油输出到高压端，如lOMPa。当动力活塞向右运动到打开排气孔4时，缸内燃烧后的废气从排气孔排出，当动力活塞运动到将扫气口 33打开时，经过动力活塞下端面预压缩的扫气腔6内的新鲜气体通过扫气道32和扫气口 33进入气缸，燃烧废气在新鲜气体的推动下进一步排出气缸，完成废气和新鲜气体的交换。当泵活塞运动到将第五液压通道28和第一液压通道10均关闭的位置时，如图1所示位置，由于液体不可压缩性，泵腔会形成瞬时高压，推动活塞向上止点方向反弹，而泵活塞的反弹又导致泵腔压力降低，活塞组件又在次级高压液压油作用于泵活塞的左端环形面的推动下将活塞组件再次压回到下止点，如此往复几次后活塞组件将停止在下止点处。如果此时活塞组件仍然不能停止时，活塞组件会继续向右移动，直到关闭第二液压通道11，由于此时第二电磁阀22处于关闭状态，活塞组件继续向右移动时，泵腔高压油的外流途径只有通过第三液压通道15，阻尼阀14的阻尼作用将迫使活塞组件停止下来。直到第一电磁阀25再次打开发出下一个循环的指令为止。
[0051]2、连续工作状态。当车辆或者移动装置需要满负荷液压能提供时，该发动机在运行过程中第一电磁阀25控制活塞组件以固有频率连续往复运动，实现最大能力输出高压液压能。具体实施方法是:当活塞组件在完成了一次循环后，泵活塞到达下止点时，第一电磁阀25便打开，次级高压通过第一电磁阀25进入泵腔，推动活塞组件即刻进入下一循环，而在下止点处不停留。该发动机能够达到的最大运行频率为活塞组件往复运动的固有频率，取决于活塞组件的质量、燃料燃烧的气体压力和液压力等参数。
[0052]3、低频工作状态。当车辆或者移动装置等负载需要较少的高压液压能时，该发动机可以在第一电磁阀25控制状态下保证活塞组件在不同的运行频率下工作，进而实现输出液压能的调节。具体实施方法是:当活塞组件在完成了一次循环后，泵活塞运动到将第五液压通道28和第一液压通道10均关闭的位置时，第一电磁阀25仍然处于关闭状态，如前所述，当活塞组件将在液压力作用下停止在下止点，直到第一电磁阀25再次打开发出下一个循环的指令为止，活塞组件进入新的循环。第一电磁阀25的开启时刻和开启时间间隔控制活塞组件的运行频率，因此，可以通过控制第一电磁阀25的开启频率来实现该发动机的低频工作状态。最低频率为O赫兹，最高频率为活塞组件的固有频率。一般情况下的频率范围为O?40Hz。
[0053]4、压力调节。在发动机运行过程中，当次级高压蓄能器21由于压力损失导致压力降低时，可以通过控制第三电磁阀16进行压力补充，即当次级高压蓄能器21压力降低时，打开第三电磁阀16，由于高压蓄能器17中的液压油压力高于次级高压蓄能器21中的液压油，因此，高压蓄能器17中的高压油通过第三电磁阀16补充到次级高压蓄能器21中，使得次级高压蓄能器压力升高到设定值后关闭第三电磁阀16，保证发动机正常运行。
[0054]5、活塞位置调整。当发动机在运行过程中出现燃烧不完全等偶发现象时，会导致活塞组件不能回到下止点的情况，进而导致发动机熄火停机等现象，出现该现象后，需要及时将活塞组件调整到下止点重行快速起动。具体实施方法是:控制器36测试到发动机熄火后将控制第二电磁阀22打开，泵腔23中的压力油与油箱接通，处于低压状态，活塞组件在次级高压腔30内的次级高压液压油作用于环形活塞面上将活塞组件推回到下止点，关闭第二电磁阀22，打开第一电磁阀25进入起动状态，起动发动机继续运行。由于系统中有高压蓄能器17的蓄能作用，短时间熄火不会影响系统的正常工作。
[0055]根据上述结构，该发动机也可以拓展为柴油机形式。将火花塞I改为喷油器，燃料由汽油改为柴油。
[0056]本发明实施方式中的液压自由活塞发动机大大地简化了传统液压自由活塞发动机的结构，尤其是采用压差驱动的方式完成了活塞组件的压缩冲程，省去了传统液压自由活塞发动机庞大的压缩系统。保证了液压自由活塞发动机的优势特点的基础上结构大为简化紧凑。实现了动力装置的柔性调节，发动机功率调节采用调频方式，有效地解决了传统发动机在低速低负荷时的经济性变差，排放恶化等不利情况的发生。本发明涉及的压差驱动式液压自由活塞发动机实现了压缩比可变，可以适应多种燃料，有效地拓宽了传统发动机对石油燃料的依赖性。本发明涉及的压差驱动式液压自由活塞发动机的活塞结构有效地缩短了发动机的轴向尺寸和径向尺寸，使得其结构更紧凑，改善了其零件加工和装配工艺性。
[0057]本发明实施方式中的液压自由活塞发动机适合应用于常压变流量、能量可回收的液压系统。如工程机械、叉车、吊车等移动机械以及市政牵引机及卷扬机等。尤其适用于以液压作为动力源的机器人等移动装置的动力。如需较大功率时可用多个液压自由活塞发动机单元组合实现，另外，该发动机也适用于最高车速较低、停起频繁的城市公交车辆，可大大改善其经济性和动力性，同时可有效回收频繁制动的能量。
[0058]上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种液压自由活塞发动机，其特征在于，动力活塞和泵活塞通过活塞杆刚性连接成活塞组件，动力活塞安装于气缸体内，泵活塞安装于泵体内，泵活塞是差压级活塞结构，在泵体上开有不同直径的液压通道，所述液压通道与液压系统相连，所述液压系统是压差封闭式液压系统。2.根据权利要求1所述的一种液压自由活塞发动机，其特征在于，液压系统包括高压级液压油路和次级高压级液压油路，液压系统的液压回路为封闭式回路。3.根据权利要求2所述的一种液压自由活塞发动机，其特征在于，高压级液压油路进一步包括高压蓄能器，泵体上的第一液压通道通过第一单向阀与高压蓄能器连接，泵体上的第二液压通道通过第二单向阀与高压蓄能器连接，泵体上第三液压通道通过阻尼阀与第二液压通道和第二单向阀之间连接，其中第一液压通道是出油液压通道，第二液压通道是出油液压通道，第三液压通道是阻尼孔液压通道，第一液压通道的直径大于第二液压通道的直径，第二液压通道的直径大于第三液压通道的直径，第一单向阀和第二单向阀都是出油单向阀。4.根据权利要求3所述的一种液压自由活塞发动机，其特征在于，次级高压级液压油路进一步包括次级高压蓄能器，泵体上的第四液压通道和次级高压蓄能器连接，泵体上的第五液压通道通过第三单向阀与次级高压蓄能器连接，泵体上的第六液压通道通过第一电磁阀与次级高压蓄能器连接，起动液压泵通过第四单向阀与次级高压蓄能器连接，在起动液压泵的出口和第四单向阀之间连接有溢流阀，其中第五液压通道是进油液压通道，第六液压通道是进油电磁阀通道，第五液压通道的直径大于第六液压通道的直径，第一电磁阀是频率控制电磁阀，第三单向阀是次级高压进油单向阀。5.根据权利要求1所述的一种液压自由活塞发动机，其特征在于，泵体上的第七液压通道与第二电磁阀连接。6.根据权利要求4所述的一种液压自由活塞发动机，其特征在于，高压蓄能器和次级高压蓄能器之间连接有第三电磁阀。7.根据权利要求1所述的一种液压自由活塞发动机，其特征在于，气缸盖安装于气缸体的一端，火花塞安装于气缸盖上，进气口处安装有进气单向阀，扫气腔通过扫气道与扫气口连通，排气口位于气缸的一侧。8.根据权利要求1所述的一种液压自由活塞发动机，其特征在于，所述泵活塞的尾端面为环形作用面，头端面为圆形作用面，头端面的圆形作用面面积大于尾端面的环形作用面面积。9.根据权利要求1所述的一种液压自由活塞发动机，其特征在于，还包括控制器，控制器分别与火花塞、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和溢流阀通过电路连接。10.根据权利要求1所述的一种液压自由活塞发动机，其特征在于，高压蓄能器与液压马达的进油端连接，次级高压蓄能器与液压马达的回油端连接，高压蓄能器与液压缸的进油端连接，次级高压蓄能器与液压缸的回油端连接。
【专利摘要】本发明公开了一种液压自由活塞发动机，动力活塞和泵活塞通过活塞杆刚性连接成活塞组件，动力活塞安装于气缸体内，泵活塞安装于泵体内，泵活塞是差压级活塞结构，在泵体上开有不同直径的液压通道，所述液压通道与液压系统相连，所述液压系统是压差封闭式液压系统。采用了本发明技术方案，能够简化液压自由活塞发动机的结构，降低实际制造加工的工艺性，进一步提高液压自由活塞发动机的结构紧凑性。
【IPC分类】F02B71/02, F15B1/02, F15B11/08, F02B71/04, F15B13/04
【公开号】CN104929766
【申请号】CN201410106984
【发明人】赵振峰, 张付军, 赵长禄, 黄英, 张栓录
【申请人】北京理工大学
【公开日】2015年9月23日
【申请日】2014年3月21日