CN101353981B - 带加速弹簧受迫振动直动发电系统 - Google Patents

Abstract

一种直动发电系统，它是直接利用往复式发动机活塞的直线运动，驱动线圈或磁体产生电流发电，活塞在非做功冲程期间的运动利用振动体系和线圈的电磁力驱动；系统中，活塞、发电线圈及连接机构与一个螺旋弹簧相连，活塞及其连接的线圈通过受力板和连杆受到活塞近端的平衡弹簧和活塞远端的加速弹簧控制，组成一受迫振动体系，系统通过调整做功冲程末期的活塞运动速度的方法，实现调整系统频率、并通过调整工作气缸数、进气量的方法进行功率调整；利用该系统没有固定的上止点，压缩比易于调整的特点，采用压燃式点火，并根据进气量，调整容积压缩比，实现宽工作范围内有较高的压缩比，提高效率。

Description

带加速弹簧受迫振动直动发电系统

技术领域

本发明涉及一种直动发电系统，尤其是用于电动驱动汽车的受迫振动直动发电系统。

背景技术

目前公知提高汽车效率的技术(1)汽车喷射技术，通过精确控制油量来提高效率；(2)稀燃技术，通过分层烯燃、高压点火等技术提高压缩比，提高效率；(4)可变压缩比，通过机械装置，增加低功率需求时的压缩比，提高效率；(5)混合动力汽车，通过使发动机主要在中高效率区间运行来提高燃油效率，利用停车时或低速时发电并存储在蓄电池内，低功率需求时蓄电池和电动机提供驱动力，高功率需求时由发动机或发动机与电动机共同提供驱动力；(6)各种直动发电方案。

各种直动发电方案中主要有①通过气缸联合工作杠杆驱动，这类工作方式少了曲轴，但又增加了杠杆等机构，没有明显的优势；②新增密闭气缸，靠压缩空气的驱动，这类工作方法要保证新增气缸的密封，如果不能完全保证，还要增加补气系统，基本实现不了；③依靠电流驱动，应该说这类系统比较简单，控制也较方便，但在每个做功循环中有8次电能和机械能之间的转换(四冲程发动机)，增加了电损耗，实际很难取得提高效率的效果；④在US6349683发明中提出了二冲程用弹簧振动实现活塞往复运动的小型发电机(2～3英寸)；这类发电机在压缩冲程中利用了弹簧驱动，可实现二程发动机直动工作，但对于四冲程来说，排气冲程气缸压力低，而压缩冲程气气缸压力很高，不能实现排气冲程和压缩冲程协调工作，因此不能用于常规的四冲程发动机。⑤在200710004101.6发明中提出的“受迫振动直动发电、缓冲储能、电动驱动汽车”中的直动发电方案提出利用机械弹簧(或磁体)形成振动体系，活塞在非做功冲程期间，依靠振动体系和线圈的电磁力驱动；发电机产生的电流通过电容缓冲后驱动电动机；该系统通过控制发电机中线圈电流的方法，实现活塞的冲程和压缩比优化，通过控制投入工作汽缸数量和进气冲程的距离来调整功率；气门的驱动利用受迫振动体系，电磁力补充能量的方式并实现气门正确开闭，该系统通过方便调整压缩比，采用压燃式工作，保证在宽工况、多燃料下实现较高压缩比的方式，提高系统效率。

在200710004101.6发明中提出的“受迫振动直动发电、缓冲储能、电动驱动汽车”中的直动发电方案，通过控制投入工作汽缸数量和进气冲程的距离来调整功率，主要缺点为频率相对固定，发动机工作动态范围较窄。

发明内容

为了能方便地调整受迫振动直动发电系统的频率，本发明继承200710004101.6中调整压缩比，采用压燃式工作，保证在宽工况、多燃料下的高压缩比的方式，提高系统效率。在受迫振动直动发电系统在活塞的远端增加了一个短自由度、高劲度系数的加速弹簧，同时对活塞近端的短自由度、高劲度系数的加速弹簧的实现方式和发电线圈的结构进行优化，实现方便调整工作频率的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

(1)增加下止点加速弹簧

200710004101.6中受迫振动直动发电系统中长自由度弹簧与活塞、经圈及连接机构构成受迫振动体系，活塞的平衡位置位于汽缸的上止点附近，活塞及其连接机构通过的受力板压缩活塞的近端安装的短自由度弹簧，平衡动能，并使系统由上止点向下止点运动。系统周期等于二个弹簧的半周基之和，从公式 $\mathrm{\ω}=\sqrt{k/m}$ 可以看出，当弹簧劲度系数和质量固定时，系统频率是固定的，增加系统振幅和能量不能增加频率，在200710004101.6中主要利用变冲程和变工作汽缸数来调整功率。

本发明在活塞远端增加加速弹簧，系统驱动分为三个阶段，近端平衡弹簧驱动阶段(主弹簧驱动力忽略)，主弹簧驱动阶段，远端弹簧驱动阶段(主弹簧驱动力忽略)，整个系统周期T＝T1+T2+T3，按公式T＝2π/ω和 $\mathrm{\ω}=\sqrt{k/m}$ 计算，其中T1、T3与T2相比小得多，在简化分析时可以忽略，T2可以等效为与平衡位置速度相同的系统的振动的一部分，其周期等于从弹簧2平衡位置运动到弹簧3平衡位置x所用时间的2倍，由公式x＝Asin(ωt)得出t＝arcsin(x/A)/ω，当x＝A，系统简化为无加速弹簧的形式，将主弹簧等效振幅与x位置相同的周期和系统势能作为一个单位，经计算，随着等效振幅增加，无因次周期快速降低，加速弹簧无因次动能快速增加，在等效振幅增加到1.7以前对系统周期降低效果明显，加速弹簧无因次动能为1.89左右，系统周期由1降为0.4左右，系统频率达升高2.5倍左右，高功率需求时，在增加进气量的同时，增加系统能量，可以达到增加频率的目的，加上调整整工作气缸数，系统功率范围可达1～0.1左右。

(2)采用扁平状电线线圈，增加线圈体积容量，增大线圈强度，减小线圈重量。

由振动频率公式 $\mathrm{\ω}=\sqrt{k/m}$ 可知，降低系统质量有利于提高系统频率，在本发明中将工作电线设计为扁平状，同时在线圈外圈增加数条(三个以上)加强杆，其中二条加强杆与滑动导电轨相连。每匝线圈之间用高强度绝缘漆粘结，与圆电线线圈相比，线圈之间间隙小，各匝之间受力平均，电压较小，各圈只有正应力，无剪切力，抗压强度高，通过加强杆的作用，抗拉强度增加，有利于降低结构材料重量。

(3)平衡弹簧和加速弹簧采用碟形弹簧

由于平衡弹簧和加速弹簧要求在很小和位移内平衡系统能量(振幅仅数毫米，达到200J以上能量)，经对各种弹簧参数进行分析，碟形弹簧具有劲度系高，位移小的特征，对扬州弹簧有限公司部分碟形弹簧参数(在4.2mm位移处压力为249000N)能量进行计算，其最大系统能量可达500J以上，满足系统对能量的需求。

(4)关键部件参数

与常规发动机相比，本系统没有完全固定的上下止点，其上止点位置根据进气量进行调整，为了确保混合气通过压燃式点燃，同时尽可能提高压缩比，以提高效率，建议气体真实压缩比达到12～15或以上，气缸容积最高压缩比设定在25以上；压缩比通过系统能量控制，其系统能量为压缩功加上平衡弹簧吸收的能量，并附加一定的余量确定，压缩功通过进气量大小、压缩比用热力学方程计算，由于混合气压燃后，气缸压力增大，同时有平衡弹簧的作用，压缩冲程对富余能量有较高适应能力，计算所需能量为最小值；螺旋弹簧劲度系数按最小进气量时的系统所需能量、以加速弹簧不起作用时的振幅，用公式W＝0.5(KA²)计算；活塞近端的平衡弹簧按最大振幅尽可能小(建议5mm以内)，劲度系数按最大进气量时气体压缩 所需能量和实现最高频率所需能量中较大者确定，建议平衡弹簧最大能量达到螺旋弹簧最大能量的2～3倍，用公式W＝0.5(KA²)计算劲度系数；加速弹簧振幅也要求尽可能小，能量按螺旋弹簧最大能量2倍左右计算。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明

图1是永磁体轴向安装受迫振动直动发电系统结构原理图

图2是永磁体横向安装受迫振动直动发电系统结构原理图

图3是永磁体横向安装纵剖面

图4是发电线圈结构示意图

图中1.活塞，2.连接杆，3.弹簧座，4.碟形弹簧，5.受力板，6.螺旋弹簧座，7.发电线圈，8.螺旋弹簧，9.永磁铁(或激励磁铁)，10.导磁体，11.碟形弹簧，12.导磁体，13.碟形弹簧座，14.弹簧座，15.导磁体，16.导磁体，17.永磁铁，18.线圈加强片，19.线圈纵向导电加强杆，20.导电滑轨，21.导电滑块，22.线圈纵向加强杆。

具体实施方式

在图1中，活塞(1)与连接杆(2)、受力板(5)、发电线圈(7)、螺旋弹簧座(6)、螺旋弹簧(8)连接，螺旋弹簧(8)另一端与弹簧座(14)连接，碟形弹簧(4)与弹簧座(3)连接，弹簧座(3)固定在机体上，中心开孔与连接杆(2)滑动连接，碟形弹簧(11)与碟形弹簧座(13)相连，碟形弹簧座(13)设计为柱状，主要是为了降低连接杆的长度，降低系统重量，永磁体(9)为空心状，与机体轴向连接，通过导磁体(10)和(12)形成垂直于轴向的磁场，活塞(1)往复运动带动发电线圈(7)在磁场中往复运动，活塞的平衡位置位于汽缸的上止点附近。

正常工作时分为四个冲程，第一冲程，进气冲程，进气门打开，排气门关闭，活塞(1)在螺旋弹簧(8)和碟形弹簧(4)的共同作用下加速向下止点运动，进气冲程后期，活塞(1)在螺旋弹簧(8)和碟形弹簧(11)的共同作用下(根据功率需求不同碟形弹簧位移量不同，最小为0)，达到要求进气量时运动终止，进气冲程结束；第二冲程，压缩冲程，进气门和排气门关闭，活塞(1)在螺旋弹簧(8)和碟形弹簧(11)的共同作用下，向上止点运动，压缩冲程末期，混合气温度达到燃点，混合气燃烧，活塞继续压缩混合气，当混合气压力升高使活塞(1)运动速度为零时，压缩冲程终止，在此过程中碟形弹簧(4)变形小于排气冲程；第三冲程，做功冲程，进气门、排气门关闭，混合气继续燃烧，并推动活塞(1)和线圈运动，在线圈中产生电压，在控制电路的控制下将电能输出，活塞运动过程中压缩螺旋弹簧(8)，将机械能储存在弹簧中，弹簧中储存能量满足通过执力学方程计算的压缩功需求，确保压缩温度满足混合气点燃，同时要满足频率需求；第四冲程，排气冲程，进气门关闭，排气门打开，螺旋弹簧(8)和碟形弹簧(11)共同作用下推动活塞(1)排气，在上止点附近，碟形弹簧(4)被压缩，活塞(1)在碟形弹簧(4)和螺旋弹簧(8)的共同作用下，运动速度快速降低，速度为零时，排气冲程结束。在各个冲程中线圈中可适当通以电流，辅助控控制活塞运动，为了降低电损失，应在活塞较高速运动阶段施以辅助电流。

当发动机启动时，发动线圈中通以与系统振动周期一致的周期性电流，活塞运动的幅度 增大，当达到启动要求时，进入正常的工作冲程。

在图2中，活塞(1)与连接杆(2)、受力板(5)、发电线圈(7)、螺旋弹簧座(6)、螺旋弹簧(8)连接，螺旋弹簧(8)另一端与弹簧座(14)连接，碟形弹簧(4)与弹簧座(3)连接，弹簧座(3)固定在机体上，中心开孔与连接杆(2)滑动连接，碟形弹簧(11)与碟形弹簧座(13)相连，碟形弹簧座(13)设计为柱状，主要是为了降低连接杆的长度，降低系统重量，永磁体(17)为横向布置，通过导磁体(15)和(16)形成垂直于轴向的磁场，活塞(1)往复运动带动发电线圈(7)在磁场中往复运动，活塞的平衡位置位于汽缸的上止点附近。

图3中显示永磁体横向安装剖面，螺旋弹簧(8)与碟形弹簧(11)同轴安装，在其四周安装四个磁体组(可根据需要增减)，其中导磁体(15)和(16)分别位于永磁体内外，线圈7位于导磁体(15)和(16)之间。

图2、图3与图1工作方式相同，主要对系统尺寸有不同影响，可根据不同情况选择。

图4中线圈(7)导圈扁平状电线，两端安装线圈加强片(18)，线圈两个接线头分别与两个线圈纵向导电加强杆(19)相连，线圈纵向导电加强杆(19)通过导电滑块(21)与导电滑轨(20)相连，线圈纵向导电加强杆(19)和线圈纵向加强杆(22)固定在线圈加强片(18)，导电滑轨相连(20)通过可控硅与工作电容连接。

Claims (6)

1.一种直动发电系统，它是直接利用往复式发动机活塞的直线运动，驱动线圈或磁体产生电流发电，活塞在非做功冲程期间的运动利用振动体系和线圈的电磁力驱动；系统中，活塞、发电线圈及连接机构与一个螺旋弹簧相连，活塞及其连接的线圈通过受力板和连杆受到活塞近端的平衡弹簧和活塞远端的加速弹簧控制，组成一受迫振动体系，系统通过调整做功冲程末期的活塞运动速度的方法，实现调整系统频率，并通过调整工作气缸数、进气量的方法进行功率调整；利用该系统没有固定的上止点，压缩比易于调整的特点，采用压燃式点火，并根据进气量，调整容积压缩比，实现宽工作范围内有较高的压缩比，提高效率。

2.根据权利要求1所述的直动发电系统，其特征是：受迫振动体系中在活塞的远端设置一个加速弹簧，在活塞运动到下止点附近时，该加速弹簧对活塞及其连接机构起加速作用。

3.根据权利要求1所述的直动发电系统，其特征是：受迫振动体系中活塞近端的平衡弹簧和活塞远端的加速弹簧采用碟形弹簧。

4.根据权利要求1所述的直动发电系统，其特征是：发电线圈采用单层扁平电线结构。

5.根据权利要求1所述的直动发电系统，其特征是：系统容积压缩比按进气量大小调整，保证气体真实压缩比达到12以上；压缩比通过系统能量控制，其系统能量最小值为压缩功加上平衡弹簧吸收的能量，并附加一定的余量确定，压缩功依据进气量大小和目标压缩比用热力学方程计算。

6.根据权利要求1所述的直动发电系统，其特征是：通过调整做功冲程向外输出电能的时间，调整做功冲程末期的活塞运动速度的方法，实现调整系统频率和系统能量。

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