工作时，液压泵左腔6通过管路与高压蓄能器9及负载相连；液压泵右腔8的一侧通过泵油单向阀10与高压蓄能器9相连，另一侧通过吸油单向阀组23和第四2/2换向阀22的并联回路与低压蓄能器21相连；液压泵活塞7的右侧通过活塞杆27与压缩活塞11相连，压缩活塞11的右侧是压缩腔12，压缩腔12的一侧通过单向阀13和第一2/2换向阀15的并联回路与压缩蓄能器14相连，另一侧通过单向阀18和第三2/2换向阀19的并联回路与低压蓄能器21相连；压缩蓄能器14与低压蓄能器21之间通过一个第二2/2换向阀16和溢流阀17的并联回路相连；负载连接在低压蓄能器21与高压蓄能器9之间。

如图3、图4所示，当需要发动机运行速度快，但是输出功率较小的时间，可以将连接杆调整到图3所示的最小位置Lmin，此时第一动力活塞4和第二动力活塞4′距离各自气缸体的上止点距离为Smin，即此时活塞组件的冲程为Smin，通过锁紧螺母25固定连杆26的位置；当需要发动机运行速度慢，但是输出功率大时，可以将连杆26调整到图4所示的最大位置Lmax，此时第一动力活塞4和第二动力活塞4′距离各自气缸体的上止点距离为Smax，即活塞组件的冲程为Smax，然后通过锁紧螺母25固定连杆26的位置。

当发动机连续稳定工作时，一个工作循环包括两个冲程，每经过两个工作循环，即四个冲程，两缸直列式气缸体的每个气缸都完成压缩、膨胀、排气和吸气等四个冲程，即一个完整的循环。由于两个气缸的工作原理完全一样，因此将发动机的工作分为压缩与排气冲程、膨胀与吸气冲程等两个冲程的工作过程，在此不再赘述四个冲程的工作过程。

a)压缩与排气冲程

如图1所示，压缩与排气冲程开始时，活塞组件分别位于第一气缸体5和第二气缸体5′的下止点，两缸直列气缸体缸头的第一进气阀2、第二进气阀2′、以及第一排气阀24都关闭，而第二排气阀24′打开，即此时在第一燃烧腔3中进行的是压缩冲程，而在第二燃烧腔3′中进行的是排气冲程。在电控信号下，第一2/2换向阀15打开，压缩蓄能器14中的高压油进入到压缩腔12推动活塞组件向左运动；液压泵右腔8通过供油单向阀组23从低压蓄能器21中吸油，同时液压泵左腔6中的液压油在液压泵活塞7的作用下进入到高压蓄能器9和负载中。第一燃烧腔3中的新鲜空气在第一动力活塞4的作用下进行绝热压缩。而第二燃烧腔3′中的废气通过第二排气阀24′排出。直到活塞组件运行到规定位置，此时第一喷油器1向第一燃烧腔3内喷入雾化柴油。压缩冲程与排气冲程结束。

b)膨胀做功与吸气冲程

如图2所示，在膨胀冲程中，两缸直列气缸体缸头的第一进气阀2、第一排气阀24和第二排气阀24′都关闭，第二进气阀2′打开，即此时第一燃烧腔3中进行的是膨胀冲程，而第二燃烧腔3′中进行的是吸气冲程。当柴油通过第一喷油器1喷入到第一燃烧腔3中，柴油在第一燃烧腔3中燃烧，释放的能量推动活塞组件向右运动，膨胀做功冲程开始。同时第二燃烧腔3′中由于第二动力活塞4′向右运动，形成部分真空，新鲜空气通过第二进气阀2′进入第二燃烧腔3′中，进行吸气冲程。此时液压泵右腔8的液压油在液压泵活塞7的作用下通过泵油单向阀10一部分进入到高压蓄能器9中，另一部分进入到液压泵左腔6中；压缩腔12中的液压油在压缩活塞11的作用下通过单向阀13流回到压缩蓄能器14中，为下一个压缩冲程做准备。直到活塞组件运行到右止点，膨胀做功冲程与吸气冲程结束。

经过上述两个过程，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气缸体转变为第二气缸体，依次交替进行。发动机往复运行即可连续不断的对外输出高压油。

Claims (1)

1.一种可变冲程的四冲程液压自由活塞发动机，其特征在于：包括自由活塞组件、液压缸体（20）和两缸直列式气缸体，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(4)、第二动力活塞(4')、液压泵活塞(7)、压缩活塞(11)和活塞杆（27）；所述液压泵活塞(7)和压缩活塞(11)置于液压缸体（20）内，液压泵活塞(7)和压缩活塞(11)分别与活塞杆（27）固定联接；第一动力活塞(4)和第二动力活塞(4')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(4)和第二动力活塞(4')的端面处于同一竖直面，第一动力活塞(4)和第二动力活塞(4')通过连杆（26）与活塞杆（27）螺纹联接，并通过调整连杆（26）和活塞杆（27）的位置来改变第一动力活塞（4）和第二动力活塞（4'）的端面距各自气缸体的缸头的距离。

Images