專利名稱：雙組元液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其是涉及一種雙組元液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
由于全球性的能源危機(jī)以及環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)保和節(jié)能的要求越來(lái)越迫切，液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)不僅是行走機(jī)械有希望的動(dòng)力之星，而且是推動(dòng)現(xiàn)代液壓技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)勁動(dòng)力。燃料的選擇以及如何突破液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)需要精確設(shè)計(jì)的壓縮沖程和壓縮比精確控制的限制成為目前研究的重點(diǎn)。
對(duì)于液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)主要集中在自由活塞組件的結(jié)構(gòu)以及燃料的選擇上。
從活塞組件及動(dòng)力腔的數(shù)目和壓縮沖程實(shí)現(xiàn)方式分液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)可分為單活塞、對(duì)置活塞及雙活塞。單活塞式需單獨(dú)的回復(fù)系統(tǒng)，存在振動(dòng)問(wèn)題，直流掃氣需專門閥系配合，目前所研制的樣機(jī)可在液壓叉車進(jìn)行示范性應(yīng)用；對(duì)置活塞式也需要單獨(dú)的回復(fù)系統(tǒng)，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難于實(shí)現(xiàn)兩對(duì)置活塞運(yùn)動(dòng)的精確同步控制，目前尚處于實(shí)驗(yàn)室研究和樣機(jī)試制階段；雙活塞式難以實(shí)現(xiàn)壓縮比的精確控制，同樣存在振動(dòng)問(wèn)題，流量調(diào)節(jié)較困難，掃氣時(shí)間短，直流掃氣需專門閥系，目前也是處于實(shí)驗(yàn)室研究和樣機(jī)試制階段。但是由于其功率密度最大，并且不需獨(dú)立的回復(fù)系統(tǒng)，因此雙活塞式液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)成為目前研究的熱點(diǎn)。目前的液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)主要是基于內(nèi)燃式工作方式，需要單獨(dú)的點(diǎn)火系統(tǒng)，并且對(duì)壓縮比和壓縮沖程要求嚴(yán)格，成為制約其發(fā)展的瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種雙組元液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)采用航空單組元推進(jìn)劑作為氧化劑，以高能礦物燃料作為燃燒劑，組成雙組元驅(qū)動(dòng)能源；利用單組元推進(jìn)劑催化分解產(chǎn)生的高溫和氧氣來(lái)引燃礦物燃料；由于利用的催化分解反應(yīng)，因此不需要對(duì)壓縮比進(jìn)行精確的控制，無(wú)需點(diǎn)火和起動(dòng)裝置。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是包括第一氣缸經(jīng)液壓泵腔與第二氣缸連接，連接活塞桿中一端的第一動(dòng)力活塞、中部的泵活塞和另一端的第二動(dòng)力活塞，分別裝在第一氣缸、液壓泵腔和第二氣缸內(nèi)，泵活塞上接有配流單向閥組，配流單向閥組的一端經(jīng)高壓蓄能器接負(fù)載的一端，配流單向閥組的另一端經(jīng)低壓蓄能器接負(fù)載的另一端；氧化劑罐出口分兩路，一路經(jīng)第一氧化劑控制閥接第一氣缸的進(jìn)氣口，另一路經(jīng)第二氧化劑控制閥接第二氣缸的進(jìn)氣口；燃燒劑罐出口分兩路，一路經(jīng)第一燃燒劑控制閥接第一氣缸的進(jìn)氣口，另一路經(jīng)第二燃燒劑控制閥接第二氣缸的進(jìn)氣口；微機(jī)控制單元分別與第一燃燒劑控制閥、第二燃燒劑控制閥、第一氧化劑控制閥和第二氧化劑控制閥電連接。
它使用航空單組元推進(jìn)劑+高能礦物燃料，并在燃料中溶有催化劑。當(dāng)在電控單元的控制下，氧化劑和燃料混合后，燃料中的催化劑催化分解單組元推進(jìn)劑，使其分解產(chǎn)生高溫，并釋放出氧氣，在高溫和氧氣的條件下，礦物燃料被引燃，釋放出巨大能量，推動(dòng)活塞組件運(yùn)動(dòng)，對(duì)外輸出液壓能。由于燃料的點(diǎn)火是通過(guò)單組元燃料催化分解引燃的，因此不需要點(diǎn)火和起動(dòng)裝置，也不需要對(duì)活塞組件的行程作嚴(yán)格的控制，因此結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)缺火現(xiàn)象，能夠可靠運(yùn)行。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有的有益的效果是無(wú)需壓縮沖程和點(diǎn)火及起動(dòng)裝置，使得其結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單；無(wú)需怠速，可產(chǎn)生離散的發(fā)動(dòng)機(jī)沖程，適應(yīng)于變負(fù)載場(chǎng)合；不依賴氧化劑，使用范圍廣；無(wú)需壓縮比的精確控制，系統(tǒng)可靠性高。


附圖是雙組元液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖。
圖中1.氧化劑罐，2.燃燒劑罐，3、3′.燃燒劑控制閥，4、4′.進(jìn)氣口，5、5′.氣缸，6、6′.動(dòng)力活塞，7、7′.液壓泵腔，8.配流單向閥組，9.泵體，10.高壓蓄能器，11.負(fù)載，12.低壓蓄能器，13.泵活塞，14.連接活塞桿，15、15′.排氣口，16、16′.氧化劑控制閥，17.微機(jī)控制單元。
具體實(shí)施例方式
如附圖所示，本發(fā)明包括第一氣缸5經(jīng)液壓泵腔7與第二氣缸5′連接，連接活塞桿14中一端的第一動(dòng)力活塞6、中部的泵活塞13和另一端的第二動(dòng)力活塞6′，分別裝在第一氣缸5、液壓泵腔7和第二氣缸5′內(nèi)，泵活塞13上接有配流單向閥組8，配流單向閥組8的一端經(jīng)高壓蓄能器10接負(fù)載11的一端，配流單向閥組8的另一端經(jīng)低壓蓄能器12接負(fù)載11的另一端。氧化劑罐1出口分兩路，一路經(jīng)第一氧化劑控制閥16接第一氣缸5的進(jìn)氣口4，另一路經(jīng)第二氧化劑控制閥16′接第二氣缸5′的進(jìn)氣口4′；燃燒劑罐2出口分兩路，一路經(jīng)第一燃燒劑控制閥3接第一氣缸5的進(jìn)氣口4，另一路經(jīng)第二燃燒劑控制閥3′接第二氣缸5′的進(jìn)氣口4′；微機(jī)控制單元17分別與第一燃燒劑控制閥3、第二燃燒劑控制閥3′、第一氧化劑控制閥16和第二氧化劑控制閥16′電連接。
微機(jī)控制單元17采用NI公司的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAQ)或單片機(jī)MCS51系統(tǒng)，來(lái)控制氧化劑控制閥和燃燒劑控制閥的開(kāi)關(guān)時(shí)間。
為了保證驅(qū)動(dòng)能源存放的安全性以及使用過(guò)程的靈活性，氧化劑和燃燒劑單獨(dú)存放在不同的儲(chǔ)料罐中。其中所使用的氧化劑是推進(jìn)劑級(jí)高濃度過(guò)氧化氫(HTP)，質(zhì)量濃度一般為90％；為保證高濃度HTP的安全存放，氧化劑罐在使用之前經(jīng)過(guò)濃硫酸的鈍化，并在其中加入一定量的穩(wěn)定劑，以保證在常溫下可以長(zhǎng)期存放，避免雜質(zhì)分解過(guò)氧化氫；燃燒劑中溶有一定量的能夠催化分解過(guò)氧化氫的催化劑，但是與燃燒劑不起反應(yīng)。為了保證氧化劑和燃燒劑快速的通過(guò)控制閥進(jìn)入氣缸，對(duì)氧化劑罐和燃燒劑罐利用惰性氣體進(jìn)行預(yù)加壓。并且為了保證高濃度過(guò)氧化氫的使用安全，在氧化劑罐的上部安裝有爆破隔膜，確保過(guò)氧化氫在異常分解的情況下快速釋放，防止爆炸。
根據(jù)負(fù)載的情況，雙組元液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)可以分為連續(xù)工作和空載運(yùn)行工作狀態(tài)。
a)連續(xù)工作狀態(tài)當(dāng)雙組元液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，在微機(jī)控制單元17的控制下，左氧化劑控制閥16和燃料劑控制閥3同時(shí)開(kāi)啟，由于燃料罐和氧化劑罐在開(kāi)始時(shí)實(shí)行了預(yù)加壓，因此氧化劑與燃料劑將在左動(dòng)力腔5內(nèi)以較快的流速實(shí)現(xiàn)迅速混合。由于燃料劑中溶有催化劑，在混合過(guò)程中，氧化劑將發(fā)生劇烈的分解放熱反應(yīng)并釋放出氧氣，點(diǎn)燃燃料劑，驅(qū)動(dòng)活塞組件14向右移動(dòng)，當(dāng)活塞組件運(yùn)動(dòng)到將排氣口15打開(kāi)，氣缸5中的高溫混合氣體從15排到大氣中。與此同時(shí)，在配流閥組8的控制下，中間液壓泵7從油箱如低壓蓄能器12吸入液壓油并向負(fù)載回路輸送高壓液壓油，驅(qū)動(dòng)液壓負(fù)載11工作。同理，若右燃料控制閥3′和氧化劑控制閥16′同時(shí)開(kāi)啟，則在燃料釋放能量的驅(qū)動(dòng)下，連接活塞桿14將向左運(yùn)動(dòng)并泵出高壓油驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。在活塞組件向左運(yùn)動(dòng)終了時(shí)，排氣口15′打開(kāi)，將氣缸5′中的廢氣排出。因此，在兩側(cè)燃料控制閥和氧化劑控制閥的交替動(dòng)作的情況下，雙組元液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)將連續(xù)不斷地向負(fù)載回路輸送液壓油，驅(qū)動(dòng)負(fù)載11連續(xù)工作。
b)空載運(yùn)行狀態(tài)當(dāng)系統(tǒng)處于空載狀態(tài)時(shí)，在微機(jī)控制單元17的控制作用下，左右兩部分的燃料劑控制閥和氧化劑控制閥都處于關(guān)閉狀態(tài)，禁止向系統(tǒng)提供燃料，因此系統(tǒng)中沒(méi)有氧化劑的分解和燃料的燃燒，活塞組件處于靜止?fàn)顟B(tài)，不向負(fù)載提供高壓液壓油，系統(tǒng)處于空載狀態(tài)。
一旦系統(tǒng)需要有載運(yùn)行，則在微機(jī)控制單元17的作用下，打開(kāi)燃料劑控制閥和氧化劑控制閥，則在催化劑的作用下，氧化劑分解產(chǎn)生熱量引燃礦物燃料，燃燒釋放熱量驅(qū)動(dòng)活塞組件運(yùn)動(dòng)輸出高壓油驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。因此雙組元液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)可以產(chǎn)生離散的發(fā)動(dòng)機(jī)沖程，不需要怠速運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的效率。
權(quán)利要求
1.雙組元液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，包括第一氣缸(5)經(jīng)液壓泵腔(7)與第二氣缸(5′)連接，連接活塞桿(14)中一端的第一動(dòng)力活塞(6)、中部的泵活塞(13)和另一端的第二動(dòng)力活塞(6′)，分別裝在第一氣缸(5)、液壓泵腔(7)和第二氣缸(5′)內(nèi)，泵活塞(13)上接有配流單向閥組(8)，配流單向閥組(8)的一端經(jīng)高壓蓄能器(10)接負(fù)載(11)的一端，配流單向閥組(8)的另一端經(jīng)低壓蓄能器(12)接負(fù)載(11)的另一端；其特征在于氧化劑罐(1)出口分兩路，一路經(jīng)第一氧化劑控制閥(16)接第一氣缸(5)的進(jìn)氣口(4)，另一路經(jīng)第二氧化劑控制閥(16′)接第二氣缸(5′)的進(jìn)氣口(4′)；燃燒劑罐(2)出口分兩路，一路經(jīng)第一燃燒劑控制閥(3)接第一氣缸(5)的進(jìn)氣口(4)，另一路經(jīng)第二燃燒劑控制閥(3′)接第二氣缸(5′)的進(jìn)氣口(4′)。微機(jī)控制單元(17)分別與第一燃燒劑控制閥(3)、第二燃燒劑控制閥(3′)、第一氧化劑控制閥(16)和第二氧化劑控制閥(16′)電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙組元液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述的微機(jī)控制單元(17)采用NI公司的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAQ或單片機(jī)MCS51系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種雙組元液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用雙活塞式液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，利用單向閥對(duì)液壓泵配流。該裝置采用航空單組元推進(jìn)劑作為氧化劑，高能礦物燃料作為燃燒劑，組成雙組元驅(qū)動(dòng)能源；利用氧化劑催化分解產(chǎn)生的高溫和氧氣引燃礦物燃料，從而釋放出巨大的能量，推動(dòng)液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)工作，對(duì)外輸出高壓油，驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。由于燃料的燃燒直接利用氧化劑提供的氧氣和熱量而形成自燃，不需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行壓縮比和點(diǎn)火正時(shí)的控制，因此對(duì)于活塞組件的位置要求不嚴(yán)格，不會(huì)出現(xiàn)“缺火”現(xiàn)象，具有很高的可靠性；取消了點(diǎn)火和起動(dòng)裝置，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有更高的能量密度。
文檔編號(hào)F02K9/00GK101082312SQ20071006986
公開(kāi)日2007年12月5日 申請(qǐng)日期2007年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月3日
發(fā)明者楊華勇, 任好玲, 謝海波, 夏必忠 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)