[发明专利]数控液压传动自由活塞内燃机及其控制方法

权利要求书

1、数控液压传动自由活塞内燃机，包括有缸体1、活塞2、2’，3、3′，柱塞油缸4、4′，5、5′，涡轮增压器18，起动电机16，离合器17，起动控制阀21，起动油泵20，起动电机19，

其特征在于：

a、具有数字式活塞位移传感器；柱塞油缸液压传感器46、46′；气缸气压传感器52，52′；

b、具有以插装阀22、22′，23、23′，电控先导阀24、24′，25、25′构成的双向可控液压桥式整流回路，该回路拥有一个共同的阀体13、13′，阀体固定在缸体1上，它同时作为缸体的端盖，柱塞油缸4、5固定在阀体13上，柱塞油缸4′、5′固定在阀体13′上，其油口分别与各自的双向可控压式整流回路的输入端LI，LI′相通；

c、具有以子系统：柱塞油缸液压检测系统38、活塞位移同步伺服系统39，电子喷油控制系统40、键盘41，启动驱动系统42，恒功率驱动系统43、电源44、多功能显示器45及控制微机37组成的微计算机控制系统。

2、根据权力要求1所述的数控液压传动自由活塞内燃机，其特征在于：数字式活塞位移传感器，相应于活塞2、2′，3、3′在缸体1上装有位移传感头14、14’，15、15’在活塞2、2′，3’、3’的裙部30开有作为活塞位移检测标尺的等间隔环槽，槽内装有与活塞裙30导磁性相异的异性磁物质;位移传感头内置若干个霍尔集成块S1～SN，第一个霍尔集成块S1与方齿右侧对齐，其余各集成块在长为P/2的齿顶上成等距P/2N分布，其中P为等间隔环槽齿的波长;位移传感头14、14′、15、15′内具有相位比较电路63与倍频器64，霍尔集成块S1～SN输出的脉冲信号经相位比较电路63后输出活塞位移方向信号N;经倍频器64后输出倍频信号X。

3、根据权力要求1所述的数控液压传动自由活塞内燃机，其特征在于：双向可控液压桥式整流回路回中，插装阀22、23及电控先导阀24、25可由电控单向阻尼阀代替;插装阀22′、23′及电控先导阀24′、25′可由电控单向阀代替。

4、根据权力要求1所述的数控液压传动自由活塞内燃机，其特征在于：柱塞油缸液压检测系统38由液压传感器46、46′，比较电路47，模数转换器48组成;活塞位移同步伺服系统39由位移传感头14、14′、15、15′，计数器49，比较电路50，控制逻辑51，电控先导阀24、25组成;电子喷油控制系统40由气压传感器52、52′，比较电路53，或门电路55，频率计56，喷油驱动电路54，电控泵一喷油器10、10′，脉宽调速器57，电动输油泵58组成;启动驱动系统42由启动驱动电路59，起动电机19、16，起动控制阀21组成;恒功率驱动系统43由恒功率驱动电路60，电控先导阀24′，25′组成。

5、根据权力要求1及4所述的数控液压传动自由活塞内燃机，其特征在于：电控泵-喷油器10、10′具有空心柱塞80，泵油腔77内插入固定柱塞72，空心柱塞80留有计量孔76及喷油孔78，泄油口68处具有电控溢流阀，进油口65处装有单向球阀84。

6、根据权力要求1及4所述的数控液压传动自由活塞内燃机，其特征在于：可以是燃油在气体完成压缩前喷射到工作缸进气中的火花点火内燃机，其相应的燃油系统为电子控制汽油喷射系统。

7、数控液压传动自由活塞内燃机控制方法，其特征在于：

a、液压检测系统38的控制方法，液压传感器46测得柱塞油缸4、4′油压;液压传感器46′测得柱塞油缸5、5′油压，送入比较电路47形成柱塞油缸4、4′与柱塞油缸5、5′之间的油压差，送入模数转换器48形成并行数字信号，送入控制微机37用于有效功计算;

b、同步伺服系统39的控制方法，位移传感头14、14′、15、15′分别测出活塞2、2′、3、3′的位移串行信号X及方向信号N，送入计数器49形成活塞2、2′、3、3′的位移并行信号，其中一路还送入控制微机37用于有效功计算;该并行信号送入比较电路50形成活塞4与活塞4′，活塞5与活塞5′的位移误差信号，送入控制逻辑51;控制逻辑51同时受控制微机37方向控制信号F的控制，逻辑关系为：

其中：

P（2）、P（3）、P（2’）、P（3’）-为位移误差信号，当活塞2超前活塞2′时，P（2）＝1，P（2’）＝0;P（2′），P（3’）同理;

P（13，24）、P（13，25）、P（13’，24）、P（13’，25）-为阀体13，13’的电控先导阀24，25的控制信号，阻尼时为1，非阻尼时为0;

c、电子喷油控制系统40的控制方法，气压传感器52测得燃烧室7内气体压力，气压传感器52测得燃烧7′内气体压力，送入比较电路53与控制微机37的基准线K相比较，基准线的电压值V0相当于设定的最终压缩压力Pc，当燃烧室7（或7′）内气压达到Pc时，比较电路53向喷油驱动电路54发出触发信号，经喷油驱动电路54功率放大后驱动电控泵-喷油器10（或10′）;另外该触发信号经过或门电路55送到频率计56，频率计56测得内燃机循环频率F后送入控制微机37，起动初速时频率F较低，小于怠速频率Fo，控制微机37自动取F＝Fo，控制微机37计算电动输油泵58转速控制信号：

N＝K·F·F

该信号送入脉宽调速器57驱动电动输油泵58，其中系数K由加速踏板传感器控制;N为电动输油泵的转速;

d、启动驱动系统42的控制方法，键盘41向控制微机37输入起动命令，起动程序起动，起动控制信号按程序触发起动驱动电路59，从而推动起动控制阀21、起动电机16、起动电机19，其起动顺序为：

（1）控制微机37向控制逻辑51发出控制信号，控制逻辑51向阀体13和阀体13′的电控先导阀24、25发出信号使其插装阀22、23关闭，双向可控液压桥式整流回路此时断路;

（2）控制微机37向起动驱动电路59发出控制信号使起动驱动电路59推动电控起动阀21开启;

（3）控制微机37向启动驱动电路59发出控制信号使起动驱动电路59推动起动电机19正转，起动油泵20从柱塞油缸5、5′吸油，向柱塞油缸4、4′泵油，从而使活塞2、2′位于内止点，活塞3、3′位于外止点，计数器49归零;

（4）离合器17吸合，控制微机37向启动驱动电路59发出控制信号使启动驱动电路59推动涡轮增压器18的起动电机16，涡轮增压器18对燃烧室7′扫气;

（5）控制微机37向启动驱动电路59发出控制信号使起动驱动电路59推动起动电机19反转，起动油泵20从柱塞油缸4、4′吸油，向柱塞油缸5、5′泵油，从而使活塞2、2′向外止点运动，燃烧室7扫气;使活塞3、3′向内止点运动，燃烧室7压缩行程，当燃烧室7′内气体压力达到Pc时，电子喷油控制系统40推动电控泵-喷油器10′喷油，此时内燃机已经起动，微机37以电子喷油控制系统40收到循环频率F＞0的信号，启动驱动系统42退出工作，离合器17分离，起动电机16及起动电机19断电，起动控制阀21复位;

（6）控制微机37向控制逻辑51发出信号，控制逻辑51向阀体13和阀体13′的电控先导阀24、25断电使其复位，从而使插装阀22、23复位，双向可控液压桥式整流回路导通，同步伺服系统39进行正常工作状态;

e、恒功率驱动系统43的控制方法，控制微机37根据电子喷油控制系统40电控泵-喷油器10（或10′）每一冲程的喷油量Ve求出每一冲程的有效功：

W＝Ve (P·z)/(b)

式中：

Ve-喷油量

P-燃油比重

b-比油耗

Z-气缸数，为Z＝2

控制微机37根据液压检测系统38提供的柱塞油缸4、4′与柱塞油缸5、5′之间的瞬时油压差△P（t），由同步伺服系统39提供活塞瞬时位移值S（t），求出数控液压传动自由活塞燃机92每一时刻发出的有效功：

W(t)=∫△P(t)dv

= (πd²)/4 ∫△P(t)·ds(t)

式中：d-柱塞油缸内径

△P（t）-油压差

S（t）-位移值

当W（t）≥W时，控制微机37向恒功率驱动电路60发出触发信号，该触发信号经恒功率驱动电路60放大后驱动电控先导阀24′，25′;触信号为：

式中：

P（4，4′），P（5，5′）-

行程信号;当活塞4、4′为作功行程、活塞5，5′为压缩行程时，P（4，4′）＝1，P（5，5′）＝0;反之，当活塞4，4′为压缩行程，活塞5，5′为作功行程时，P（4，4′）＝0，P（5，5′）＝1;

F-方向信号，当正向输出时为1，反向时对行程信号P（4，4′），P（5，5′）取逆;

P（24′），P（25′）-电控先导阀24′，25′驱动触发信号，当数控液压传动自由活塞内燃机处于怠速运行及起动状态时恒为1。

f、控制微机37的控制方法，其程序粗框图为：

（1）运行起动程序，启动驱动系统42工作;

（2）起动程序完成，启动驱动系统42退出工作

（3）根据电子喷油控制系统40提供的循环频率F及加速踏板传感器61提供的供油系数K求出电动输油泵58的转速控制信号：

N＝K·F·F，

由转速N求出喷油量VE＝K;

（4）根据喷油量VE求出求有效功W;

（5）根据液压检测系统38提供的油压差△P（t）及同步伺服系统39提供的活塞行程S（t），计算已做功W（t），当W（t）≥W向恒功率驱动系统43发出触发信号;

（6）根据健键盘输入的方向控制信号对控制逻辑51进行控制，对恒功率触发信号进行逻辑运算;

（7）返回（3）;