CN103939170A - 一种用于二冲程自由活塞发动机-发电机系统的可控气门机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可用于二冲程自由活塞发动机-发电机的可控气门机构，包括偏心轮滑块机构、气门弹簧机构、进气道/排气道、进气门/排气门、伺服电机、滑块、销；偏心轮与伺服电机轴通过销连接，将伺服电机的旋转运动转化为滑块的直线运动；气门弹簧座与滑块、进气门/排气门固连，将滑块的直线运动转化为进气门/排气门的开闭；气门弹簧位于气门弹簧座与发动机机体之间，存储拉伸能量用于气门的关闭；进气道采用高压进气且具有节气门传感器，实现发动机高效进气与负载控制。本发明利用伺服电机的定位移转动，通过偏心轮滑块机构实现二冲程自由活塞发动机-发电机系统进气门与排气门的灵活调节，进而实现二冲程发动机进气量的稳定高效控制。

Description

一种用于二冲程自由活塞发动机-发电机系统的可控气门机构

技术领域

本发明涉及的是可控气门机构，特别涉及一种可用于二冲程自由活塞发动机-发电机的可控气门机构，具体是利用伺服电机与偏心轮滑块机构实现二冲程自由活塞发动机-发电机系统进气门或排气门的灵活控制，属于车辆工程领域。

背景技术

二冲程自由活塞发动机-发电机系统是一种新型的动力系统，其结构一般由两个自由活塞发动机对置连接，直线电机位于两个发动机中间，直线电机动子组件与自由活塞发动机的活塞连杆组件轴线连接。与传统发动机相比，自由活塞发动机的最大特点是去除了曲柄连杆机构，通过液、电等介质实现“柔性”输出，从而避免传统内燃机中曲轴和轴承所消耗的大量摩擦热，以及由于曲柄滑块机构所引起的侧向力而造成的活塞上的摩擦，效率更高。并且由于系统压缩比可变，可适用于多种燃料，更容易实现均质压燃的燃烧方式。将自由活塞发动机与直线电机相结合，可以直接将活塞直线往复运动的机械能转换为电能，省去了传统旋转发动机和发电机之间的连接轴、轴承等辅助连接装置，且直线发动机工作时活塞的每个行程都会带动发电机发电，因此整个耦合机构的能量转换效率更高。

传统的二冲程自由活塞发动机-发电机的进气、扫气及排气均采用壁面开孔的形式分布在气缸壁上，由于气门位置固定，传统二冲程自由活塞发动机-发电机系统无法根据活塞运动行程实现气门的灵活控制，很容易造成系统进气量波动较大，继而影响发动机的稳定高效燃烧；同时传统二冲程系统大多采用进气道喷射的形式，且系统中含有扫气箱，部分新鲜工质在扫气过程中随废弃排除气缸，导致二冲程系统排放恶劣且燃烧效率较低。本发明参考传统四冲程发动机的进排气形式，采用伺服电动与偏心轮滑块机构配合的可控气门机构实现系统进气门/排气门的灵活控制。该可控气门机构均由伺服电机带动，伺服电机的旋转运动经偏心轮滑块机构转化为进气门、排气门的直线升降运动，同时该进气系统配以气门弹簧储存能量用于进气门的快速复位，不仅实现了气门的灵活开闭，而且节省了能源。为了提高系统的进气效率，装有该可控气门机构的二冲程自由活塞发动机-发电机系统去除扫气箱，采用进气增压的方式，通过压缩空气扫除燃烧后的废气。同时该系统配以燃油缸内直喷，进一步提高自由活塞发动机的燃烧效率，继而提高整个自由活塞发动机/发电机系统的输出效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种可用于二冲程自由活塞发动机-发电机的可控气门机构，对原二冲程自由活塞发动机-发电机系统进行了进气门/排气门结构改造，设计了相配套的气门控制机构，实现二冲程发动机系统进气门与排气门的灵活调节，并采用缸内燃油直喷与高压进气的形式，提高二冲程自由活塞发动机的扫气效率及燃烧效率，实现自由活塞发动机/发电机系统的高效输出。

为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种用于二冲程自由活塞发动机-发电机系统的可控气门机构，由偏心轮滑块机构、气门弹簧机构、进气道/排气道、进气门/排气门、伺服电机组成的可控气门机构。

所述偏心轮滑块机构，包括偏心轮与滑块，偏心轮与伺服电机通过销连接，可将伺服电机的旋转运动转化为滑块的直线运动；

所述气门弹簧机构，包括气门弹簧座与气门弹簧，气门弹簧座与滑块及进气门/排气门固连，可将滑块的直线运动转化为气门的开闭，同时配以气门弹簧用于进气门/排气门的复位。

所谓进气道/排气道，为类圆筒状管道，且进气道中装有节气门位置传感器并采用高压进气的形式，实现发动机负荷的实时调节及高效扫气。

所述伺服电机，为补助马达间接变速装置，位置控制精度非常准确，通过销连接带动偏心轮滑块机构运转设定角位移，以实现进气门/排气门的开闭行程控制。

本发明可根据二冲程自由活塞发动机-发电机系统中活塞组件运动的位置控制伺服电机的起动与停止；当伺服电机起动时，伺服电机的起动力经偏心轮滑块机构打开进气门或排气门，并通过设定伺服电机的运动角位置确定进气门或排气门的开启位置；同时当伺服电机停止即驱动力卸掉时，机构利用气门弹簧的蓄能作用实现进气门或排气门的自动闭合。

并且，进气道采用高压进气的形式，且装有节气门位置传感器用以控制进气量；同时，燃油经喷油器直接喷入气缸内。

发动机控制器根据霍尔传感器测得的活塞运动频率及直线位移传感器测得的活塞瞬时位移，控制伺服电机的启停及运转角位移，进而实现直线发动机的循环进气及排气。

本发明的优越功效在于：

1）去除了传统二冲程发动机的壁面开孔式进排气机构，实现了进气门/排气门的灵活开闭，提高了系统的进气效率，减小了循环进气量的波动，有助于发动机的稳定高效燃烧，同时该进气/排气机构配以气门弹簧储能能量用于进气门/排气门的复位，节省了能源，进一步提高发动机效率；

2）去除了传统自由活塞发动机/发电机系统的扫气箱，提高了系统的进气效率，并且进气机构采用进气增压的方式，通过压缩空气扫除燃烧后的废气，避免了传统系统的可燃混合气扫气，减少了燃油的浪费，提高了系统的效率；

3）用于二冲程自由活塞发动机-发电机系统的可控气门机构，不仅实现了发动机进气门及排气门的灵活开闭，而且有助于自由活塞发动机稳定高效运转，因此与其它形式的二冲程发动机进气机构相比，本发明在机械结构、能源利用效率、运转稳定性、使用的方便性等方面均具有明显优势；具有结构简单、能源利用率高、气门开闭快速稳定等特点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是装有该可控气门机构的二冲程自由活塞发动机-发电机系统。 

图中标号说明：

1——偏心轮；                      2——气门弹簧座；

3——气门弹簧；                    4——进气道；

5——进气门；                      6——伺服电机；

7——喷油器；                      8——火花塞；

9——气缸盖；                      10——直线位移传感器；

11——直线ISG电机动子铁芯；       12-电压传感器；

13——电流传感器；                 14——节气门位置传感器；

15——空气流量传感器；             16-电动车主驱动电机；

17——功率变换器；                 18——蓄电池；

19——永磁体；                     20——直线ISG电机线圈；

21——直线ISG电机定子铁芯；       22——霍尔传感器；

23——连杆组件；                   24——活塞组件；

25——气缸体；                     26——排气门；

27——排气道；                     28——销；

29——滑块。

具体实施方式

下面根据附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明提供了一种用于二冲程自由活塞发动机-发电机系统的可控气门机构，包括偏心轮1、气门弹簧机构、进气道4/排气道27、进气门5/排气门26、伺服电机6、销28、滑块29。

所述偏心轮1，与伺服电机6通过销28连接，可将伺服电机6的旋转运动转化为滑块29的直线运动，继而带动进气门5或排气门26的直线运动，实现进气门5或排气门26的灵活开闭；

所述气门弹簧机构，包括气门弹簧座2及气门弹簧3，气门弹簧座2与滑块29、进气门5/排气门26固连，气门弹簧3位于气门弹簧座与发动机机体之间，存储能量，用于进气门5或排气门26的复位。

所述进气道4/排气道27，为类圆筒状管道，且进气道4中装有节气门位置传感器14并采用高压进气的形式，实现发动机负荷的实时调节及高效扫气。

所述伺服电机6，为补助马达间接变速装置，位置控制精度非常准确，通过销28带动偏心轮滑块机构1运转到设定位置，继而实现进气门5或排气门26的开闭行程控制。

发动机控制器根据霍尔传感器22测得的活塞运动频率及直线位移传感器10测得的活塞瞬时位移，控制伺服电机6的启停及运转角位移，实现直线发动机的循环进气及排气。

所述霍尔传感器22的磁钢片安装在连杆机构23，随连杆机构23一起直线往复运动；检测触头安装在基座上，当磁钢片运动经过检测触头时，霍尔传感器22的信号端就产生一个方波信号，该信号输入发动机控制器。

所述直线位移传感器10的运动端安装在连杆机构23上，随活塞及连杆往复直线运动，测得活塞的瞬时位移信号，该信号输入发动机控制器，控制器根据设定的直线发动机进气门开启位置、进气门关闭位置、排气门开启位置、排气门关闭位置、喷油脉宽、喷油位置、点火位置，控制伺服电机6的启停及运转角位移，驱动喷油器及点火线圈动作，实现发动机的进气、喷油、点火及排气。

进气门5与排气门26均由各自的可控气门机构驱动，该可控气门机构的偏心轮1可由伺服电机6驱动，伺服电机6与偏心轮1通过销29固连，可根据直线位移传感器7测得的活塞组件24的位置实时伺服电机6的开闭，进而控制进气门5/排气门26的开闭，且该发明保证进气门5/排气门26关闭时，气门弹簧3处于自然状态。当活塞组件24运动到进气门5开启的位置时，系统控制器控制伺服电机6运动，驱动偏心轮滑块机构1运转，压缩气门弹簧3使进气门5开启。当活塞组件24运动到进气门5闭合的位置时，伺服电机6断开并切断驱动力，进气门5在气门弹簧3的弹力作用下复位。由此可见发动机控制器可根据直线位移传感器的信号对伺服电机进行实时的控制，进而控制进气门5//排气门26在指定活塞组件24位置时的开闭，根据不同的配气要求，就能实现气门的灵活开闭。

如图2所示，活塞组件24经连杆组件23左右对置连接，可在气缸体25内作自由直线往复运动，气缸盖9上布置火花塞8和喷油器7，实现气缸内燃油直喷；进排气机构与传统四冲程发动机的结构相似，进气门5与排气门26均由本发明驱动，且进气道3采用进气增压方式，其内布置空气流量传感器15、节气门位置传感器14，两传感器与系统控制器电气连接，实现对节气门开度的控制；连杆组件23上固结铁芯21和永磁体19，组成直线ISG电机动子，可随活塞组件24及连杆组件23做直线运动；两气缸之间、直线ISG电机动子之外布置铁芯21与线圈20，组成直线ISG电机定子，该部分固定不动；直线位移传感器10、霍尔传感器22布置于连杆组件23，并与系统控制器电气连接，分别测量活塞组件的瞬时位移与运动频率。

当装有该可控气门机构的二冲程自由活塞发动机-发电机系统起动时，蓄电池18提供电量通过电磁作用驱动直线ISG电机的运转，并带动活塞组件24直线往复运动。当活塞组件24运动频率达到设定起动频率时，自由活塞发动机的喷油器7和火花塞8开始喷油和点火。以左侧自由活塞发动机点火燃烧为例，当左侧发动机着火燃烧膨胀，驱动活塞组件24开始向右运动，活塞运动组件24运动到左侧自由活塞发动机系统排气门26打开位置时，系统控制器通过本发明打开排气门26，燃烧废气经排气门26排出气缸；活塞组件24继续向右移动，当到达进气门5打开的位置时，系统控制器通过本发明打开进气门5，高压气体通过进气道4进入气缸，进一步将燃烧废气扫除，并填充气缸；当右侧自由活塞发动机燃烧使活塞组件24反向运动，当活塞组件24运动到进气门关闭的位置时，系统控制器通过本发明关闭进气门5，同时当活塞组件24运动到排气门关闭的位置时，系统控制器通过本发明关闭排气门26。排气门26关闭后，喷油器7喷射燃油进气缸，当活塞组件24运动到点火位置时，火花塞8点火，左侧自由活塞发动机燃烧并进入下一循环。

Claims (7)

1.一种用于二冲程自由活塞发动机-发电机系统的可控气门机构，其特征在于，由偏心轮滑块机构、气门弹簧机构、进气道/排气道、进气门/排气门、伺服电机组成的可控气门机构。

2.根据权利要求1所述的用于二冲程自由活塞发动机-发电机系统的可控气门机构，其特征在于，所述偏心轮滑块机构，包括偏心轮与滑块，偏心轮与伺服电机通过销连接，可将伺服电机的旋转运动转化为滑块的直线运动。

3.根据权利要求1或2所述的用于二冲程自由活塞发动机-发电机系统的可控气门机构，其特征在于，所述气门弹簧机构包括气门弹簧座和气门弹簧；所述气门弹簧座与滑块及进气门/排气门固连，可将滑块的直线运动转化为气门的开闭，同时配以气门弹簧用于进气门/排气门的复位。

4.根据权利要求1所述的用于二冲程自由活塞发动机-发电机系统的可控气门机构，其特征在于，所谓进气道/排气道，为类圆筒状管道，且进气道中装有节气门位置传感器并采用高压进气的形式。

5.根据权利要求1所述的用于二冲程自由活塞发动机-发电机系统的可控气门机构，其特征在于，所述伺服电机，为补助马达间接变速装置，通过销连接带动偏心轮滑块机构运转设定角位移，以实现进气门/排气门的开闭行程控制。

6.根据权利要求1所述的用于二冲程自由活塞发动机-发电机系统的可控气门机构，其特征在于，该机构可根据二冲程自由活塞发动机-发电机系统中活塞组件运动的位置控制伺服电机的起动与停止；当伺服电机起动时，伺服电机的起动力经偏心轮滑块机构打开进气门或排气门，并通过设定伺服电机的运动角位置确定进气门或排气门的开启位置；同时当伺服电机停止即驱动力卸掉时，机构利用气门弹簧的蓄能作用实现进气门或排气门的自动闭合。

7.根据权利要求1所述的用于二冲程自由活塞发动机-发电机系统的可控气门机构，其特征在于，进气道采用高压进气的形式，且装有节气门位置传感器用以控制进气量；同时，燃油经喷油器直接喷入气缸内。