[发明专利]数控液压传动自由活塞内燃机及其控制方法

说明书

车辆的行走机构目前主要有机械驱动、液压驱动、电驱动和静动四种方式。

近年来静压驱动更多地得到应用，这是因为它具有以下优点：无级、灵敏的行驶;直接换向;操作简单;广泛的控制与调节方法;行驶自动化;液压马达和泵能灵活地安装;可有效地利用所提供的功率;能利用静压系统帮助制动;液压马达无超载等。

所谓自由活塞内燃机是指活塞借助于作用在活塞表面的压力所产生的力而运动。它没有曲柄连机构，这与传统的发动机不同。到现在为止，人们设想了各种形式的自由活塞内燃机。按照功率的传递结构可分为四种：1、机械式;2、电动式;3、气动式;4、液压式。在这四种形式中，液压传动自由活塞内燃机是最优越的：输出的扭矩和速度控制性能好;对自由活塞部件的操作非常容易，尤其对功率范围几十到几千千瓦的系统，液压式更为合适，因为可以采用现成的液压技术。液压传动自由活塞内燃机，与现有的静压驱动装置相比具有以下特点：

一、结构简单：液压传动自由活塞内燃机最简单直接地实现了由热能到液压能的转换。它没有普通静压驱动装置中从内燃机活塞到轴向液压泵柱塞之间的一系列传动机构，形成直接作用的活塞式内燃机，因而创造出最紧凑的液压动力泵，显着降低了静压驱动装置的成本及重量。

二、机体应力均匀：液压传动自由活塞内燃机的气缸及液压泵活塞副均无侧压力，应力分布均匀，比压（法向力×运动速度）小，机械效率高。因其合理的结构形式，可以承受较大的燃烧爆发压力（可达Pzmax＝30～40Mpa）;采用较大的压缩比（≥30）。因此具有很高的热效率及机械效率，其总效率可达40～50%。

三、可变压缩比：液压传动自由活塞内燃机，活塞的行程可以随着燃油喷入量而改变;因而液压泵的排量在一定范围内可以调节。因为具有可变的活塞行程，可以提高起动时的压缩比，可以在低温环境时也能保证良好的起动性能。液压传动自由活塞内燃机还可以燃用不同馏分的燃油，特别是可以燃用廉价的重质燃油。其原因是：用改变着火落后期的方法，自动调节压缩比及内止点位置。如果着火落后期大，则活塞行程及压缩比增大;空气的温度及压力升高，反而使着火落后期减小。

四、机构对称：液压传动自由活塞内燃机中，活塞两两对称，发动机重心始终处于静上状态，内力平衡，运行平稳，无振动。

五、自润滑：由于往复液压柱塞泵具有自润滑能力，从而省去了普通内燃机复杂的润滑系统。对气缸活塞部分只须将低压油路通到气缸壁的润滑油注油孔处，从而使气缸活塞副润滑。

但是，现有的液压传动自由活塞内燃机，在具有上述一系列优点的同时，也存在下列是难以解决的题：

一、当多个液压传动自由活塞内燃机共同工作时，很难使各组往复液压泵的工作过程均匀分配，液压泵输出的压力不均匀，脉动系数大。

二、由于液压传动自由活塞内燃机没有飞轮作为储能装置，必须用反弹气缸或液压储能器来储存能量。这时发动机的结构就复杂化，紧凑性也变差。如果住复液压泵是内藏到反弹气缸中时，还会对往复液压泵的散热造成困难。

三、液压传动自由活塞内燃机的同步装置，在采用连杆式和齿轮齿条式时，结构复杂紧凑性差;在采用阻尼同步阀时耗能高效率低;在采用同步油缸时另件形状复杂加工精度高。从而使体积增大，成本增加效率降低。

四、由于液压传动自由活塞内燃机的同步装置没有等速旋转的轴，故油泵把燃料正常地喷射到气缸中的过程遇到困难。发动机活塞对在内止点相互靠近时，它们的运动速度急剧下降，此时燃油泵柱塞的运动速度也降低，难以把燃料可靠而迅速地喷入气缸。

五、对于运行速度在20～30KM/h的农用机械或工程机械等低速车辆，由于其速度变化范围小，油液流量小，因而最适于采用“变量泵-定量马达”静压驱动方案。但现有的液压传动自由活塞内燃机只有定量（往复）液压泵（或只能在小范围内变量），这就限制了它的使用范围。

本发明的目的，就在于解决以上问题。

发明综述

为了解决现有液压传动自由活塞内燃机存在的以上问题，本发明采用“机电液一体化”技术。”实现了液压传动自由活塞内燃机的计算机自动控制。具体采取了下列措施：

一、在液压传动自由活塞内燃机上设置了一系列传感器：数字化活塞位移传感器;柱塞油缸液压传感器;燃烧室气体压力传感器。这些传感器构成了数控液压传动自由活塞内燃机最基本的数据采集系统。它们为数控液压传动自由活塞内燃机的起动程序控制，同步伺服控制，液压泵双向变量控制，电子喷油控制提供准确及时的数据。