CN108590913B - 一种自发电式发动机飞轮装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自发电式发动机飞轮装置，属于汽车发动机技术领域。本发明旨在利用飞轮上的线圈与飞轮旁的电磁铁组成发电系统；驾驶员刹车时，电磁铁通电产生磁场，转动的飞轮带动线圈在磁场里切割磁感线发电，同时利用磁场对线圈的阻力对飞轮起到一定的减速作用；当汽车启动时，电磁铁和线圈同时通电产生两个磁场，利用两磁场间的磁力使线圈参与飞轮启动过程，减轻启动电机的负荷。该种飞轮发电过程产生的电能通过无线输电装置输送到超级电容内储存，超级电容提供汽车启动时线圈工作时所需电能；踏板力计解决检测刹车力度的问题。该种发动机飞轮能够降低自身及启动电机的损耗，利用飞轮多余的动能进行发电，优于传统的发动机飞轮。
Description
技术领域
本发明涉及一种自发电式发动机飞轮装置，属于汽车发动机技术领域。
背景技术
飞轮是发动机的重要组成部分，它具有启动发动机、储存发动机做工冲程外的能量和惯性、传递动能等重要作用，因此，飞轮的工作状况对发动机能否正常工作有着决定性的作用。汽车启动时，飞轮由启动电机带动，从而带动发电机曲轴旋转，使发动机起动；在此过程中，发动机各个缸内的活塞均由静止状态到运动状态.，再加上连杆和曲轴等部件部件的自重，飞轮和起动电机在发动机启动时都承载着巨大的荷载，尤其对于长时间未启动过的发动机，飞轮和启动电机往往因为超荷载工作而受到损伤甚至无法工作。另外，在汽车行驶时，驾驶员往往要进行多次的刹车操作，汽车在刹车减速的过程中发动机的转速和车速并不是同步变化的，传动系统与发动机、飞轮之间就存在一定的“速度差”，特别是在高速时采取刹车操作，往往需要配合使用离合器，当刹车结束后松开离合器踏板，汽车速度更是与飞轮存在“速度差”，久而久之，飞轮会因为“速度差”而受损伤甚至影响发动机正常工作。所以，设计一种能够在发动机启动时减轻启动电机和飞轮自身负荷、在刹车时能减少汽车与发动机（飞轮）之间的“速度差”对降低飞轮和启动电机的损耗以及提高发动机整体性能扽方面具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是一种自发电式发动机飞轮装置，飞轮上的线圈与飞轮旁的电磁铁组成发电系统；驾驶员刹车时，电磁铁通电产生磁场，转动的飞轮带动线圈在磁场里切割磁感线发电，同时利用磁场对线圈的阻力对飞轮起到一定的减速作用；当汽车启动时，电磁铁和线圈同时通电产生两个磁场，利用两磁场间的磁力使线圈参与飞轮启动过程，减轻启动电机的负荷。该种飞轮发电过程产生的电能通过无线输电装置输送到超级电容内储存，超级电容提供汽车启动时线圈工作时所需电能；踏板力计解决检测刹车力度的问题。该种发动机飞轮能够降低自身及启动电机的损耗，利用飞轮多余的动能进行发电，优于传统的发动机飞轮。
本发明采用的技术方案是：一种自发电式发动机飞轮装置，包括飞轮、线圈、超级电容、电磁铁、踏板力计、飞轮端单片机、磁铁端单片机、车载电池、正反转传感器、无线输电装置；磁铁端单片机与车载电池、电磁铁、踏板力计连接；超级电容和正反转传感器与飞轮端单片机连接；超级电容与电池端无线输电装置连接；线圈与线圈端无线输电装置连接；电磁铁和踏板力计均与车载电池连接；汽车启动时，磁铁端单片机在驾驶员用钥匙启动发动机的同时将车载电池和电磁铁接通，电磁铁产生磁场，同时，安装于飞轮上的飞轮端单片机接收到正反转传感器检测到的飞轮转动信号后，控制飞轮上的电池端无线输电装置向线圈端无线输电装置输送电能，线圈通电后生成磁场，固定的电磁铁与线圈之间存在的磁力与发动机启动电机共同启动发动机；驾驶员踩踏刹车踏板准备刹车时，踏板力计检测到驾驶员刹车力度并将检测结果反馈给磁铁端单片机，磁铁端单片机根据刹车力度给电磁铁通相应强度的电流使其产生磁场，转动的飞轮带着线圈在磁场中切割磁感线发电，同时利用磁场对线圈的阻力对飞轮起到一定的减速作用。
进一步的，飞轮的齿轮以下的外沿部分有均匀分布的通孔，用于缠绕线圈，缠绕的线圈不凸现，也就是在通孔外的线圈是嵌在飞轮外表面，不影响飞轮的整体形状。
进一步的，超级电容，安装于飞轮外侧，总体形状呈圆柱体，超级电容只是一部分嵌入飞轮；超级电容用于储存刹车时线圈产生的电能和在发动机启动时向线圈供电；超级电容具有循环使用使用寿命长、电流放电能力超强、能量转换效率高、充放电线路简单等优良性能。
进一步的，电磁铁用支架固定在发动机上，位于飞轮侧面，与飞轮平行，与飞轮的距离保证线圈能够最大效率的切割电磁铁所产生的磁场中的磁感线；电磁铁N极与S极是交替排列安装，即电磁铁是由多个电磁铁的N极与S极交替排列组成；车载电池与电磁铁连接，提供电磁铁工作时的电能。
进一步的，踏板力计，安装于汽车刹车踏板处，用于检测驾驶员踩踏刹车踏板时的力度，以检测到的力度表示驾驶员刹车程度，并将检测结果反馈给磁铁端单片机。
进一步的，正反转传感器，采用微型式正反转传感器，安装于飞轮的外侧，其作用是检测发动机启动信号，即检测启动电机刚刚带动飞轮转动时的状态，当正反转传感器检测到飞轮转动时立即反馈给安装于飞轮上的飞轮端单片机；正反转传感器工作时所需电能由超级电容提供。
进一步的，无线输电装置分为电池端无线输电装置和线圈端无线输电装置，与线圈连接的是线圈端无线输电装置，与超级电容连接的是电池端无线输电装置；一个完整的无线输电装置由电能输送装置和电能接收装置两部分构成，分别用于输送和接收电能；当线圈产生电能时，线圈端无线输电装置的电能输送装置向电池端无线输电装置的电能接收装置输送电能并储存在超级电容中；当飞轮端单片机接收到正反转传感器反馈的信息后控制电池端无线输电装置向线圈端无线输电装置输电，线圈端无线输电装置的电能接收装置接收电能后通向线圈；无线输电装置中的电路部分由整流电路逆变器电路、谐振电路组成。
本发明的工作原理是：嵌在飞轮外沿的线圈与固定于飞轮一侧的电磁铁组成一套发电系统；车辆处于刹车状态时，电磁铁通电产生磁场，嵌有线圈的飞轮在电磁铁产生的磁场里转动，形成线圈切割磁感线，此时处于发电状态，同时利用发电时磁场对线圈的阻力对飞轮起到一定的减速作用；当汽车发动时，电磁铁和线圈同时通电，形成两个磁场，利用磁场产生的磁力使线圈参与飞轮启动的过程，减轻启动电机的负荷。该种飞轮发电过程产生的电能储存于安装在飞轮外侧中心的超级电容中，此超级电容提供汽车启动时线圈产生磁场所需电能内的电能；超级电容与线圈之间通过无线输电装置传输电能；在汽车刹车踏板处安装踏板力计，解决检测刹车力度的问题。该种发动机飞轮能够在汽车刹车时辅助汽车减速，并利用飞轮多余的动能进行发电；在汽车启动时利用磁场力辅助汽车启动。
本发明的有益效果是：
1、在汽车启动时，同时通电的线圈和电磁铁产生磁场，两者之间由于不同的磁场产生一种“磁场力”能够配合启动电机共同启动发动机，减轻了飞轮和电机的负荷；2、刹车时电磁铁通电产生磁场，线圈在磁场内切割磁感线发电，线圈在磁场中切割磁感线时收到的的阻力一定程度上迫使飞轮减速，进一步缩小汽车时速与发动机之间的“速度差”；3、驾驶员采取刹车操作时，线圈利用飞轮多余的动能切割磁感线进行发电，做到变废为宝；4、飞轮在发动机启动时发挥作用所用的一部分电能来自于刹车时线圈切割磁感线所产生的电能，减少了车载电池电能的消之间的“速度差”能够进一步保护飞轮和启动电机，也能提高发动机的综合性能。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的内部系统电路图；
图3为本发明的外部系统电路图。
图中各标号为：1-飞轮；2-线圈；3-超级电容；4-电磁铁；5-踏板力计；601-飞轮端单片机；602-磁铁端单片机；7-车载电池；8-正反转传感器；9-无线输电装置。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例1：如图1-3所示，一种自发电式发动机飞轮装置，包括飞轮1、线圈2、超级电容3、电磁铁4、踏板力计5、飞轮端单片机601、磁铁端单片机602、车载电池7、正反转传感器8、无线输电装置9；磁铁端单片机602与车载电池7、电磁铁4、踏板力计5连接；超级电容3和正反转传感器8与飞轮端单片机601连接；超级电容3与电池端无线输电装置连接；线圈2与线圈端无线输电装置连接；电磁铁4和踏板力计5均与车载电池7连接；汽车启动时，磁铁端单片机602在驾驶员用钥匙启动发动机的同时将车载电池7和电磁铁4接通，电磁铁4产生磁场，同时，安装于飞轮1上的飞轮端单片机601接收到正反转传感器8检测到的飞轮转动信号后，控制飞轮1上的电池端无线输电装置向线圈端无线输电装置输送电能，线圈2通电后生成磁场，固定的电磁铁4与线圈2之间存在的磁力与发动机启动电机共同启动发动机；驾驶员踩踏刹车踏板准备刹车时，踏板力计5检测到驾驶员刹车力度并将检测结果反馈给磁铁端单片机602，磁铁端单片机602根据刹车力度给电磁铁4通相应强度的电流使其产生磁场，转动的飞轮1带着线圈2在磁场中切割磁感线发电，同时利用磁场对线圈2的阻力对飞轮1起到一定的减速作用。
飞轮1的齿轮以下的外沿部分有均匀分布的通孔，用于缠绕线圈2，缠绕的线圈2不凸现，也就是在通孔外的线圈2是嵌在飞轮外表面，不影响飞轮1的整体形状。
超级电容3，安装于飞轮1外侧，总体形状呈圆柱体，超级电容3只是一部分嵌入飞轮；超级电容3用于储存刹车时线圈2产生的电能和在发动机启动时向线圈2供电；超级电容3具有循环使用使用寿命长、电流放电能力超强、能量转换效率高、充放电线路简单等优良性能。
电磁铁4用支架固定在发动机上，位于飞轮侧面，与飞轮1平行，与飞轮1的距离保证线圈2能够最大效率的切割电磁铁所产生的磁场中的磁感线；电磁铁4N极与S极是交替排列安装，即电磁铁4是由多个电磁铁的N极与S极交替排列组成；车载电池7与电磁铁4连接，提供电磁铁4工作时的电能。
踏板力计5，安装于汽车刹车踏板处，用于检测驾驶员踩踏刹车踏板时的力度，以检测到的力度表示驾驶员刹车程度，并将检测结果反馈给磁铁端单片机602。
正反转传感器8，采用微型式正反转传感器，安装于飞轮1的外侧，其作用是检测发动机启动信号，即检测启动电机刚刚带动飞轮1转动时的状态，当正反转传感器8检测到飞轮转动时立即反馈给安装于飞轮1上的飞轮端单片机601；正反转传感器8工作时所需电能由超级电容3提供。
无线输电装置9分为电池端无线输电装置和线圈端无线输电装置，与线圈2连接的是线圈端无线输电装置，与超级电容3连接的是电池端无线输电装置；一个完整的无线输电装置9由电能输送装置和电能接收装置两部分构成，分别用于输送和接收电能；当线圈2产生电能时，线圈端无线输电装置的电能输送装置向电池端无线输电装置的电能接收装置输送电能并储存在超级电容3中；当飞轮端单片机601接收到正反转传感器8反馈的信息后控制电池端无线输电装置向线圈端无线输电装置输电，线圈端无线输电装置的电能接收装置接收电能后通向线圈2；无线输电装置9中的电路部分由整流电路逆变器电路、谐振电路组成。
如图2所示，在该种飞轮的内部系统电路图中A为线圈，Q为正反转传感器8；如图3所示，外部系统电路图中压力传感器为电阻应变压力传感器，T为电磁铁。在内部和外部系统电路图中均包含时钟电路、复位电路和串口通信电路，且飞轮端单片机601、磁铁端单片机602的型号均为AT89C51。
时钟电路：晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号，通常一个系统公用一个晶振，以使各部分保持同步；两个谐振电容大小取决于晶振的负载电容值，作用是滤除干扰。
为了保障飞轮端单片机601、磁铁端单片机602运行，给飞轮端单片机601、磁铁端单片机602增加复位电路。复位电路有以下功能：1、上电复位可以对内部存储器进行复位。2、同步内外的时钟信号。3、电压波动或不稳定时，复位电路给电路延时直到电路稳定。4、当程序出错时通过复位电路使单片机恢复正常运行状态。
串口通信电路常用于计算机获取远程采集的数据。MAX232是电平转换接口，COMPIM即标准的电脑RS232接口。飞轮端单片机601、磁铁端单片机602发出的信号经MAX232转换电平之后通过RS232接口传输给电脑。内外系统的串口通信可实现两单片机的数据交换。
压力传感器由弹性元件和电阻应变片组成。当弹性元件受到压力时，其表面发生应变，粘贴在弹性元件表面得电阻应变片的电阻值将随着弹性元件的应变面而相应变化，通过测量电阻应变片的阻值变化，可以用来检测压力大小。
过程描述：刹车时内部系统的继电器断开，磁感线圈A在电磁铁的磁场内转动发电，通过感应线圈将电能传输入蓄电池内。发动时，外部系统的电磁铁带电，内部系统的蓄电池通过感应线圈对磁感线圈A放电，此时线圈A产生磁场与电磁铁磁场相斥，促进汽车发动。飞轮装有正反转传感器Q，当检测到飞轮转动时控制继电闭合，蓄电池给线圈A供电。飞轮外部装有压力传感器，压力越大则电磁铁带电量大，产生磁场越强。
一种自发电式发动机飞轮装置，其控制方法包括以下步骤：
步骤1：汽车行驶过程中，驾驶员踩踏刹车踏板刹车减速时，安装于刹车踏板处的踏板力计5检测出驾驶员踩踏的力度，以此作为刹车程度的体现，踏板力计5实时将检测结果反馈给磁铁端单片机602。
步骤2：磁铁端单片机602接收到踏板力计5的结果后根据驾驶员的刹车程度控制车载电池7给电磁铁4通与刹车程度相适应的电能，使电磁铁4产生相应强度的磁场。
步骤3：缠绕在依然转动的飞轮1上的线圈2在电磁铁4产生的磁场中做切割磁感线运动产生电能，电能输送到飞轮1上的超级电容3中储存；同时，线圈2由于受到做切割磁感线时的阻力迫使飞轮1做相应的减速，缩小与汽车时速之间存在的“速度差”。
步骤4：驾驶员用钥匙启动汽车。
步骤5：启动电机刚开始带动飞轮1转动时，安装于飞轮1上的正反转传感器8检测到飞轮1转动后立即给予飞轮端单片机601信号。
步骤6：安装于飞轮1上的飞轮端单片机601接收到正反转传感器8的反馈信号后控制电池端无线输电装置将超级电容3里的电能输送到线圈2；安装于电磁铁4和车载电池7之间的磁铁端单片机602检测到驾驶员用钥匙打火的信号后控制车载电池7给电磁铁4通一定强度的电流。
步骤7：线圈2和电磁铁4在启动电机工作的同时通电后产生磁场，线圈2和电磁铁4之间就产生“磁力”，电磁铁4固定不动，“磁力”迫使线圈2使飞轮1向启动方向“转动”，这样就由启动电机和线圈2共同驱动飞轮1。
步骤1、步骤2、步骤3是刹车时该种飞轮1的连续过程；
步骤4、步骤5、步骤6、步骤7是汽车启动时该种飞轮1的连续过程。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和保护范围进行限定，在不脱离本发明构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种自发电式发动机飞轮装置，其特征在于：包括飞轮（1）、线圈（2）、超级电容（3）、电磁铁（4）、踏板力计（5）、飞轮端单片机（601）、磁铁端单片机（602）、车载电池（7）、正反转传感器（8）、无线输电装置（9）；无线输电装置（9）分为电池端无线输电装置和线圈端无线输电装置，磁铁端单片机（602）与车载电池（7）、电磁铁（4）、踏板力计（5）连接；超级电容（3）和正反转传感器（8）均与飞轮端单片机（601）连接；超级电容（3）与电池端无线输电装置连接；线圈（2）与线圈端无线输电装置连接；电磁铁（4）和踏板力计（5）均与车载电池（7）连接；汽车启动时，磁铁端单片机（602）在驾驶员用钥匙启动发动机的同时将车载电池（7）和电磁铁（4）接通，电磁铁（4）产生磁场，同时，安装于飞轮（1）上的飞轮端单片机（601）接收到正反转传感器（8）检测到的飞轮转动信号后，控制飞轮（1）上的电池端无线输电装置向线圈端无线输电装置输送电能，线圈（2）通电后生成磁场，固定的电磁铁（4）与线圈（2）之间存在的磁力与发动机启动电机共同启动发动机；驾驶员踩踏刹车踏板准备刹车时，踏板力计（5）检测到驾驶员刹车力度并将检测结果反馈给磁铁端单片机（602），磁铁端单片机（602）根据刹车力度给电磁铁（4）通相应强度的电流使其产生磁场，转动的飞轮（1）带着线圈（2）在磁场中切割磁感线发电，同时利用磁场对线圈（2）的阻力对飞轮（1）起到一定的减速作用。
2.根据权利要求1所述的一种自发电式发动机飞轮装置，其特征在于：所述的飞轮（1）的齿轮以下的外沿部分有均匀分布的通孔，用于缠绕线圈（2），缠绕在通孔外的线圈（2）嵌在飞轮（1）外表面，不凸现出飞轮（1）外部。
3.根据权利要求1所述的一种自发电式发动机飞轮装置，其特征在于：所述的超级电容（3）安装于飞轮（1）外侧，总体形状呈圆柱体，超级电容（3）一部分嵌入飞轮（1）；超级电容（3）用于储存刹车时线圈（2）产生的电能和在发动机启动时向线圈（2）供电。
4.根据权利要求1所述的一种自发电式发动机飞轮装置，其特征在于：所述的电磁铁（4）通过支架固定在发动机上，位于飞轮（1）侧面，与飞轮（1）平行，电磁铁（4）与飞轮（1）的距离保证线圈（2）能够最大效率的切割电磁铁所产生的磁场中的磁感线；电磁铁（4）由多个交替排列的N极与S极组成；车载电池（7）与电磁铁（4）连接，用于提供电磁铁（4）工作时的电能。
5.根据权利要求1所述的一种自发电式发动机飞轮装置，其特征在于：踏板力计（5）安装于汽车刹车踏板处，用于检测驾驶员踩踏刹车踏板时的力度，以检测到的力度表示驾驶员刹车程度，并将检测结果反馈给磁铁端单片机（602）。
6.根据权利要求1所述的一种自发电式发动机飞轮装置，其特征在于：正反转传感器（8）采用微型式正反转传感器，安装于飞轮（1）的外侧，用于检测发动机启动信号，当正反转传感器（8）检测到飞轮（1）转动时立即反馈给安装于飞轮（1）上的飞轮端单片机（601）；正反转传感器（8）工作时所需电能由超级电容（3）提供。
7.根据权利要求1所述的一种自发电式发动机飞轮装置，其特征在于：一个完整的无线输电装置（9）由电能输送装置和电能接收装置两部分构成，分别用于输送和接收电能；当线圈（2）产生电能时，线圈端无线输电装置的电能输送装置向电池端无线输电装置的电能接收装置输送电能并储存在超级电容（3）中；当飞轮端单片机（601）接收到正反转传感器（8）反馈的信息后控制电池端无线输电装置向线圈端无线输电装置输电，线圈端无线输电装置的电能接收装置接收电能后通向线圈（2）；无线输电装置（9）中的电路部分由整流电路逆变器电路、谐振电路组成。
8.根据权利要求1所述的一种自发电式发动机飞轮装置，其特征在于：所述的飞轮端单片机（601）、磁铁端单片机（602）的型号均为AT89C51。
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