[发明专利]双组元单活塞式液压自由活塞发动机

说明书

技术领域

本发明涉及一种双组元单活塞式液压自由活塞发动机，特别涉及一种将原动机 与往复式液压泵集成为一体的液压自由活塞特种发动机，可为工程行走机械、野外 作业的能量自治行走机械、自走平台以及无氧或缺氧环境(如太空、水下或高原等) 中液压能量供应的动力装置，在液压叉车、液压挖掘机、液压摊铺机及能量自治机 器人中具有广泛的应用前景，属于能源和动力技术领域。

背景技术

液压自由活塞发动机，又称原动式往复液压泵，是指将原动机和液压泵集成为 一体，以液体(通常为液压油)为工作介质，利用液体压力能实现动力非刚性传输 的一类特种发动机。液压自由活塞发动机根据结构形式的不同，可分为单活塞、双 活塞及对置活塞等三种基本结构形式。虽然具体结构形式不同，但液压自由活塞发 动机的基本特征是相同的：即作为其内的基本运动件一自由活塞组件是由原动机的 动力活塞与液压泵的泵活塞通过活塞杆直接刚性连接而成，且不受机械杆件的约 束，是“自由”的。与常规内燃机和液压泵的组合动力相比，液压自由活塞发动机 省去了原动机活塞(如内燃机活塞)至液压泵活塞间所有的动力变换和传递机构， 因此具有结构简单、零件数目少、传动链短、效率高和易实现再生制动等优点，受 到学术界和工业界广泛的关注。作为曲轴式内燃机和液压泵的组合动力的有力竞争 者，内燃式液压自由活塞发动机的单元功率为15～25kW，在工程行走机械如挖掘机、 叉车、起重机、市区公共汽车及军事车辆(如坦克)中具有广泛应用前景。

理论和实践表明：为了保证发动机的可靠而高效地运转，恒定的压缩比是火花 点火(spark ignition)或压缩点火(compression ignition)常规内燃机的必要 条件，其大小对发动机的所有性能指标都有直接或间接影响。对曲轴式内燃机而言， 压缩比是设计参数，其大小由机械杆件的长度保证。一旦发动机设计完毕，其压缩 比将保持为定值，不存在压缩比大小的恒定控制问题，点火或喷油正时仅影响发动 机的工作性能。而对内燃式液压自由活塞发动机而言，由于没有机械杆件的约束， 其压缩比是决定于发动机工作状态的工作变量。与曲轴式内燃机不同，压缩比的 精确控制不仅对内燃式液压自由活塞发动机的各项性能指标有着关键性的影响，更 是决定内燃式液压自由活塞发动机能否运转的前提条件。

对单活塞式液压自由活塞发动机而言，由于只有一个动力腔，且压缩冲程是依 靠独立的液压回复子系统完成的，其压缩比的精确控制虽然较双活塞式和对置活塞 式液压自由活塞发动机简单，可通过控制液压回复系统的参数来实现。但实现对压 缩比的精确控制并不容易，需要依赖复杂的检测控制系统，这不单极大地影响了发 动机运行的可靠性，而且对火花点火或压缩点火式常规内燃式液压自由活塞发动机 而言，由于发动机工作过程中需要从大气中吸入空气(主要是氧气)，所以这种内 燃机对空气中的氧气具有依赖性，使得它们在无氧或缺氧环境(如水底或太空)中 的应用受到了很大的限制。

发明内容

针对上述常规内燃式液压自由活塞发动机的不足和缺点，本发明提供一种双组 元单活塞式液压自由活塞发动机，该双组元液压自由活塞发动机具有工作可靠、体 积小、重量轻、能量密度高、功率密度大、输出流量和压力可根据负载调节等突出 优点，是适合于工程行走机械和能量自治机器人及其他机械装置在野外、高原、太 空及水下等环境中作业的能量供应装置，在工程行走机械和能量自治行走机械中具 有广泛的应用前景。

本发明双组元单活塞式液压自由活塞发动机包括单活塞液压自由活塞发动机、 氧化剂储存罐、燃料剂储存罐、氧化剂控制阀、燃料剂控制阀和电控单元，所述氧 化剂控制阀的出口端和燃料剂控制阀的出口端均与单活塞液压自由活塞发动机动 力腔的进气口连通，氧化剂控制阀的入口端与所述氧化剂储存罐出口端连接，燃料 剂控制阀的入口端与所述燃料剂储存罐出口端连接，氧化剂控制阀的控制端和燃料 剂控制阀的控制端分别接所述电控单元的相应输出端。

上述单活塞液压自由活塞发动机可以采用以下结构，包括：