一種無級(jí)調(diào)速單活塞式液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，具體涉及一種無級(jí)調(diào)速單活塞式液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，屬于混合動(dòng)力技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景
[0002]隨著全球能源危機(jī)和環(huán)境惡化問題的日益顯現(xiàn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能和環(huán)保性能的要求也不斷提高。同時(shí)隨著內(nèi)燃機(jī)工業(yè)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，人們對(duì)動(dòng)力裝置的結(jié)構(gòu)、效率、功率密度以及污染排放有著越來越高的要求。人們一方面致力于對(duì)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)和完善，另一方面孜孜以求新型的動(dòng)力裝置。液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)就是在此大背景下發(fā)展起來的新型特種內(nèi)燃機(jī)。液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)是現(xiàn)代液壓技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)及內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的綜合。液壓自由活塞直線發(fā)動(dòng)機(jī)通過蓄能器的供油和燃料的燃燒做功實(shí)現(xiàn)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，工作過程中壓縮比可以靈活調(diào)節(jié)，具有功率密度高、燃料類型廣、排放污染輕等潛在優(yōu)勢(shì)。因此液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)具有較高的實(shí)用價(jià)值和較好的發(fā)展前景。
[0003]在如今關(guān)于液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)研宄工作中，其結(jié)構(gòu)的合理性設(shè)計(jì)和優(yōu)化也是其發(fā)展的一個(gè)重要方向?，F(xiàn)有的液壓自由活塞直線發(fā)動(dòng)機(jī)存在結(jié)構(gòu)不緊湊、加工工藝性差、控制復(fù)雜等不足。目前所存在的對(duì)置活塞式和雙活塞式的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，這兩種布置方案中活塞的布置方式均會(huì)導(dǎo)致活塞組件的軸向尺寸過大，使得液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)不緊湊，活塞組件的加工工藝性變差等缺點(diǎn)。
[0004]同時(shí)，在液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展過程中，提高效率一直是大家追求的目標(biāo)。液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)是一種將燃料燃燒裝置和液壓裝置有機(jī)集成為一體實(shí)現(xiàn)將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為液壓能的裝置。如今諸多的關(guān)于液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)明中，在能量轉(zhuǎn)換的過程中，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)換繁瑣，存在諸多損耗，嚴(yán)重降低了液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明提出了一種無級(jí)調(diào)速單活塞式液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，采用恒功率變壓裝置，可以縮短能量傳遞鏈，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，采用單活塞式結(jié)構(gòu)，使發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊。同時(shí)，可以通過改變恒功率變壓器端口的壓力，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速的功能。
[0006]該無級(jí)調(diào)速單活塞式液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)包括:高壓蓄能器、低壓蓄能器、恒功率變壓器、氣缸體、噴油器和活塞組件；所述活塞組件包括依次相連的氣缸活塞、活塞連桿和泵活塞；所述恒功率變壓器具有三個(gè)端口，分別為端口 A、端口 B和端口 C。
[0007]其連接關(guān)系為:所述活塞組件位于氣缸體腔體內(nèi)；所述氣缸體依據(jù)內(nèi)腔直徑的不同，沿軸向分為三段，分別柱形段A、柱形段B和柱形段C ;其中柱形段B的直徑大于柱形段A的直徑；所述泵活塞為與所述柱形段的內(nèi)徑匹配的圓盤形結(jié)構(gòu)；所述氣缸活塞為與所述柱形段A的內(nèi)徑匹配的圓盤形結(jié)構(gòu)；所述柱形段C的內(nèi)腔通過僅供活塞連桿穿過的隔板分為腔室A和腔室B，所述泵活塞位于腔室B內(nèi)，將腔室B分隔為活塞油腔和啟動(dòng)油腔，其中所述啟動(dòng)油腔為所述隔板與泵活塞之間的腔室；所述柱形段A的內(nèi)腔為掃氣室，在掃氣室所對(duì)應(yīng)的內(nèi)底面上設(shè)置有噴油器和氣門；在所述腔室A的圓周面設(shè)置有進(jìn)氣單向閥。
[0008]所述恒功率變壓器的端口 A通過油路與高壓蓄能器相連，端口 C通過油路與低壓蓄能器相連，端口 B通過油路與所述活塞油腔連通；
[0009]此外，通過設(shè)置控制閥使該液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)工況時(shí)，所述高壓蓄能器與啟動(dòng)油腔連通；在第一行程和第二行程時(shí)，所述低壓蓄能器與啟動(dòng)油腔連通。
[0010]在所述柱形段B內(nèi)沿其軸向設(shè)置有用于對(duì)氣缸活塞的移動(dòng)起導(dǎo)向作用導(dǎo)向壁；在所述導(dǎo)向壁的圓周面上設(shè)置有兩個(gè)以上透氣孔。
[0011]有益效果:
[0012](I)在該液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)種采用恒功率變壓器，可以縮短能量傳遞鏈，簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，提升發(fā)動(dòng)機(jī)效率和可靠性。
[0013](2)可以通過調(diào)節(jié)恒功率變壓器的端口壓力來改變活塞組件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，實(shí)線無級(jí)調(diào)速，同時(shí)可靈活改變發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比。
[0014](3)采用單活塞式結(jié)構(gòu)，使發(fā)動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)緊湊，能夠做成微型發(fā)動(dòng)機(jī)，可廣泛應(yīng)用于微小機(jī)器人、車輛等領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0015]圖1為該自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)第一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2為該自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)工況原理圖；
[0017]圖3為第一行程氣缸體內(nèi)各元件位置圖；
[0018]圖4為第二行程氣缸體內(nèi)各元件位置圖；
[0019]圖5為鏤空導(dǎo)向壁的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖6為該自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)第二種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]其中:1-高壓蓄能器、2-恒功率變壓器、3-控制閥A、4_啟動(dòng)油腔、5-進(jìn)氣單向閥、6-氣缸體、7-掃氣室、8-氣門、9-噴油器、10-氣缸活塞、11-導(dǎo)向壁、12-活塞連桿、13-控制閥B、14-泵活塞、15-活塞油腔、16-低壓蓄能器、17-控制閥C
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0023]本實(shí)施例提供一種無級(jí)調(diào)速單活塞式液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，通過恒功率變壓裝置產(chǎn)生的壓力變化使得液壓能與燃料燃燒熱能直接轉(zhuǎn)化，能夠解決已有直線發(fā)動(dòng)結(jié)構(gòu)不緊湊、控制復(fù)雜，能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)復(fù)雜、熱效率低等問題。通過改變恒功率變壓器兩端的壓力實(shí)現(xiàn)活塞的無級(jí)調(diào)速功能。
[0024]實(shí)施例1:
[0025]該液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)包括:高壓蓄能器1、低壓蓄能器16、恒功率變壓器2、控制閥A3、控制閥B13、氣缸體6、噴油器9和活塞組件。其中氣缸體6為機(jī)體，高壓蓄能器I和低壓蓄能器16為儲(chǔ)能裝置，活塞組件包括依次相連的氣缸活塞10、活塞連桿12和泵活塞14。恒功率變壓器2具有三個(gè)端口，分別為端口 A、端口 B和端口 C。
[0026]其整體連接關(guān)系如圖1所示，所述氣缸體6為中空的柱形結(jié)構(gòu)，提供活塞組件的安裝腔。所述氣缸體6依據(jù)直徑的不同，可沿軸向分為三段，從左至右依次為柱形段A、柱形段B和柱形段C，其中柱形段B的直徑大于柱形段C和柱形段A的直徑。所述泵活塞14為與所述柱形段C的內(nèi)徑匹配的圓盤形結(jié)構(gòu)，所述氣缸活塞10為與所述柱形段A的內(nèi)徑匹配的圓盤形結(jié)構(gòu)。所述柱形段C的內(nèi)腔通過僅供活塞連桿12穿過的隔板分為腔室A和腔室B，所述泵活塞14位于腔室B內(nèi)，將腔室B分隔為活塞油腔15和啟動(dòng)油腔4，其中啟動(dòng)油腔4為所述隔板與泵活塞14之間的腔室。所述柱形段A的內(nèi)腔為掃氣室7，在掃氣室7所對(duì)應(yīng)的內(nèi)底面上設(shè)置有噴油器9和氣門8ο在所述腔室A的圓周面上開孔，并在開孔處設(shè)置有進(jìn)氣單向閥5，進(jìn)氣單向閥5的作用是使新鮮氣體充入掃氣室7內(nèi)。在所述柱形段B內(nèi)沿其軸向設(shè)置有用于對(duì)氣缸活塞10的移動(dòng)起導(dǎo)向作用的導(dǎo)向壁11，所述導(dǎo)向壁11上加工有多個(gè)透氣孔，從而保證從進(jìn)氣單向閥5進(jìn)來的新鮮氣體能夠進(jìn)入掃氣室7 (氣體的流動(dòng)路線為:進(jìn)氣單向閥5-透氣孔-導(dǎo)向壁11與柱形段B之間的環(huán)形空腔-透氣孔-掃氣室)。
[0027]所述高壓蓄能器I通過兩個(gè)油路分別與恒功率變壓器2的端口 A和啟動(dòng)油腔4相連；在其與啟動(dòng)油腔4相連的油路上設(shè)置控制閥A。所述控制閥A為兩位一通電磁閥，當(dāng)其位于左位時(shí)，高壓蓄能器I與啟動(dòng)油腔4連通，當(dāng)其位于右位時(shí)，該油路在控制閥A處截止。所述低壓蓄能器16通過兩個(gè)油路分別與恒功率變壓器2的端口 C和活塞油腔15 (或啟動(dòng)油腔4)相連；在其與活塞油腔15相連的油路上設(shè)置控制閥B。所述控制閥B為兩位兩通電磁閥，當(dāng)其位于上位時(shí)，所述低壓蓄能器16與啟動(dòng)油腔4連通；當(dāng)其位于下位時(shí)，所述低壓蓄能器16與活塞油腔15連通。所述恒功率變壓器2的端口 B直接與活塞油腔15連通。
[0028]所述恒功率變壓器2的作用是在其端口 A和端口 B產(chǎn)生不同的壓力，使得油液從端口 C流入低壓蓄能器16或者將低壓蓄能器16中的油液補(bǔ)給高壓蓄能器I，達(dá)到減少能量傳遞鏈，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高熱效率的目的。同時(shí)，改變恒功率變壓器的端口壓力可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速功能。
[0029]下面結(jié)合圖2至圖5具體說明該自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理:
[0030]該自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)包括內(nèi)燃機(jī)部分和液壓部分，其中內(nèi)燃機(jī)部分采用二沖程柴油機(jī)工作原理，直流掃氣方式；液壓部分為壓縮沖程提供能量同時(shí)將做功沖程產(chǎn)生的能量儲(chǔ)存至蓄能器。工作過程中，由氣缸活塞11、泵活塞14和活塞連桿12形成的活塞組件做循環(huán)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。在壓縮沖程中，從高壓蓄能器I流出的油液經(jīng)恒功率變壓器2的端口 A流入恒功率變壓器2，恒功率變壓器2端口 B的壓力高于端口 A，油液分兩路，一路從其端口B流入泵活塞油腔15，為內(nèi)燃機(jī)壓縮沖程提供能量，另一路從其端口 C流入低壓蓄能器16。在做功沖程中，恒功率變壓器2端口 A壓力降低，泵活塞油腔15的油液與低壓蓄能器16的油液在恒功率變壓器2端口 A匯流，完成功率輸出。在活塞組件運(yùn)動(dòng)過程中，令其向右運(yùn)動(dòng)至其最大行程時(shí)，氣缸活塞10所在位置為其下止點(diǎn)位置，如圖3所示位置；令其向左運(yùn)動(dòng)至其最大行程時(shí)，氣缸活塞10所在位置為其上止點(diǎn)位置，如圖4所示位置。
[0031]啟動(dòng)前，由于氣缸活塞11可位于掃氣室7的任意位置，因此需通過啟動(dòng)工況使氣缸活塞10移動(dòng)至特定位置。如開啟啟動(dòng)工況前，活塞組件的位置如圖2所示。先將控制閥A3移至左位，控制閥B13移至下位，同時(shí)將恒