專利名稱：數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機及其控制方法
車輛的行走機構(gòu)目前主要有機械驅(qū)動、液壓驅(qū)動、電驅(qū)動和靜動四種方式。
近年來靜壓驅(qū)動更多地得到應用，這是因為它具有以下優(yōu)點無級、靈敏的行駛;直接換向;操作簡單;廣泛的控制與調(diào)節(jié)方法;行駛自動化;液壓馬達和泵能靈活地安裝;可有效地利用所提供的功率;能利用靜壓系統(tǒng)幫助制動;液壓馬達無超載等。
所謂自由活塞內(nèi)燃機是指活塞借助于作用在活塞表面的壓力所產(chǎn)生的力而運動。它沒有曲柄連機構(gòu)，這與傳統(tǒng)的發(fā)動機不同。到現(xiàn)在為止，人們設(shè)想了各種形式的自由活塞內(nèi)燃機。按照功率的傳遞結(jié)構(gòu)可分為四種1、機械式;2、電動式;3、氣動式;4、液壓式。在這四種形式中，液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機是最優(yōu)越的輸出的扭矩和速度控制性能好;對自由活塞部件的操作非常容易，尤其對功率范圍幾十到幾千千瓦的系統(tǒng)，液壓式更為合適，因為可以采用現(xiàn)成的液壓技術(shù)。液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機，與現(xiàn)有的靜壓驅(qū)動裝置相比具有以下特點一、結(jié)構(gòu)簡單液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機最簡單直接地實現(xiàn)了由熱能到液壓能的轉(zhuǎn)換。它沒有普通靜壓驅(qū)動裝置中從內(nèi)燃機活塞到軸向液壓泵柱塞之間的一系列傳動機構(gòu)，形成直接作用的活塞式內(nèi)燃機，因而創(chuàng)造出最緊湊的液壓動力泵，顯著降低了靜壓驅(qū)動裝置的成本及重量。
二、機體應力均勻液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機的氣缸及液壓泵活塞副均無側(cè)壓力，應力分布均勻，比壓(法向力×運動速度)小，機械效率高。因其合理的結(jié)構(gòu)形式，可以承受較大的燃燒爆發(fā)壓力(可達Pzmax＝30～40Mpa);采用較大的壓縮比(≥30)。因此具有很高的熱效率及機械效率，其總效率可達40～50%。
三、可變壓縮比液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機，活塞的行程可以隨著燃油噴入量而改變;因而液壓泵的排量在一定范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)。因為具有可變的活塞行程，可以提高起動時的壓縮比，可以在低溫環(huán)境時也能保證良好的起動性能。液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機還可以燃用不同餾分的燃油，特別是可以燃用廉價的重質(zhì)燃油。其原因是用改變著火落后期的方法，自動調(diào)節(jié)壓縮比及內(nèi)止點位置。如果著火落后期大，則活塞行程及壓縮比增大;空氣的溫度及壓力升高，反而使著火落后期減小。
四、機構(gòu)對稱液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機中，活塞兩兩對稱，發(fā)動機重心始終處于靜上狀態(tài)，內(nèi)力平衡，運行平穩(wěn)，無振動。
五、自潤滑由于往復液壓柱塞泵具有自潤滑能力，從而省去了普通內(nèi)燃機復雜的潤滑系統(tǒng)。對氣缸活塞部分只須將低壓油路通到氣缸壁的潤滑油注油孔處，從而使氣缸活塞副潤滑。
但是，現(xiàn)有的液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機，在具有上述一系列優(yōu)點的同時，也存在下列是難以解決的題一、當多個液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機共同工作時，很難使各組往復液壓泵的工作過程均勻分配，液壓泵輸出的壓力不均勻，脈動系數(shù)大。
二、由于液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機沒有飛輪作為儲能裝置，必須用反彈氣缸或液壓儲能器來儲存能量。這時發(fā)動機的結(jié)構(gòu)就復雜化，緊湊性也變差。如果住復液壓泵是內(nèi)藏到反彈氣缸中時，還會對往復液壓泵的散熱造成困難。
三、液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機的同步裝置，在采用連桿式和齒輪齒條式時，結(jié)構(gòu)復雜緊湊性差;在采用阻尼同步閥時耗能高效率低;在采用同步油缸時另件形狀復雜加工精度高。從而使體積增大，成本增加效率降低。
四、由于液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機的同步裝置沒有等速旋轉(zhuǎn)的軸，故油泵把燃料正常地噴射到氣缸中的過程遇到困難。發(fā)動機活塞對在內(nèi)止點相互靠近時，它們的運動速度急劇下降，此時燃油泵柱塞的運動速度也降低，難以把燃料可靠而迅速地噴入氣缸。
五、對于運行速度在20～30KM/h的農(nóng)用機械或工程機械等低速車輛，由于其速度變化范圍小，油液流量小，因而最適于采用“變量泵-定量馬達”靜壓驅(qū)動方案。但現(xiàn)有的液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機只有定量(往復)液壓泵(或只能在小范圍內(nèi)變量)，這就限制了它的使用范圍。
本發(fā)明的目的，就在于解決以上問題。
發(fā)明綜述為了解決現(xiàn)有液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機存在的以上問題，本發(fā)明采用“機電液一體化”技術(shù)?！睂崿F(xiàn)了液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機的計算機自動控制。具體采取了下列措施一、在液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機上設(shè)置了一系列傳感器數(shù)字化活塞位移傳感器;柱塞油缸液壓傳感器;燃燒室氣體壓力傳感器。這些傳感器構(gòu)成了數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機最基本的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它們?yōu)閿?shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機的起動程序控制，同步伺服控制，液壓泵雙向變量控制，電子噴油控制提供準確及時的數(shù)據(jù)。
二、設(shè)計了具有以插裝閥、電控二位三通先導閥構(gòu)成的雙向可控液壓橋式整流回路。該回路構(gòu)成了數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。在電控先導閥的控制下，當插裝閥成為阻尼閥時它對活塞產(chǎn)生瞬時阻尼同步控制;當插裝閥自由導通時，回路短路，它對液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機產(chǎn)生恒輸出功率控制;當控制邏輯取逆時，回路輸出反向。當控制系統(tǒng)使輸出功率為零時，回路輸出為零，液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機處于“空轉(zhuǎn)”狀態(tài)。
三、設(shè)計了以控制微機為核心，具有子系統(tǒng)油壓檢測電路、同步伺服電路、噴油控制電路、啟動驅(qū)動電路及外設(shè)鍵盤、多功能顯示器及電源組成的數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機電子自動控制系統(tǒng)。
四、設(shè)計了數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機自動控制系統(tǒng)的控制程序。程序主要執(zhí)行輸出功計算、有效功計算、循環(huán)頻率平方計算及起動程序順序控制，正反向邏輯控制等。
五、設(shè)計了由氣缸內(nèi)空氣驅(qū)動的、由噴油控制電路控制的乳化型泵-噴油器。其噴油規(guī)律不受活塞運動規(guī)律的影向;噴油正常時準確、所設(shè)計的泵-噴油器具有以下特點噴油持續(xù)期短，噴油壓力高(≥100MPa)，噴油初期緩慢，結(jié)束噴油迅速，沒有二個噴射。所以燃油霧化好、燃燒完全，排氣煙色好。
六、設(shè)計了在任何工況時，僅當氣缸內(nèi)空氣、壓力達到給定的最終壓縮壓力PC時，泵噴油器才向氣缸內(nèi)噴油的模式的電子噴油控制器。發(fā)動機在各種負荷條件下均達到允許最大總壓縮比Eomax，使噴油系統(tǒng)實現(xiàn)了最低油耗控制。
七、使液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機的往復液壓泵能夠發(fā)展成變量的。滿足了液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機在低速車輛上的使用要求。由于采用了恒功率的雙曲線變流量規(guī)律，取得了液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機與負載之間的最佳匹配。
八、簡化結(jié)構(gòu)、方便加工，盡量減少外輪廊尺寸、體積和重量。并使之適合于生產(chǎn)的工藝系列化生產(chǎn)以降低成本和價格。
結(jié)構(gòu)和工作過程本發(fā)明的數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機主要由以下幾個組成一、自由活塞內(nèi)燃液壓泵;二、微計算機控制系統(tǒng);三、燃油噴射系統(tǒng)。
一、自由活塞內(nèi)燃油液壓泵

圖1為自由活塞內(nèi)燃液壓泵的液壓系統(tǒng)圖。它具有內(nèi)燃機缸體1，缸體1上具有上下兩個氣缸。對稱于缸體1的中心線，上部氣缸裝有對置活塞2、2′;下部氣缸裝有對置活塞3、3′。對置活塞2、2′分別與柱塞油缸4、4′的柱塞33剛性聯(lián)接;對置活塞3、3′分別與柱塞油缸5、5′的柱塞33剛性聯(lián)接。柱塞油缸4和5用螺紋35固定在閥體13上;柱塞油缸4′和5′用螺紋35固定在閥體13′上。自由活塞內(nèi)燃液壓泵在工作時會產(chǎn)生高溫，為了避免熱量傳入柱塞油缸4(4′)、5(5′)，在缸體1上開有通風散熱孔12，以使用進出的空氣冷卻柱塞油缸4(4′)、5(5′)，在缸體1上開有進氣孔8和排氣孔8′(圖1中上部氣缸的進氣孔8和8′被對置活塞2、2′遮擋)。進氣孔8與進氣道6相通，進氣道6與渦輪增壓器18的壓氣機相通。排氣孔8′與排氣道6′相通，排氣道6′與渦輪增壓器18的渦輪機相通。渦輪增壓器18起掃氣及增壓作用。在缸體1的進氣孔8和排氣孔8′的外側(cè)，沿氣缸壁的園周上開有數(shù)個潤滑油注油孔11。潤滑油通過潤滑油注油孔11進入氣缸內(nèi)壁，給對置活塞2、2′和對置活塞3、3′進行潤滑。潤滑油采用液壓系統(tǒng)的液壓油，利用油管將潤滑油注油孔11和補油系統(tǒng)的低壓油路接通。在缸體1的進氣通道6和排氣道6′之間，還具有冷卻水腔9，它與冷卻系統(tǒng)相接。當然，在缸體1的中心線處，燃燒室7和燃燒室7′的氣缸壁上分別設(shè)有電控泵-噴油器10和電控泵噴油器10′。在缸體1的進氣道6和排氣道6′的外側(cè)，對應于對置活塞2、2′和對置活塞3、3′，裝有活塞位移傳感頭14、14′和活塞位移傳感頭15，15′。同時，在缸體1的中心線平面內(nèi)，燃燒室7和燃燒室7′的氣缸壁上分別設(shè)有氣壓傳感器52和氣壓傳感器52′。氣壓傳感器52測量燃燒室7內(nèi)氣體壓力;氣壓傳感器52′測量燃燒室7′內(nèi)氣體壓力(圖1中未示出)。上氣缸的柱塞油缸4、4′裝有液壓傳感器46;下氣缸的柱塞油缸5、5′裝有液壓傳感器46′(圖1中未示出)。在自由活塞內(nèi)燃壓泵的液壓系統(tǒng)中，還包括起動電機19，起動油泵20，起為控制閥21組成的起動回路，其油路分別與閥體13和閥體13′的啟動供油口OP、OP′相通。同時，渦輪增壓器18還裝有起動電機16和離合器17，起動電機16在自由活塞內(nèi)燃液壓泵起動時驅(qū)動渦輪增壓器18掃氣之用;離合器17則在自由活塞內(nèi)內(nèi)燃液壓泵起動之后，使渦輪沖壓器18與起動電機16分離，以減少渦輪沖壓器18的轉(zhuǎn)動慣量。
圖2為閥體13和閥體13′內(nèi)雙向可控液壓橋式整流回路，柱塞油缸4、4′的油分別與閥體13、13′的液壓輸入口LI相通，柱塞油缸5、5′的油口分別與閥體13、13′的液壓輸入口LI′相通。雙向可控液壓橋式整流回路的控制原理與雙向可控硅組成的橋式整流回路相比擬，電控先導閥24、24′分別控制插裝閥22、22′;電控先導閥25、25′分別控制插裝閥23、23′。
如圖3所示，插裝閥具有進油口I，出油口O，及控制油口K。插裝閥的控制機能如圖3a和3b所示。當控制口K與出油口O相通時，其作用如同一個普通單向閥，其等效圖如圖3a。當控制口K與進油口I相通時，此時插裝閥反向?qū)?，其作用如同一個反接的單向閥，其等效圖如圖3b。閥體13、(13′)中雙向可控液壓橋式整流回路的工作過程，可分為五種方式1、正向?qū)?2、反向輸出;3、短路;4、斷路;5、阻尼。
1、正向輸出電控先導閥24(24′)、25(25′)均未通電，雙向可控液壓橋式整流回路為正向輸出，即液壓輸出口LO出油，液壓輸出口LO′進油。此時回路的等效圖如圖3c所示，實箭頭為燃燒室7內(nèi)對置活塞2(2′)外行程膨脹做功;燃燒室7′內(nèi)對置活塞3(3′)內(nèi)行程壓縮時的油液路徑，虛箭頭線為燃燒室7內(nèi)對置外行程壓縮;燃燒室7′內(nèi)對置活塞3(3′)外行程膨脹作功時的油液路徑(以下均同此)。圖中RL為負載。
2、反向輸出電控先導閥24(24′)，25(25′)均通電，雙向可控液壓橋式回路為反向輸出，即液壓輸出口LO′出油，液壓輸出口LO進油。此時回路的等效圖如圖3d所示。
3、短路
(1)正向輸出情況下，當燃燒室7′膨脹做功，燃燒室7′壓縮時，此時先導閥25′通電，插裝閥23′正向?qū)ǎ蛪簭囊簤狠斎肟贚I′經(jīng)插裝閥23′，22′直接流向液壓輸入口LI而短路，其等效圖如圖3e所示;當燃燒室7膨脹做功，燃燒室7′壓縮時，此時先導閥24′通電，插裝閥22′正向?qū)?，油液從液壓輸入口LI經(jīng)插裝閥22′、23′直接流向液壓輸入口LI′而短路，其等效圖如圖3f所示。
(2)反向輸出情況下，當燃燒室7膨脹做功燃燒室7′壓縮時，此時先導閥25′斷電。插裝閥23′反向?qū)?，油液從液壓輸入口LI經(jīng)插裝閥22′、23′直接流向液壓輸入口LI′而短路、其等效圖如圖4g所示;當燃燒室7′膨脹做功燃燒室7壓縮時，此時先導閥24′斷電，插裝閥22′反向?qū)?，油液從液壓輸入口LI′經(jīng)插裝閥23′，22′直接流向液壓輸入口LI而短路，其等效圖如圖4h所示。
4、斷路當先導閥24、25通電，先導閥24′、25′斷電時，插裝閥22、23反向?qū)ǎ逖b閥22′、23′正向?qū)?，此時回路處于斷路狀態(tài)。其等效圖如圖4i所示。
5、阻尼圖4k為正向輸出時閥體13與閥體13′回路等效圖。在燃燒室7膨脹做功，燃燒室7′壓縮時，閥體13中的電控先導閥24通電，插裝閥22反向?qū)ǎ瑥亩归y體13中的回路斷路迫使活塞2和活塞3靜止，此時相當于對活塞2和活塞3施加了阻尼;其等效圖如圖4j所示。對于其它行程及輸出時施加阻尼的情況，可根據(jù)以上原理類推。
圖4為自由活塞內(nèi)燃液壓泵的細部構(gòu)造。為了防止燃燒室7向柱塞油缸傳熱，活塞2′具有帶氣隙28的陶磁或不銹鋼活塞頂27。缸體1可以是整體澆鑄的，也可以是缸體1內(nèi)裝入氣體缸套1′的分離形式，其間用密封圈32保持冷卻水腔9的密封?；钊?′鑲有活塞環(huán)29，并且還具有作為活塞位移標尺的活塞裙30。缸體1與閥體13′之間采用螺栓拉桿31聯(lián)接，并且用螺母36緊固。柱塞油缸2′包括有柱塞33和油缸34，油缸34用螺紋35固定在閥體13′上。
位移傳感頭14′及與其相對應的作為活塞位移檢測標尺的活塞裙30構(gòu)成了本發(fā)明的活塞位移傳感器。如圖8b所示，活塞裙30開有等間隔環(huán)槽，當活塞為鋼、鐵等鐵磁性物質(zhì)時，環(huán)形槽內(nèi)鑄滿非鐵磁金屬如銅合金、鋁合金;當活塞裙30為鋁合金等非鐵磁金屬時，環(huán)形槽內(nèi)鑲?cè)腓F磁性金屬如鋼、鐵等。
圖6b是活塞位移傳感器的工作原理圖。圖中S為霍爾傳感器，它是利用半導體的霍爾效應制成的集成電路，當霍爾傳感器S與活塞裙距離小于0.4mm時，它可做為開關(guān)信號源。當鐵磁金屬矩形齒接近霍爾傳感器S時，其輸出電壓Vo躍變等于輸入電壓;并保持到活塞裙移至矩形齒未端為止;在銅質(zhì)鑲嵌料接近霍爾傳感器S時，輸出電壓Vo躍變等于0;并保持到活塞裙移至下一個矩形齒前端，繼續(xù)重復上述變化過程。由圖6b可見輸出波形與活塞裙環(huán)槽形齒一一對應。
圖6b所示裝置不能辨別活塞裙移動方向。為此設(shè)計了如圖7a所示采用兩個霍爾傳感器S1，S2組合的檢測裝置。按圖7a排列的霍爾傳感器可以得到相位差為90的兩列脈沖信號。當活塞裙30自右向左移動時，由霍爾傳感器S1輸出的信號比霍爾傳感器S2輸出的信號超前90。據(jù)此用相應的相位比較電路可以把活塞裙30兩個不同位移方向區(qū)分開來。圖7a霍爾傳感器的巧妙排列不僅區(qū)別出活塞裙移動方向，還為脈沖信號倍頻提供了條件。對應于一個波長P，每只傳感器輸出信號相位差90時，選用如圖7b所示與非門65陣列電路，對應每一個波長P可由X得到兩個方波信號即二倍頻。因此對應每個波長P實際得到四條線段組成的兩個方波信號。
同樣，若在傳感器系統(tǒng)中采用N個霍爾傳感器并按適當方式排列，即可得到N倍頻信號，而N倍頻信號可能分辨活塞位移的最小距離△＝P/2N。N個霍爾位移傳感器可沿活塞裙園柱方齒左側(cè)定位。第一個霍爾傳感器與方齒的左側(cè)對齊，其余霍爾傳感器在長為P/2的齒頂上成等距△＝P/2N分布。當活塞裙自右向左移動時，第N個霍爾傳感器輸出信號比第(N-1)個霍爾傳感器輸出信號超前相位180/N;當活塞裙自左向右移動時，第N個霍爾傳感器輸出信號比第(N-1)個霍爾傳感器輸出信號滯后相位180°/N。這樣既可區(qū)分移動方向，又可使單個霍爾傳感器輸出的脈沖信號N倍頻，提高傳感系統(tǒng)的分辨能力。
圖6a為根據(jù)以上原理設(shè)計的位移傳感頭14、14′、15、15′內(nèi)有相位比較電路63與倍頻器64，霍爾集成塊S1～SN輸出的脈沖信號經(jīng)相位比較電路63比較后輸出活塞位移方向信號N;經(jīng)倍頻器64倍頻后輸出信頻信號X。本發(fā)明的位移傳感頭，根據(jù)需要可設(shè)置2～4個霍爾集成塊。如圖5所示位移傳感頭14′與帶有環(huán)槽的活塞裙30構(gòu)成了本發(fā)明的活塞位移傳感器。
二、微計算機控制系統(tǒng)如圖8所示，它包括有控制微機37、柱塞油缸液壓檢測系統(tǒng)38，活塞位移同步伺服系統(tǒng)39，電子噴油控制系統(tǒng)40、鍵盤41、啟動驅(qū)動系統(tǒng)42，恒功率驅(qū)動系統(tǒng)43、電源44、多功能顯示器45。
圖9為微機控制系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)。柱塞油缸液壓檢測系統(tǒng)38由液壓傳感器46、46′，比較電路47，模數(shù)轉(zhuǎn)換器48組成?；钊灰仆剿欧到y(tǒng)39由位移傳感頭14、14′、15、15′，計數(shù)器49，比較電路50，控制邏輯51、電控先導閥24、25組成。電子噴油控制系統(tǒng)40由氣壓傳感器52、52′、比較電路53、或門電路55、頻率計56、噴油驅(qū)動電路54、電控泵-噴油器10、10′，脈寬調(diào)速器57，電動輸油泵58組成。啟動驅(qū)動系統(tǒng)42由啟動驅(qū)動電路59，起動電機19、16，起動控制閥21組成。恒功率驅(qū)動系統(tǒng)43由恒功率驅(qū)動電路60，電控先導閥24′，25′組成。
數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機微計算機控制系統(tǒng)的控制方法a、液壓檢測系統(tǒng)38的控制方法，液壓傳感器46測得柱塞油缸4、4′油壓;液壓傳感器46′測得柱塞油缸5，5′油壓，送入比較電路47形成柱塞油缸4、4′與柱塞油缸5、5′之間的油壓差，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器48形成并行數(shù)字信號，送入控制微機37用于有效功計算;
b、同步伺服系統(tǒng)39的控制方法，位移傳感頭14、14′、15、15′分別測出活塞2、2′、3、3′的位移串行信號X及方向信號N，送入計數(shù)器49形成活塞2、2′、3、3′的位移并行信號，其中一路還送入控制微機37用于有效功計算;該并行信號送入比較電路50形成活塞4與活塞4′，活塞5與活塞5′的位移誤差信號，送入控制邏輯51;控制邏輯51同時受控制微機37方向控制信號F的控制，邏輯關(guān)系為
其中P(2)、P(3)、P(2’)、P(3’)-為位移誤差信號，當活塞2超前活塞2′時，P(2)＝1，P(2’)＝0;P(2’)，P(3’)同理;
P(13，24)、P(13，25)、P(13’，24)、P(13’，25)-為閥體13，13’的電控先導閥24，25的控制信號，阻尼時為1，非阻尼時為0;
c、電子噴油控制系統(tǒng)40的控制方法，氣壓傳感器52測得燃燒室7內(nèi)氣體壓力，氣壓傳感器52’測得燃燒7′內(nèi)氣體壓力，送入比較電路53與控制微機37的基準線K相比較，基準線的電壓值VO相當于設(shè)定的最終壓縮壓力Pc，當燃燒室7(或7′)內(nèi)氣壓達到Pc時，比較電路53向噴油驅(qū)動電路54發(fā)出觸發(fā)信號，經(jīng)噴油驅(qū)動電路54功率放大后驅(qū)動電控泵-噴油器10(或10′);另外該觸發(fā)信號經(jīng)過或門電路55送到頻率計56，頻率計56測得內(nèi)燃機循環(huán)頻率F后送入控制微機37，起動初速時頻率F較低，小于怠速頻率Fo，控制微機37自動取F＝Fo;控制微機37計算電動輸油泵58轉(zhuǎn)速控制信號
N＝K·F·F該信號送入脈寬調(diào)速器57驅(qū)動電動輸油泵58，其中系數(shù)K由加速踏板傳感器控制;N為電動輸油泵的轉(zhuǎn)速;
d、啟動驅(qū)動系統(tǒng)42的控制方法，鍵盤41向控制微機37輸入起動命令，起動程序起動，起動控制信號按程序觸發(fā)起動驅(qū)動電路59，從而推動起動控制閥21、起動電機16、起動電機19，其起動順序為(1)控制微機37向控制邏輯51發(fā)出控制信號，控制邏輯51向閥體13和閥體13′的電控先導閥24、25發(fā)出信號使其插裝閥22、23關(guān)閉，雙向可控液壓橋式整流回路此時斷路;
(2)控制微機37向起動驅(qū)動電路59發(fā)出控制信號使起動驅(qū)動電路59推動電控起動閥21開啟;
(3)控制微機37向啟動驅(qū)動電路59發(fā)出控制信號使起動驅(qū)動電路59推動起動電機19正轉(zhuǎn)，起動油泵20從柱塞油缸5、5′吸油，向柱塞油缸4、4′泵油，從而使活塞2、2′位于內(nèi)止點，活塞3、3′位于外止點，計數(shù)器49歸零;
(4)離合器17吸合，控制微機37向啟動驅(qū)動電路59發(fā)出控制信號使啟動驅(qū)動電路59推動渦輪增壓器18的起動電機16，渦輪增壓器18對燃燒室7′掃氣;
(5)控制微機37向啟動驅(qū)動電路59發(fā)出控制信號使起動驅(qū)動電路59推動起動電機19反轉(zhuǎn)，起動油泵20從柱塞油缸4、4′吸油，向柱塞油缸5、5′泵油，從而使活塞2、2′向外止點運動，燃燒室7掃氣;使活塞3、3′向內(nèi)止點運動，燃燒室7壓縮行程，當燃燒室7′內(nèi)氣體壓力達到Pc時，電子噴油控制系統(tǒng)40推動電控泵-噴油器10′噴油，此時內(nèi)燃機已經(jīng)起動，微機37以電子噴油控制系統(tǒng)40收到循環(huán)頻率F＞0的信號，啟動驅(qū)動系統(tǒng)42退出工作，離合器17分離，起動電機16及起動電機19斷電，起動控制閥21復位;
(6)控制微機37向控制邏輯51發(fā)出信號，控制邏輯51向閥體13和閥體13′的電控先導閥24、25斷電使其復位，從而使插裝閥22、23復位，雙向可控液壓橋式整流回路導通，同步伺服系統(tǒng)39進行正常工作狀態(tài);
e、恒功率驅(qū)動系統(tǒng)43的控制方法，控制微機37根據(jù)電子噴油控制系統(tǒng)40電控泵-噴油器10(或10′)每一沖程的噴油量Ve求出每一沖程的有效功W＝Ve (P·z)/(b)式中Ve-噴油量P-燃油比重b-比油耗Z-氣缸數(shù)，為Z＝2控制微機37根據(jù)液壓檢測系統(tǒng)38提供的柱塞油缸4、4′與柱塞油缸5、5′之間的瞬時油壓差△P(t)，由同步伺服系統(tǒng)39提供活塞瞬時位移值S(t)，求出數(shù)控液壓傳動自由活塞燃機92每一時刻發(fā)出的有效功W(t)=∫△P(t)dv= (πd2)/4 ∫△P(t)·ds(t)
式中d-柱塞油缸內(nèi)徑△P(t)-油壓差S(t)-位移值當W(t)≥W時，控制微機37向恒功率驅(qū)動電路60發(fā)出觸發(fā)信號，該觸發(fā)信號經(jīng)恒功率驅(qū)動電路60放大后驅(qū)動電控先導閥24′，25′;觸信號為
式中P(4，4′)，P(5，5′)-行程信號;當活塞4、4′為作功行程、活塞5，5’為壓縮行程時，P(4，4′)＝1，P(5，5′)＝0;反之，當活塞4，4′為壓縮行程，活塞5，5′為作功行程時，P(4，4′)＝0，P(5，5′)＝1;
F-方向信號，當正向輸出時為1，反向時對行程信號P(4，4′)，P(5，5′)取逆;
P(24′)，P(25′)-電控先導閥24′，25′驅(qū)動觸發(fā)信號，當數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機處于怠速運行及起動狀態(tài)時恒為1。
f、控制微機37的控制方法，其程序粗框圖為(1)運行起動程序，啟動驅(qū)動系統(tǒng)42工作;
(2)起動程序完成，啟動驅(qū)動系統(tǒng)42退出工作(3)根據(jù)電子噴油控制系統(tǒng)40提供的循環(huán)頻率F及加速踏板傳感器61提供的供油系數(shù)K求出電動輸油泵58的轉(zhuǎn)速控制信號
成壓比，即Q＝K.SQR(P)式中Q-燃油流量;
K-流量系數(shù);
P-計量孔前后壓力差;
SQR-平方根函數(shù)。
電控泵-噴油器10(10′)計量孔76的開關(guān)啟時間(即計量時間)隨數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機循環(huán)頻率F改變而改變，循環(huán)頻率升高，進油時間縮短，噴油量減少。為了使得加速踏板傳感器61位置一定時，不同循環(huán)頻率下的噴的量VE不變，可提高電控泵-噴油器10(10′)的供油壓力，使供油壓力與循環(huán)頻率的平方成正比;這就要求控制微機37輸出的電動輸油泵轉(zhuǎn)速控制信號與循環(huán)頻率的平方成正比n＝K·F·F式中K-比列系數(shù)，由加速踏板控制;
F-循環(huán)頻率;
n-電動輸油泵的轉(zhuǎn)速(或頻率)，電動輸油泵58采用定量泵，且其轉(zhuǎn)速與循環(huán)頻率的平方成正比，這樣就可使電動輸油泵58對電控泵-噴油器10(10′)的供油壓力與循環(huán)頻率F的平方成正比。電動輸油泵58可以采用齒輪輸油泵，葉片輸油泵或活塞式輸油泵;相應的電動機可以采用旋轉(zhuǎn)或往復式并激直流電機。在這些結(jié)構(gòu)中，采用往復式電磁鋼球泵最為簡單可靠。
電控泵-噴油器10(10′)實際上為一個由電子噴油控制系統(tǒng)40
N＝K·F·F，由轉(zhuǎn)速N求出噴油量VE＝K;
(4)根據(jù)噴油量VE求出求有效功W;
(5)根據(jù)液壓檢測系統(tǒng)38提供的油壓差△P(t)及同步伺服系統(tǒng)39提供的活塞行程S(t)，計算已做功W(t)，當W(t)≥W向恒功率驅(qū)動系統(tǒng)43發(fā)出觸發(fā)信號;
(6)根據(jù)健鍵盤輸入的方向控制信號對控制邏輯51進行控制，對恒功率觸發(fā)信號進行邏輯運算;
(7)返回(3);
三、燃油噴射系統(tǒng)如圖11所示，它包括有電子噴油控制系統(tǒng)40，燃油箱89，電動輸油泵58，燃油蓄壓器90，燃油過慮器91，電控泵-噴油器10(10′)、氣壓傳感器52(52′)等。
電子噴油控制系統(tǒng)40具體如圖9所示，它包括有氣壓傳感器52(52′)，比較電路53，或門電路55，頻率計56，噴油驅(qū)動電路54，電控泵-噴油器10(10′)，脈寬調(diào)速器57，電動輸油泵58。
電控泵-噴油器10(10′)的具體結(jié)構(gòu)如圖10所示，它主要由電控溢流閥及泵噴油器兩部分組成。電控溢流閥包括有電磁鐵66，閥針67，泄油口68，閥孔69，回油口70，閥體71，帶有阻尼孔83的閥芯86，彈簧87，彈簧檔圈88。泵噴油器包括有固定柱塞72，彈簧擋圈79，空心柱塞80，泵體81，單向球閥84，進油口85。固定柱塞72及泵體81均由聯(lián)接螺紋固定到閥體71上。泵體81中裝有空心柱塞80，固定柱塞72插到空心柱塞80的泵油腔77中?？招闹?0留有計量孔76及噴油孔78，泵體81的端部開有槽，槽中鑲有彈簧擋圈79將空心柱塞80止擋。閥體71上留有進油口85，進油口85處裝有單向球閥84。
如圖1所示，電控泵-噴油器10(10′)直接安裝在氣缸體上，由壓縮行程時氣缸內(nèi)空氣驅(qū)動。計量孔76是用來控制燃油流量的。計量孔76為薄壁孔，通過計量孔76的流量與其前后壓力差的平方根控制的，由氣缸內(nèi)壓縮行程時空氣驅(qū)動乳化型P-T噴油器。其工作過程由下述四個部分組成1、計量自由活塞內(nèi)燃液壓泵換氣行程及以后的壓縮行程開始后不久，這時閥針67落下將閥孔69關(guān)閥，閥芯86由于阻尼孔83的連通作用其前后壓力相等，閥芯86在彈簧87的作用下將電磁溢流關(guān)閉。與此同時，燃油箱89中的燃油經(jīng)電動輸油泵58升壓后通向燃油蓄壓器90經(jīng)過過濾器91過濾后進入電控泵-噴油器10(10′)的進油口85。燃油從進油口85推開單向球閥84，通過油道82及油道73進入供油腔74中，升壓后的燃油推動空心柱塞80向下，計量孔76打開，燃油經(jīng)計量孔76進入泵油腔77，經(jīng)過計量時間T后，泵油腔77內(nèi)注滿了體積為VE的燃油。壓縮過程進行到一定程度后，這時因燃燒室7(7′)內(nèi)的空氣被壓縮，空氣壓力升高，當壓力大于輸油泵58輸出的燃油壓力時，供油腔74內(nèi)燃油因氣缸燃燒室7(7′)內(nèi)空氣壓迫空心柱塞80而壓力上升，單向球閥84截止。同時空心柱塞80向上移動關(guān)閉計量孔76，計量過程結(jié)束。
2、乳化壓縮行程繼續(xù)進行，燃燒室7(7′)內(nèi)氣體壓力及供油腔74、泵油腔77內(nèi)壓力繼續(xù)上升。電控溢流閥及單向球閥84截止，空心柱塞80靜止不動，這時燃燒室7(7′)內(nèi)的壓縮空氣有一部分經(jīng)過噴油孔78進入泵油腔77。由于壓縮空氣的作用，泵油腔77內(nèi)燃油與空氣充分混合，最后形成氣油相乳化狀燃油。
3、噴射正當乳化過程仍然在進行時，氣壓傳感器52(52′)測量燃燒室7(7′)內(nèi)氣體壓力，并將該數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娮訃娪涂刂葡到y(tǒng)40中。氣壓傳感器52(52′)的壓力信號送入比較電路53與控制微機37的基準線K相比較，基準線的電平VO相當于設(shè)定的最終壓縮壓力Pc。當燃燒室7(7′)內(nèi)氣體壓力達到Pc時，比較電路53向噴油驅(qū)動電路54發(fā)出觸發(fā)信號，經(jīng)噴油驅(qū)動電路54功率放大后驅(qū)動電控泵-噴油器10(10′)的電磁鐵66，閥針67抬起，閥芯86背面的燃油經(jīng)泄油口68排回燃油箱89。由于阻尼孔83的阻尼作用閥芯86背面的壓力降低供油腔74內(nèi)的燃油因燃燒室7(7′)內(nèi)的氣體壓迫空心柱塞80，通過油道73及油道82推開閥芯86經(jīng)回油口70排回燃油箱89，電控溢流閥溢流。這時供油腔74內(nèi)壓力降到了電動輸油泵58的供油壓力。由于空心柱塞80的增壓作用，從而泵油腔77內(nèi)的燃油壓力也大于燃燒室7(7′)內(nèi)的空氣壓力，最后乳化燃燒油噴入燃燒室7(7′)，經(jīng)過著火落后期，燃燒混合物自燃。直到固定柱塞72占據(jù)了整個泵油腔77，噴油過程結(jié)束。
4、回油電控溢流閥仍導通，輸油泵58供給的燃燒油通過油口85推開單向球閥84，經(jīng)過電控溢流閥從回油口70排回燃油箱89，直到燃燒室7(7′)內(nèi)的膨漲氣體壓力降到Pc時，電子噴油控制系統(tǒng)40對電控泵-噴油器10(10′)的電磁鐵66斷電，電控溢流閥關(guān)閉，開始重復計量過程。
另外比較電路53發(fā)出的觸發(fā)信號經(jīng)過或門電路55送到頻率計56，頻率計56測得循環(huán)頻率F后送到控制微機37。起動初速時頻率F較低，小于怠速頻率Fo，控制微機37自動取F＝Fo?？刂莆C37計算電動輸油泵58轉(zhuǎn)速控制信號n＝K.F.F式中K-系數(shù)，由加速踏板控制;
F-循環(huán)頻率;
n-電動輸油泵58轉(zhuǎn)速。
以此控制電動輸油泵58的供油壓力。
火花點火式數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機的燃油噴射系統(tǒng)為燃油在壓縮完成前噴入工作燃燒室空氣中的電子控制汽油噴射系統(tǒng)。其特點是電動輸油泵供油壓力恒定，噴油閥的噴油量與驅(qū)動脈沖寬度(即噴油閥開啟時間)成正比，即
VE＝K.B式中VE-噴油量;
K-比列系數(shù)，由噴油閥控制;
B-脈沖寬度，由加速踏板傳感器控制。
電子控制油噴射系統(tǒng)的工作過程為換氣完成后，噴油閥根據(jù)加速踏板傳感器的位置控制脈寬調(diào)制器的脈沖進行計量及噴射，與此同時氣壓傳感器測量燃燒室內(nèi)空氣壓力并送入比較電路進行比較，當氣體壓力達到設(shè)定值Pc時比較電路觸發(fā)火花塞驅(qū)動電路，進而火花塞點火，混合氣燃燒。
本發(fā)明的主要特征一、具有很高的效率。靜壓驅(qū)動裝置能否在各種車輛上廣泛使用，最關(guān)鍵的問題在于其效率能否滿足要求。在本發(fā)明中由于往復液壓柱塞泵采用了同步伺服系統(tǒng)，沒有反彈氣缸(或液壓蓄能器)，總壓縮比可達40;最大燃燒爆發(fā)壓力達Pz＝30～40MPa;由于電控泵噴油器極高的噴油壓力(≥100MPa)，燃油霧化好，燃燒完全，所以本發(fā)明的數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機有很高的熱效率，指示熱效率在70%以上。
在本發(fā)明中，由于內(nèi)燃機活塞副及柱塞油缸柱塞副均無壓力;同步伺服系統(tǒng)僅采用瞬時阻尼，節(jié)流損失小;內(nèi)燃機活塞采用壓力潤滑。所以本發(fā)明的數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機具有較高的機械效率，機械效率可達95%以上。
因此，本發(fā)明的數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機具有很高的效率，總效率達45%～55%。
二、具有很高的能量密度。本發(fā)明的數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機單位氣缸容積功率達到了480KW/升，高出現(xiàn)有曲柄連桿式內(nèi)燃機一個數(shù)量級。
本發(fā)明的數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機配有定壓燃燒燃油噴射系統(tǒng)。這種燃油噴射系統(tǒng)的特點是僅當燃燒室內(nèi)的空氣被壓縮到給定的最終壓縮壓力Pc時，噴射系統(tǒng)才向燃燒室噴油，其噴油正時不受活塞行程控制，于是有最終壓縮壓力Pc＝常數(shù)。標準海平面大氣壓力為Pa＝0.1MPa，空氣絕緣比熱比K＝1.35。熱力循環(huán)的壓力升高比變化范圍很小，故可以認為它是常數(shù)，取入＝2.0;因此，總壓縮比E0＝E1·E2＝Pε/Pa及燃燒爆發(fā)壓力Pz成為常量，它們在各種工況不變。因此本發(fā)明的數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機往復熱機部分和渦輪增壓器部分達到最佳匹配，充分地利用了氣缸容積和機體的機械強度。經(jīng)計處表明，在全負荷時當取熱效率ηt＝0.65，活塞部分壓縮比E2＝8，渦輪增壓器的增壓比πk＝6，壓力升高比λ＝2.0，膨脹比ρ＝1.5，絕熱比K＝1.35時，平均有效壓力P= (E2KπKραηt)/((E2-1)(K-1)) 〔λ-1+Kλ(ρ-1)〕= (81.35×6×0.1×0.65)/((8-1)×(1.35-1)) 〔2.0-1+1.35×2.0(1.5-1)〕=6.0MPa=60bar當取循環(huán)頻率n＝4800次/mm時，單位升功率PH＝4800×60/600＝480KW/升而此時的燃燒爆發(fā)壓力Pz＝λPc＝20MPα，在允許范圍之內(nèi)。
三、可以使兩組自由活塞內(nèi)燃液壓泵協(xié)條工作，液壓脈沖系數(shù)小，由于采用精確的同步伺服系統(tǒng)，可使兩組自由活塞內(nèi)燃液壓泵協(xié)同工作，使液壓輸出均勻分配，減小了脈沖動系數(shù)，滿足了大功率多缸自由活塞內(nèi)燃機的使用要求。
四、本發(fā)明的數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機由于省去了反彈氣缸，并且由雙向液壓橋式整流回路的閥組13(13′)兼做自由活塞內(nèi)燃液壓泵的端蓋，機體的空間利用率高，可以方便靈活地安裝在各種工作場合。
五、結(jié)構(gòu)簡單，所有液壓無件均可采用現(xiàn)成的標準無件，電子控制系統(tǒng)均可采用現(xiàn)有的各種通用集成電路。插裝閥、電控先導閥均可采用專業(yè)廠生產(chǎn)的定型產(chǎn)品;柱塞油缸可采用現(xiàn)有柱塞泵的柱塞油缸副定型產(chǎn)品。自由活塞內(nèi)燃液壓泵只有活塞和缸體需要定型加工，因此生產(chǎn)成本低，性能價格比較好。
實施例圖10為本發(fā)明的一個實施例，是一個車輛的靜壓驅(qū)動裝置。在該閉路形式中，靜壓驅(qū)動裝置由一個數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機92，兩個車輪馬達94(94′)組成。數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機92與車輪馬達94(94′)之間用管或軟管聯(lián)接。兩位四通閥97為剎車閥，當踩下兩位四通閥97時，車輪馬達94(94′)變?yōu)橐簤罕?，將剎車時的能量轉(zhuǎn)換為液壓能貯存到液壓儲能器95中，到下次起步時與數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機92共同驅(qū)動車輪馬達94(94′)。液壓蓄能器95平時做為緩沖蓄能器吸收數(shù)控液壓傳動自由活塞由燃機92的脈沖液壓能，以減少脈動系數(shù)。在微計算機系統(tǒng)的控制下，數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機可雙向輸出液壓油，以驅(qū)動雙向液壓馬達94(94′)使車輛前進或到退。由液壓油油箱26、濾油器98、補油泵99、補油泵電動機100，單向閥93、93′組成補油回路，以補償漏油損失。數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機92可以從零到在最大驅(qū)動速度下的最大輸油量連續(xù)地調(diào)整，液壓馬達94(94′)的輸出轉(zhuǎn)速就可以無級地變化。該裝置適于用于低速車輛。
液壓馬達94(94′)的輸出扭矩主要決定于其排量，如需要提高靜壓驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)速范圍，也就是最大轉(zhuǎn)速，液壓馬達94(94′)可用變量馬達。當數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機92在最大排量時，液壓馬達94(94′)可以通過使用它的調(diào)節(jié)裝置來減少排量。由于本發(fā)明的數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機92具有恒功率輸出特征，故該驅(qū)動裝置的車輛具有光滑的雙曲線力矩速度特征。
附圖標記對照表1、-缸體 1′-氣缸套2、2′-活塞 3、3′-活塞4、4′-柱塞油缸 5、5′-柱塞油缸6、-進氣道 6′-排氣道7、7′-燃燒室 8-進氣孔8′-排氣孔 9-冷卻水腔10、10′-電控泵-噴油器 11-潤滑油注油孔12-冷卻通風孔 13、13′-閥體14、14′-位移傳感頭 15、15′-位移傳感頭16-起動電機 17-離合器18-渦輪增壓器 19-起動電機20-起動油泵 21-起動控制閥22、22′-插裝閥 23、23′-插裝閥24、24′-電控先導閥 25、25′-電控先導閥26-液壓油油箱 27-活塞頂28-氣隙 29-活塞環(huán)30-活塞裙 31-螺栓拉桿32-密封圈 33-柱塞34-油缸 35-螺紋36-螺母 37-控制微機38-液壓檢測系統(tǒng) 39-同步伺服系統(tǒng)40-電子噴油控制系統(tǒng) 41-鍵盤42-啟動驅(qū)動系統(tǒng) 43-恒功率驅(qū)動系統(tǒng)44-電源 45-多功能顯示器46、46′-液壓傳感器 47-比較電路
48-模數(shù)轉(zhuǎn)換器 49-計數(shù)器50-比較電路 51-控制邏輯52、52′-氣壓傳感器 53-比較電路54-噴油驅(qū)動電路 55-或門電路56-頻率計 57-脈寬調(diào)速器58-電動輸油泵 59-啟動驅(qū)動電路60-恒功率驅(qū)動電路 61-加速踏板傳感器62-導磁物質(zhì) 63-相位比較電路64-倍頻器 65-與非門66-電磁鐵 67-閥針68-泄油口 69-閥孔70-回油口 71-閥體72-固定柱塞 73-油道74-供油腔 75-空腔76-計量孔 77-泵油腔78-噴油孔 79-彈簧檔圈80-空心柱塞 81-泵體82-油道 83-阻尼孔84-單向球閥 85-進油口86-閥芯 87-彈簧88-彈簧檔圈 89-燃油箱90-燃油蓄壓器 91-過濾器92-數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機93、93′-單向閥 94、94′-液壓馬達95-液壓蓄能器 96-梭形閥97-二位四通閥 98-濾油器99-補油泵 100-電動機LI、LI′-液壓輸入口 LO、LO′-液壓輸出口OP、OP′-啟動供油口 S、S1、S2-霍爾集成塊
VO-輸出電壓 P-波長K-控制線、控制口 X-倍頻輸出LE-向左移動 RI-向右移動F-方向控制信號 I-進油口O-出油口
權(quán)利要求
1.數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機，包括有缸體1、活塞2、2’，3、3′，柱塞油缸4、4′，5、5′，渦輪增壓器18，起動電機16，離合器17，起動控制閥21，起動油泵20，起動電機19，其特征在于a、具有數(shù)字式活塞位移傳感器；柱塞油缸液壓傳感器46、46′；氣缸氣壓傳感器52，52′；b、具有以插裝閥22、22′，23、23′，電控先導閥24、24′，25、25′構(gòu)成的雙向可控液壓橋式整流回路，該回路擁有一個共同的閥體13、13′，閥體固定在缸體1上，它同時作為缸體的端蓋，柱塞油缸4、5固定在閥體13上，柱塞油缸4′、5′固定在閥體13′上，其油口分別與各自的雙向可控壓式整流回路的輸入端LI，LI′相通；c、具有以子系統(tǒng)柱塞油缸液壓檢測系統(tǒng)38、活塞位移同步伺服系統(tǒng)39，電子噴油控制系統(tǒng)40、鍵盤41，啟動驅(qū)動系統(tǒng)42，恒功率驅(qū)動系統(tǒng)43、電源44、多功能顯示器45及控制微機37組成的微計算機控制系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)力要求1所述的數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機，其特征在于數(shù)字式活塞位移傳感器，相應于活塞2、2′，3、3′在缸體1上裝有位移傳感頭14、14’，15、15’在活塞2、2′，3’、3’的裙部30開有作為活塞位移檢測標尺的等間隔環(huán)槽，槽內(nèi)裝有與活塞裙30導磁性相異的異性磁物質(zhì);位移傳感頭內(nèi)置若干個霍爾集成塊S1～SN，第一個霍爾集成塊S1與方齒右側(cè)對齊，其余各集成塊在長為P/2的齒頂上成等距P/2N分布，其中P為等間隔環(huán)槽齒的波長;位移傳感頭14、14′、15、15′內(nèi)具有相位比較電路63與倍頻器64，霍爾集成塊S1～SN輸出的脈沖信號經(jīng)相位比較電路63后輸出活塞位移方向信號N;經(jīng)倍頻器64后輸出倍頻信號X。
3.根據(jù)權(quán)力要求1所述的數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機，其特征在于雙向可控液壓橋式整流回路回中，插裝閥22、23及電控先導閥24、25可由電控單向阻尼閥代替;插裝閥22′、23′及電控先導閥24′、25′可由電控單向閥代替。
4.根據(jù)權(quán)力要求1所述的數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機，其特征在于柱塞油缸液壓檢測系統(tǒng)38由液壓傳感器46、46′，比較電路47，模數(shù)轉(zhuǎn)換器48組成;活塞位移同步伺服系統(tǒng)39由位移傳感頭14、14′、15、15′，計數(shù)器49，比較電路50，控制邏輯51，電控先導閥24、25組成;電子噴油控制系統(tǒng)40由氣壓傳感器52、52′，比較電路53，或門電路55，頻率計56，噴油驅(qū)動電路54，電控泵一噴油器10、10′，脈寬調(diào)速器57，電動輸油泵58組成;啟動驅(qū)動系統(tǒng)42由啟動驅(qū)動電路59，起動電機19、16，起動控制閥21組成;恒功率驅(qū)動系統(tǒng)43由恒功率驅(qū)動電路60，電控先導閥24′，25′組成。
5.根據(jù)權(quán)力要求1及4所述的數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機，其特征在于電控泵-噴油器10、10′具有空心柱塞80，泵油腔77內(nèi)插入固定柱塞72，空心柱塞80留有計量孔76及噴油孔78，泄油口68處具有電控溢流閥，進油口65處裝有單向球閥84。
6.根據(jù)權(quán)力要求1及4所述的數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機，其特征在于可以是燃油在氣體完成壓縮前噴射到工作缸進氣中的火花點火內(nèi)燃機，其相應的燃油系統(tǒng)為電子控制汽油噴射系統(tǒng)。
7.數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機控制方法，其特征在于a、液壓檢測系統(tǒng)38的控制方法，液壓傳感器46測得柱塞油缸4、4′油壓;液壓傳感器46′測得柱塞油缸5、5′油壓，送入比較電路47形成柱塞油缸4、4′與柱塞油缸5、5′之間的油壓差，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器48形成并行數(shù)字信號，送入控制微機37用于有效功計算;b、同步伺服系統(tǒng)39的控制方法，位移傳感頭14、14′、15、15′分別測出活塞2、2′、3、3′的位移串行信號X及方向信號N，送入計數(shù)器49形成活塞2、2′、3、3′的位移并行信號，其中一路還送入控制微機37用于有效功計算;該并行信號送入比較電路50形成活塞4與活塞4′，活塞5與活塞5′的位移誤差信號，送入控制邏輯51;控制邏輯51同時受控制微機37方向控制信號F的控制，邏輯關(guān)系為
其中P(2)、P(3)、P(2’)、P(3’)-為位移誤差信號，當活塞2超前活塞2′時，P(2)＝1，P(2’)＝0;P(2′)，P(3’)同理;P(13，24)、P(13，25)、P(13’，24)、P(13’，25)-為閥體13，13’的電控先導閥24，25的控制信號，阻尼時為1，非阻尼時為0;c、電子噴油控制系統(tǒng)40的控制方法，氣壓傳感器52測得燃燒室7內(nèi)氣體壓力，氣壓傳感器52測得燃燒7′內(nèi)氣體壓力，送入比較電路53與控制微機37的基準線K相比較，基準線的電壓值V0相當于設(shè)定的最終壓縮壓力Pc，當燃燒室7(或7′)內(nèi)氣壓達到Pc時，比較電路53向噴油驅(qū)動電路54發(fā)出觸發(fā)信號，經(jīng)噴油驅(qū)動電路54功率放大后驅(qū)動電控泵-噴油器10(或10′);另外該觸發(fā)信號經(jīng)過或門電路55送到頻率計56，頻率計56測得內(nèi)燃機循環(huán)頻率F后送入控制微機37，起動初速時頻率F較低，小于怠速頻率Fo，控制微機37自動取F＝Fo，控制微機37計算電動輸油泵58轉(zhuǎn)速控制信號N＝K·F·F該信號送入脈寬調(diào)速器57驅(qū)動電動輸油泵58，其中系數(shù)K由加速踏板傳感器控制;N為電動輸油泵的轉(zhuǎn)速;d、啟動驅(qū)動系統(tǒng)42的控制方法，鍵盤41向控制微機37輸入起動命令，起動程序起動，起動控制信號按程序觸發(fā)起動驅(qū)動電路59，從而推動起動控制閥21、起動電機16、起動電機19，其起動順序為(1)控制微機37向控制邏輯51發(fā)出控制信號，控制邏輯51向閥體13和閥體13′的電控先導閥24、25發(fā)出信號使其插裝閥22、23關(guān)閉，雙向可控液壓橋式整流回路此時斷路;(2)控制微機37向起動驅(qū)動電路59發(fā)出控制信號使起動驅(qū)動電路59推動電控起動閥21開啟;(3)控制微機37向啟動驅(qū)動電路59發(fā)出控制信號使起動驅(qū)動電路59推動起動電機19正轉(zhuǎn)，起動油泵20從柱塞油缸5、5′吸油，向柱塞油缸4、4′泵油，從而使活塞2、2′位于內(nèi)止點，活塞3、3′位于外止點，計數(shù)器49歸零;(4)離合器17吸合，控制微機37向啟動驅(qū)動電路59發(fā)出控制信號使啟動驅(qū)動電路59推動渦輪增壓器18的起動電機16，渦輪增壓器18對燃燒室7′掃氣;(5)控制微機37向啟動驅(qū)動電路59發(fā)出控制信號使起動驅(qū)動電路59推動起動電機19反轉(zhuǎn)，起動油泵20從柱塞油缸4、4′吸油，向柱塞油缸5、5′泵油，從而使活塞2、2′向外止點運動，燃燒室7掃氣;使活塞3、3′向內(nèi)止點運動，燃燒室7壓縮行程，當燃燒室7′內(nèi)氣體壓力達到Pc時，電子噴油控制系統(tǒng)40推動電控泵-噴油器10′噴油，此時內(nèi)燃機已經(jīng)起動，微機37以電子噴油控制系統(tǒng)40收到循環(huán)頻率F＞0的信號，啟動驅(qū)動系統(tǒng)42退出工作，離合器17分離，起動電機16及起動電機19斷電，起動控制閥21復位;(6)控制微機37向控制邏輯51發(fā)出信號，控制邏輯51向閥體13和閥體13′的電控先導閥24、25斷電使其復位，從而使插裝閥22、23復位，雙向可控液壓橋式整流回路導通，同步伺服系統(tǒng)39進行正常工作狀態(tài);e、恒功率驅(qū)動系統(tǒng)43的控制方法，控制微機37根據(jù)電子噴油控制系統(tǒng)40電控泵-噴油器10(或10′)每一沖程的噴油量Ve求出每一沖程的有效功W＝Ve (P·z)/(b)式中Ve-噴油量P-燃油比重b-比油耗Z-氣缸數(shù)，為Z＝2控制微機37根據(jù)液壓檢測系統(tǒng)38提供的柱塞油缸4、4′與柱塞油缸5、5′之間的瞬時油壓差△P(t)，由同步伺服系統(tǒng)39提供活塞瞬時位移值S(t)，求出數(shù)控液壓傳動自由活塞燃機92每一時刻發(fā)出的有效功W(t)=∫△P(t)dv= (πd2)/4 ∫△P(t)·ds(t)式中d-柱塞油缸內(nèi)徑△P(t)-油壓差S(t)-位移值當W(t)≥W時，控制微機37向恒功率驅(qū)動電路60發(fā)出觸發(fā)信號，該觸發(fā)信號經(jīng)恒功率驅(qū)動電路60放大后驅(qū)動電控先導閥24′，25′;觸信號為
式中P(4，4′)，P(5，5′)-行程信號;當活塞4、4′為作功行程、活塞5，5′為壓縮行程時，P(4，4′)＝1，P(5，5′)＝0;反之，當活塞4，4′為壓縮行程，活塞5，5′為作功行程時，P(4，4′)＝0，P(5，5′)＝1;F-方向信號，當正向輸出時為1，反向時對行程信號P(4，4′)，P(5，5′)取逆;P(24′)，P(25′)-電控先導閥24′，25′驅(qū)動觸發(fā)信號，當數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機處于怠速運行及起動狀態(tài)時恒為1。f、控制微機37的控制方法，其程序粗框圖為(1)運行起動程序，啟動驅(qū)動系統(tǒng)42工作;(2)起動程序完成，啟動驅(qū)動系統(tǒng)42退出工作(3)根據(jù)電子噴油控制系統(tǒng)40提供的循環(huán)頻率F及加速踏板傳感器61提供的供油系數(shù)K求出電動輸油泵58的轉(zhuǎn)速控制信號N＝K·F·F，由轉(zhuǎn)速N求出噴油量VE＝K;(4)根據(jù)噴油量VE求出求有效功W;(5)根據(jù)液壓檢測系統(tǒng)38提供的油壓差△P(t)及同步伺服系統(tǒng)39提供的活塞行程S(t)，計算已做功W(t)，當W(t)≥W向恒功率驅(qū)動系統(tǒng)43發(fā)出觸發(fā)信號;(6)根據(jù)健鍵盤輸入的方向控制信號對控制邏輯51進行控制，對恒功率觸發(fā)信號進行邏輯運算;(7)返回(3);
全文摘要
數(shù)控液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機及其控制方法，其特點在于采用“機電液一體化”技術(shù)，實現(xiàn)了液壓傳動自由活塞內(nèi)燃機的計算機自動控制。本發(fā)明的內(nèi)燃機包括有自由活塞內(nèi)燃液壓泵、微計算機控制系統(tǒng)和燃油噴射系統(tǒng)。由于采用微計算機閉環(huán)控制，本內(nèi)燃機具有效率高(總效率百分之五十五左右)；體積小(升功率達480KW)；運行平穩(wěn)；易操作；可變量；標準化程度高等特點。這種內(nèi)燃機可用于陸路運輸、工程機械，農(nóng)用機械作為動力源。
文檔編號F02D41/26GK1065124SQ9210242
公開日1992年10月7日 申請日期1992年4月8日 優(yōu)先權(quán)日1992年4月8日
發(fā)明者納森 申請人:納森