本发明涉及动力和液压技术领域，尤其涉及一种单活塞式液压自由活塞发 动机。

随着全球能源危机和环境恶化问题的日益显现，对发动机的节能和环保性 能的要求也不断提高。人们一方面致力于对传统发动机的改进和完善，另一方 面孜孜以求新型的动力装置。液压自由活塞发动机是一种将传统往复活塞式内 燃机与柱塞式液压泵集成为一体的一种新型的动力传动装置。
从结构上看是将内燃机的活塞与液压柱塞泵的柱塞刚性连接起来实现同 时动作，将内燃机燃料燃烧所产生的热能通过活塞直接传递给液压柱塞使其将 液体加压后对外输出。
液压自由活塞发动机可分为内燃机和柱塞泵两大部分组成，根据其中内燃 机部分燃烧室数目及活塞组数目的不同，可以分为单活塞式、对置活塞式和双 活塞式三种结构类型。
在液压自由活塞发动机的研究工作中，其结构的合理性设计和优化也是其 发展的一个重点工作。
单活塞式液压自由活塞发动机结构中目前的结构类型为动力活塞、泵活塞 和压縮活塞三个活塞沿轴线方向刚性连接纵向布置组成活塞组件。目前单活塞 式液压自由活塞发动机常见的有两种类型， 一种为动力活塞和压縮活塞布置在
活塞组件的两端，泵活塞布置于中间；另一种为动力活塞和泵活塞布置于活塞 组件两端，压縮活塞布置于中间。这两种布置方案均会导致活塞组件的轴向尺
寸过大（至少要大于两倍的活塞行程）使得液压自由活塞发动机结构不紧凑， 活塞组件的加工工艺性变差等缺点。

本发明的目的在于提出一种单活塞式液压自由活塞发动机，将一个泵活塞 和两个压縮活塞同时刚性直接连接于动力活塞上组成活塞组件，使得活塞组件 的轴向尺寸大大縮小，提高了紧凑性，提高了活塞组件加工工艺性。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种单活塞式液压自由活塞发动机，包括气缸盖、气缸体和泵体，所述气 缸盖与所述气缸体的一端连接，所述气缸体的另一端与所述泵体连接；
还包括动力活塞、压縮活塞和泵活塞，所述压縮活塞的杆体和所述泵活塞 的杆体一端固定在所述动力活塞内，所述动力活塞、压縮活塞和泵活塞形成活 塞组件，所述压縮活塞的杆体和所述泵活塞的杆体的长度大于所述活塞组件的 行程，所述动力活塞安装在所述气缸体内，所述泵体内开设有控制腔和泵腔， 所述压縮活塞和所述泵活塞分别配合安装在所述控制腔和所述泵腔内，所述泵 腔顶端部通过油道与液压系统连接，所述控制腔的一侧开设有油道与控制系统 连接；
还包括喷油器、排气门、控制喷油用电磁阀、控制排气门用电磁阀，所述 气缸盖开设有连通气缸体内部和外部的气道和驱动排气门的油道，所述排气门 对应所述气道安装，所述控制喷油用电磁阀一端与所述喷油器连接， 一端与液 压系统连接，用于控制喷油器向所述气缸体内喷射高压燃油，所述控制排气门 用电磁阀一端通过所述驱动排气门的油道与所述排气门连接，另一端与所述液 压系统连接，用于控制所述排气门的开启与关闭；
所述气缸体侧部开设有进气口 。
包括两个所述压縮活塞，分别对称布置于所述泵活塞的两侧。
所述控制系统包括高压蓄能器、频率电磁阀、阻尼阀和单向阀，所述泵体 上从所述控制腔的顶端起依次开设有三个连通所述控制腔与所述泵体外、直径 依次增大的油道，分别为与所述阻尼阀连接的阻尼阀油道、与所述单向阀和所 述频率电磁阀连接的单向阀油道和与所述高压蓄能器连接的高压蓄能器油道， 所述压缩活塞在右止点的位置时，覆盖所述高压蓄能器油道。
所述控制系统还包括第一压力电磁阀和第二压力电磁阀，所述第一压力电 磁阀一端连接所述液压系统的高压端， 一端连接所述高压蓄能器，用于提高所
述高压蓄能器的压力；所述第二压力电磁阀一端连接所述液压系统的低压端， 一端连接所述高压蓄能器，用于降低所述高压蓄能器的压力。
所述液压系统包括高压端、低压端、进油单向阀和出油单向阀，所述泵体 上在所述泵腔顶端的位置开设有连通所述泵腔与所述泵体外的油道，所述进油 单向阀的一端连接所述低压端， 一端连接所述泵腔的油道，用于接通所述低压 端到所述泵腔方向的油道并切断所述泵腔到所述低压端方向的油道；所述出油 单向阀的一端连接所述高压端， 一端连接所述泵腔的油道，用于接通所述泵腔 到所述低压端方向的油道并切断所述低压端到所述泵腔方向的油道，当所述泵 活塞往复运动时，液油通过所述进油单向阀从所述低压端吸入所述泵腔，提高 压力后再通过出油单向阀输出到所述高压端。
所述泵腔底部与所述泵活塞的杆体之间通过密封圈密封，所述泵活塞与所 述泵腔之间形成高压腔，所述泵体上开设有连通所述高压腔与所述泵体外的油 道，所述油道与所述高压端连通，用于防止所述泵活塞在止点位置的波动。
所述泵活塞的顶端面的面积是后端面的面积的两倍。
还包括第一控制电磁阀和第二控制电磁阀，所述第一控制电磁阀与所述泵 腔连通，所述第二控制电磁阀与所述控制腔连通，用于调整所述泵腔和所述控 制腔的压力，保证所述活塞组件回到右止点。
所述气缸盖与所述气缸体的一端通过连接螺栓连接，所述气缸体的另一端
与所述泵体通过连接螺栓连接，所述压縮活塞的杆体和所述泵活塞的杆体一端 通过连接螺母固定在所述动力活塞内。
还包括低压蓄能器，所述低压蓄能器与所述低压端和所述泵腔连通，用于 稳定所述低压端和所述泵腔之间油道中的压力。
采用了本发明的技术方案，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；实现了压縮比可变，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；有效地缩短了发动机的轴向尺寸，使得其 结构更紧凑，改善了其零件加工的工艺性；有效地控制了活塞组件在止点位置 的反弹现象，大大改善了其控制性和稳定性；提高了发动机工作过程中出现失 火现象时活塞组件回到正确位置的可操作性。
附图说明
图l是本发明具体实施方式中活塞组件位于右止点的发动机结构示意图； 图2是本发明具体实施方式中活塞组件位于左止点的发动机结构示意图； 图3是本发明具体实施方式中活塞组件位于中间位置的发动机结构示意
图；
图4是本发明具体实施方式中发动机在不同工作频率下的活塞位移曲线图。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明技术方案的主要思想将传统往复活塞式内燃机与柱塞式液压泵集 成为一体，省去了内燃机中将活塞的往复运动转化为旋转运动的曲柄连杆机构 和柱塞泵中将旋转运动转化为往复运动的斜盘机构，而直接将内燃机的活塞与 液压泵的柱塞刚性连接组成，这样既縮短了传动链，又省去了不同运动形式之 间的反复转换，优化了发动机和传动系统的能量传输形式，实现了动力传动装 置的柔性调节。
图l是本发明具体实施方式中活塞组件位于右止点的发动机结构示意图，
图2是本发明具体实施方式中活塞组件位于左止点的发动机结构示意图，图3 是本发明具体实施方式中活塞组件位于中间位置的发动机结构示意图。如图1、 图2和图3所示，单活塞式液压自由活塞发动机包括气缸盖l、气缸体2、动力活 塞3、压缩活塞4、泵体5、泵活塞6、进油单向阀7、第一控制电磁阀8、第二控 制电磁阀9、低压蓄能器IO、出油单向阀ll、泵腔12、高压腔13、控制腔14、 第一压力电磁阀15、第二压力电磁阀16、频率电磁阀17、单向阀18、高压蓄能 器19、阻尼阀20、阻尼阀油道21、单向阀油道22、高压蓄能器油道23、连接螺 母24、连接螺栓25、气道26、油道27、控制排气门用电磁阀28、排气门29、控 制喷油用电磁阀30、喷油器31、进气口32和密封圈33。
单活塞式液压自由活塞发动机包括发动机部分、泵部分和液压系统控制部 分，发动机部分主要由动力活塞、气缸体、气缸盖、排气门、喷油器等组成， 该部分安照传统往复式二冲程柴油机的工作原理运动；泵部分包括泵活塞、压 縮活塞及泵体，该部分按照液压柱塞泵的工作原理运动；发动机部分和泵部分 通过动力活塞、泵活塞和压縮活塞刚性连接的方式联系起来，实现液压自由活 塞发动机的工作，控制系统有效地实现了该发动机能按目标准确工作的功能。
气缸盖与气缸体的一端通过连接螺栓连接，气缸体的另一端与泵体通过连 接螺栓连接。
两个压縮活塞的杆体和泵活塞的杆体一端通过连接螺母固定在动力活塞 内，这两个压縮活塞，分别对称布置于泵活塞的两侧，动力活塞、压缩活塞和 泵活塞形成活塞组件，压縮活塞的杆体和泵活塞的杆体的长度大于活塞组件的
行程，动力活塞安装在气缸体内，泵体内开设有控制腔和泵腔，压縮活塞和泵 活塞分别配合安装在控制腔和泵腔内，泵腔顶端部通过油道与液压系统连接， 控制腔的一侧开设有油道与控制系统连接。
气缸盖开设有连通气缸体内部和外部的气道和驱动排气门的油道，排气门 对应气道安装，控制喷油用电磁阀一端与喷油器连接， 一端与液压系统连接， 准确控制喷油器定时定量向汽缸体内喷射高压燃油，控制排气门用电磁阀一端 通过驱动排气门的油道与排气门连接，另一端与液压系统连接，准确控制排气 门的开启和关闭，气缸体侧部开设有进气口。
控制系统包括高压蓄能器、频率电磁阀、阻尼阀、单向阀、第一压力电磁 阀和第二压力电磁阀，泵体上从控制腔的顶端起依次开设有三个连通控制腔与 泵体外、直径依次增大的油道，分别为与阻尼阀连接的阻尼阀油道、与单向阀 和频率电磁阀连接的单向阀油道和与高压蓄能器连接的高压蓄能器油道，压縮 活塞在位于控制腔顶端的右止点的位置时，覆盖高压蓄能器油道。第一压力电 磁阔一端连接液压系统的高压端， 一端连接高压蓄能器，提高高压蓄能器的压 力；第二压力电磁阀一端连接液压系统的低压端， 一端连接高压蓄能器，降低 所述高压蓄能器的压力。
液压系统包括高压端、低压端、进油单向阀、出油单向阀、第一控制电磁 阀和第二控制电磁阀，泵体上在泵腔顶端的位置开设有连通泵腔与泵体外的油 道，进油单向阀的一端连接低压端， 一端连接泵腔的油道，接通低压端到泵腔 方向的油道并切断泵腔到低压端方向的油道；出油单向阀的一端连接高压端， 一端连接泵腔的油道，接通泵腔到低压端方向的油道并切断低压端到泵腔方向 的油道，当泵活塞往复运动时，液油通过进油单向阀从低压端吸入泵腔，提高 压力后再通过出油单向阀输出到高压端，也就是说，在泵活塞往复运动过程中， 当泵活塞向左止点运动时，泵活塞通过进油单向阀从低压端吸入泵腔，当泵活 塞向右止点运动时，泵活塞将吸入的低压油加压后通过出油单向阀输出到高压端。
低压蓄能器与低压端和泵腔连通，稳定低压端和泵腔之间油道中的压力， 防止泵活塞在快速向左止点运动过程中吸油时出现气穴现象，影响吸油效果。
在泵腔底部与泵活塞的杆体之间通过密封圈密封，泵活塞与泵腔之间形成 高压腔，泵体上开设有连通高压腔与泵体外的油道，油道与高压端连通，防止 泵活塞在止点位置的波动，泵活塞的顶端面的面积是后端面的面积的两倍。
第一控制电磁阀与泵腔连通，第二控制电磁阀与控制腔连通，调整泵腔和 控制腔的压力，保证活塞组件回到右止点。
下面具体介绍本实施方式中单活塞式液压自由活塞发动机的工作状况：
单活塞式液压自由活塞发动机的动力活塞与泵活塞和两个压縮活塞通过 连接螺母刚性连接成活塞组件。动力活塞安装于气缸体内，泵活塞和两个压縮 活塞通过配合安装于泵体上，泵活塞的杆体和压縮活塞的杆体的长度大于活塞 组件的行程。泵体上加工出安装泵活塞的泵腔和安装压縮活塞的控制腔，两个 压縮活塞对称布置于泵活塞两侧，泵体上两个控制腔的外侧依次有三个直径不 等的油道与外部系统相连。泵腔上当活塞组件位于右止点时泵活塞和泵腔密封 圈之间的通过油道与液压系统相连接，泵腔顶端部通过油道与液压系统相连。 泵体与气缸体通过螺栓连接成一体。气缸盖通过连接螺栓安装于气缸体的另一 端，实现气缸的密封。气缸盖上安装有用于实现换气的液压驱动的排气门、气 道、驱动气门的油道、为缸内提供高压燃油的喷油器。
控制系统中包括控制活塞组件运动频率的频率电磁阀、调节高压蓄能器压 力的第一压力电磁阀和第二压力电磁阀、控制活塞失火回位的第一控制电磁阀 和第二控制电磁阀、控制排气门用电磁阀、控制喷油用电磁阀、进油单向阀、 出油单向阀和低压蓄能器。
液压系统包括从泵腔输出的高压液体油路，该油路通过单向阀输出到高压 端，为负载提供高压压力；为活塞组件进入压縮冲程的压縮压力油路，该油路
同时作用于两个压縮腔，主要包括为控制腔提供压力势能的高压蓄能器、控制 活塞组件运动频率的频率阀所在的油路、控制压力液体推回到蓄能器的单向阀 的油路油道、以及控制高压蓄能器压力的油道。另外还包括为泵腔提供低压油 的油道、为排气门提供液压能的油道、为喷油器提供液压能的液压油道。
如图l所示，当活塞组件处于右止点位置（即控制腔和泵腔顶端）时，此 时，动力活塞位于打开气缸体上进气口的位置，压縮活塞位于关闭高压蓄能器 油道、而单向阀油道和阻尼阀油道处于开启状态的位置，泵活塞位于右止点位 置。当启动该发动机时，给频率阀通电打开，高压蓄能器中的高压液体通过频 率阀和单向阀油道进入压力活塞所在的控制腔，该液体推动活塞组件向左止点 方向运动，当压力活塞运动到打开高压蓄能器油道时，压力蓄能器的压力油通 过高压蓄能器油道进入压力腔，由于流量的增加使得活塞组件快速移动，在活 塞组件向左移动过程中泵活塞所在的泵腔形成一定的真空度，进油单向阀被打 开，将低压油吸入泵腔。与此同时，动力活塞在该过程中，将通过进气口吸入 的新鲜空气压縮。当活塞组件运动到左止点附近时，缸内气体压力、温度达到 使燃油燃烧的条件，控制喷油用电磁阀通电打开，喷油器将高压燃油喷入气缸 内，燃油喷入高温高压的燃烧室中自行燃烧着火。高温高压气体作用于动力活 塞上推动活塞组件快速向右止点运动，活塞组件向右止点运动过程中压縮活塞 将上一冲程进入控制腔的液压油通过单向阀油道和高压蓄能器油道推回到高 压蓄能器，泵活塞在向右运动过程中将上一冲程吸入的低压油通过泵活塞的移 动加压后通过出油单向阀输出到高压端。低压蓄能器与低压端和泵腔连通，稳 定低压端和泵腔之间油道中的压力，防止泵活塞在快速向左止点运动过程中吸 油时出现气穴现象，影响吸油效果。当活塞组件运动到快到左止点位置时（尚 未打开进气孔的位置时），控制排气门用电磁阀通电打开，驱动排气门开启， 由于此时缸内的气体压力相对于排气门背后的气道的压力较大，则缸内的燃烧 废气快速从排气门排出，随着活塞组件的移动，排气量越来越多，当活塞组件
移动到将进气孔打开时，新鲜空气从进气孔进入气缸，进入气缸的新鲜空气进 一步将残余废气挤出气缸达到扫除残余废气的作用。扫气过程一直持续到下一 次循环开始后将进气孔关闭的时刻。当活塞组件运动到左止点附近时压縮活塞 关闭高压蓄能器油道后停止，当由于各种因素导致的活塞组件运动到此为止尚 不能停止时，活塞组件会继续向右移动，直到关闭单向阀油道，如果此时活塞 组件仍然不能停止时，由于此时频率阀处于关闭状态，活塞组件继续向左止点 移动时，控制腔中液体的外流途径只有通过阻尼阀油道，阻尼阀的阻尼作用将 迫使活塞组件停止下来。故此，通过以上分析可知，活塞组件在左止点附近将 产生位移波动，直到将活塞组件的能量消耗尽而停止下来为止。需要特别指出
的是活塞组件的理想停止位置应该是压縮活塞将高压蓄能器油道23关闭、而 未能到达单向阀油道位置时的位置。活塞组件保证在该位置的依据是供给气缸 内燃油的循环供油量来控制，循环供油量多，则活塞组件停止位置将越向左止 点远离高压蓄能器油道位置，反之，循环供油量越少，则活塞组件停止位置越 靠近高压蓄能器油道。所以，活塞组件的停止位置需要通过活塞位置信号的闭 环反馈控制该发动机的循环供油量。
如果单活塞式液压自由活塞发动机在工作过程中，控制高压蓄能器的压力 由于工作过程中的一些不确定因素（泄漏等）导致的压力变化时，可以通过高 压蓄能器的第一压力电磁阀和第二压力电磁阀来进行压力调整。其工作过程为 当蓄能器压力低于设定压力时，控制电磁阀通电打开，则高压端液油就会通过 该电磁阀补充到高压蓄能器使其压力升高到给定值，关闭第一压力电磁阀；当 蓄能器压力高于设定值时，第二压力电磁阀通电打开，则高压蓄能器的液油就 会通过第二压力电磁阀泄压到低压端，使其压力降低到设定值，电磁阀关闭。 该两个压力电磁阀可以通过电子控制系统对高压蓄能器的压力进行实时监控， 保证了高压蓄能器压力稳定在给定的压力范围内。
如图3所示，当单活塞式液压自由活塞发动机在工作过程中由于不点火或
某些其它故障造成的发动机活塞组件不能返回到右止点位置时，为了让活塞组 件能够回到规定右止点进行正常启动，可以利用第一控制电磁阀和第二控制电 磁阀来实现活塞组件的回位。工作过程为当活塞组件由于不点火或某些其它故 障造成停止在某一中间位置时，打开第一控制电磁阀和第二控制电磁阀，则活 塞组件上由于高压液体作用于泵活塞的前端面而使活塞组件向右止点运动。即 让活塞复位到启动状态，准备下一循环重新启动。泵活塞是一个双面工作活塞， 即前端面和后端面均为工作面，这里，前端面的面积是后端面面积的一半，该 活塞面积的作用为防止活塞组件在止点附近的反弹，作用于活塞两端的高压液 体保证了活塞组件的稳定运行。
图4是本发明具体实施方式中发动机在不同工作频率下的活塞位移曲线 图。如图4所示，单活塞式液压自由活塞发动机根据负载对功率需求的不同，可 以分为连续工作状态、不同频率工作状态。
如果是连续工作状态，当负载需要大负荷时，该发动机以最大频率连续工 作，此时，频率电磁阀控制发动机以固有频率连续工作，此时，活塞组件在液 压力和气体压力的共同作用下以固有频率往复运动，从右止点到左止点，连续 不断地将燃料的热能转化为液压能对外输出，该种工况下的活塞位移曲线如图 4部分a所示。活塞连续运动，此时输出液体能量最多，以满足负载对动力的需 求。
如果是不同频率工作状态，当负载为部分负荷时，该发动机以适应该负荷 的某一频率状态工作，该频率可通过控制频率阀的控制信号实现，其工作频率 可以在设定2到33Hz内任意控制，如图4部分b所示，活塞运动频率为15Hz时的 工作状态，该工况时，活塞运动到右止点处停止32ms，之后再次启动频率阀使 得活塞进入下一循环，如此往复实现活塞组以15Hz频率工作，以满足发动机负 载需求。图4部分c给出活塞运动频率为5Hz时的工作状态，该工况时，活塞运 动到右止点处停止170ms，之后进入下一循环。图4部分d给出活塞运动到2Hz
时的工作状态，该工况活塞在右止点停止470ms。从不同运动频率曲线可以看 出，尽管活塞运动频率不同，但是对于活塞每一个循环来讲其位移曲线基本保 持不变，所不同的是在右止点停留时间不同控制活塞的不同工作频率实现液压 自由活塞发动机功率的调节，该特点保证了液压自由活塞发动机在小负荷时活 塞的运动规律不变，即活塞的位移、速度不变，这样可以很好地避免传统发动 机由于曲柄连杆机构对活塞的约束导致低速低负荷时活塞运动速度降低引起 的漏气严重、气流组织减弱、燃烧速度降低等不良状况发生的缺点之一。
本具体实施方式中的单活塞式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 引机及巻扬机等。
如需较大功率时可用多个单活塞式液压自由活塞发动机单元组合实现，该 发动机集合液压共轨网络技术尤其适用于动力装置需要柔性布置的车辆动力 传动场合，如全轮驱动的装甲车辆等，可集液压转向、无级变速、多轮驱动、 制动能回收等液压技术于一个网络平台，实现多功能综合控制。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。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变 化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该 以权利要求的保护范围为准。