CN103016144A - 活塞进气二冲程直线发电系统 - Google Patents

Abstract

一种活塞进气的直线发电系统，其特征是以双缸对置推挽工作直线发电的方案为基础，增加一个辅助气缸和一个与发电动子轴固定的活塞，总体结构为：中间是直线发电机（700），一边依次为直连电机气缸组件（100c）、气缸盖（200a）和气门驱动段（400），另一边依次为辅助气缸组件（500）、连辅助气缸气缸组件（100d）、气缸盖（200a）、和气门驱动段（400）；两个发动机活塞（800a）、直线发电机动子（1000a）以及辅助活塞组件（900）用直线传动轴固定在一起；在发动机气缸顶部设电磁驱动排气门，在活塞上安装惯性驱动的进气门，活塞和传动轴为中空筒状，在直线电机动内筒和传动轴上设通气孔，空气从直线发电机的两端的进入直线发电机内部经中空传动轴、活塞、气门进入气缸；辅助气缸的工作气体采用低热比的气体（如R134a），通过调整辅助气缸的压力，来调整系统的工作频率。

Description

活塞进气二冲程直线发电系统

技术领域

本发明属于直线发电领域，特别是带辅助气缸，活塞进气，完全分离润滑的二冲程直线发电系统。

背景技术

直线发电系统具有机械损失小，压缩比可调，理论热机效率高的特点，但直线发电系统存在如何高效实现活塞和直线发电机动子往复运动的难点，现有直线发电系统实现直线往复运动分为以下几类：（1）双缸对置推挽工作（一缸压缩，一缸做功）二冲程发电系统；（2）单缸机械弹簧或辅助气缸弹簧二冲程或四冲程发电系统；（3）单纯电驱动四冲程或二冲程发电统，（4）双机械弹簧受迫振动式四冲程发电系统；从实现往复运动的难易程度来说，双缸对置推挽工作的二冲程发电系统最易实现，是实现实际运用的方案，但存在系统频率不高的问题，尤其是，二冲程发动机气缸润滑油的供油路径上至少存在供气口、排气口其中之一，润滑油混入混合气或废气中，增加污染，在注重环保的今天，排放问题是二冲程发动机发展的障碍，本发明的在先申请提出了带辅助气缸，活塞进气，完全分离润滑的二冲程直线发电系统，一定程度降低了二冲程对置直线发电系统的污染，提高了工作频率，但提高频率的辅助气缸有较大的能量损失，直线发电机提高效率的技术涉及较少，本发明专利申请是在先申请的基础上新增了直线发电机实施方案、活塞进气方案和整体式气缸体方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题为：（1）降低二冲程对置直线发电系统的污染，（2）提高二冲程对置直线发电系统的工作频率，（3）提高直线发电机的效率。

本发明的具体方案为：在二冲程对置直线发电系统的基础上增加一个辅助气缸和一个与发电动子轴固定的活塞，总体结构为：中间是直线发电机，一边依次为直连电机气缸组件、下气缸盖、上水道段和气门驱动段，另一边依次为辅助气缸组件、连辅助气缸气缸组件、下气缸盖、上水道段和气门驱动段；两个发动机活塞、直线发电机动子以及辅助活塞用直线传动轴固定在一起；在发动机气缸顶部设电磁驱动排气门，在活塞上安装惯性驱动的进气门，活塞和传动轴为中空筒状，在直线电机动内筒和传动轴上设通气孔，空气从直线发电机的两端的进入直线发电机内部经中空传动轴、活塞、气门进入气缸，实现直流扫气，提高扫气效率；辅助气缸以气弹簧状态工作，提高系统工作频率，辅助气缸的工作气体采用低热比的气体（如R134a），辅助气缸安装调整工作压力的阀门，通过调整辅助气缸的压力来调整系统的工作频率。

可选的气缸润滑方案为：在活塞外周环带以下安装储油环，储油环为表面粗糙，具有褶皱或小孔的弹性环，气缸体底部安装气缸压板，气缸压板与气缸体集水腔之间采用O型圈密封，气缸压板上安装直线轴承和油封，气缸压板上径向分布一个进油孔和一个集油孔，进油孔在上部，出油孔在下部，进油孔的出口和出水孔的入口可位于直线轴承与油封之间，也可在直线轴承外部和直线轴承支撑台阶上留两个轴向油槽，与进油孔和出油孔相通。活塞运动到下止点附近时，润滑油喷在储油环上，并排出多余的润滑油，活塞向上止点运动的早期，油环内的剩余油对气缸壁起润滑作用，在活塞向上止点运动到中后期时，活塞为减速运动，储油环中润滑油依靠惯性向油环中运动，提高上止点附近气缸壁的润滑效果。

  为了实现活塞上的进气门正常开闭，优选的驱动方案为惯性气门驱动，气门按常规气门装配，并在活塞上安装可轴向滑动的重力块，重力块在活塞运动到下止点前后产生相对于活塞的运动，惯性气门驱动臂机构或液压机构将重力块产生的惯性力变向后驱动气门。

为了实现惯性气门驱动可选的方案一为摇臂式惯性气门驱动，为活塞上各个气门安装一个气门驱动摇臂，一个惯性驱动块，气门驱动摇臂通过中间的旋转轴安装在活塞上，气门驱动摇臂一端顶在气门杆顶部，有一轻弹簧使惯性驱动块与气门驱动摇臂的另一端接触，气门杆、气门弹簧、弹簧座、气门套管等与常规气门相同，惯性驱动块和气门运动方向近平行，位于气门驱动摇臂相同侧，在平衡情况下，气门弹簧的弹力高于惯性驱动块弹簧的弹力，使气门关闭，当活塞运动到下止点附近时，由于另一气缸混合气的压缩力、直线发电机的电磁力、以及辅助气缸的压缩力，使活塞产生10²到10³g的减速运动，惯性驱动块在惯性作用下推动气门驱动摇臂打开气门，活塞由下止点向上止点运动的初期惯性驱动块也在惯性作用下推动气门驱动摇臂打开气门，系统制造时，调整惯性驱动块重量和气门弹簧的弹力特性，可调整气门打开提前角和关闭延迟角，系统运行过程中，惯性驱动块重量和气门弹簧特性固定，当需要增加功率时，通过以下几种方式实现功率增加，（1）增加排气门排气提前角，气缸内提前排气，进气门上的压力提前减小，惯性驱动块提前驱动气门打开，增加进气门打开提前角，进气量增加，功率增加；（2）增加辅助气缸的压力，系统工作频率增加，功率增加，同时惯性驱动块产生的驱动力提前达到气门打开要求，系统打开提前角增加，（3）增加进气空气压力，提高功率，当系统功率增加时，进气门关闭延迟角会自动延长，打开气门所需的惯性驱动块为柱形，优化为圆柱形，并安装在圆筒内，圆筒底部具有缓冲结构，优化的缓冲结构为圆筒上部与惯性驱动块之间间隙大，圆筒底部间隙小，缓冲惯性驱动块，优化的气门材料为耐热铝合金，减轻重量，惯性驱动块的材料优选铜等高密度材料。

为了实现惯性气门驱，可选的方案二为液压惯性驱动，为各个气门分别安装两个相通的液压缸，和带凸轮式推杆并可轴向运动的惯性驱动块，其中气门驱动液压缸活塞顶在气门杆顶部，惯性驱动液压缸活塞与惯性驱动块上的凸轮推运边配合，实现气门驱动，为了降低气门落座速度，并降低体积，优化的惯性液压缸垂直于轴线，对称布置在周边，惯性驱动块为整体式，并与惯性液压缸相对的位置设置凸轮式推动边，惯性液压活塞与惯性驱动块之间采用凸轮式接触；为惯性驱动块安装回位弹簧，弹簧与惯性驱动块的固有频率小于气门与气门弹簧的固有频率；为惯性驱动块安装柱塞泵，柱塞泵出口安装定压排出阀和单向进入阀，柱塞泵设置缓冲机构，避免惯性驱动块在回复后跳动；柱塞泵的出口与气门驱动液压缸通过单向流入阀相通，气门驱动液压缸中的压力保持在柱塞泵出口压力以上，整体驱动机构安装在密封的壳内，有润滑油孔与活塞外的集油槽相通。

优化的气缸体为与气缸盖一体化，可选的方案一：气缸盖分为上、下气缸盖，下气缸盖与气缸体为一体化制造，上、下气缸盖从双层水道之间的盖板分割（盖板在上气缸盖），气缸体采用环状分布的轴向水道，以圆形孔为主，在排气门相对位置为一对长轴形孔，气缸体的水道在轴向上为直通水道，一直延伸到气缸盖的水道中，气缸体底部设开放性的环状集水腔，采用气缸套压板和O型圈密封集水腔，使下气缸盖与气缸体的组合体可用永久模具铸造，并增加缸体抗压能力；可选的方案二：为环形水道加斜水孔式，在气缸体上布置与轴线平线的直通水道，气缸盖排气门以上设环形水道，直通水道与气缸盖的环形水道相通，环形水道用密封套封闭，气缸盖中间用钻斜孔的方式增加辅助冷却，气缸体底部设置环形水道，气缸体底部的环形水道用环形块封闭。

优化的进气方案为中部直线电机进气方案，空气从直线发机两端进入直线发电机内部的从动子内筒通气孔进入中空传动轴和中空活塞，并经活塞顶部的气门进入气缸。优化的冷却水循环方案为冷却水分离循环，直线电机冷却水从中部进入外铁心从两端排出，发动机冷却水从气缸盖进入从气缸体底部排出。为了在尽可能小的系统长度下实现冷却水和空气互不干扰的通过采取了直连电机气缸压盘为三环腔结构，最内环为发动机集水腔、中间为配气腔、外环为直线电机冷却水集水腔，并分别与发动机排水口，进气口，直线电机排水相通；辅助气缸压盘为双环腔结构，内环腔为配气腔，外部与进气口相连，环状分布的轴向进气孔与定子压板的通气槽相通，外环腔为直线电机的集水腔，外部与电机排水口相通，环状分布的轴向水孔与外铁芯冷却水孔相通，直线发电机环状分布两组通孔，外环通过通过外铁芯，冷却水孔，外环通过为通气孔，空气依次通过电机定子压板、内铁芯、动子架、中空传动轴、气门进入气缸，空气对直线电机内部起到一定的冷却作用。

优化的直线发电机为动磁式直线发电机，电机动子为放射性支架的双筒结构，放射击性支架将内、外筒固定在一起，内筒放射性分布通气孔，以螺纹固定在中空传动轴上，在放射性动子架的外支架两端设两个环状加强筋，永磁铁采用环状或扇环状，放射性动子架采用聚合物基纤维增加复合材料（比如碳纤维增加环氧树脂），采用纺织加工的方法制纤维预成形件，采用注塑法将预成形件纤维和永磁环或永磁扇环固定在一起；定子磁路为内外环状铁心加导磁端盖结构，外铁芯分布纵向冷却液孔，并与V型水道相通，外铁心的外部为水道外套，水道外套上有进水口；定子绕组为导磁环与导电线圈交替式结构，导磁环内径处厚度大于外径处厚度，内径处导磁部份厚度占绕组总高比例为气隙处工作磁感应强度除以导磁材料最大工作感应强度，导磁环内径处厚度与外径处厚度比等于它们直径比值的倒数；导电线圈的内环和外环处各附加一导磁薄环，此导磁薄环采用高绝缘的导磁粉末；采用小动子，大线圈的设计理念，尽可能降低动子直径，增加线圈外径；导磁与导电交替式结构的定子线圈的导电部分采用多股平行并联结构，股间进行绝缘处理，各股线圈接单独的控制器件，采用分离控制方法优化各股之间的电流，降低线圈的涡流损失；内铁芯、外铁芯、导磁端以及定子线圈导磁部份采用高磁导率粉末软磁复合材料。

进一步优化的直线发电机为双磁极动磁式直线发电机，直线发电机的动子同样为带放为射性动子架的双环结构，但磁极为相反的二个辐向环状磁极，磁极之间为无磁支架，磁极长度按磁路饱和的最大长度计算，单个磁极表面积一般为内铁芯截面积的1.5~2倍，磁极之间为无磁支架，长度为气缸行程的50~80%，磁极多层扇形环叠置，一层扇形环由放射性动子架数量的一半拼成，各环之间留间隙，让放射性动子架的部份力臂通过，各层之间交替叠置。外铁芯和定子绕组铁心为在外部有定位台阶的饼式叠置结构，定子分为四段，从中间向两端为：中部导磁段，绕组段，端部导磁段，绕组段为带尽可能小的开口线槽的结构，长度为动子单磁极长度的100~150%，中部导磁段长度为行程加上动子单个磁极长度减去绕组段长度后的一半；绕组段与中部导磁段之间留有无磁间隙，间隙与导磁部份高度之比与绕组段相同，间隙在开口处封闭；端部导磁段内径最小长度与中部导磁段长度相同，靠外部份长度减小，减小比例与绕组段线槽比例相同；内铁芯为扇状结构，最小长度与外铁芯相同，最大长度为最小长度加定位长度，内铁芯由外向内长度可依次减小。

 辅助气缸的工作介质选用低比热比的气体，选取原则为：（1）比热比小，（2）工作温度和压力下为气态，（3）环境影响小。推荐的工作介质为制冷剂R134a，推荐平均工作温度80℃左右，最大工作压力小于2MPa，工作范围内为气态，在极寒冷的情况下此介质为液态（如气温低于-30℃），可先低频率运行，对发动机遇热后，允许工作在气弹簧状态，辅助气缸及流道采用完全密封、自动调压的系统，内部密封工作气体和润滑油，两个分隔的缸室端部设置压力调整管，调整管分布在缸室上部，分别并联一个单向进入阀和一个单向排出阀，两个单向进入阀并联后与一个外控进入调压阀串联，再与工作介质储罐相通，两个单向排出阀并联后与一个外控排出调压阀串联，再与工作介质储罐相通，当缸室处于压缩过程并且其压力高于外控排出调压阀设定值时，缸室向工作介质储罐排气，当缸室处于压缩过程并且其低于外控进入调压阀设定值时，工作介质储罐向缸室进气，实现工作压力调整；两个压力调整管之间安装一个外控开关阀，当要求系统工作在很低的频率时，打开此外控开关阀，辅助气缸近似工作中在自由状态；辅助气缸两端与安装轴承和油封，油封与轴承之间设置泄压孔，泄压孔设置在上部，泄压孔通过单向阀与相对的缸室相通，少量从轴承泄漏的工作气体和润滑油，形成单向流动，可降低油封压力，并使润滑油分布均匀；辅助气缸活塞下柱面对称安装二个进入单向阀，单向阀入口与分别与缸室下部相通，单向阀出口在两个活塞环之间的环岸，辅助气缸活塞的上端面或上柱面对称安装二个单向流出阀，单向流出阀的入口在两个活塞环之间的的环岸，单向流出阀的出口分别与缸室上部相通，当活塞运动时，由于两个缸室的压力变化，润滑油和部份工作气体从缸室下部进入单向阀，沿活塞环岸与辅助气缸壁之间的间隙向上流动，从上部的单向阀排出，使润滑油分布均匀。为了增加辅助气缸工作压力调节范围，可采用高、低压两个工作介质储罐，相应增加控制阀门，降低两端轴承的损失，采用液体动密封和静态填料密封的形式，并相应增加润滑油排出机构。

为了保证进气效果，优化的进气增压方案为电动增压与废气增压的混合增压方式，在增压涡轮的两边分别同轴安装废气涡轮和增压电机，在系统启动和低速时电机以电动状态运行，提高低速下的进气压力，系统中速运行时，以废气增压方式运行，在系统高速运行时，采用废气增压，同时电机工作在发电状态，使涡轮转速不至太高，同时充分利用排气能量。

 本发明的有益效果为：采用活塞进气、气缸顶部排气的配气方案，可以实现完全分离的气缸润滑，降低二冲程直线发电系统的污染；增加辅助气缸可以提高二冲程直线发电系统的工作频率，提高系统的功率，辅助气缸采用低比热比的工作气体可降低压缩过程中的温度变化，降低传热损失；采用气缸盖与气缸体一体制造，有利于增加气缸的机械强度适应均质压燃方式工作，提高效率，采用单极永磁动子、直线发电机定子绕组采用导磁与导电交替结，并在绕组两端安装无磁绝缘压板，可采用小动子，大定子线圈的设计理念，采用多股定子线圈结构可降低涡流损耗，采用聚合物基纤维增加复合材料制造动子架有利于降低动子的涡流损耗，进一步优化的双磁极永磁直线发电机可进一步降低电感，提高功率。

附图说明

本系统推荐为水平放置，但为了描述方便和习惯，描术轴向位置关系时参考常规发动机，规定气缸体方向为下或底部，缸盖方向为上或顶部，描述周向布置部件时为真实的位置关系。图1是活塞进气二冲程直线发电系统外部总体结构图；图2是活塞进气二冲程直线发电系统总体结构剖面图；图3是活塞进气二冲程直线发电系统动子整体结构图；图4是活塞组件外观图；图5是活塞基体外观图；图6是活塞组件内部图，图7是活塞组件剖面图；图8是辅助活塞组件结构图；图9是直线发电机动子结构图；图10是直连电机气缸组件立体剖面图（含下视）；图11是直连电机气缸组件立体剖面图（含上视）；图12是连辅助气缸气缸组件立体剖面图（含下视）；图13是连辅助气缸气缸组件立体剖面图（含上视）；图14是辅助气缸组件立体剖面图（含上视）；图15是辅助气缸组件立体剖面图（含下视）；图16是辅助气缸管路原理图；图17是气缸下盖下视图；图18是气缸下盖上视图，图19是气缸上盖下视图，图20是气缸上盖上视图；图21是电磁气门驱动剖面图；图22是直线发电机定子结构立体剖面图；图23是直线发电机绕组结构立体剖面图；图24是直线发电机绕组局部剖面图；图25是电机增压与废气增压的混合增压的结构图；图26是活塞进气二冲程直线发电系统第二套实施方案总体结构图；图27是液压惯性驱动气门活塞组件；图28是液压惯性驱动气门活塞；图29是液压惯性驱动盖；图30是液压惯性驱动盖外部图；图31是一体化气缸体结构外部图；图32是一体化气缸体结构剖面图（方向一）；图33是一体化气缸体结构剖面图（方向二）；图34是直线发电机双磁极动子结构图；图35是双磁极直线发电机铁芯结构图。

具体实施方式

图1~图3说明了直线发电系统总体结构，中间是直线发电机（700），一边依次为直连电机气缸组件（100a）、下气缸盖（200）、上水道段（300）和气门驱动段（400），另一边依次为辅助气缸组件（500）、连辅助气缸气缸组件（100b）、下气缸盖（200）、上水道段（300）和气门驱动段（400）；两个发动机活塞（800）、直线发电机动子（1000）以及辅助活塞组件（900）用直线空心传动轴固定在一起，并与气缸体组件、辅助气缸组件、直线电机定子同轴滑动配合安装，直线电机动子（1000）在直线发电机（700）内部轴向运动，辅助活塞组件（900）在辅助气缸组件（500）内轴向运动，活塞组件（800）在气缸体组件（100a、100b）内轴向运动。

图4～图7说明了活塞组件及活塞上的气门驱动结构，活塞顶（801）上安装了气门（802），活塞外周环岸（803）以下依次安装了第一气环（804），第二气环（805），油环（806），储油环(808)，储油环为粗糙的具有褶皱或小孔的钢环，活塞筒（811）同时起传动轴作用，安装储油环的活塞筒壁分布油孔（812），油孔（812）通过活塞上加强筋（818）通向各气门导管（820）上的油孔，润滑气门导管（820）和气门杆（819），气门导管上分布两道密封环（821），密封环（821）阻止多余的润滑油泄漏，油环（806）与储油环（808）之间的环岸上分布油槽（807），上油环（806）刮下多余的润滑油通过油槽（807）排到储油环（808）上，同时储油环（808）的润滑油也可通过油槽（807）流到油环（806）内，气门弹簧（822）、气门杆（819）和气门弹簧座（817）按常规方法安装，气门驱动摇臂（815）通过旋转轴（823）安装在摇臂座（816）上，气门驱动摇臂摇臂（815）一端顶在气门杆（819）顶部，摇臂（815）另一端顶在惯性驱动块（813）上，气门驱动摇臂（815）安装有间隙调整钉（814），惯性驱动块（813）滑动安装在驱动块安装筒（824）内，惯性驱动块（813）内部安装有弹簧（826），弹簧底部安装柱芯(825)，柱芯（825）可固定在活塞上，惯性驱动块（813）与安装筒（824）底部为小配合间隙，中上部为大配合间隙，当惯性驱动块（813）与安装筒（824）运动到底部时起到缓冲运动作用，气门材料为耐热铝合金，减轻重量，惯性驱动块的材料优选铜、铅等高密度材料。当活塞向下止点减速运动，或向上止点加速运动时，惯性驱动块（813）对气门驱动摇臂摇臂（815）产生推力，可推动摇臂（815）打开进气门（802），推力大小取决于惯性驱动块（813）的重量和加（减）速度的大小，调整惯性驱动块（813）的 重量，气门弹簧（822）的弹力特性，可调整额定工况下气门（802）打开提前角和气门关闭延迟角，辅助气缸压力增加，负荷增加时气门打开提前角和气门关闭延迟角会增加，增加排气门打开提前角也会增大进气门（802）的打开提前角，增大进气。为了进一步润滑气门驱动摇臂，可安装一个外套将气门及摇臂及机构封闭，油孔（812）直接通向封闭空间，取消密封环（821）增加与常规气门相同的油封。

图8说明了辅助活塞（900）的结构，整体为带分隔板和加强筋的双环状结构，图中内筒（901）内部设有紧固、定位环(906)，外部有分隔板（903），分隔板上分布径向加强筋（902）和环状加强筋（902a），外柱面上分布有2~4道活塞环槽并安装活塞环(904)，两个单向进入阀（907）对称安装在活塞柱面上，入口在柱面，单向进入阀（907）的出口与内部孔（908）相通，内部孔（908）出口在活塞环（904）之间的环岸（912）上，孔（911）为工艺孔，加工完成后封堵，两个单向流出阀（909）对称安装在活塞端面上，出口在端面，单向排出阀（909）的入口与内部孔（910）相通，内部孔（910）入口在活塞环（904）之间的环岸（912）上，润滑油和少量工作气体从缸室下部进入单向阀（907），沿环岸（912）与辅助气缸壁之间的间隙向上流动，从上部的单向流出阀（909）排出，使润滑油分布均匀。当辅助缸（500）两端采用液体密封时，辅助活塞（900）上可取消单向阀（907）和单向阀（909）。

图9说明了直线发电机单磁极动子结构，整体为带放射性支架的双筒结构，内筒（1004）上环状分布通气孔（1079），外筒由辐向永磁体扇环（1001）和环状加强筋（1002）组成，内筒（1004）与外筒之间由放射性支架（1003）连结，内筒（1004）、环状加强筋（1002）和放射性支架（1003）由聚合基纤维增强复合材料构成。

图10~11说明了直连电机气缸组件（100a）的结构，气缸体(102)为筒形结构，环状分布圆形水孔（103）、长轴形水孔（104），直连电机气缸压盘（102b）为三环腔结构，最内环为发动机集水腔（131）、中间为配气腔（172）、外环为直线电机冷却水集水腔（162），并分别与发动机排水口（130a），进气口（171），直线发电机排水口（161）相通，在压盘(102b)上环状分布有通气孔(173)和通水孔（163）。集水腔(131)与圆形水孔（103）、长轴形水道（104）相通，长轴形水道（104）与下气缸盖的长轴形水孔（205）相对应，并位于排气道的下面，圆形水孔（103）与下气缸盖的圆形水孔（206）相对应，推荐气缸体（102）与下气缸盖（200）为一体结构，气缸套（101）紧配合安装有气缸体（102）内筒中，上端面压在下气缸盖（200）的底面，气缸套压板（141）的内台阶（141a）压在气缸体内定位环（102a）和气缸套（101）的端面上，在气缸套压板（141）的内筒安装直线轴承（142）和油封（143），在内定位环（102a）的外柱面有密封环（145），气缸套压板（141）的外柱面有密封环（146)，气缸套压板（141）和与之对应位置的气缸体（102）上径向分布润滑油入口（151）和润滑油出口（152），润滑油入口（151）靠上配置，润滑油出口（152）靠下配置，为了避开三个腔室，润滑油入口（151）和润滑油出口（152）进行了转向，与直线发电机的固定的螺孔(108）环状分布在压盘（102b）上。

图12~13说明了连辅助气缸气缸组件（100b）的结构，与直连电机气缸体组件（100a）相比，无三环腔结构的压盘（102b），保留了环形集水腔(131)，和排水口(130b)，环状分布的、与直线发电机固定的螺孔(108）替换为与辅助气缸组件固定的螺孔（108a），润滑油入口（151a）和润滑油出口（152a）为直通孔，其它结构与直连电机气缸组件相同。

图14~15说明了辅助气缸组件（500）的结构，整体为带双环腔压盘的筒状结构，辅助气缸筒（501）两端有端盖(511)和（511a），至少一个端盖为活动式（图中511），端盖（511、511a）上为安装有轴承（512，512a）和油封（513、513a），辅助气缸压盘（504）内环腔为配气腔（572），外环腔为集水腔（562），分别与进气口（571），直线发电机排水口（561）相通，在辅助气缸压盘（504）底部环状分布有与配气腔（572）和集水腔（562）相对应的通气孔（573）和通水孔（563），辅助气缸筒（501）两端设置压力调整管（502、502a），在油封与轴承之间设置泄压孔（541、541a），压力调整管和泄压孔设置在上方。

图16说明了辅助气缸管路原理，辅助气缸组件（500）上的压力调整管（502、502a）分别并联一个单向进入阀（553、553a）和一个单向排出阀（552、552a），两个单向进入阀（553、553a）并联后与一个外控进入调压阀（555）串联，再与工作介质储罐（556）相通，两个单向排出阀（552、552a）并联后与一个外控排出调压阀（554）串联，再与工作介质储罐（556）相通；当辅助气缸室处于压缩过程并且其压力高于外控排出调压阀（554）设定值时，辅助气缸室向工作介质储罐（556）排气；当辅助气缸室处于澎胀过程中并且其压力低于外控进入调压阀（555）设定值时，工作介质储罐（556）向辅助气缸室（500）进气，实现工作压力调整。两个压力调整管之间安装一个外控开关阀（557），当要求系统工作在很低的频率时，打开此外控开关阀（557），辅助气缸在近似自由状态工作。油封与轴承之间设置泄压孔（541、541a），泄压孔设置在上部，泄压孔通过单向阀（551、551a）与相对的缸室相通，少量从轴承泄漏的工作气体和润滑油，形成单向流动，可降低油封压力，并使润滑油分布均匀。

图17～图20说明了气缸盖的结构，气缸盖分为下盖（图17、18），和上盖（图19、20），上、下气缸盖之间采用密封垫密封，下气缸盖（200）正对气缸体的部份分布2至3个气门座孔（202），气门座孔与下气缸盖的侧壁（201）上的排气道（204）相通，1个喷油孔（203），选择点火式时，要包括火花塞孔，环状分布圆形水道（206）和长轴形水孔（205），环形水道（206）直通到气缸盖下部水道（209），长轴形水孔（205）的一部份与下部水道（209）直通；气缸盖的下部水道放射性分布导流板（207），此导流板同时起加强结构的作用，导流板与气门导管座（202a）和喷油嘴座（203a）接触处留水道（208、208a），气缸盖的上层水道（305）为空腔结构，内部有与气门导管座（202a）和喷油嘴座（203a）相对应的导管（303，304），上层水道与下层水道之间为一盖板（301），上层水道盖板中心孔（302），这样从气缸体的水流从周边流入下层水道（209），再向中心孔（302）汇流入上层水道，经出水口（306）排出，本实施方案的附图将下气缸盖与气缸体分别说明，优化的结构为下气缸盖与气缸体为一体化结构；上气缸盖背面（401）分布气门驱动安装孔（402），喷油嘴安装孔（403），润滑油进油孔（404）润滑油出油孔（405）。

图21说明了电磁气门驱动机构，两个弹簧（416）与衔铁（411）组成振动体系，单极幅向永磁体（412）与衔铁（411）固定在一起，组成复合动子，内铁心（413）、外铁心（411）、导磁端（415）构成环状间隙的直线电机磁路，绕组（414）为导磁与导电交替结构，固定于外铁心与单极幅向永磁体（412）之间，构成直线电机定子线圈，单极幅向永磁体412a固定于另一个电磁铁绕组与内铁芯之间，衔铁以下部份构成了永磁吸合的电磁铁与直线电机复合的结构，衔铁以上部份构成了永磁吸合的电磁铁结构，当衔铁接近铁心的吸合面时，永磁体412和412a的磁通大量转向衔铁，将衔铁保持在吸合位置，当衔铁需要释放时，向相应的线圈中进行反向励磁，衔铁释放，衔铁在弹簧（416）的推动下运动，在运动过程中向下电磁铁构成的直线电机通电，补充体系能量，并控制气门落座速度，为了调整气门关闭间隙，系统中还设计了液压间隙调整机构（417）；本气门驱动机构为现有技术（PCT/CN2011/000786），这里不再详述。

图22~24说明了直线发电机定子结构，内铁芯（705）和外铁心（702）为环状结构，两端为导磁端盖（710）构成定子磁路；外铁心（702）分布纵向冷却水孔（765），纵向冷却水孔（765）与中部V型槽（712）相通，冷却水套（701）密封套在外铁心（702）外周，冷却水套上有进水道（766），定子线圈（704）套在外铁心（702）内，定子线圈（704）两端分布无磁非导电定子压板（709）；定子绕组（704）为导电线圈（722）与导磁环（723）交替结构，定子绕组（704）的导磁环（723）在内径处厚度大于外径处厚度，内径处导磁部份厚度占线圈总高比例为气隙处工作磁感应强度除以导磁材料最大工作磁感应强度，导磁环内径处厚度与外径处厚度比等于它们直径比值的倒数，导电线圈（722）采用多股平行并联结构，股间进行绝缘处理，各股线集成后由电缆（720）引出，接单独的控制器件，采用分离控制方法优化各股之间的电流，降低线圈的涡流损失；导电线圈（722）的内外附加导磁衬环（724、725），导磁衬环（724、725）为绝缘性好的导磁粉末，导磁环（723）为高磁导率粉末，加工方法由发明者另行说明；内铁心（705）为扇形，放射性分布，各扇之间有放射性间隙（778），内铁心与定子线圈之间有环状间隙（777），直线电机两端有导磁端盖（710），图9的动子放射性支架（1003）在放射性间隙（778）运动，图9的单极幅向永磁环（1001）和环状加强筋（1002）在环状间隙（777）内运动；在导磁端盖（710）留通气孔（774）和冷却水道（764），定子压板（709）上留通气槽（775、776），内铁芯（705）与直线发电机动子内筒（1004）之间留中间宽，两端窄的环状通气间隙。

综合以上描述，空气从两端向中部进入发动机，依次通过：空气依次经过辅助气缸压盘（或直连电机气缸压盘）进气口（171、571）、配气腔（172、572）、通气孔（173、573）、直线发电机导磁端盖的（774）、定子压板（709）的通气槽（775、776），内铁芯环状间隙（777）、放射性间隙（778）、直线发电机动子内筒通气孔（1079），进入中空传动轴和活塞经气门进入气缸，空气对直线电机内部起到一定的冷却作用。直线发机冷却液路径依次为：由进水道（766）进入，依次经过：765、764、763（563）、162（562）、161（561）排出。

图25说明了电机增压与废气增压的混合增压的结构，在增压涡轮（1101）的两边分别同轴安装废气涡轮(1102)和增压电机(1103)，在系统启动和低速时电机启动，提高低速下的进气压力，系统中速运行时，以废气增压方式运行，在系统高速运行时，采用废气增压，同时电机工作在发电状态，使涡轮转速不至太高，同时充分利用排气能量。

图26说明了活塞进气二冲程直线发电系统第二套实施方案总体结构图，总体结构与第一套方案相同，图中中部为直线发电机（700a）,向一边依次为辅助气缸（500），气缸套（100a），缸盖（200a），气门驱动（400），向另一边少辅助气缸（500），气缸体（100c）直接与直线电机（700a）相连，直线发电机动子（1000a）、辅助气缸活塞（900）以及活塞组件（800a）固定在一起。与第一套实施方案相比，活塞（800a）由摇臂式惯性气门驱动变为液压式惯性气门驱动，气缸盖由上、下缸盖结构，改为环形水道（225）增加密封套（221）的结构，直线发电机由单磁极直线发电机（700）变为双磁极直线发电机（700a），下面分别就这三部份进行详细说明。

图27~图30说明了液压惯性气门驱动结构，活塞顶（801）上安装了气门（802），活塞外周环岸（803）以下依次安装了第一气环（804），第二气环（805），油环（806），油环下为集油环槽（808a）,油环（806）与集油环槽（808a）之间分布油槽（807），集油环槽（808a）分布油孔（812a），油孔（812a）通向驱动机构内部气门弹簧安装环空（837）内，气门杆（819）安装在气门导管（820）内，气门套管（820）安装在气门导管安装孔（838）内，气门导管（820）安装有油封（821），气门杆（819）安装在气门弹簧座（817）上，并通过气门弹簧（822）使气门（802）保持常关状态，气门杆（819）头部顶在气门驱动活塞（841）上，气门驱动活塞（841）安装在液压缸套（842）内，后部安装回位弹簧（843），惯性驱动活塞（845）安装在液压缸套（846）内，后部安装回位弹簧（844），液压流道（847）将液压缸套（842）和液压缸套（846）连通在一起，气门驱动活塞（841）和惯性驱动活塞（845）实现连动，活塞（850）、凸轮推杆（854）、弹簧座（855）连结杆（857）以及配重块（859）固定在一起，构成重力驱动组合，凸轮推杆（854）上对称分布与惯性驱动活塞（845）配合的凸轮推边，惯性驱动活塞（845）和凸轮推边上有防转台阶，弹簧座（855）上与惯性驱动盖外壳（860）之间安装回位弹簧(856)，连结杆套管（873）上安装油封（858），活塞（850）安装在缸套（849）内，缸套（849）安装在安装孔（839）内，活塞在下止点前减速运动和在下止点后加速运动时，配重块（859）带动凸轮推杆（854）向下止点方向运动，推动惯性驱动活塞（845），进而通过液压流道（847）内液体推动气门驱动活塞（841）上打开气门，当配重块（859）依靠惯性产生的推动力不足以克服弹簧回位弹簧(856) 气门弹簧（822）以及其它反向力时，重力驱动组合回位，气门关闭。

气门驱动机构封闭在惯性驱动盖外壳（860）内，在惯性驱动盖外壳（860）和活塞密封边（830）之间安装有中隔板（852），通过螺钉(853）和螺孔（831、861）固定，中隔板（852）将气门弹簧安装空间（837）和凸轮推杆（854）的活动空间（871）分开，并将后面描述的转换槽封闭。

气门驱动的润滑油交换油路如下：油孔（812a）与气门弹簧安装空间（837）相通，气门弹簧安装空间（837）通过油槽（840）与活动空间（871）连通，润滑油可油孔（812a）进入活动空间（871），同时活动空间（871）的润滑油液面较高时，润滑油也可从油孔（812a）中流出。液压（849）缸套的主油路如下：缸套（849）中部有液压油进出口，并通过环切口或偏心切口（851），与液压油出口(832、834)相通，液压油出口（822）通过转换槽（833）、转换槽（862）、流道（863）、流道（869、870）与凸轮推杆（854）的活动空间（871）相通，在流道（869）和流道（870）内分别安装单向流入阀和定压溢流阀，定压溢流阀压力设定在100~500kPa，流道（869）处设置可选择设置油槽（869），活塞（850）头部为锥形，当活塞（850）由下向上运动，活塞（850）头未盖住缸套（849）中部的液压油进出口时，活塞（850）受很少的液压作用，当活塞（850）头盖住缸套（849）中部的液压油进出口时，活塞（850）有受到液压作用越来越大，并且速度越大，阻力越大，起到缓冲作用。气门间隙调整油路如下：有两路液压油从液压油出口（834）通过转换槽（835）、转换槽（865）、进入流道（864），流道（864）通过偏心切口(872)和单向流入阀（848）相通，实现向流道（871）补充液压油的作用，有一路液液油直接通过流道（863）进入转换槽（865a），进入 流道（864a），通过偏心切口(872)和单向流入阀（848）相通，实现向流道（871）补充液压油的作用，使气门杆（819）头部与气门驱动活塞（841）之间以及惯性驱动活塞（845）与凸轮推杆（854）之间保持接触。

图31~33以与辅助气缸相连的气缸体为代表说明了一体化气缸体的实施方案，图中整体上为由压盘（213）、气缸筒（212）和气缸盖（230）的筒状结构，排气口（218）对称设置在缸盖内，气门套管孔（222）与气门座圈孔（228）同轴心，穿过缸盖到排气口（218），气门驱动机构安装孔（221）轴心与气门套管孔（222）轴心相同，气门驱动机构安装孔（221）底面与气门套管孔（222）轴心垂直，气缸体底部设置环形水道（226），气缸筒（212）周边布置直通水道（217、217a），气缸盖（230）排气口（218）以上设置环形水道（225），直通水道（217、217a）与环形水道（226）和环形水道（225）相通，环形水道（225）用密封套（221）密封，密封套（221）采用螺钉和螺孔（215）固定，环形水道（226）也采用环形套封闭，环形水道（226）上冷却水出口（227）在压盘（213）上布置固定螺孔（214），在缸盖上外周，两个气门驱动中间偏10~20°位置设进水口（219），进水口（219）环状水道（225）相通，并进水口（219）内钻斜孔（220），斜孔（220）通入气缸盖中部鼻状区（220a）,在环状水道（225）相对位置的缸盖上钻斜孔（223）, 钻斜孔（223）通入气缸盖中部鼻状区（223a），斜孔（223a）和（220a）重合，斜孔（223）单独与冷却水回水管相连，在与进水口（219）反向偏离10~20°位置对称设置两个喷油孔或火花塞孔（224）通过以上方案，气缸体和缸盖主体为一整体，机械强度高，可采用多次使用模具铸造后再后加工成形。

图34说明了双磁极直线发电机动子结构，双磁极直线发电机的动子为带放射性动子架的双筒结构，内筒（1004）上环状分布通气孔（1079），外筒分在布二个磁极相反的辐向永磁体扇环（1001a）构成的磁极，每个磁极由数层永磁扇构成，各层永磁扇之间(1002c)用绝缘粘剂粘剂，每层的永磁扇个数为放射性动子架的一半，永磁扇之间留间隙，嵌入放射性动子架的部份力臂（1003a），各层之间交替叠置，每层永磁扇的厚度建议为10mm左右，根据情况可适当调整，厚度越薄，损耗越小，但工作量越大，两个磁极之间由环形加强筋（1002b）连结，中间环形加强筋（1002b）长度为发动机行程的50~80%，两个磁极端部为环状加强筋（1002a），内筒（1004）与外筒之间由放射性支架（1003）连结，内筒（1004）、环状加强筋（1002）和放射性支架（1003）由聚合基纤维增强复合材料构成。

图35说明了双磁极直线发电机铁芯结构，外铁芯和绕组铁心为外部有定位台阶（702d）和闭口齿（702e）的饼式叠置结构，定子分为四段，从中间向两端为：中部导磁段由中部导磁体（702b）和无磁间隙（722b）构成，中部导磁体（702b）的长度与中部段长度之比绕组段铁芯（702a）占比绕组段长度比例相近，中部导磁段长度为行程加上动子单个磁极长度减去绕组段长度后的一半，绕组段由绕组铁芯（702a）和线槽（722a）构成，绕组段长度为动子单磁极长度的100~150%，中部的无磁间隙和线槽在开口部份为近闭合，开口建议小于0.5mm，先期加工完成的饼式线圈与绕组铁芯交替叠置在一起，端部导磁段（702）为由内外外长度减小的梯形或阶梯形，内径最小长度与中部导磁段长度相同，最外部份长度与内径处长度之比与绕组段铁芯（702a）占比绕组段长度比例相近；内铁芯（705a）为扇状结构，内径最小长度与外铁芯相同，内径处的最大长度为最小长度加定位段长度，内铁芯由两端向中间变厚，在一个磁极长度前变为与中部厚度相等，与前述单磁极直线发电机一样,直线电机动子磁极在环状间隙（777）之间轴向运动，线电机动子放射性架在放射性间隙（778）运动。 

Claims (15)

1.一种活塞进气的直线发电系统，其特征是以双缸对置推挽工作直线发电系统为基础，增加一个辅助气缸和一个与发电动子轴固定的活塞，总体结构为：中间是直线发电机（700），一边依次为直连电机气缸组件（100a）、下气缸盖（200）、上水道段（300）和气门驱动段（400），另一边依次为辅助气缸组件（500）、连辅助气缸气缸组件（100b）、下气缸盖（200）、上水道段（300）和气门驱动段（400）；两个发动机活塞（800）、直线发电机动子（1000）以及辅助活塞组件（900）用直线传动轴固定在一起；在发动机气缸顶部设电磁驱动排气门，在活塞上安装惯性驱动的进气门，活塞和传动轴为中空筒状，在直线电机动内筒和传动轴上设通气孔，空气从直线发电机的两端的进入直线发电机内部经中空传动轴、活塞、气门进入气缸，实现直流扫气，提高扫气效率；辅助气缸的工作气体采用低热比的气体（如R134a），辅助气缸安装调整工作压力的阀门，通过调整辅助气缸的压力，来调整系统的工作频率。

2.根据权利求1所述的活塞进气的直线发电系统，其特征是活塞进气气门驱动方案为摇臂式惯性驱动，为活塞上各个气门安装一个气门驱动摇臂（815），一个惯性驱动块（813），气门驱动摇臂通过中间的旋转轴（823）安装在活塞上，气门驱动摇臂一端顶在气门杆顶部，惯性驱动块安装在带缓冲机构的套筒内，有一轻弹簧使惯性驱动块与气门驱动摇臂的另一端接触。

3.根据权利求1所述的活塞进气的直线发电系统，其特征是活塞进气气门驱动的为液压惯性驱，为各个气门分别安装两个相连通的液压缸，并安装一个可轴向运动带凸轮推边的惯性驱动块，其中气门驱动液压缸活塞顶在气门杆顶部，惯性驱动液压缸活塞与惯性驱动块上的凸轮推边配合，惯性驱动块的惯性运动驱动液压活塞，间接实现气门驱动，驱动机构内设置柱塞泵，柱塞泵活塞固定在惯性驱动块上，柱塞泵出口安装定压排出阀和单向进入阀，柱塞泵活塞设置缓冲机构，避免惯性驱动块在回复后跳动，柱塞泵的出口与气门驱动液压缸通过单向流入阀连结，此单向阀的流动方向为由柱塞泵流向气门驱动液压缸，活塞外周有油孔与驱动机构内部连通，整个机构用外壳和油封将活塞内筒的空气分开。

4.根据权利求1所述的活塞进气的直线发电系统，其特征是一体化气缸盖方案一为，上、下气缸盖式，上、下气缸盖从双层水道之间的盖板（301）分割（盖板在上气缸盖），气缸体采用环状分布的轴向水道，以圆形水孔（103）为主，在排气门相对位置为一对长轴形水孔（104），气缸体的水道为与气缸轴平行的直通水道，一直延伸到气缸盖的水道中，气缸体底部设开放性的环状集水腔（131），采用气缸套压板（141）及O型圈密封集水腔（131），使下气缸盖与气缸体的组合体适合永久模具铸造。

5.根据权利求1所述的活塞进气的直线发电系统，其特征是一体化气缸盖方案二为环形水道加斜水孔式，在气缸体上布置与轴线平线的直通水道，气缸盖排气门以上设环形水道，直通水道与气缸盖的环形水道相通，环形水道用密封套封闭，气缸盖中间用钻斜孔的方式增加辅助冷却，气缸体底部设置环形水道，气缸体底部的环形水道用环形块封闭。

6.根据权利求1所述的活塞进气的直线发电系统，其特征是可选的进气增压方案为电动增压与废气增压的混合增压方式，在增压涡轮的两边分别同轴安装废气涡轮和增压电机，在系统启动和低速时电机以电动状态运行，提高低速下的进气压力，系统中速运行时，以废气增压方式运行，在系统高速运行时，采用废气增压，同时电机工作在发电状态，使涡轮转速不至太高，同时充分利用排气能量。

7.根据权利求1所述的活塞进气的直线发电系统，其特征是直线发电机的动子带放射性支架的双筒结构，内筒（1004）上环状分布通气孔（1079），外筒由辐向永磁体扇环（1001）和环状加强筋（1002）组成，内筒（1004）与外筒之间由放射性支架（1003）连结，内筒（1004）、环状加强筋（1002）和放射性支架（1003）由聚合基纤维增强复合材料构成。

8.根据权利求1所述的活塞进气的直线发电系统，其特征是直线发电系统定子绕组为导电线圈（722）与导磁环（723）交替式结构，导磁环内径处导磁部份厚度占线圈总高比例为气隙处工作磁感应强度除以导磁材料最大工作感应强度，导磁环内径处厚度与外径处厚度比等于它们直径比值的倒数。

9.根据权利求1所述的活塞进气的直线发电系统，其特征是，定子绕组的导电线圈（722）采用内外径相互套合的多股螺旋状线圈，各股线圈之间进行绝缘，并接分离的控制器件，优化各股线圈电流，降低涡流损耗。

10.根据权利求1所述的活塞进气的直线发电系统，其特征是，定子绕组内外径附加导磁衬环（724、725），导磁环由高电阻导磁粉末制造。

11.根据权利求1所述的活塞进气的直线发电系统，其特征是直线发电机可选方案为双磁极直线发电机，其动子总体上与权利要求７相似，外筒分布二个磁极相反的辐向永磁体扇环（1001a）构成的磁极，每个磁极由多层永磁扇构成，各层永磁扇之间(1002c)用绝缘粘剂粘结，每层的永磁扇个数为放射性动子架的一半，永磁扇之间留间隙，嵌入放射性动子架的部份力臂（1003a），各层之间交替叠置，每层永磁扇的厚度建议为10mm左右，根据情况可适当调整，两个磁极之间由环形加强筋（1002b）连结，环形加强筋（1002b）长度为发动机行程的50~80%，外铁芯（702a）和定子绕组铁心为在外部有定位台阶（702d）、内部有闭口齿的（702e）饼式叠置结构，定子分为四段，从中间向两端为：中部导磁段由中部导磁体（702b）和无磁间隙（722b）构成，中部导磁段长度为行程加上动子单个磁极长度减去绕组段长度后的一半，绕组段由绕组铁芯（702a）和线槽（722a）构成，绕组段长度为动子单磁极长度的100~150%，中部的无磁间隙和线槽在开口部份为近闭合，开口建议小于0.5mm，先期加工完成的饼式线圈与叠置绕组段的线槽（722a）内，端部导磁段（702）为由内外外长度减小的梯形或阶梯形，内径最小长度与中部导磁段长度相同，内铁芯（705a）为扇状结构，内径最小长度与外铁芯相同。

12.根据权利求1所述的活塞进气的直线发电系统，其特征是辅助气缸及流道采用完全密封、自动调压系统，内部密封工作气体和润滑油，两个分隔的缸室端部设置压力调整管（502、502a），调整管分布在缸室上部，分别并联一个单向进入阀（553、553a）和一个单向排出阀（552、552a），两个单向进入阀（553、553a）并联后与一个外控进入调压阀串联（555），再与工作介质储罐相通，两个单向排出阀（552、552a）并联后与一个外控排出调压阀串联（554），再与工作介质储罐相通，当缸室处于压缩过程并且其压力高于外控排出调压阀设定值时，缸室向工作介质储罐排气，当缸室处于压缩过程并且其低于外控进入调压阀设定值时，工作介质储罐向缸室进气，实现工作压力调整。

13.根据权利求1所述的活塞进气的直线发电系统，其特征是，辅助气缸组件（500）两个压力调整管之间安装一个外控开关阀（557），当要求系统工作在很低的频率时，打开此外控开关阀，辅助气缸近似工作中在自由状态。

14.根据权利求1所述的活塞进气的直线发电系统，其特征是，辅助气缸两端安装轴承和油封，油封（513、513a）与轴承（512、512a）之间设置泄压孔（541、541a），泄压孔设置在上部，泄压孔通过单向阀（551、551a）与相对的缸室相通，少量从轴承泄漏的工作气体和润滑油，形成单向流动，可降低油封压力，并使润滑油分布均匀。

15.根据权利求1所述的活塞进气的直线发电系统，其特征是，辅助气缸活塞组件（900）下柱面对称安装二个进入单向阀（907），单向阀入口与分别与缸室下部相通，单向阀出口在两个活塞环之间的环岸（912），辅助气缸活塞的上端面或上柱面对称安装二个单向流出阀（909），单向流出阀的入口在两个活塞环之间的的环岸（912），单向流出阀的出口分别与缸室上部相通，当活塞运动时，由于两个缸室的压力变化，润滑油和部份工作气体从缸室下部进入单向阀，沿活塞环岸与辅助气缸壁之间的间隙向上流动，从上部的单向阀排出，使润滑油分布均匀。

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