CN111884537B - 一种用于内燃机连杆活塞遥测装置的摩擦纳米发电机 - Google Patents

一种用于内燃机连杆活塞遥测装置的摩擦纳米发电机 Download PDF

Info

Publication number
CN111884537B
CN111884537B CN202010700047.4A CN202010700047A CN111884537B CN 111884537 B CN111884537 B CN 111884537B CN 202010700047 A CN202010700047 A CN 202010700047A CN 111884537 B CN111884537 B CN 111884537B
Authority
CN
China
Prior art keywords
friction layer
connecting rod
combustion engine
internal combustion
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010700047.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111884537A (zh
Inventor
覃文洁
刘勤
向建华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Institute of Technology BIT
Original Assignee
Beijing Institute of Technology BIT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Institute of Technology BIT filed Critical Beijing Institute of Technology BIT
Priority to CN202010700047.4A priority Critical patent/CN111884537B/zh
Publication of CN111884537A publication Critical patent/CN111884537A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111884537B publication Critical patent/CN111884537B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/04—Friction generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/32—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from a charging set comprising a non-electric prime mover rotating at constant speed

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于内燃机连杆活塞遥测装置的摩擦纳米发电机，包括：基底，正摩擦层，振动物块，负摩擦层，整流桥和电池；基底为凹槽状结构，其内底面作为正摩擦层的支撑面，开口端与连杆的杆身侧面的工字型凹槽对接为安装空腔；正摩擦层安装在安装空腔内基底所在的内壁上，作为一个接触电极；振动物块位于连杆杆身侧面的工字形凹槽中，并正对基底中心，分别与基底侧壁和连杆杆身侧面的工字形凹槽内底面柔性连接；振动物块与正摩擦层相对的一面铺有负摩擦层，负摩擦层背面镀作为另一接触电极的金属膜；从金属膜和正摩擦层中引出两根导线，经整流桥后接入电池，电池用于为遥测装置13供电；其中，正摩擦层和负摩擦层的表面均刻蚀有纳米结构。

Description

一种用于内燃机连杆活塞遥测装置的摩擦纳米发电机
技术领域
本发明涉及摩擦纳米发电机技术领域，具体涉及一种用于内燃机连杆活塞遥测装置的摩擦纳米发电机。
背景技术
内燃机曲柄连杆机构中的活塞和连杆承载着较高的机械负荷和热负荷，容易导致零件的疲劳磨损等故障，影响其使用寿命及内燃机性能，实时监测其应力及温度是十分必要的。目前，国内外采用的实时测量方法主要有引线式、互感式及遥测式。引线传输方式将信号由导线传出，然而由于活塞连杆的高速运动，导线的存在容易干扰机构的工作；互感式传输需要使用的电磁信号很容易被零件的运动所干扰；遥测式具有既可以保证实时测量又不会受到机构运动影响的特点，因此越来越被广泛采用。
然而由于传感器本身以及无线数据的传输都需要电能，受工作区域大小的限制，电池的使用寿命往往不足以满足长时间监测的需求，因此需要小型采电装置为传感器充电。摩擦纳米发电机(TENG)是一种能够将机械能转换为电能的装置，通过两种不同材料的接触或摩擦产生电荷并发生电荷的流动，从而产生电流输出；理论上，通过采用摩擦纳米发电机收集连杆运动产生的机械能，并将其转化为电能，就可解决内燃机连杆或活塞的温度、应力等实时遥测系统的电池充电问题，从而实现遥测系统的自充电。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于内燃机连杆活塞遥测装置的摩擦纳米发电机，能够收集连杆运动机械能，为实时监测内燃机连杆活塞的温度、应力等物理量的遥测装置提供电能，从而实现遥测装置的自充电。
本发明的技术方案为：一种用于内燃机连杆活塞遥测装置的摩擦纳米发电机，包括：基底，正摩擦层，振动物块，负摩擦层，整流桥和电池；
所述基底为凹槽状结构，其内底面作为正摩擦层的支撑面，其开口端与连杆的杆身侧面的工字型凹槽对接形成安装空腔；所述正摩擦层安装在安装空腔内基底所在的内壁上，作为一个接触电极，其中，正摩擦层采用金属薄膜材料；
所述振动物块位于连杆杆身侧面的工字形凹槽中，并正对基底的中心，分别与基底的侧壁和连杆杆身侧面的工字形凹槽内底面柔性连接；所述振动物块与正摩擦层相对的一面铺有负摩擦层，负摩擦层背面镀有金属膜，金属膜作为另一个接触电极；从负摩擦层背面的金属膜和正摩擦层中引出两根导线，经整流桥后接入电池，电池用于为遥测装置13供电；其中，正摩擦层和负摩擦层的表面均刻蚀有纳米结构。
优选地，所述基底采用亚克力板。
优选地，所述正摩擦层的材料采用铝或钢或铜。
优选地，所述负摩擦层的材料采用聚四氟乙烯或聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯，或以上材料中两种以上的组合。
优选地，所述振动物块通过两根弹簧Ⅰ与基底内侧壁横向连接，通过弹簧Ⅱ与连杆杆身侧面的工字形凹槽底面连接，通过两根弹簧Ⅲ与基底内侧壁纵向连接。
优选地，所述弹簧Ⅲ的刚度为k，所述弹簧Ⅰ和弹簧Ⅱ的刚度均大于5k。
优选地，使振动物块的频率趋近连杆的运动频率。
优选地，所述正摩擦层和负摩擦层的有效接触面积设置为设定值。
优选地，所述振动物块设置为矩形薄板。
优选地，所述振动物块采用设定材料。
有益效果：
本发明的摩擦纳米发电机结构设计合理，制作简单，成本低廉；能够通过收集由连杆平面运动带动振动物块振动产生的能量，并将其转化为电能，可为内燃机连杆活塞的遥测装置实时采集和传输数据持续提供电能。
附图说明
图1是本发明的摩擦纳米发电机在内燃机连杆上的安装示意图。
图2是图1的A-A局部剖视图。
图3是本发明的摩擦纳米发电机的振动系统示意图。
图4是本发明的摩擦纳米发电机的工作原理图。
其中，1-锂离子电池，2-整流桥，3-基底，4-弹簧Ⅰ，5-负摩擦层，6-金属膜，7-弹簧Ⅱ，8-振动物块，9-导线，10-正摩擦层，11-弹簧Ⅲ，12-连杆，13-遥测装置。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供了一种用于内燃机连杆活塞遥测装置的摩擦纳米发电机，能够收集连杆运动机械能，为实时监测内燃机连杆活塞的温度、应力等物理量的遥测装置提供电能，从而实现遥测装置的自充电。
如图1至图4所示，该摩擦纳米发电机包括：基底3，正摩擦层10，振动物块8，负摩擦层5，作为负摩擦层电极的金属膜6，导线9，整流桥2和锂离子电池1；
该摩擦纳米发电机的连接关系为：基底3采用亚克力板，其为凹槽状结构，其内底面作为正摩擦层10的支撑面，基底3开口端与连杆12的杆身侧面的工字型凹槽对接形成安装空腔，二者对接处粘接或用螺钉固定；正摩擦层10安装在安装空腔内基底3所在的内壁上，作为一个接触电极，其中，正摩擦层10采用金属薄膜材料；
振动物块8位于连杆12杆身侧面的工字形凹槽中，并正对基底3的中心，分别与基底3的侧壁和连杆12杆身侧面的工字形凹槽内底面柔性连接；振动物块8与正摩擦层10相对的一面铺有一层负摩擦层5，负摩擦层5背面(靠近振动物块8的一面)镀有金属膜6(作为另一个接触电极)；从负摩擦层5背面的金属膜6和正摩擦层10中引出两根导线9，经整流桥2后接入锂离子电池1，锂离子电池1用于为遥测装置13供电；其中，正摩擦层10和负摩擦层5的表面均刻蚀有纳米结构(如纳米孔、纳米线等)，以增强摩擦起电效应的强度。
进一步地，正摩擦层10的材料可选但不限于铝、钢、铜等金属薄膜材料。
进一步地，负摩擦层5的材料可选但不限于聚四氟乙烯(PTFE)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(Kapton)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等薄膜材料，或者以上材料中两种以上的组合。
进一步地，振动物块8通过两根弹簧Ⅰ4与基底3内侧壁横向连接(基底3横向为垂直于连杆12轴向的方向)，通过弹簧Ⅱ7与连杆12杆身侧面的工字形凹槽底面连接，通过两根弹簧Ⅲ11与基底3内侧壁纵向连接(基底3的纵向为沿着连杆12的轴向方向)。
进一步地，弹簧Ⅰ4和弹簧Ⅱ7的刚度远大于弹簧Ⅲ11的刚度，有效保证振动物块8沿连杆12轴向产生较大的振动位移，而不会与连杆12杆身发生碰撞。
进一步地，使振动物块8的频率与连杆12的运动频率接近，从而使得振动物块8获得尽可能多的振动能量。
进一步地，正摩擦层10和负摩擦层5的有效接触面积由摩擦纳米发电机的发电功率密度和遥测装置所需的功率决定，由此可确定振动物块8与基底3正对一面的面积。
进一步地，振动物块8在连杆12杆身侧面的工字形凹槽中主要沿连杆12的轴向运动，因此，将振动物块8设置为矩形薄板，且采用设定的材料。
该摩擦纳米发电机的工作原理为：随着连杆12的运动，正摩擦层10和负摩擦层5产生接触、分离及相对摩擦，形成电流；电流由导线9导出，经过整流桥2转为直流电，储存在锂离子电池1中，由锂离子电池1为遥测装置13供电；
具体地：遥测装置13采用ZigBee无线通信技术进行温度遥测，其平均功率为W1，温度传感器自身的能耗功率为W2；
正摩擦层10的材料采用铝膜，铝膜表面带有纳米孔，负摩擦层5的材料采用PTFE薄膜，金属膜6的材质采用铜；制成的摩擦纳米发电机在平面内振动时产生的摩擦功率密度为P；
切割亚克力薄板制作基底3(在亚克力薄板横向两端固定两块立板，固定方式如粘接)，其内底面积要大于振动物块8的运动面积；
振动物块8采用铁块，根据连杆12杆身侧面工字形凹槽的大小确定铁块的尺寸，其正对基底3的一面的面积足够大，以保证负摩擦层5与正摩擦层10之间有足够的接触面积，从而产生遥测装置13所需的电能，设铁块与基底3正对的一面的面积为S，则P×S>W1+W2；
振动物块8的质量为m(kg)，根据内燃机的常用工作转速R(r/min)，能够确定振动物块8的振动频率f＝R/60(Hz)，进而根据
Figure BDA0002592677990000041
可得物块8与基底3之间的两根弹簧Ⅲ11的刚度k＝2π2f2m(N/m)，振动物块8与基底3之间的两根弹簧Ⅰ4以及振动物块8与连杆12杆身侧面的工字形凹槽底面之间的弹簧Ⅱ7的刚度均大于5k。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于内燃机连杆活塞遥测装置的摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：基底(3)，正摩擦层(10)，振动物块(8)，负摩擦层(5)，整流桥(2)和电池；
所述基底(3)为凹槽状结构，其内底面作为正摩擦层(10)的支撑面，其开口端与连杆(12)的杆身侧面的工字型凹槽对接形成安装空腔；所述正摩擦层(10)安装在安装空腔内基底(3)所在的内壁上，作为一个接触电极，其中，正摩擦层(10)采用金属薄膜材料；
所述振动物块(8)位于连杆(12)杆身侧面的工字形凹槽中，并正对基底(3)的中心，分别与基底(3)的侧壁和连杆(12)杆身侧面的工字形凹槽内底面柔性连接；所述振动物块(8)与正摩擦层(10)相对的一面铺有负摩擦层(5)，负摩擦层(5)背面镀有金属膜(6)，金属膜(6)作为另一个接触电极；从负摩擦层(5)背面的金属膜(6)和正摩擦层(10)中引出两根导线(9)，经整流桥(2)后接入电池，电池用于为遥测装置(13)供电；其中，正摩擦层(10)和负摩擦层(5)的表面均刻蚀有纳米结构，且正摩擦层(10)和负摩擦层(5)的有效接触面积设置为设定值，由摩擦纳米发电机的发电功率密度和遥测装置(13)所需的功率决定；
所述振动物块(8)通过两根弹簧Ⅰ(4)与基底(3)内侧壁横向连接，通过弹簧Ⅱ(7)与连杆(12)杆身侧面的工字形凹槽底面连接，通过两根弹簧Ⅲ(11)与基底(3)内侧壁纵向连接；其中，弹簧Ⅲ(11)的刚度为k，其值根据内燃机的工作转速和振动物块(8)的质量来确定，以使振动物块(8)的频率趋近连杆(12)的运动频率；弹簧Ⅰ(4)和弹簧Ⅱ(7)的刚度均大于5k。
2.如权利要求1所述的用于内燃机连杆活塞遥测装置的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述基底(3)采用亚克力板。
3.如权利要求1所述的用于内燃机连杆活塞遥测装置的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述正摩擦层(10)的材料采用铝或钢或铜。
4.如权利要求1所述的用于内燃机连杆活塞遥测装置的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述负摩擦层(5)的材料采用聚四氟乙烯或聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯，或以上材料中两种以上的组合。
5.如权利要求1所述的用于内燃机连杆活塞遥测装置的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述振动物块(8)设置为矩形薄板。
6.如权利要求1所述的用于内燃机连杆活塞遥测装置的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述振动物块(8)采用设定材料。
CN202010700047.4A 2020-07-20 2020-07-20 一种用于内燃机连杆活塞遥测装置的摩擦纳米发电机 Active CN111884537B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010700047.4A CN111884537B (zh) 2020-07-20 2020-07-20 一种用于内燃机连杆活塞遥测装置的摩擦纳米发电机

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010700047.4A CN111884537B (zh) 2020-07-20 2020-07-20 一种用于内燃机连杆活塞遥测装置的摩擦纳米发电机

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111884537A CN111884537A (zh) 2020-11-03
CN111884537B true CN111884537B (zh) 2022-07-29

Family

ID=73154635

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010700047.4A Active CN111884537B (zh) 2020-07-20 2020-07-20 一种用于内燃机连杆活塞遥测装置的摩擦纳米发电机

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111884537B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103391020A (zh) * 2013-07-16 2013-11-13 国家纳米科学中心 一种基于摩擦纳米发电机的多自由度能量采集装置
CN103780128A (zh) * 2013-04-16 2014-05-07 国家纳米科学中心 一种风力摩擦纳米发电机
CN103780137A (zh) * 2013-11-25 2014-05-07 国家纳米科学中心 一种振动开关式摩擦发电机和摩擦发电方法
WO2014139347A1 (zh) * 2013-03-12 2014-09-18 国家纳米科学中心 一种滑动摩擦纳米发电机及发电方法
CN109391168A (zh) * 2017-08-11 2019-02-26 北京纳米能源与系统研究所 气动摩擦纳米发电机、气动系统中的传感器和传感方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160144615A (ko) * 2015-06-09 2016-12-19 성균관대학교산학협력단 3차원 구조의 마찰전기 에너지 발생장치

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014139347A1 (zh) * 2013-03-12 2014-09-18 国家纳米科学中心 一种滑动摩擦纳米发电机及发电方法
CN103780128A (zh) * 2013-04-16 2014-05-07 国家纳米科学中心 一种风力摩擦纳米发电机
CN103391020A (zh) * 2013-07-16 2013-11-13 国家纳米科学中心 一种基于摩擦纳米发电机的多自由度能量采集装置
CN103780137A (zh) * 2013-11-25 2014-05-07 国家纳米科学中心 一种振动开关式摩擦发电机和摩擦发电方法
CN109391168A (zh) * 2017-08-11 2019-02-26 北京纳米能源与系统研究所 气动摩擦纳米发电机、气动系统中的传感器和传感方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111884537A (zh) 2020-11-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108551273A (zh) 一种悬臂梁式电磁—摩擦—压电复合振动能量采集器
CN112039365B (zh) 一种振动能量收集器及其应用
US11424695B2 (en) Piezoelectric generator, method of its operation and its application in production, storage and transmission of electric energy
CN102170246B (zh) 带柔性梁结构的振动式微型风力发电机
CN111049425B (zh) 以液体作为俘能介质的低频多方向振动能量收集装置
CN111884537B (zh) 一种用于内燃机连杆活塞遥测装置的摩擦纳米发电机
CN112187097A (zh) 一种对称结构振动能量收集装置
CN105591516A (zh) 一种基于震动机械能的自发电装置
CN220440576U (zh) 一种压电-电磁复合式能量采集装置
CN112797101A (zh) 可发电减振器及作业机械
CN209948994U (zh) 一种线缆能量收集装置
CN205070746U (zh) 一种基于震动机械能的自发电装置
San et al. Buoy-inspired hybridized energy harvester with freestanding dielectric oscillator towards sustainable blue energy harvesting
CN111313745B (zh) 一种摩擦纳米发电机、发电方法及发电系统
CN113422490B (zh) 一种宽频振动能量搜集装置
CN214799327U (zh) 一种抗磁悬浮电磁压电复合式能量采集器
CN110401326B (zh) 一种线缆能量收集装置
CN114050737B (zh) 一种自供电的桥梁监测装置
CN220564973U (zh) 一种应用于轨道结构的减振俘能监测一体化系统
CN219938039U (zh) 一种局域共振性能增强的纳米能源无线能量传输装置
CN118030351A (zh) 波浪能采集器及采集方法、海洋监测系统
CN113489375B (zh) 一种涡激振动能量收集与发电装置
CN214544152U (zh) 一种基于海浪运动的压电－电磁复合式俘能器
CN209948993U (zh) 一种斜坡感应式摩擦纳米发电组件、发电机及船舶
CN115528946A (zh) 一种复合发电机

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant