2.6 液压自由活塞发动机技术

液压自由活塞发动机是将内燃机活塞与液压泵活塞刚性连接，使活塞在液压缸体和内燃机缸体内做往复直线运动对外输出液压油的一种新型的动力装置。如图2-74所示，液压自由活塞发动机将传统内燃机的直线-旋转-直线运动转化为直线-直线运动，省却了中间的连接机构和转换装置，具有结构简单、零件数目少、功率质量比大、寿命长等优点。尤其是活塞不与外界任何机构相连，运动的止点位置只与作用于其上的液压力、气体压力、摩擦力等有关，因此具有可变的止点位置，这意味着发动机具有可变的压缩比。可变的压缩比可以使发动机在任何工况下都能处于最佳燃油消耗点或最低排放点，从而能从源头上降低发动机的燃料消耗和排放。对于单活塞式液压自由活塞发动机而言，由于其每一个发动机冲程都是一个全新的过程，因此，可以通过改变两个冲程之间的时间间隔来调整输出流量，而不需要改变每一个冲程的运动特性，从而简化了控制过程；另外，液压自由活塞发动机一般与蓄能器配合使用，一方面可以储存液压自由活塞发动机输出的多余能量，另一方面，当负载制动时，能方便地吸收负载制动能量；因此，对于频繁起停、工况多变和需要能量回收和再生的场合，都是液压自由活塞发动机的潜在应用领域。对于液压自由活塞发动机的研究始于20世纪80年代，荷兰的INNASBV公司将所研制的液压自由活塞发动机应用于液压叉车上，获得了不错的应用效果[13]，其整机效率比传统方式提高15%，零件数目减少到40%，质量减少超过45%，被誉为“21世纪最有希望的动力之星”。对于工程机械而言，除了直接降低能耗外，提高整机的功率密度也是降低能耗的一个重要举措。由于液压自由活塞发动机降低零件数目和体积，因此，在同样输出功率下，动力系统的质量减小，即在相同功率条件下，工程机械本身的质量减小，从而降低了各种过程中因驱动自身而消耗的能量。

图2-74 液压自由活塞发动机与传统内燃机驱动液压泵结构示意图

a）内燃机+液压泵 b）液压自由活塞发动机

国内的浙江大学、北京理工大学、天津大学和华侨大学等都对液压自由活塞发动机展开了较为深入的研究。

由于液压自由活塞发动机的输出流量是脉动的，因此为保证负载获得比较稳定的流量，一般蓄能器与液压泵的出口相连。蓄能器体积的大小与液压泵输出的流量脉动率相关。一般将流量脉动率作为流量脉动程度的评价指标，也称为流量不均匀系数δq：

式中，qmax，qmin，qt分别为瞬时流量的最大值、最小值和理论流量，且qt=nV，n为液压泵往复运动的次数；V为液压泵往复运动一次的排量。

由式（2-1）可以看出，当液压泵输出的最大最小流量差越小或理论流量越大，则输出的流量脉动越小。为此，浙江大学提出从液压泵的结构设计出发，并设定合理的运行参数，保证液压泵在压缩冲程和膨胀冲程中对外输出的液压油的平均流量近似相等，从而降低流量脉动，进而降低蓄能器的体积，提高整机功率密度的目的。图2-75为浙江大学研制的液压自由活塞发动机的输出流量与某研究机构输出流量的对比。从图中可以看出，平均流量明显减小，因而液压泵输出的瞬时流量也随之间小，从而减小了蓄能器的体积，且减小了压力冲击对蓄能器使用和寿命的影响。

图2-75 液压自由活塞发动机输出流量对比

a）输出流量曲线 b）某研究机构的输出流量曲线