CN113612296B - 一种用于活塞温度无线测量的二级无线充电装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于活塞温度无线测量的二级无线充电装置和方法，装置包括活塞‑连杆‑曲轴系统、活塞端电路板及充电电池、连杆端电路板及充电电池、一级发射线圈、一级接收线圈、二级发射线圈和二级接收线圈；活塞‑连杆‑曲轴系统包括活塞、曲轴、连杆和连接处的轴承；一级接收线圈安装在连杆大头端盖末端，与一级发射线圈的位置相对应，用以进行一级充电；二级发射线圈安装在连杆小头侧面，活塞腔内连接二级接收线圈，二级发射线圈和二级接收线圈的位置相对应，用以进行二级充电。与现有技术相比，本发明通过电磁感应技术、电信号调理技术和充电技术，将连杆作为活塞端电能输送的中转站，实现活塞端电池的完全非拆卸式无线充电。

Description

一种用于活塞温度无线测量的二级无线充电装置和方法

技术领域

本发明涉及发动机活塞充电技术领域，尤其是涉及一种用于活塞温度无线测量的二级无线充电装置和方法。

背景技术

作为发动机内部的关键零部件，活塞对于保证发动机可靠的功率输出和机内运动件的正常运转有重要作用。开展活塞温度的在线测量研究，能够用于了解活塞的工作状态并进行有效的优化设计。在早期的相关研究中，活塞温度的测量是采用有线传输方式实现的。在测量的实施过程中，通常需要通过设计和布置蚱蜢机构来引导传感器的导线。Furuhama等人采用热电偶有线测量了从活塞到连杆瓦的温度分布，专利CN112146884A和CN210665069U则分别公开了一种活塞测温机构和一种活塞温度信号传输机构。活塞是发动机内部的典型运动件，在发动机工作时做高速往复直线运动。在开展活塞温度的有线测量时，由于存在线缆疲劳折断的风险以及机构设计与安装的复杂性，测量系统的可靠性难以得到保证。随着无线测量技术的发展，开展活塞温度的无线测量成为了重要的研究方向并开始得到一定的应用。韩国首尔国立大学和日本丰田汽车公司都进行了相关尝试并开发出了应用于活塞的无线测量系统。专利CN110350667A也公开了一种基于热电偶的内燃机活塞温度无线遥测系统。当采用无线测量方法测量活塞温度时，不需要从活塞端引出信号线缆，只需在活塞腔内布置传感器、测量电路板和电池并在油底壳内安装无线传输天线。这样极大地简化了发动机的改造过程，而且可移植性强，便于进行大规模商业应用。

在活塞温度无线测量过程中，电能的供给是亟需解决的一大技术难题。由于电池的功率密度有限，加上空间有限，因此电池的容量受到了一定的制约。为了能开展长时间或是多次的无线测量，必须要对活塞上的电池进行充电。对活塞上的电池进行充电的方法有两种，即拆卸式充电和非拆卸式充电。拆卸式充电需要在电池电量使用完毕后进行拆机，将活塞取出后开展机外充电，这样的操作在发动机台架试验环境下难以进行，而且拆机工作量巨大，不利于企业应用。非拆卸式充电即在不拆机状态下充电，或仅将油底壳拆下后充电，其大大减轻了试验环境下的拆装机工作量，而且不会给点火工况下控制设备的运作带来麻烦。

然而，在非拆卸式充电中，还没有针对活塞无线测量的可靠的充电方法。如果使用充电头进行有线充电，则需要在发动机停止运转后取下油底壳，并将充电头伸入到活塞腔内与内部的充电头贴合。这样充电存在两方面的困难，其一，活塞下方有连杆和曲轴，充电头伸入到活塞腔内十分困难，其二，外部的充电头需要与活塞内部的充电头贴合，其固定也十分困难。而如果使用单一的无线充电方式，由于活塞距油底壳较远，很难保证较高的无线充电效率，而且无线充电线圈深入活塞腔内也十分困难。

中国专利CN110350667A公开了一种基于无线充电的内燃机活塞温度遥测系统及方法，属于发动机测试技术领域，它包括无线充电装置、温度遥测装置、第一封装盒和第二封装盒，其中，无线充电装置包括发射线圈、发射模块、接收线圈和接收模块，温度遥测装置包括充电电池、信号处理单元、热电偶和上位机。还提供了相应的工作方法。

该系统存在以下缺陷：其充电发射线圈被固定在发动机机体上，其充电接收线圈则被固定在待测活塞的一个销座下边缘；这种无线充电方法只能实施停机状态下的无线充电，且在发动机机体内布置发射线圈和布置交流电十分不便且异常危险。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术只能在停机状态下进行无线充电的缺陷而提供一种用于活塞温度无线测量的二级无线充电装置和方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于活塞温度无线测量的二级无线充电装置，包括活塞，该活塞内设有活塞端充电电池，所述二级无线充电装置还包括交流电源、一级发射线圈、油底壳端电路板、连杆、一级接收线圈、二级发射线圈、二级接收线圈和活塞端电路板；

所述交流电源、油底壳端电路板和一级发射线圈依次连接，所述二级接收线圈、活塞端电路板和活塞端充电电池依次连接；

所述连杆内部设有相互连接的连杆端电路板和连杆端充电电池，所述一级接收线圈与所述连杆端电路板连接，所述二级发射线圈与所述连杆端电路板连接；

所述一级接收线圈安装在连杆的大头端盖末端，所述一级接收线圈与一级发射线圈的位置相对应，用以在曲轴转动至某一位置时，一级接收线圈与一级发射线圈相互靠近，进行一级充电；

所述二级发射线圈安装在所述连杆的小头侧面，所述活塞的内部还连接所述二级接收线圈，所述二级发射线圈和二级接收线圈的位置相对应，用以在连杆转动至某一位置时，二级发射线圈和二级接收线圈相互靠近，进行二级充电。

进一步地，所述连杆端电路板包括一级整流滤波电路、一级充电电路、升压电路和二级发射电路，所述一级接收线圈、一级整流滤波电路、一级充电电路和连杆端充电电池依次连接，所述连杆端充电电池、升压电路、二级发射电路和二级发射线圈依次连接，用以增加二级发射线圈的交流电压。

进一步地，所述连杆端充电电池的输入电压在5至7伏范围以内，经过所述升压电路后的输出电压在12至15伏范围以内。

进一步地，所述活塞端充电电池、活塞端电路板和二级接收线圈均固定在所述活塞的腔体内壁上。

进一步地，所述活塞端充电电池、活塞端电路板和二级接收线圈均通过螺丝连接所述活塞，所述螺丝的内侧与活塞间具有AB胶，所述螺丝的边缘与活塞间具有AB胶。

进一步地，所述二级无线充电装置还包括油底壳，所述一级发射线圈和油底壳端电路板均安装在油底壳内，所述油底壳内设有通孔，用于交流电源的电源导线经过所述油底壳的外侧连接到油底壳端电路板。

本发明还提供一种采用如上所述的用于活塞温度无线测量的二级无线充电装置的充电方法，包括以下步骤：

间歇性无线充电步骤：当二级无线充电装置处于运转状态，燃烧室燃气驱动曲轴旋转，从而带动连杆大头端盖末端上的一级接收线圈靠近或远离一级发射线圈，连杆的大头轴承旋转，改变一级接收线圈与一级发射线圈间的正对角度，当一级接收线圈和一级发射线圈的间距和角度满足无线充电的条件时，进行连杆端充电电池的充电；

连杆的小头轴承旋转时，会带动二级发射线圈转动，使得二级发射线圈靠近或远离二级接收线圈，当二级接收线圈和二级发射线圈的间距和角度满足无线充电的条件时，进行活塞端充电电池的充电。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明通过结合电磁感应技术、电信号调理技术和充电技术，将电能先存于连杆端而后转移到活塞端，从而建立一种为活塞温度无线测量提供电能供给的二级无线充电方法及系统。本发明设计合理，可应用于汽油机及柴油机的活塞温度无线测量研究。

(2)本发明相较于其它针对活塞端测量电路的无线充电装置和方法，避免了在发动机机体内布置发射线圈和布置交流电的困难和危险，通过将连杆作为活塞端电能输送的中转站，实现了活塞端电池的完全非拆卸式无线充电。

(3)本发明方法既可开展发动机运转下的动态间歇性无线充电，也可开展发动机停机状态下的静态持续性无线充电，不受发动机使用状态的限制。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种用于活塞温度无线测量的二级无线充电装置的原理示意图；

图2为本发明实施例中提供的一种用于活塞温度无线测量的二级无线充电装置的结构示意图；

图中，1、缸套，2、活塞，3、二级接收线圈，4、二级发射线圈，5、连杆，6、连杆端充电电池，7、连杆端电路板，8、曲轴，9、一级接收线圈，10、一级发射线圈，11、油底壳端电路板，12、油底壳，13、交流电源，14、线缆，15、活塞端电路板，16、活塞端充电电池。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

实施例1

本实施例提供一种用于活塞温度无线测量的二级无线充电装置，包括活塞2，该活塞2内设有活塞端充电电池16，二级无线充电装置还包括交流电源13、一级发射线圈10、油底壳端电路板11、连杆5、一级接收线圈9、二级发射线圈4、二级接收线圈3和活塞端电路板15；

交流电源13、油底壳端电路板11和一级发射线圈10依次连接，二级接收线圈3、活塞端电路板15和活塞端充电电池16依次连接；

连杆5内部设有相互连接的连杆端电路板7和连杆端充电电池6，一级接收线圈9与连杆端电路板7连接，二级发射线圈4与连杆端电路板7连接；

一级接收线圈9安装在连杆5的大头端盖末端，一级接收线圈9与一级发射线圈10的位置相对应，用以在曲轴8转动至某一位置时，一级接收线圈9与一级发射线圈10相互靠近，进行一级充电；

二级发射线圈4安装在连杆5的小头侧面，活塞2的内部还连接二级接收线圈3，二级发射线圈4和二级接收线圈3的位置相对应，用以在连杆5转动至某一位置时，二级发射线圈4和二级接收线圈3相互靠近，进行二级充电。

连杆端电路板7具体包括一级整流滤波电路、一级充电电路、升压电路和二级发射电路，一级接收线圈9、一级整流滤波电路、一级充电电路和连杆端充电电池6依次连接，连杆端充电电池6、升压电路、二级发射电路和二级发射线圈4依次连接，用以增加二级发射线圈4的交流电压，提高二级充电效率。

优选地，连杆端充电电池6的输入电压在5至7伏范围以内，经过升压电路后的输出电压在12至15伏范围以内。

采用该二级无线充电装置的充电方法，包括以下步骤：

间歇性无线充电步骤：当二级无线充电装置处于运转状态，燃烧室燃气驱动曲轴8旋转，从而带动连杆5大头端盖末端上的一级接收线圈9靠近或远离一级发射线圈10，连杆5的大头轴承旋转，改变一级接收线圈9与一级发射线圈10间的正对角度，当一级接收线圈9和一级发射线圈10的间距和角度满足无线充电的条件时，进行连杆端充电电池6的充电；

连杆5的小头轴承旋转时，会带动二级发射线圈4转动，使得二级发射线圈4靠近或远离二级接收线圈3，当二级接收线圈3和二级发射线圈4的间距和角度满足无线充电的条件时，进行活塞端充电电池16的充电。

静态持续无线充电步骤：驱动曲轴8旋转直到连杆5大头端盖末端上的一级接收线圈9处于下止点位置，使得一级接收线圈9正对一级发射线圈10，从而对连杆端充电电池6进行充电；驱动连杆5绕小头轴承旋转，使得二级发射线圈4靠近二级接收线圈3，从而对活塞端充电电池16进行充电。

当一级接收线圈9处于下止点位置时，一级接收线圈9与一级发射线圈10的间距在5毫米以内。

上述二级无线充电装置通过电磁感应技术、电信号调理技术和充电技术的结合，将连杆作为活塞端电池无线充电的中转站，实现从油底壳到连杆再到活塞的二级无线充电，从而建立一种为活塞温度无线测量提供可靠电能供给的完全非拆卸式无线充电方法，既可开展发动机运转下的动态间歇性无线充电，也可开展发动机停机状态下的静态持续性无线充电。

作为一种优选的实施方式，活塞端充电电池16、活塞端电路板15和二级接收线圈3均固定在活塞2的腔内侧面内壁上，以避免因为温度过高而导致器件损坏。

作为一种优选的实施方式，活塞端充电电池16、活塞端电路板15和二级接收线圈3均通过螺丝连接活塞2，螺丝的内侧与活塞2间具有AB胶，螺丝的边缘与活塞2间具有AB胶，以避免惯性力导致活塞端的器件脱落。

作为一种优选的实施方式，二级无线充电装置还包括油底壳12，一级发射线圈10和油底壳端电路板11均安装在油底壳12内，油底壳12内设有通孔，用于交流电源13的电源导线经过油底壳12的外侧连接到油底壳端电路板11。

将上述优选的实施方式进行组合，可以得到一种最优的实施方式，下面对该最优的实施方式进行具体描述。

如图1和图2所示，选用信号发生器作为发动机外的交流电源13，选用黄铜耐高温漆包线制作发射线圈4、10和接收线圈3、9，线圈直径设计为15毫米，并选用耐高温电池作为连杆端充电电池6和活塞端充电电池16。此外，设计并制作包含一级发射电路的电路板11，设计并制作包含一级整流滤波电路、一级充电电路、升压电路和二级发射电路的电路板7，设计并制作包含二级整流滤波电路、二级充电电路和无线测量模块的电路板15。为了保证活塞端充电电池16电量的有效利用，在无线测量模块中设置休眠与唤醒模式以减小不采集时的功率损耗。在开展活塞2的温度无线测量前，需要先唤醒无线测量模块而后开始采集，采集结束后无线测量模块进入休眠状态。

在连杆5中部安装电路板7和用于电能中转的耐高温电池6，将一级接收线圈9布置于连杆5的大头端盖末端，将二级发射线圈4布置于连杆5的小头侧面。连杆5上的电路板7、耐高温电池6、一级接收线圈9、二级发射线圈4和线缆14均采用耐高温AB胶固定，而后用足够的胶水进行灌注以实现可靠的安装。信号经一级接收线圈9接收后，通过整流、滤波和稳压等调理过程，转化为5V-7V的直流电，并通过充电电路存储在连杆端耐高温电池6上。

在油底壳12底部加工足够大小的孔，将从信号发生器引出的电源导线以及用于无线测量的天线通过加工的孔伸入到油底壳12内。将无线测量天线固定在油底壳12内正对连杆间空隙的位置，以保证良好的信号传输。将电源导线与油底壳端电路板11的一级发射电路相连，而后将输出的电压信号接到一级发射线圈10上。将油底壳端电路板11用扎带固定在合适的位置，在不影响润滑油流动的同时避免被润滑油冲坏。将一级发射线圈10固定在油底壳内正对连杆5下方处，并保证当连杆5运动到下止点位置时其与连杆5大头端盖底端的一级接收线圈9距离在5mm以内。

在活塞2的腔内安装电路板15，并布置传感器、二级接收线圈3和耐高温电池16。如图2所示，由于活塞2的顶部温度过高，将二级接收线圈3、电路板15和耐高温电池16固定在活塞2的侧面上，以避免因为温度过高而导致器件损坏。为避免惯性力导致器件脱落，先用耐高温AB胶固定电路板15、二级接收线圈3和耐高温电池16，再用金属螺丝进一步固定，最后在最外层涂覆一层AB胶。由于连杆端设置了升压电路，电信号在活塞端经稳压后其电压要高于一级充电端，其值控制在12-15V范围内。

安装好活塞2并且发动机台架准备妥当后，便可开展活塞2的温度无线测量。在休眠模式下，无线测量模块耗电量较低，电流控制在0.5mA左右。通过发送指令唤醒无线测量模块，而后开始信号采集，采集状态下电流可达到40mA，采集结束后，无线测量模块进入休眠状态。

在经过一定时间的活塞温度无线测量后，活塞端电池16电量不足，这时开始二级无线充电，既可开展发动机运转下的动态间歇性无线充电，也可开展发动机停机状态下的静态持续性无线充电。在开展动态间歇性无线充电时，不需要进行额外的操作，只需要使发动机持续运转，这时活塞2在缸套1内做往复运动，当一级发射线圈10和一级接收线圈9靠得较近时，连杆端耐高温电池6开始短暂无线充电，当二级发射线圈4和二级接收线圈3靠得较近时，活塞端耐高温电池16开始短暂充电。如此交替下去，电能最终不断储存在活塞端耐高温电池16上。在开展静态持续性无线充电时，首先将连杆5盘到下止点位置附近，通过一级发射线圈10和一级接收线圈9的作用实现连杆端耐高温电池6的无线充电，一级充电完成后将连杆5的小头盘到使二级发射线圈4和二级接收线圈3靠得足够近的位置，实现活塞上耐高温电池16的无线充电。活塞端耐高温电池16充电完成后，可开展下一轮的活塞温度无线测量。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于活塞温度无线测量的二级无线充电装置，包括活塞(2)，该活塞(2)内设有活塞端充电电池(16)，其特征在于，所述二级无线充电装置还包括交流电源(13)、一级发射线圈(10)、油底壳端电路板(11)、连杆(5)、一级接收线圈(9)、二级发射线圈(4)、二级接收线圈(3)和活塞端电路板(15)；

所述交流电源(13)、油底壳端电路板(11)和一级发射线圈(10)依次连接，所述二级接收线圈(3)、活塞端电路板(15)和活塞端充电电池(16)依次连接；

所述连杆(5)内部设有相互连接的连杆端电路板(7)和连杆端充电电池(6)，所述一级接收线圈(9)与所述连杆端电路板(7)连接，所述二级发射线圈(4)与所述连杆端电路板(7)连接；

所述一级接收线圈(9)安装在连杆(5)的大头端盖末端，所述一级接收线圈(9)与一级发射线圈(10)的位置相对应，用以在曲轴(8)转动至某一位置时，一级接收线圈(9)与一级发射线圈(10)相互靠近，进行一级充电；

所述二级发射线圈(4)安装在所述连杆(5)的小头侧面，所述活塞(2)的内部还连接所述二级接收线圈(3)，所述二级发射线圈(4)和二级接收线圈(3)的位置相对应，用以在连杆(5)转动至某一位置时，二级发射线圈(4)和二级接收线圈(3)相互靠近，进行二级充电。

2.根据权利要求1所述的一种用于活塞温度无线测量的二级无线充电装置，其特征在于，所述连杆端电路板(7)包括一级整流滤波电路、一级充电电路、升压电路和二级发射电路，所述一级接收线圈(9)、一级整流滤波电路、一级充电电路和连杆端充电电池(6)依次连接，所述连杆端充电电池(6)、升压电路、二级发射电路和二级发射线圈(4)依次连接，用以增加二级发射线圈(4)的交流电压。

3.根据权利要求2所述的一种用于活塞温度无线测量的二级无线充电装置，其特征在于，所述连杆端充电电池(6)的输入电压在5至7伏范围以内，经过所述升压电路后的输出电压在12至15伏范围以内。

4.根据权利要求1所述的一种用于活塞温度无线测量的二级无线充电装置，其特征在于，所述活塞端充电电池(16)、活塞端电路板(15)和二级接收线圈(3)均固定在所述活塞(2)的腔体内壁上。

5.根据权利要求1所述的一种用于活塞温度无线测量的二级无线充电装置，其特征在于，所述二级无线充电装置还包括油底壳(12)，所述一级发射线圈(10)和油底壳端电路板(11)均安装在油底壳(12)内，所述油底壳(12)内设有通孔，用于交流电源(13)的电源导线经过所述油底壳(12)的外侧连接到油底壳端电路板(11)。

6.一种采用如权利要求1所述的用于活塞温度无线测量的二级无线充电装置的充电方法，其特征在于，包括以下步骤：

间歇性无线充电步骤：当二级无线充电装置处于运转状态，燃烧室燃气驱动曲轴(8)旋转，从而带动连杆(5)大头端盖末端上的一级接收线圈(9)靠近或远离一级发射线圈(10)，连杆(5)的大头轴承旋转，改变一级接收线圈(9)与一级发射线圈(10)间的正对角度，当一级接收线圈(9)和一级发射线圈(10)的间距和角度满足无线充电的条件时，进行连杆端充电电池(6)的充电；

连杆(5)的小头轴承旋转时，会带动二级发射线圈(4)转动，使得二级发射线圈(4)靠近或远离二级接收线圈(3)，当二级接收线圈(3)和二级发射线圈(4)的间距和角度满足无线充电的条件时，进行活塞端充电电池(16)的充电。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括静态持续无线充电步骤：驱动曲轴(8)旋转直到连杆(5)大头端盖末端上的一级接收线圈(9)处于下止点位置，使得一级接收线圈(9)正对一级发射线圈(10)，从而对连杆端充电电池(6)进行充电；驱动连杆(5)绕小头轴承旋转，使得二级发射线圈(4)靠近二级接收线圈(3)，从而对活塞端充电电池(16)进行充电。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述一级接收线圈(9)处于所述下止点位置时，所述一级接收线圈(9)与一级发射线圈(10)的间距在5毫米以内。