技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 上述单活塞液压自由活塞发动机可以采用以下结构，包括：
[0008] 发动机主体部分，它包含由动力缸体、回复缸体及液压泵缸体依次排列组成的发动机缸体，和分别置于动力缸体、回复缸体及液压泵缸体内并通过活塞杆连为一体的动力活塞、回复活塞和液压泵活塞，动力活塞、回复活塞、液压泵活塞和连接它们的活塞杆构成自由活塞组件，所述动力活塞将动力缸体内腔分为动力腔和背腔，动力腔的外端设进气口，背腔
侧壁设置排气口，所述回复活塞和回复缸体围成回复腔，所述液压泵活塞和液压泵缸体围成液压泵腔；
[0009] 变量
液压马达/泵，该变量液压马达/泵的两个端口分别通过液压高压回路、液压低压回路与所述发动机主体部分的液压泵腔连通；以及，
[0010] 液压回复子系统，它包含回复行程控制阀、液压回复
蓄能器、第一回复配流
单向阀和第二回复配流单向阀，回复行程控制阀的控制端与电控单元一输出端连接，所述液压回复蓄能器通过回复行程控制阀与第二回复配流单向阀的入口端连接，液压回复蓄能器还与第一回复配流单向阀的出口端连接，第一回复配流单向阀的入口端和第二回复配流单向阀的出口端均与所述发动机主体部分的回复腔连通。
[0011] 进一步可在单活塞液压自由活塞发动机的液压高压回路中旁接一个
高压蓄能器，在其液压低压回路中旁接一个低压蓄能器。以使本发动机可以回收制动
动能或重力
势能，实现再生制动。
[0012] 上述发动机主体部分的液压泵腔还可通过一个行程调节回路与所述液压低压回路中的低压蓄能器连通，该行程调节回路包括
串联连接的变程控制阀和卸载单向阀，变程控制阀的控制端接电控单元一输出端，通过控制变程控制阀可使发动机在膨胀做功过程时液压油不进入液压高压回路而从该行程调节回路直接流回低压蓄能器。
[0013] 本发明双组元单活塞式液压自由活塞发动机可以设计为催化点火式或均相点火式。
[0014] 当采用催化点火式时，所述燃料剂控制阀的出口端通过燃料剂喷射
导管与所述单活塞液压自由活塞发动机动力腔的进气口连通；所述氧化剂控制阀的出口端通过内含催化剂的氧化剂催化床与所述单活塞液压自由活塞发动机动力腔的进气口连通。当发动机处于膨胀
做功冲程时，电控单元先开启氧化剂控制阀，后开启燃料剂控制阀；在氧化剂流经催化床过程中，首先被催化剂分解为由氧气和水蒸气所组成的高温混合气，当该高温混合气和喷入发动机动力腔的燃料剂相遇时，燃料剂被迅速点燃并释放大量的能量，从而驱动发动机工作和输出液压能。
[0015] 当采用均相点火式时，所述燃料剂控制阀的出口端通过燃料剂喷射导管与所述单活塞液压自由活塞发动机动力腔的进气口连通；所述氧化剂控制阀的出口端通过氧化剂喷射导管与所述单活塞液压自由活塞发动机动力腔的进气口连通。在燃料剂储存罐内除了储存易燃性燃料外，还储存有能使氧化剂储存罐内的氧化剂迅速分解的催化剂。当发动机处于膨胀做功冲程时，由电控单元控制氧化剂控制阀和燃料剂控制阀同时开启，在氧化剂和燃料剂相遇混合的过程中，在燃料剂中所溶有的催化剂的作用下，氧化剂将发生剧烈的分解反应，产生氧气和水蒸气所组成的高温高压混合气并引燃燃料剂释放大量的能量，从而驱动发动机工作和输出液压能。
[0016] 与
现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0017] 由于使用双组元燃料(即氧化剂和燃料剂)，工作时依靠氧化剂催化分解产生的高温混合气点燃燃料剂并提供燃烧所需要的氧气，故发动机无需附加的点火装置和为满足附加点火装置点火需要而精确设计的压缩冲程，无需复杂的检测控制系统，结构简单，工作可靠，而且发动机工作时无需从环境中吸入空气，可以在高原、水下及太空等各种缺氧或无氧的环境中工作，使用范围宽。同时，由于使用双组元燃料，燃料热值不仅远大于单组元推进剂的热值，而且较相同液态
碳氢燃料在空气介质中完全燃烧的热值也高，单机功率可达20kW。
[0018] 由于在发动机的液压泵腔和低压蓄能器之间设置了行程调节回路，可以使发动机在膨胀做功过程时液压油不进入液压高压回路而从该行程调节回路直接流回低压蓄能器，使变量液压马达/泵不运转，从而可实现行程调节。
[0019] 由于在高压回路和低压回路分别旁接了高压蓄能器和低压蓄能器，可以回收制动动能或重力势能，实现再生制动。
[0020] 它通过燃料控制阀控制发动机停转/启动，起、停控制容易，且单个冲程可控。每个冲程的可控性为整个发动机控制策略的选择提供了更大的灵活性。而且无起动、空转和
怠速过程，能量转换效率高。
[0021] 本发动机零件数目少，结构紧凑，其自由活塞组件为该双组元自由活塞发动机中的基本运动件，它既作为各缸体之间的密封元件，又作为液压泵的工作活塞。且活塞组件和缸壁之间无侧向
摩擦力，摩擦损失减小，可有效提高发动机的工作寿命长。
[0022] 另外，本发动机可以通过电控单元改变氧化剂控制阀和燃料剂控制阀或回复行程控制阀的工作
频率，改变整个发动机系统的工作频率，从而可灵活改变输出流量和变量液压马达的转速，为本发动机和负载间的良好匹配关系提供可能。
附图说明
[0023] 图1为本发明
实施例1双组元单活塞式液压自由活塞发动机的系统原理图；
[0024] 图2为实施例1发动机处于膨胀做功冲程时，内部液压
流体的流动示意图；
[0025] 图3为实施例1发动机处于回复冲程过程中，内部液压流体的流动示意图；
[0026] 图4为实施例1发动机处于再生制动过程中，内部液压流体的流动示意图；
[0027] 图5为本发明实施例2双组元单活塞式液压自由活塞发动机的系统原理图；
[0028] 图6为本发明实施例3双组元单活塞式液压自由活塞发动机的系统原理图。
具体实施方式
[0029] 本发明双组元单活塞式液压自由活塞发动机，它以高浓度过氧化氢为氧化剂，以
煤油或
乙醇等液态碳氢燃料为燃料剂，通过催化点火或液态均相点火方式将上述双组元燃料的
化学能转化为工质的
热能并作为驱动单活塞式液压自由活塞发动机工作的动力，从而实现双组元燃料的化学能与液压能的直接转换。本发明具有工作可靠、体积小、重量轻、
能量密度高、功率密度大、运动件(主要运动件只有自由活塞组件)少、使用范围宽等特点，是适用于太空、高原或水下等各种缺氧或无氧环境等液压能供应的动力装置。从数十瓦到数千瓦的输出功率都可以通过缩放发动机本体的几何尺寸或改变发动机的工作频率来达到，是一种适用于工程行走机械和能量自治机器人液压能量供应的动力装置。下面结合附图对本发明的具体原理、具体结构和工作过程作进一步的说明。
[0030] 实施例1：采用催化点火方式的双组元单活塞式液压自由活塞发动机[0031] 参照图1，实施例1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1、燃料剂储存罐2、氧化剂控制阀27、燃料剂控制阀3和电控单元(ECU)28，所述氧化剂控制阀27的出口端和燃料剂控制阀3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5连通，氧化剂控制阀27的入口端与所述氧化剂储存罐1底端(即出口端)连接，燃料剂控制阀3的入口端与所述燃料剂储存罐2底端(即出口端)连接，氧化剂控制阀27的控制端和燃料剂控制阀3的控制端分别接所述电控单元28的相应输出端。
[0032] 其中，单活塞液压自由活塞发动机包括：
[0033] 发动机主体部分，它包含由动力缸体6、回复缸体8及液压泵缸体20依次排列组成的发动机缸体，和分别置于动力缸体6、回复缸体8及液压泵缸体20内并通过活塞杆连为一体的动力活塞25、回复活塞22和液压泵活塞21，动力活塞25、回复活塞22、液压泵活塞21和连接它们的活塞杆构成自由活塞组件，所述动力活塞25将动力缸体6内腔分为动力腔和背腔，动力腔的外端设进气口5，背腔侧壁设置排气口23，所述回复活塞22和回复缸体8围成回复腔9，所述液压泵活塞21和液压泵缸体20围成液压泵腔14；
[0034] 变量液压马达/泵17，该变量液压马达/泵17的两个端口分别通过液压高压回路、液压低压回路与所述发动机主体部分的液压泵腔14连通；以及，
[0035] 液压回复子系统，它包含回复行程控制阀11、液压回复蓄能器12、第一回复配流单向阀13和第二回复配流单向阀10，回复行程控制阀11的控制端与电控单元28一输出端连接，所述液压回复蓄能器12通过回复行程控制阀11与第二回复配流单向阀10的入口端连接，液压回复蓄能器12还与第一回复配流单向阀13的出口端连接，第一回复配流单向阀13的入口端和第二回复配流单向阀10的出口端均与所述发动机主体部分的回复腔9连通。
[0036] 上述单活塞液压自由活塞发动机的液压高压回路含高压回路配流单向阀15，该高压回路配流单向阀15的入口端与所述发动机主体部分的液压泵腔14连通，高压回路配流单向阀15的出口端与变量液压马达/泵17的入口端连通；上述单活塞液压自由活塞发动机的液压低压回路含低压回路配流单向阀19，该低压回路配流单向阀19的入口端与变量液压马达/泵17的出口端连通，低压回路配流单向阀19的出口端与所述发动机主体部分的液压泵腔14连通。
[0037] 液压高压回路还包括一个高压蓄能器16，该高压蓄能器16通过管道旁接于液压高压回路中配流单向阀15和变量液压马达/泵17之间；所述液压低压回路还包括一个低压蓄能器18，该低压蓄能器18通过管道旁接于液压低压回路中配流单向阀18和变量液压马达/泵17之间。
[0038] 实施例1中，燃料剂控制阀3的出口端通过燃料剂喷射导管4与所述单活塞液压自由活塞发动机动力腔的进气口5连通；所述氧化剂控制阀27的出口端通过内含催化剂的氧化剂催化床26与所述单活塞液压自由活塞发动机动力腔的进气口5连通。
[0039] 氧化剂催化床26可以位于单活塞液压自由活塞发动机动力腔进气口5的外侧，其内部的催化剂为固体网状催化剂或固体粒子催化剂。
[0040] 氧化剂储存罐1内储存高浓度过氧化氢，燃料剂储存罐2内储存
煤油或乙醇等液态易燃性燃料，所述氧化剂催化床26内的催化剂为能使过氧化氢迅速催化分解的催化剂。
[0041] 本双组元单活塞式液压自由活塞发动机的工作过程包括膨胀做功冲程、回复冲程及再生制动过程，下面结合图2-4分别述之：
[0042] (一)膨胀做功冲程
[0043] 电控单元28先开启氧化剂控制阀27，后开启燃料剂控制阀3；氧化剂储存罐1中已
增压的高浓度过氧化氢将首先流入内含固态催化剂的催化床26并产生剧烈的化学反应，所生成的高温高压混合气在发动机动力腔的进气口5处与燃料剂相遇，在氧化剂所产生的高温高压混合气的作用下，燃料剂被点燃并释放大量的能量驱动自由活塞组件向右运动。在自由活塞组件向右运动的过程中，实现的动作如下：
[0044] ①低压回路配流单向阀19关闭，切断低压回路与液压泵腔14的连接；
[0045] ②高压回路配流单向阀15开启，液压泵腔14向旁接高压蓄能器16的负载回路输送高压液压油，驱动变量液压马达/泵17工作，从而实现燃料的化学能、液压能到机械能的转换；
[0046] ③第一回复配流单向阀13开启，回复活塞22将回复腔9内的液压流体通过第一回复配流单向阀13压入回复蓄能器12，从而蓄积回复冲程所需要的液压能；
[0047] 双组元单活塞液压自由活塞发动机膨胀冲程中，燃料及液压流体的流动情况如图2所示。
[0048] (二)回复冲程
[0049] 回复冲程是指双组元单活塞式液压自由活塞发动机依靠回复蓄能器12中所蓄积的液压能，使自由活塞组件回复到发动机缸体中
指定位置的过程。在该过程中主要完成的动作如下：
[0050] ①电控单元28发出命令开启回复行程控制阀11，回复蓄能器12中的液压流体通过回复行程控制阀11进入发动机的回复腔9，驱动自由活塞组件向左运动；
[0051] ②在自由活塞组件向左运动的过程中，低压回路配流单向阀19开启，液压泵腔14从低压回路吸入液压油；
[0052] ③高压回路配流单向阀15关闭，高压回路与液压泵腔14的连接通道被隔断。
[0053] ④当自由活塞组件运行至发动机缸体内指
定位置时，电控单元28发出命令使回复行程控制阀11失电，回复行程结束。
[0054] 双组元单活塞式液压自由活塞发动机回复冲程中，液压流体的流动情况如图3所示。
[0055] 在回复冲程中，当活塞组件运动到指定位置时，ECU发出命令先后开启氧化剂控制阀27和燃料剂控制阀3，于是发动机又重新开始新一轮的膨胀做功冲程。膨胀做功冲程和回复冲程周而复始地反复，发动机将连续不断地向负载回路输送液压油，驱动变量液压马达/泵17连续工作。双组元单活塞式液压自由活塞发动机在上述工作过程中，可以根据负载工况的需要，既可以通过改变变量液压马达17的
排量来改变拖动负载的转速，也可以通过电控单元28改变氧化剂控制阀27和燃料剂控制阀3或回复行程控制阀11的工作频率，改变整个发动机系统的工作频率，从而改变输出流量和变量液压马达的转速。
[0056] (三)再生制动工作方式
[0057] 将双组元单活塞式液压自由活塞发动机应用于频繁起停的行走机械或升降机械手中，当发动机停止工作而负载由于惯性而保持原来运动状态时，可实现再生制动。此时，变量液压马达/泵17处于泵工作状态，低压蓄能器18中的液压流体将被泵送至高压蓄能器16，从而实现制动动能或重力势能的回收。图4为再生制动工作方式中负载回路液压流体流动状况示意图。
[0058] 实施例2：采用均相点火方式的双组元单活塞式液压自由活塞发动机[0059] 参照图5，实施例2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1、燃料剂储存罐2、氧化剂控制阀27、燃料剂控制阀3和电控单元28，所述氧化剂控制阀27的出口端和燃料剂控制阀3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27的入口端与所述氧化剂储存罐1出口端(底端)连接，燃料剂控制阀3的入口端与所述燃料剂储存罐2出口端(底端)连接，氧化剂控制阀27的控制端和燃料剂控制阀3的控制端分别接所述电控单元28的相应输出端。
[0060] 其中，单活塞液压自由活塞发动机的结构与实施例1相同。
[0061] 实施例2中，燃料剂控制阀3的出口端通过燃料剂喷射导管4与单活塞液压自由活塞发动机动力腔的进气口5连通；氧化剂控制阀27的出口端通过氧化剂喷射导管26’与单活塞液压自由活塞发动机动力腔的进气口5连通。
[0062] 氧化剂储存罐1内储存高浓度过氧化氢，燃料剂储存罐2内储存煤油或乙醇等液态易燃性燃料和能使过氧化氢迅速催化分解的催化剂。
[0063] 当发动机处于膨胀做功冲程时，由电控单元28控制氧化剂控制阀27和燃料剂控制阀3同时开启，氧化剂和燃料剂通过各自的喷射导管在发动机动力腔相遇混合，在燃料剂中所溶有催化剂的作用下，氧化剂将发生剧烈的分解反应产生氧气和水蒸气所组成的高温高压混合气，在氧化剂所产生的高温高压混合气的作用下，燃料剂被点燃并释放大量的能量驱动自由活塞组件向右运动。在自由活塞组件向右运动的过程中(即做功冲程中)实现的动作如下：
[0064] ①低压回路配流单向阀19关闭，切断低压回路与液压泵腔14的连接；
[0065] ②高压回路配流单向阀15开启，液压泵腔14向旁接高压蓄能器16的负载回路输送高压液压油，驱动变量液压马达/泵17工作，从而实现燃料的化学能、液压能到机械能的转换；
[0066] ③第一回复配流单向阀13开启，回复活塞22将回复腔9内的液压流体通过第一回复配流单向阀13压入回复蓄能器12，从而蓄积回复冲程所需要的液压能；
[0067] 实施例2的回复冲程以及再生制动工作方式与实施例1相同。
[0068] 实施例3：采用均相点火方式且含有行程调节回路的双组元单活塞式液压自由活塞发动机
[0069] 参照图6，实施例3是在实施例2双组元单活塞式液压自由活塞发动机的
基础上增加了一个行程调节回路，使得本发动机可以在电控单元28的控制下以变程工作方式工作，实现行程调节。该行程调节回路包括变程控制阀30和卸载单向阀29，变程控制阀30的控制端接电控单元28一输出端，变程控制阀30的入口端与发动机的液压泵腔14连接，变程控制阀30的出口端接卸载单向阀29入口端，卸载单向阀29的出口端接低压蓄能器18。
[0070] 实施例3双组元单活塞式液压自由活塞发动机的膨胀做功冲程、回复冲程以及再生制动工作方式均与实施例2相同。另外它还可以工作于变程工作方式，即在发动机处于膨胀做功过程时，通过电控单元28发出命令开启变程控制阀30，使液压油不进入液压高压回路，而经过变程控制阀30和卸载单向阀29直接流回低压蓄能器18，使变量液压马达/泵不运转，相当于发动机空转，当关闭变程控制阀30后活塞组件重新开始有效行程，从而可实现行程调节。
[0071] 本发明双组元单活塞式液压自由活塞发动机具有以下突出的特点：
[0072] ①结构简单，工作可靠。与常规火花点火或压缩点火式内燃液压自由活塞发动机相比，该双组元液压自由活塞发动机依靠氧化剂催化分解产生高温混合气点燃燃料剂并为其提高燃烧所需要的氧气，故无需燃料与周围环境的混合及压缩过程，无需附加的点火装置或精确设计的压缩冲程。②燃料热值高，单机功率大。该双组元发动机燃料热值不仅远大于单组元推进剂的热值，而且较相同液态碳氢燃料在空气介质中完全燃烧的热值也高，故单机功率可达20kW。③发动机启停迅速。与内燃发动机相比，无需暖缸过程，起动容易；切断
电磁阀，发动机将立即停止运转；开启燃料控制阀，发动机可立即起动，且单个冲程可控。发动机每个冲程的可控性为整个发动机控制策略的选择提供了更大的灵活性。④无起动、空转和怠速过程，能量转换效率高。⑤零件数目少，结构紧凑。自由活塞组件为该双组元自由活塞发动机中的基本运动件，它既作为各工作室之间的密封元件，又作为液压泵的工作活塞。⑥发动机的工作寿命长。发动机的活塞组件和缸壁之间无侧向摩擦力，摩擦损失减小。⑦可以灵活改变发动机的输出液压流体的流量，为双组元液压自由活塞发动机和负载间的良好匹配关系提供可能，可以实现变频等工作方式。⑧由于双组元燃料的分解反应无需氧化剂(如空气等)参与，可以在高原、水下及太空等各种缺氧或无氧的环境中工作，使用范围宽。⑨可以回收制动动能或重力势能，实现再生制动。
[0073] 上述实施例3中的行程调节回路也可以用于实施例1的双组元单活塞式液压自由活塞发动机。实施例1、2中的高压蓄能器16、低压蓄能器18也可以省去。上述氧化剂控制阀27、燃料剂控制阀3、回复行程控制阀11和变程控制阀30可以采用电磁阀。
