CN104653288A

CN104653288A - 应用电磁结构可变气门技术的自由活塞发电机系统

Info

Publication number: CN104653288A
Application number: CN201510002389.8A
Authority: CN
Inventors: 宫洵; 杨荣彬; 胡云峰; 陈虹
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2015-01-05
Filing date: 2015-01-05
Publication date: 2015-05-27

Abstract

一种应用电磁结构可变气门技术的自由活塞发电机系统，属于混合动力技术领域。本发明的目的是为满足发动机全工况的要求，使用可变气门正时技术，提高系统输出功率的应用电磁结构可变气门技术的自由活塞发电机系统。本发明的自由活塞系统是由电机永磁铁、连杆、发电机铁芯、线圈等构成的发电机和由气缸活塞、燃烧室、气缸进气门、气缸排气门等构成的发动机两部分。本发明提高系统的输出功率，提高系统的燃油经济性，避免增压作用过大损坏发动机，优化发动机系统气路，提高系统燃油经济性、动力性，减少有害物质的排放。

Description

应用电磁结构可变气门技术的自由活塞发电机系统

技术领域

本发明属于混合动力技术领域。

背景技术

混合动力汽车继承了纯电动汽车的高效率和低排放的优点，又具有石油燃料高比能量的长处，显著改善了传统内燃机汽车的排放和燃油经济性，增加了电动汽车的续驶里程，成为当今汽车产业发展的热点，混合动力系统的辅助动力源比较灵活，可以为传统的内燃机，也可以是新型的发动机。

自由活塞系统是一款新型的混合动力系统的辅助动力源，它将发动机与发电机有机的结合在一体，这种结构极大的减小了系统的重量和体积，提高了系统输出功率，此外自由活塞系统取消传统内燃机曲轴连杆机构，活塞的运动不再受曲轴的约束，这种结构消除了活塞与缸体间的侧向作用力，减小了摩擦，活塞的行程由系统的喷油量来控制，因此系统可以工作在可变压缩比的工况下，极大的提高了系统对燃料的适应性，与传统发动机相比，此系统具有结构简单、效率高、燃料范围广等特点，对于当今自由活塞领域，涡轮增压技术、缸内直喷技术都一定程度上的提高了系统燃油经济性和动力性，然而却不能满足发动机全工况高输出功率要求。

发明内容

本发明的目的是为满足发动机全工况的要求，使用可变气门正时技术，提高系统输出功率的应用电磁结构可变气门技术的自由活塞发电机系统。

本发明在自由活塞系统壳体内的连杆两端分别安装有第一气缸活塞和第二气缸活塞，电机永磁铁耦合在连杆上，在连杆上安装有活塞位置传感器；在对应电机永磁铁的自由活塞系统壳体外是发电机铁芯，发电机铁芯上缠绕着线圈；自由活塞系统壳体内部的第一气缸活塞外端是第一燃烧室，自由活塞系统壳体内部的第二气缸活塞外端是第二燃烧室；第一燃烧室的自由活塞系统壳体上有第一气缸进气口和第一气缸排气口，在第一气缸进气口连通有第一进气歧管，第一进气歧管通过第一涡轮增压器的空气压缩机与进气口连通，第一气缸排气口连通有第一排气歧管，第一排气歧管通过第一涡轮增压器的涡轮与排气口连通；第二燃烧室的自由活塞系统壳体上有第二气缸进气口和第二气缸排气口，第二气缸进气口连通有第二进气歧管，第二进气歧管通过第二涡轮增压器的空气压缩机与进气口连通，第二气缸排气口连通有第二排气歧管，第二排气歧管通过第二涡轮增压器的涡轮与排气口连通；在自由活塞系统壳体对应第一燃烧室安装有第一气缸喷油器，在自由活塞系统壳体对应第二燃烧室安装有第二气缸喷油器；在第一气缸进气口、第一气缸排气口、第二气缸进气口和第二气缸排气口处分别安装有第一气缸进气阀门、第一气缸排气阀门、第二气缸进气阀门和第二气缸排气阀门。

本发明的第一气缸进气阀门、第一气缸排气阀门、第二气缸进气阀门或第二气缸排气阀门的结构是：气缸顶部固定在自由活塞系统壳体上，并且在气缸顶部上开有气门体阀槽，气门体阀槽与气门体前端的气门体阀盖对应，气门体尾端与电磁阀底座固定连接，在气门体的立杆上套有上挡板、下挡板、气门关闭电磁线圈和气门开启电磁线圈，气门体的横杆置于气门关闭电磁线圈和气门开启电磁线圈之间，在上挡板与电磁阀底座之间的气门体的立杆上套有气门开启弹簧，在下挡板与气缸顶部之间的气门体的立杆上套有气门关闭弹簧。

本发明的第一气缸喷油器和第二气缸喷油器与电子控制单元电连接；电子控制单元（28）通过控制进排气阀门驱动电路控制第一气缸进气阀门、第一气缸排气阀门、第二气缸进气阀门、第二气缸排气阀门开闭，进排气阀门驱动电路是： V_L为低压电源；电容C4、电容C3和开关电路单元Q3并联，并与电感L1和二极管D3串联组成泵升电路U1，电容C1和电容C2的负极相连并接地，R为执行器线圈，二极管D1和D2串联在电路中；电容C1、电容C2、开关电路单元Q1、开关电路单元Q2、二极管D1、二极管D2组成驱动电压电路U2。

本发明在第一排气歧管和第二排气歧管与排气管之间分别安装有带第一废气旁通阀和第二废气旁通阀的支管。

本发明将可变气门正时技术应用于自由活塞系统，提高系统的输出功率。采用涡轮增压技术提高系统的进气质量，提高系统的燃油经济性，并且使用废气旁通阀来调节涡轮增压器的增压作用，避免增压作用过大损坏发动机，此外，采用缸内直喷等技术提高系统动力性、减小有害物质的排放。可变气门正时技术改变了传统发动机中配气相位固定不变的状态,在发动机运转工况范围内提供最佳的配气正时，提高系统输出功率。由于系统取消了曲轴机构，因此不能采用变凸轮技术实现可变气门正时，本发明采用电磁阀来控制系统进排气口的开闭，这种结构可以一定程度上减小系统泵气损失。本发明与现有技术相比，系统的进排气采用可变气门正时技术，使系统在不同工况下保持较高的输出功率，进排气门采用电磁结构，使气门的开关动作更加灵活，比传统变凸轮气门正时结构更加适应不同工况。采用涡轮增压技术提高进气密度，同时通过控制废气旁通阀来调节涡轮的增压作用，避免进气压强过高损坏发动机，可变气门正时技术和涡轮增压技术协调应用，优化发动机系统气路，提高系统燃油经济性、动力性，减少有害物质的排放。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明气缸进排气阀门结构示意图；

图3是本发明进排气阀门驱动电路图；

图4是传统自由活塞系统输出功率和带可变气门正时技术自由活塞系统的输出功率对比曲线图。

具体实施方式

本发明在自由活塞系统壳体35内的连杆5两端分别安装有第一气缸活塞3和第二气缸活塞4，电机永磁铁6耦合在连杆5上，在连杆5上安装有活塞位置传感器7；在对应电机永磁铁6的自由活塞系统壳体35外是发电机铁芯8，发电机铁芯8上缠绕着线圈9；自由活塞系统壳体35内部的第一气缸活塞3外端是第一燃烧室1，自由活塞系统壳体35内部的第二气缸活塞4外端是第二燃烧室2；第一燃烧室1的自由活塞系统壳体35上有第一气缸进气口16和第一气缸排气口18，在第一气缸进气口16连通有第一进气歧管26，第一进气歧管26通过第一涡轮增压器22的空气压缩机与进气口连通，第一气缸排气口18连通有第一排气歧管24，第一排气歧管24通过第一涡轮增压器22的涡轮与排气口连通；第二燃烧室2的自由活塞系统壳体35上有第二气缸进气口17和第二气缸排气口19，第二气缸进气口17连通有第二进气歧管27，第二进气歧管27通过第二涡轮增压器23的空气压缩机与进气口连通，第二气缸排气口19连通有第二排气歧管25，第二排气歧管25通过第二涡轮增压器23的涡轮与排气口连通；在自由活塞系统壳体35对应第一燃烧室1安装有第一气缸喷油器10，在自由活塞系统壳体35对应第二燃烧室2安装有第二气缸喷油器11；在第一气缸进气口16、第一气缸排气口18、第二气缸进气口17和第二气缸排气口19处分别安装有第一气缸进气阀门12、第一气缸排气阀门14、第二气缸进气阀门13和第二气缸排气阀门15。

本发明的第一气缸进气阀门12、第一气缸排气阀门14、第二气缸进气阀门13或第二气缸排气阀门15的结构是：气缸顶部30固定在自由活塞系统壳体35上，并且在气缸顶部30上开有气门体阀槽37，气门体阀槽37与气门体29前端的气门体阀盖36对应，气门体29尾端与电磁阀底座38固定连接，在气门体29的立杆上套有上挡板39、下挡板40、气门关闭电磁线圈34和气门开启电磁线圈33，气门体29的横杆置于气门关闭电磁线圈34和气门开启电磁线圈33之间，在上挡板39与电磁阀底座38之间的气门体29的立杆上套有气门开启弹簧31，在下挡板40与气缸顶部30之间的气门体29的立杆上套有气门关闭弹簧32。

本发明的第一气缸喷油器10和第二气缸喷油器11与电子控制单元28电连接；电子控制单元28通过控制进排气阀门驱动电路控制第一气缸进气阀门12、第一气缸排气阀门14、第二气缸进气阀门13、第二气缸排气阀门15开闭，进排气阀门驱动电路是： V_L为低压电源；电容C4、电容C3和开关电路单元Q3并联，并与电感L1和二极管D3串联组成泵升电路U1，电容C1和电容C2的负极相连并接地，R为执行器线圈，二极管D1和D2串联在电路中；电容C1、电容C2、开关电路单元Q1、开关电路单元Q2、二极管D1、二极管D2组成驱动电压电路U2。

本发明在第一排气歧管24和第二排气歧管25与排气管之间分别安装有带第一废气旁通阀20和第二废气旁通阀21的支管。

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述：

如图1~3所示，本发明包括第一燃烧室1，第二燃烧室2，第一气缸活塞3，第二气缸活塞4，两活塞之间的连杆5，直线电机永磁铁6，活塞位置传感器7，直线电机铁芯8，直线电机线圈9，第一气缸喷油器10，第二气缸喷油器11，第一气缸进气阀门12，第二气缸进气阀门13，第一气缸排气阀门14，第二气缸排气阀门15，第一气缸进气口16，第二气缸进气口17，第一气缸排气口18，第二气缸排气口19，第一废气旁通阀20，第二废气旁通阀21，第一涡轮增压器22，第二气缸涡轮增压器23，第一排气歧管24，第二排气歧管25，第一进气歧管26，第二进气歧管27，电子控制单元28。其中进排气阀门包括气门体29、气门开启弹簧31、气门关闭弹簧32、气门开启电磁线圈33和气门关闭电磁线圈34。

本发明选用两个二冲程发动机，两个发动机成对置放置，第一气缸活塞3和第二气缸活塞4之间有连杆5相连，直线电机永磁铁6耦合在连杆5上，永磁铁外面是发电机铁芯8，铁芯8上缠绕着线圈9，当电机永磁铁6运动时，线圈9中就会产生感应电流，第一燃烧室1和第二燃烧室2分别内置第一气缸喷油器10、第二气缸喷油器11、第一气缸进气阀门12、第二气缸进气阀门13、第一气缸排气阀门14、第二气缸排气阀门15。在系统的气路中接入第一废气旁通阀20、第二废气旁通阀21、第一涡轮增压器22和第二涡轮增压器23。

第一燃烧室1、第二燃烧室2、第一气缸活塞3、第二气缸活塞4、第一气缸进气阀门12、第二气缸进气阀门13、第一气缸排气阀门14、第二气缸排气阀门15、第一气缸喷油器10、第二气缸喷油器11、第一废气旁通阀20、第二废气旁通阀21、第一涡轮增压器22和第二涡轮增压器23构成系统发动机部分。发电机永磁铁6、连杆5、铁芯8和线圈9构成系统发电机部分。活塞位置传感器7和系统电子控制单元28构成系统电子控制部分。为避免扫气过程中可燃混合气的损失，本发明使用缸内直喷技术。为提高系统的效率，本发明使用涡轮增压技术，第一排气歧管24相应位置接入第一涡轮增压器22，第二排气歧管25相应位置接入第二涡轮增压器23，系统排出废气时，废气带动涡轮旋转，涡轮带动空气压缩机增大进入气缸内气体的压强，为控制涡轮增压器的增压作用，避免因进气压力过大损坏发动机，排气歧管相应位置装配废气旁通阀，当进气压力过高时，废气旁通阀开启，从而减少增压作用。为满足系统全工况高效率的要求，本发明使用可变气门正时技术，第一燃烧室1和第二燃烧室2顶部布置电磁结构的进气阀门和排气阀门。第一气缸进气阀门12、第二气缸进气阀门13、第一气缸排气阀门14和第二气缸排气阀门15的开关动作受电子控制单元28的控制。布置在连杆5上的活塞位置传感器7将活塞的位置信息传递给电子控制单元28，电子控制单元28根据活塞位置信息，合理控制各个气门的开闭的同时，控制第一喷油器10、第二喷油器11在适当的时候向燃烧室中喷入适当的燃油。

进气阀门和排气阀门的精确动作是保证系统正常运行的关键，当需要进排气阀门开启时，气门开启电磁线圈33通电，产生电磁力，此电磁力和气门开启弹簧31共同作用，使气门体29开启，当需要进排气阀门关闭时，气门关闭电磁线圈34通电，产生电磁力，此电磁力和气门关闭弹簧32共同作用，使气门关闭。其中，可靠的电磁结构驱动电路是气门精确动作的关键，电磁机构驱动电路U1是一个泵升电路，通过合理控制Q3的通断，可将低压电VL转化为高压电VH，驱动电压电路U2有两路电压输入，分别为低压电源本身电压VL和泵升电路U1输出的电压VH，通过合理的控制Q1和Q2，可以在执行器线圈R处产生变化的电压，具体如下：

Q1阻断，Q2导通时，执行器线圈R两端的电压为VL；

Q1导通，Q2导通时，执行器线圈R两端的电压为VL+VH；

Q1阻断，Q2阻断时，执行器线圈R两端的电压为VL- VH；

Q1导通，Q2阻断时，执行器线圈R两端的电压为零。

当第一气缸活塞3位于第一燃烧室1上止点附近时，第一气缸进气阀12和第一气缸排气阀14关闭，第一燃烧室1内可燃混合气体点火膨胀，推动第一气缸活塞3和第二气缸活塞4带动连杆5向右运动，第一燃烧室1开始进行膨胀冲程，在两活塞向右运动的过程中，第一气缸排气阀14在第一气缸活塞3运行至某一特定位置时打开，第一燃烧室1膨胀冲程结束，排气冲程开始，当第一气缸活塞3继续向右运动至另一特定位置时，第一气缸进气阀12开启，第一燃烧室1进行进气冲程，此时第一燃烧室1进气冲程和排气冲程同时进行。在第一燃烧室1开始进行膨胀冲程时，第二气缸进气阀13和第二气缸排气阀15开启，第二燃烧室2进行进气冲程和排气冲程，当第二气缸活塞4向右运动至某一特定位置时，第二气缸进气阀13关闭，第二燃烧室2进气冲程结束，当第二气缸活塞4继续向右运动至另一特定位置时，第二气缸排气阀15关闭，第二燃烧室2排气冲程结束，压缩冲程开始。活塞继续向右运动，当第二气缸活塞4位于第二燃烧室2上止点附近时，电子控制单元28控制第二喷油器11向第二燃烧室2中喷入适当的燃油，燃油和空气充分混合后，火花塞点火点燃混合气，混合气燃烧膨胀推动活塞向左运动。由此活塞往复运动，同时耦合在连杆5上的发电机永磁铁6也随活塞往复运动，这样，发电机线圈9中的磁场就会不断变化，根据电磁感应原理，线圈中就会产生电流。

系统输出功率对比曲线说明：（图4）

系统的喷油量需求根据系统工作环境实时的变化，对于没有装配可变气门正时技术的自由活塞系统，进气阀门12、13和排气阀门14、15开启和关闭的时刻固定不变，随着系统喷油量的变化，其输出功率如图4实线所示，对于装配可变气门正时技术的自由活塞系统，进气阀门12、13和排气阀门14、15根据系统实际的工作情况实时合理的改变开闭时刻，使系统工作在最佳的配气工况状态下，随着系统喷油量的变化，其输出功率如图4虚线所示，可以看出，带可变气门正时技术系统的输出功率高于传统系统输出功率。

Claims

1.一种应用电磁结构可变气门技术的自由活塞发电机系统，其特征在于：在自由活塞系统壳体（35）内的连杆（5）两端分别安装有第一气缸活塞（3）和第二气缸活塞（4），电机永磁铁（6）耦合在连杆（5）上，在连杆（5）上安装有活塞位置传感器（7）；在对应电机永磁铁（6）的自由活塞系统壳体（35）外是发电机铁芯（8），发电机铁芯（8）上缠绕着线圈（9）；自由活塞系统壳体（35）内部的第一气缸活塞（3）外端是第一燃烧室（1），自由活塞系统壳体（35）内部的第二气缸活塞（4）外端是第二燃烧室（2）；第一燃烧室（1）的自由活塞系统壳体（35）上有第一气缸进气口（16）和第一气缸排气口（18），在第一气缸进气口（16）连通有第一进气歧管（26），第一进气歧管（26）通过第一涡轮增压器（22）的空气压缩机与进气口连通，第一气缸排气口（18）连通有第一排气歧管（24），第一排气歧管（24）通过第一涡轮增压器（22）的涡轮与排气口连通；第二燃烧室（2）的自由活塞系统壳体（35）上有第二气缸进气口（17）和第二气缸排气口（19），第二气缸进气口（17）连通有第二进气歧管（27），第二进气歧管（27）通过第二涡轮增压器（23）的空气压缩机与进气口连通，第二气缸排气口（19）连通有第二排气歧管（25），第二排气歧管（25）通过第二涡轮增压器（23）的涡轮与排气口连通；在自由活塞系统壳体（35）对应第一燃烧室（1）安装有第一气缸喷油器（10），在自由活塞系统壳体（35）对应第二燃烧室（2）安装有第二气缸喷油器（11）；在第一气缸进气口（16）、第一气缸排气口（18）、第二气缸进气口（17）和第二气缸排气口（19）处分别安装有第一气缸进气阀门（12）、第一气缸排气阀门（14）、第二气缸进气阀门（13）和第二气缸排气阀门（15）。

2.根据权利要求1所述的应用电磁结构可变气门技术的自由活塞发电机系统，其特征在于：第一气缸进气阀门（12）、第一气缸排气阀门（14）、第二气缸进气阀门（13）或第二气缸排气阀门（15）的结构是：气缸顶部（30）固定在自由活塞系统壳体（35）上，并且在气缸顶部（30）上开有气门体阀槽（37），气门体阀槽（37）与气门体（29）前端的气门体阀盖（36）对应，气门体（29）尾端与电磁阀底座（38）固定连接，在气门体（29）的立杆上套有上挡板（39）、下挡板（40）、气门关闭电磁线圈（34）和气门开启电磁线圈（33），气门体（29）的横杆置于气门关闭电磁线圈（34）和气门开启电磁线圈（33）之间，在上挡板（39）与电磁阀底座（38）之间的气门体（29）的立杆上套有气门开启弹簧（31），在下挡板（40）与气缸顶部（30）之间的气门体（29）的立杆上套有气门关闭弹簧（32）。

3.根据权利要求1所述的应用电磁结构可变气门技术的自由活塞发电机系统，其特征在于：第一气缸喷油器（10）和第二气缸喷油器（11）与电子控制单元（28）电连接；电子控制单元（28）通过控制进排气阀门驱动电路控制第一气缸进气阀门（12）、第一气缸排气阀门（14）、第二气缸进气阀门（13）、第二气缸排气阀门（15）开闭，进排气阀门驱动电路是： V_L为低压电源；电容C4、电容C3和开关电路单元Q3并联，并与电感L1和二极管D3串联组成泵升电路U1，电容C1和电容C2的负极相连并接地，R为执行器线圈，二极管D1和D2串联在电路中；电容C1、电容C2、开关电路单元Q1、开关电路单元Q2、二极管D1、二极管D2组成驱动电压电路U2。

4.根据权利要求1所述的应用电磁结构可变气门技术的自由活塞发电机系统，其特征在于：在第一排气歧管（24）和第二排气歧管（25）与排气管之间分别安装有带第一废气旁通阀（20）和第二废气旁通阀（21）的支管。