CN202325695U - 电磁助力二冲程空气动力发动机总成 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种二冲程发动机总成,具体而言,涉及一种以压缩空气作为动力源的采用电磁助力二冲程空气动力发动机总成。本实用新型的二冲程空气动力发动机总成包括:发动机(1)、多柱体动力分配器(2)、动力装置(4)、控制器系统(6)、进气控制调速阀(23)、高压气罐组(13)、恒压罐(16)、电子控制单元ECO(29)以及电磁助力器(1000)。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种二冲程发动机总成,具体而言,涉及一种以压缩空气作为动力源的采用电磁助力器的二冲程空气动力发动机总成。
背景技术
发动机被广泛应用于各行各业中,在现代交通运输工具比如汽车、轮船等中,一般采用以燃油作为动力源的活塞式内燃发动机。这种采用燃油作为动力源的发动机一方面因燃油燃烧不充分,使得排出的气体中含有大量的有害物质而污染环境,另一方面因使用的燃油是从石油中提炼而获得,石油资源的日益紧缺使得燃油发动机的发展和利用受到越来越多的限制。因此开发新的、洁净的、无污染的替代能源,或者尽可能地减少燃油消耗、降低排放成为发动机发展中急需解决的问题。为此,各国经历了复杂而艰辛的探索之路,研究和开发了多种动力源,比如代用燃料、电动驱动、燃料电池和太阳能电池等。
代用燃料汽车,如天然气(CNG、LNG)汽车、醇类汽车、二甲醚汽车等仍然有排放污染和热效应,有些燃料还有毒性,有些燃料燃烧控制困难,因而在实际使用中依然存在诸多困难和挑战。
电动汽车行驶中无污染排放、噪声低、能量转换效率高,但电池驱动的电动汽车受制于车载电池,在比功率、循环寿命、充放电性能、造价和安全性方面一时难以达到实用的程度,同时,电池本身存在严重的二次污染。混合动力电动车具有电池电动车和内燃机汽车的优点,但仍存在排放和污染问题,并且由于两套动力装置的存在,其驱动和控制系统变得异常复杂,从而阻碍了实际应用和发展。
燃料电池被人们寄予厚望,可实现动力输出的零排放,能量转换率高,但燃料电池的制造成本高,氢气的安全存储、制备和灌装都有许多问题,这就大大制约了这种动力源的发展和使用。太阳能电池仍需减少电池体积和提高光电转换效率,因而具体应用到交通运输工具上仍需取得突破性进展。
综上所述,上述的各种新的动力源或它们构成的混合动力源均存在不足之处,因而,迫切需要一种没有污染、用之不竭的新型能源,压缩空气动力源正好满足了这种要求。
最早研究压缩空气动力发动机的为法国MDI公司的设计师Guy Negre,它提出了空气动力发动机的概念,试图解决“零排放”与可循环能源的利用问题,从此揭开了发动机研究的新篇章,并于2002年推出了第一款纯空气动力的经济型家用桥车。压缩空气压缩机使用高压压缩空气作为动力源,空气作为介质,在空气动力发动机工作时,将压缩空气存储的压力能转换为其他形式的机械能。关于空气动力发动机的研究可见FR2731472A1、US6311486B1、US20070101712A1等。
FR2731472A1公开了一种可在燃料供应和压缩空气供应两种模式下工作的发动机,在高速公路上采用普通燃料如汽油或柴油,在低速特别是市区和市郊,将压缩空气(或其他任何非污染的压缩气体)注入燃烧室。这种发动机虽然部分地降低了燃料消耗,由于仍然采用了燃油工作模式,排放问题依然未能解决。
为了进一步减轻污染,US6311486B1公开了一种纯空气动力发动机,这种类型的发动机采用了三个独立的室:吸气-压缩室、膨胀排气室和恒定容积燃烧室,并且吸气-压缩室通过阀连接到恒定容积燃烧室,恒定容积燃烧室通过阀连接到膨胀排气室。这种发动机的问题之一是压缩气体从吸气-压缩室到膨胀排气室经历的时间较长,获得驱动活塞做功的动力源气体时间较长,同时,从膨胀排气室排出的高压气体未能得到使用,这就限制了这类发动机的工作效率及单次充气持续工作时间。
国内一些研究人员和单位也对空气动力发动机进行了研究,但绝大多数集中在压缩空气动力发动机的可行性及工作原理上,比如许宏等(“压缩空气动力汽车的可行性研究”,《中国机械工程》第13卷第17期第1512-1515页,2002年9月)。国内一些专利文献比如CN1851260A、CN100560946C、CN101705841A虽也对空气动力发动机进行了研究,但多属于理论研究和概念设计,均未能解决压缩空气的排放(通常具有较高的压力,比如30bar左右)以及高压压缩空气的控制和分配问题,离空气动力发动机的产品化过程还有很长的路要走。
本申请的申请人在其专利文献CN101413403 A(其同族国际申请为WO2010051668 A1)中公开一种可用于交通运输工具的空气动力发动机总成,该发动机包括储气罐、空气分配器、发动机、联动器、离合器、自动变速器、差速器以及置于排气室内的叶轮发电机。这种发动机利用压缩空气做功而不使用任何燃料,因此没有废气排放,实现了“零排放”。但这种发动机是基于传统的四冲程发动机,曲轴每旋转720度,活塞做功一次。而作为动力源的高压空气可以在进入气缸内时即可推动活塞做功,而后排放,即空气动力发动机的冲程实际为进气-膨胀冲程和排放冲程。显然,专利文献CN101413403 A所公开的这种四冲程空气动力发动机大大浪费了有效的做功冲程,限制了发动机的效率,这就降低了空气动力发动机在工业上的应用前景。
上述的各种研究所提出的空气动力发动机均是基于活塞在气缸内运动到下止点时,活塞经由曲轴运动的惯性由飞轮带动从下止点继续向上止点运动,从而将工作腔室内的压缩空气排出。然而,由于压缩空气在工作腔内膨胀推动活塞做功后仍然具有较大的压力,例如3MPa,活塞仅仅经由曲轴和飞轮的转动惯性将仍然具有3Mpa的压缩空气排出,就显得“乏力”,当发动机低速转动时,这种情况就显得更为突出。为了尽可能的提高空气动力发动机的转速,需要活塞在工作腔内更加高速的运动,并且为了提高空气动力发动机低速转动的稳定扭矩输出,需要为曲轴提供助力装置。
目前常用的助力装置通常采用电磁或永磁助力装置。中国专利文献CN2512700Y公开了一种用于自行车的电磁助力装置,其借助磁铁和电磁铁的相互作用辅助车轮的转动,从而实现节能和助力的双重效果。另一中国专利文献CN1439560A公开了一种电磁式汽车转向助力装置,这种转向助力装置采用了电磁助力器、传感器、控制模块和电源,控制模块根据传感器提供的信号改变电磁助力器上电流的大小,以在汽车低速时获得良好的助力效果。另一专利文献WO2004009424A1也公开了一种采用电磁线圈的电动助力转向装置,以减轻驾驶员的疲劳。可见,采用电磁铁或永磁铁作为运动部件的助力装置已在许多行业得到实际的应用。
发明内容
基于上述问题,本实用新型旨在提供一种电磁助力二冲程空气动力发动机总成,旨在解决压缩发动机的有效做功问题,从而实现经济、高效、零排放的新型空气动力发动机。
相当于本实用新型原始要求范围内的某些实施例作如下概括。这些实施例并非限制所请求保护的发明范围,而是试图提供本实用新型的多种可能形式的简要概括。实际上,本实用新型可包括类似于或不同于下面提出的实施例的不同形式。
根据本实用新型的第一个方面,提供一种空气动力发动机总成,这种发动机总成包括:发动机,其包括气缸、缸盖系统、进气管路、排气管路、活塞、连杆、曲轴、排气凸轮轴、进气凸轮轴、前齿轮箱系统、后齿轮箱和电磁助力器;所述活塞经由连杆连接到曲轴;所述前齿轮箱系统用来传动曲轴和凸轮轴;所述缸盖系统上设有用于压缩空气进气的气喉孔和用于尾气排放的排气孔;高压气罐组,其通过管路与外接加气装置连通;恒压罐,其通过管路与高压气罐组连通;其中,空气动力发动机总成还包括:进气控制调速阀,其通过管路与恒压罐连通;控制器系统;以及电子控制单元ECO,其根据传感器(24,242)所检测的信号控制进气控制调速阀,并且根据角位移传感器所发出的信号控制电磁助力器中的线圈的电流;所述前齿轮箱系统包括多边形盖、传动齿轮、曲轴齿轮、过桥齿轮、进气凸轮轴齿轮、排气凸轮轴齿轮;曲轴齿轮通过过桥齿轮将来自曲轴的运动传递给驱动进气凸轮轴的进气凸轮轴齿轮(和驱动排气凸轮轴的排气凸轮轴齿轮。
在示例性实施例中,所述电磁助力器通过曲轴的延伸端固定连接在曲轴上,并配置在前齿轮箱系统的外侧。
在示例性实施例中,所述发动机总成进一步包括多柱体动力分配器。所述多柱体动力分配器包括五级,分别是一级、二级、三级、四级、五级,每一级均包括内齿圈、行星齿轮和太阳轮。多柱体分配器的存在可以有效地实现发动机输出动力的多级按需求分配。或者,所述进气控制调速阀是电磁比例阀或者电磁比例阀和减压阀的组合,这样就可方便地实现发动机高速、中速和低速时对压缩空气进气的需求。
优选的是,所述控制器系统包括高压共轨恒压管、控制器上盖、控制器中座和控制器下座,所述控制器上盖、控制器中座和控制器下座依次通过螺栓可拆卸地密封连接。
在另一个示例性实施例中,所述传感器是发动机转速传感器或者是门油电位计,或者是两者的组合。
在另一个示例性实施例中,所述控制器上盖内设有进气管路,所述进气管路螺纹连接到高压共轨恒压管。
此外,所述控制器中座内安装有控制器进气门、控制器气门弹簧和控制器气门座套,所述控制器气门受控制器气门弹簧的预作用力在发动机无需进气时抵靠在控制器气门座套上。
优选的是,所述控制器下座内设有控制控制器气门开闭的控制器挺柱,该控制器挺柱由进气凸轮轴致动。
在另一个实施例中,所述电磁助力器包括转子部分、定子部分和助力器外壳,所述定子部分包括:定子铁芯固定盘、定子铁芯和定子铁芯线圈;所述转子部分包括:转子铁芯固定盘、转子铁芯、转子铁芯线圈以及助力器飞轮。
优选的是,所述定子铁芯固定盘与助力器外壳螺纹连接或过盈配合,所述助力器外壳通过穿过外壳安装孔的紧固件固定连接在发动机的前齿轮箱系统的多边形盖上,并设置在前齿轮箱系统的外侧。
优选的是,所述电子控制单元ECO根据转子铁芯或定子铁芯数目的不同,而在曲轴转动一周的过程中,通断电流的次数不同。
优选的是,所述电子助力器的转子铁芯或定子铁芯的个数为分别为2、3、4或5。
附图说明
现在将描述根据本实用新型的优选但非限制性的实施例,本实用新型的这些和其他特征、方面和优点在参考附图阅读如下详细描述时将变得显而易见,其中:
图1是根据本实用新型的电磁助力二冲程空气动力发动机总成的总体示意图;
图2是图1中的电磁助力二冲程空气动力发动机总成的发动机的正视图;
图3是图1中的电磁助力二冲程空气动力发动机总成的发动机的右侧侧视图;
图4是图1中的电磁助力二冲程空气动力发动机总成的发动机的左侧侧视图;
图5是图1中的电磁助力二冲程空气动力发动机总成的发动机的俯视图;
图6是图1中的电磁助力二冲程空气动力发动机总成的发动机的曲轴-连杆-活塞系统总成,其中,示出了其中一个活塞-连杆单元与缸体的连接;
图7是图6中的曲轴-连杆-活塞系统总成的曲轴单元结构示意图;
图8是图2中的发动机的凸轮轴结构示意图;
图9A为图1中的电磁助力二冲程空气动力发动机总成的控制器系统的立体透视图;
图9B为图9A的控制器系统的纵向横截面视图;
图9C为控制器系统的横向横截面侧视图;
图10A为图1中的电磁助力二冲程空气动力发动机总成的前齿轮箱系统的立体透视图;
图10B为图10A的左侧侧视图;
图10C为图10A的右侧具备剖视的侧视图;
图11A为图1中的电磁助力二冲程空气动力发动机总成的多柱体动力分配器的立体透视图;
图11B为图11A的沿纵向轴线剖视的横截面视图;
图11C为图11A的左侧侧视图;
图11D为图11A的俯视图;
图12A为压缩空气动力发动机的P-V图,其示出了串联分级的压缩空气动力分配形式;
图12B为压缩空气动力发动机的P-V图,其示出了并联形式的压缩空气动力分配形式;
图13A为图1中的电磁助力二冲程空气动力发动机总成的电磁助力器的一个优选实施例的立体透视图,其示出了转子和定子各2个铁芯的情况;
图13B为图13A的正视图;
图13C为图13A的中心剖视的截面图;
图14A为图1中的电磁助力二冲程空气动力发动机总成的电磁助力器的另一个优选实施例的立体透视图,其示出了转子和定子各3个铁芯的情况;
图14B为图14A的正视图;
图14C为图14A的中心剖视的截面图;
图15A为图1中的电磁助力二冲程空气动力发动机总成的电磁助力器的另一个优选实施例的立体透视图,其示出了转子和定子各4个铁芯的情况;
图15B为图15A的正视图;
图15C为图15A的中心剖视的截面图;
图16A为图1中的电磁助力二冲程空气动力发动机总成的电磁助力器的另一个优选实施例的立体透视图,其示出了转子和定子各5个铁芯的情况;
图16B为图16A的正视图;
图16C为图16A的中心剖视的截面图。
部件列表
参考数字 | 部件 |
1 | 发动机 |
2 | 多柱体动力分配器 |
3 | 离合器 |
4 | 动力装置 |
6 | 控制器系统 |
13 | 高压气罐组 |
14 | 压缩空气入口管路 |
15 | 管路 |
16 | 恒压罐 |
17 | 管路 |
18 | 导线 |
19 | 蓄电池 |
22 | 叶轮发电机 |
23 | 进气控制调速阀 |
24 | 速度传感器 |
242 | 门油电位计 |
25 | 电磁脉冲信号 |
26 | 控制信号 |
27 | 排气管路 |
272 | 排气孔 |
28 | 排气集气管 |
29 | ECO |
1000 | 电磁助力器 |
31 | 齿圈 |
32 | 飞轮 |
33 | 后齿轮箱 |
34 | 皮带轮 |
35 | 凸轮轴传动皮带 |
36 | 缸盖系统 |
39 | 启动器 |
391 | 发电机 |
40 | 气缸 |
42 | 进气管路、气门喉管 |
402 | 气喉孔 |
43 | 前齿轮箱系统 |
44 | 气缸体油底壳 |
45 | 机油滤芯器 |
51 | 活塞 |
52 | 活塞环 |
53 | 阻油环 |
54 | 连杆 |
55 | 活塞销 |
56 | 曲轴 |
57 | 连杆轴瓦 |
58 | 连杆盖 |
59 | 活塞卡环 |
60 | 连杆连接螺栓孔 |
61 | 曲轴正时斜齿轮 |
62 | 排气阀 |
63 | 膨胀排气室 |
71 | 单元曲拐 |
71a | 第一单元曲拐 |
71b | 第二单元曲拐 |
71c | 第三单元曲拐 |
71d | 第四单元曲拐 |
71e | 第五单元曲拐 |
71f | 第六单元曲拐 |
72 | 飞轮连接螺栓 |
73 | 机油润滑油孔 |
74 | 平衡配重孔 |
75 | 曲轴后端 |
76 | 曲柄销 |
77 | 平衡重 |
78 | 主轴颈 |
79 | 齿轮连接螺栓 |
800 | 排气凸轮轴 |
80 | 曲轴前端 |
81 | 单元凸轮 |
81a | 第一单元凸轮 |
81b | 第二单元凸轮 |
81c | 第三单元凸轮 |
81d | 第四单元凸轮 |
81e | 第五单元凸轮 |
81f | 第六单元凸轮 |
82 | 凸轮 |
83 | 链轮 |
91 | 高压共轨恒压管 |
92 | 控制器气门 |
93 | 控制器气门套座 |
94 | 控制器气门弹簧 |
95 | 控制器气门弹簧下座 |
96 | 控制器气门锁夹片 |
97 | 控制器下座 |
98 | 控制器中座 |
99 | 油封衬套 |
100 | 高压共轨恒压管端盖 |
104 | 气门柱套 |
105 | 端盖连接螺栓 |
106 | 端盖 |
107 | 上盖与中座连接螺栓 |
108 | 控制器上盖 |
109 | 中座与下座连接螺栓 |
110 | 中座与下座连接螺母 |
111 | 上盖连接孔 |
112 | 支进气管路 |
113 | 进气凸轮轴安装孔 |
114 | 控制器挺柱安装孔 |
115 | 控制器挺柱 |
116 | 油封衬套孔 |
117 | 控制器气门孔 |
118 | 气喉孔连接管路 |
119 | 控制器气门弹簧孔 |
120 | 控制器气门座套孔 |
200 | 进气凸轮轴 |
302 | 进气凸轮轴齿轮 |
303 | 过桥齿轮 |
304 | 油孔 |
305 | 焊接柱 |
306 | 排气凸轮轴齿轮 |
307 | 曲轴齿轮 |
3071 | 曲轴延伸端 |
308 | 传动齿轮 |
309 | 螺钉连接孔 |
310 | 螺钉孔 |
311 | 螺栓连接孔 |
312 | 吊环座 |
313 | 多边形盖 |
401 | 行星齿轮 |
4021 | 平键 |
403 | 行星齿轮销 |
404 | 轴承圆柱 |
405 | 太阳轮 |
406 | 太阳轮齿轮销 |
407 | 内齿圈 |
601 | 一级 |
602 | 二级 |
603 | 三级 |
604 | 四级 |
605 | 五级 |
1001 | 助力器外壳 |
1002 | 定子铁芯固定盘 |
1003 | 定子铁芯线圈 |
1004 | 定子铁芯 |
1005 | 转子铁芯 |
1006 | 转子铁芯线圈 |
1007 | 转子铁芯固定盘 |
1008 | 助力器飞轮 |
1009 | 键 |
1010 | 角位移传感器 |
1011 | 外壳安装孔 |
具体实施方式
以下的说明本质上仅仅是示例性的而并不是为了限制本公开、应用或用途。应当理解的是,在全部附图中,对应的附图标记表示相同或对应的部件和特征。
在详细描述本实用新型的具体实施方式之前,先就空气动力发动机的能量进行理论分析。
空气动力发动机的做功过程比较简单,只有压缩空气膨胀做功的过程。如图12A所示,图1-5为压缩空气等温膨胀过程,1-6为压缩空气绝热膨胀过程。压缩空气在发动机内做功不可能是完全的等温过程,通常介于等温过程和绝热过程之间,为了提高压缩空气的能量利用率可以采用多级绝热过程来近似等温过程,或者采用多级等容吸热过程来近似等温过程。图12A中示出了压缩空气的两级膨胀做功过程1-2-3-4,1-2和3-4分别是在第一个气缸和第二个气缸内完成。工质经过第一级的绝热膨胀做功后,再经过一次热交换器进行等压吸热2-3,回到初始温度后,再进入第二缸膨胀做功。从理论上讲,将发动机的做功过程可以近似地看作是等温膨胀过程,那么曲线1-5与坐标值V1、V2间所包含的面积表示压缩空气存储的能量释放所能转变的气体膨胀功。而在图12B中,图中曲线1、2分别表示压缩空气的等温、绝热膨胀过程,实际的减压膨胀过程介于曲线1、2之间。图中A为起始点,B、C、D、E为相应的分级压力控制时的压力分级点,在这些点处有等容吸热过程,如BC和DE等。理论上讲,曲线1与坐标值V1、V2间所包含的面积表示压缩空气存储的能量释放所能转变的气体膨胀功。
假定高压气罐的充气压力为p1,储气体积为V1的理想气体在完全等温膨胀到常压p2时所能做的全部膨胀功为:
假定压缩空气动力发动机的工作温度为300K,可获得300L、300MPa气压下的压缩空气的质量为104.553千克,假设储气罐的质量为100千克,则对应的比能量约为75。相比较车载电池,例如铅酸电池和镍镉电池而言,压缩空气的比能量要高,并且大体上等于镍氢电池,具有较好的发展前景。随着高压储气罐的大容量、大压力和轻质量的发展,压缩空气的比能量还有大幅度地提高,甚至可以接近钠硫电池和锂聚合物电池。
压缩空气在发动机内有两种做功形式,即等温膨胀过程和绝热膨胀过程,下面以具体参数计算说明两者的特点。
选取初始状态1(30MPa,300K),终了状态2(0.1MPa,300K),求单位质量压缩空气分别在等温过程和绝热过程所作的膨胀功。等温膨胀过程单位质量气体所作的功为,绝热膨胀过程单位质量压缩空气所做的功为。由理论计算可知,等温过程的膨胀功几乎是绝热膨胀过程的2倍,因此等温膨胀的能量利用率高于绝热膨胀,理论上采用等温膨胀做功是理想的。但是,“等温”在发动机气缸内是很难实现的,必须有一个二次热流导入发动机机壁以保持足够的热量。这就增加了技术难度,使发动机结构异常复杂。下面进一步从压缩空气的能量利用角度对空气动力发动机的两种动力分配模式进行讨论。
在并联方式下,将等量的压缩气体同时输入到各个气缸膨胀做功。设初始状态1(30MPa,300K),终了状态2(0.1MPa,300K),压缩空气在气缸内进行等温膨胀,等温近似率,气缸数为4缸,进入发动机的压缩空气为单位质量1千克,4缸气体所做的总技术功为。可见,虽然等温膨胀过程是理想的做功过程,但膨胀后的气体体积是膨胀前的300倍。这就需要做功的气缸必须具有很大的容积。如果采用现有发动机的气缸作为等温膨胀后的气缸,选择压缩比为10,则,。显然,技术功大大减少,不仅不如绝热膨胀所做的技术功,而且剩余压力很高,能量没有充分利用。不过并联方式的优点在于各缸结构尺寸相同,布置简单,动力输出平稳。考虑到目前的技术,气缸不可能保持完全等温,且气缸的压缩比不能做得过大,压缩气体在膨胀做功后的排出压力较高,仍旧可以用来继续做功,因此采用多级绝热过程或者闭环回收尾气的能量,是目前较为实用、有效的方式。
在串联方式下,将压缩空气在各个气缸内依次绝热膨胀做功,前一级气缸的排出气体为下一缸的初始压力。经过理论计算分析可知:串联分级越多,即使用的串联缸数越多,单位质量的压缩空气所做的功越多,能量利用率越高,一般串联四级,即可实现完全等温膨胀做功的80%;同等级别的串联中,中间状态的压力取值不同,对总的技术功差别不大。串联气缸的最大问题在于后一级气缸的容积均要大于前一级的气缸容积,并且各级气缸之间均要加载热交换器以便等压吸热。如此一来,对发动机的尺寸要求越来越大,会严重影响使用空气动力发动机的设备的整体布局。
由上分析可见,空气动力发动机不同于传统的燃油发动机以及各种电动动力装置,它在原理上是可行的,并且符合环境保护、节约资源的可持续发展战略。并且,压缩空气来源方便,能量储存方式优于电气、液压等其他形式。压缩空气的动力分配形式各有优缺点,提高压缩空气使用效率,增大高压罐容量和充气压力是提高一次充气持续工作时间的主要手段。在罐容、充气压力相对确定的情况下,压缩空气能量使用率是最大的变化参数。发动机结构优化、尾气能量回收、压缩空气分配等问题是需要深入研究的问题。
经过上述的理论分析,本申请的申请人采用压缩空气的并联动力分配模式,为了提高压缩空气能量使用率和做功后排出气体的压力,申请人采用尾气回收回路,下面将对本实用新型的具体方式进行详细地描述。
现在参考图1, 图1是根据本实用新型的电磁助力二冲程空气动力发动机总成的总体示意图,图中的箭头表示空气气流的流动方向。在图1中,空气动力发动机总成包括发动机1、多柱体动力分配器2、动力装置4、控制器系统6、高压气罐组13、恒压罐16、进气控制调速阀23、电子控制单元ECO 29和叶轮发电机22。如图1所示,高压气罐组13通过压缩空气入口管路14与外接加气站或外接加气装置连接,以从外界获得所需的高压压缩空气。压缩空气入口管路14上设有流量计A、压力计P和手控开关(未示出)。流量计A用于测量和监控进入高压气罐组13的压缩空气的流量,而压力计P用于测量和监控进入高压气罐组13的压缩空气的压力。在需要通过外接加气装置或加气站对高压气罐组13进行加气时,打开手控开关,高压压缩空气进入高压气罐组13,当压缩空气入口管路14上的流量计A和压力计P达到规定数值时,关闭手控开关,完成高压气罐组13的充气过程,这样就可获得额定压力下比如30MPa的压缩空气。为了保证储气罐的安全性能,在高压气罐组13上可设置一个、二个或多个安全阀(未示出)。
高压气罐组13可以是具有足够容量的一个、二个、三个、四个或更多个高压气罐以串联或并联的形式组合而成,根据应用场合的实际需要,确定高压气罐组13的组成气罐数。高压气罐组13通过管路15连接到恒压罐16,管路15上同样设置有分别监测和控制压缩空气流量和压力的流量计A和压力计P。恒压罐16用来稳定来自高压气罐组13的高压空气的压力,其压力略低于高压气罐组13内的压力,比如在21-28MPa之间,优选的是在21MPa左右。在恒压罐16和进气控制调速阀23之间设有管路17,管路17上也设置有分别监测和控制压缩空气流量和压力的流量计A和压力计P。来自恒压罐16的高压空气经过进气控制调速阀23的控制和调节后经管路进入控制器系统6。
现在详细地描述进气控制调速阀23。进气控制调速阀23的作用是根据电子控制单元ECO 29的指令信号控制电磁阀的开启时间来决定压缩空气进气量。由于电磁阀具有减压作用,其与减压调压阀组合就形成了调速阀,从而可以将发动机的转速调整在一个合适的范围内。进气控制调速阀23由ECO 29发出的控制信号26控制。在发动机1上可选择性地设有多种传感器,比如测量发动机转速的速度传感器、判断气缸上止点位置的位置传感器以及判断门油踏板位置的门油电位计,还可以是测量发动机机体温度的温度传感器。根据本实用新型的示例性实施例,示出了速度传感器24和/或门油电位计242。速度传感器24可以是现有技术中测量发动机转速的各种速度传感器,并通常设置在曲轴56上。门油电位计242可以是现有技术中测量油门踏板位置的各种位置传感器,其通常设置在门油踏板位置处。在非车辆应用的场合中,类似于踏板位置的门油电位计可以是发动机负荷传感器,例如监测发动机输出力矩的转矩传感器、发电场合中控制发电电流大小的电流选择旋钮的位置传感器等。ECO 29根据各种传感器的信号,比如速度传感器24的速度信号和门油电位计242的位置信号中的任何一个或两个,经过运算处理发出控制信号26,控制信号26控制进气控制调速阀,从而可以实现进气控制调速阀的高速、中速、低速需要,由此相应于发动机的高速、中速和低速转动。
经过进气控制调速阀的高压压缩空气经高压管路流入控制器系统6,并由控制器系统6向发动机1的各个气缸提供高压压缩空气,比如大约7-18MPa之间的压力,优选的是为9-15MPa,更优选的是为11-13MPa,以驱动发动机活塞51在缸体系统40内作往复运动(参考图2-6),并经由连杆54将活塞51的往复运动转变成的曲轴56的旋转运动,从而满足发动机的各种工况下的要求。控制器系统6的具体结构将在后文进行详细地描述。
继续参考图1,从发动机1输出的转动运动经过多柱体动力分配器2分配到例如是发电机4的动力装置。多柱体动力分配器2可与曲轴56上的飞轮固定连接,也可通过比如是联轴器的连接件与曲轴连接,以将动力传递给动力装置4。
由于本实用新型的空气动力发动机由高压空气直接驱动,在曲轴旋转0-180度的过程中,高压空气驱动活塞51运动,在活塞到达下止点后因惯性向上运动时,曲轴继续转动180度-360度,发动机进行排气冲程,此时排气的气体依然具有较高的压力,例如为3MPa左右,具有较高压力的排出气体直接排到大气中一方面容易形成高压尾气流,引起尾气噪声,另一方面损耗了压缩空气所蕴涵的能量。因此,本实用新型设置了叶轮发电机22,试图利用尾气的蕴含压力能。如图1所示,从排气集气28收集的尾气经由管路27进入叶轮发电机22,进入叶轮发电机22的压力尾气驱动叶轮发电机22发电,叶轮发电机22将发出的电经由导线18传递给蓄电池19,以供发动机继续使用。
现在回到图2至图5,图2至图5从不同的角度描述了图1中的发动机1的视图。其中,图2为发动机的正视图,图3为发动机1的右侧侧视图,图4为发动机1的左侧侧视图,图5为发动机的俯视图。进一步参见图6可知,发动机1包括气缸40、缸盖系统36、进气管路42(气门喉管)、排气管路27、活塞51、连杆54、曲轴56、排气凸轮轴800(见图8)、进气凸轮轴200(安装在图9中的进气凸轮轴安装孔113内)、前齿轮箱系统43、后齿轮箱33以及电磁助力器1000。电磁助力器1000通过键1009与曲轴56的曲轴延伸端371固定连接,以随曲轴56转动而转动。前齿轮箱系统43用来传动曲轴56和凸轮轴。后齿轮箱33设置有齿圈31和飞轮32,其可连接到多柱体动力分配器2。在此发动机1的示例性实施例中,分别设置有进气凸轮轴200和排气凸轮轴800,它们均通过前齿轮箱系统43与曲轴56相连,并随曲轴56的转动做适当的转动。由于压缩空气进气直接受控制器系统6的控制和分配,因而在发动机汽缸盖系统36之上取消了进气阀,而仅设置排气阀62,在示例性实施中,排气阀为每个气缸4个,根据需要也可设置为1个、2个、4个或6个。来自控制器系统6的压缩空气经气门喉管42直接进入膨胀排气室63(见图6),在发动机工作时,该压缩空气推动活塞51向下运动,活塞51通过连杆54将活塞51的直线运动转化为曲轴56的旋转运动,曲轴转动实现发动机的输出。在活塞51运动到下止点之后,曲轴56因惯性继续运动,带动活塞51从下止点位置向上止点位置运动,此时排气凸轮轴800通过其上的凸轮和相应的摇臂,打开排气阀62,进行排气冲程。在示例性实施例中,排出的尾气优选的是进入尾气回收回路。
发动机1上还设有用来启动发动机的启动器39和通过例如是皮带轮的连接部件与曲轴相连的发电机391、用于润滑油回油的气缸体油底壳44以及对机油进行过滤的机油过滤器2。该发电机391可以例如整体式交流发电机、无刷式交流发电机、带泵式交流发电机或永磁发电机等,其在发动机工作时给发动机总成供电并给电瓶或蓄电池(图中未示出)充电。
现在参考图6,图6为图1中的电磁助力二冲程空气动力发动机总成的发动机1的曲轴-连杆-活塞系统总成,其中,示出了其中一个活塞-连杆单元与气缸40的连接。在示出的实施例中,优选的是具有6个气缸40,相应地具有6个活塞51和6个连杆54。在备选方案中,活塞51、气缸40和连杆54的数目可以分别是本领域技术人员可以想得到的1个、2个、4个、6个、8个、12个或其他数目个数。相应地,曲轴56作适应地匹配性设计,以适应活塞-连杆单元数。在示例性实施例中,如图6和图7中所见,曲轴56优选的是具有6个单元曲拐,其对应本实用新型的优选实施方案。继续参考图6,在所示出的其中一个活塞-连杆单元与气缸40的连接中,从控制器系统6来的高压压缩空气经由进气管路42通过气缸盖36上的气喉孔402直接进入膨胀排气室63。高压气体在膨胀排气室63内膨胀做功,推动活塞51向下运动,此为做功冲程。做功冲程输出的功通过曲轴连杆系统向外输出动力。活塞51在气缸44内由下止点位置向上止点位置运动时,排气阀62打开,具有一定压力的空气自膨胀排气室63中经由排气管27排出,此为排气冲程。在活塞51快到上止点时,排气阀62关闭,控制器系统6又开始为膨胀排气室63供气,进入下一个循环。显然,本实用新型的发动机的曲轴56每转动一圈(360度),就做功一次,而不像传统的四冲程发动机,在曲轴转动两圈(720度)的过程中完成一次完整的进气、压缩、膨胀和排气冲程。这就如二冲程发动机一样,但又与传统的二冲程发动机不同,因为传统的二冲程发动机通常在气缸底部设有进气口,并在气缸适当位置设有扫气口和排气口。而本实用新型的二冲程发动机是在气缸的顶部设有用于高压压缩空气进气的气喉孔402和用于尾气排放的排气孔272,并且气喉孔402的连通和闭合是进气凸轮轴200通过控制器系统6实现的,而排气孔的连通和闭合是由曲轴带动排气凸轮轴800转动,并通过摇臂控制排气阀62的打开和关闭而实现的。因此本实用新型的电磁助力二冲程空气动力发动机总成是完全不同于传统的二冲程发动机的,其有效地利用了可直接膨胀做功的高压空气,曲轴56每转动一圈活塞51就做功一次,因而在相同的排气量情况下,相比较传统的四冲程发动机而言,功率可提高一倍。
现在参考图5和图6,曲轴56包括齿轮连接螺栓79、曲轴前端80、斜齿轮61、主轴颈78、单元曲拐71、平衡重77、曲柄销76、曲轴后端75和飞轮连接螺栓72。曲轴56上的主轴颈78和曲柄销76上分别设有一个或多个机油润滑油孔,以便为曲轴提供润滑机油。曲轴前端80的右侧(如图中所示方向)相邻处设有齿轮连接螺栓79,以与前齿轮箱系统43中的相应齿轮连接,曲轴前端80的左侧(如图中所示方向)相邻处设有斜齿轮61,以带动凸轮轴转动。曲轴后端75的外侧相邻位置设有飞轮连接螺栓72,以与飞轮32形成固定连接。平衡重77上环设有一个、二个或多个平衡配重孔,以调节平衡重重量。在本实用新型的优选实施例中,曲轴的单元曲拐71包括六个单元曲拐,分别是第一单元曲拐71a、第二单元曲拐71b、第三单元曲拐71c、第四单元曲拐71d、第五单元曲拐71e、第六单元曲拐71f。其分别对应于第一至第六连杆54或活塞51。在备选实施例中,单元曲拐71可包括不同数目的单元曲拐,比如1个、2个、4个、6个、8个或更多个,这些均是本领域技术人员容易想到的。在图6或图7中的优选实施例中,各单元曲拐的相位作如下设置:第一单元曲拐71a与第二单元曲拐71b相差120度、第二单元曲拐71b与第三单元曲拐71c相差120度、第三单元曲拐71c与第四单元曲拐71c相差180度、第四单元曲拐71d与第五单元曲拐71e相差-120度、第五单元曲拐71e与第六单元曲拐71f相差-120度。如此设置下的曲拐单元,可以实现曲拐单元的工作顺序为:第一和第五单元曲拐同时工作,而后第三和第六单元曲拐一起工作,最后第二和第四单元曲拐一起工作。如此一来,相应的发动机气缸的工作顺序为:1-5缸,3-6缸和2-4缸。根据本实用新型的教导,本领域技术人员可设置不同于本实用新型的单元曲拐及其工作相位和工作顺序,但其均落在本实用新型的范围内。
继续参考图6,活塞51通过连杆54与曲轴56连接。连杆54包括连杆小头、连杆体和连杆大头。连杆大头包括连杆盖58,连杆盖58的内侧形成圆形的空间,以通过置于空间内的连杆轴瓦57与曲轴的曲柄销76连接。活塞51的外圆周表面设置有四氟乙烯阻油环53和四氟乙烯活塞环52。在图示的示例性实施例中,每个活塞51上设置有4道四氟乙烯活塞环52和2道四氟乙烯阻油环53。在备选实施例中,四氟乙烯阻油环53和四氟乙烯活塞环52的数目可以变化,例如均可以是2道、3道、4道或更多道。四氟乙烯阻油环53起阻油作用,四氟乙烯活塞环52起刮油作用,它们共同作用,保证润滑油可靠地润滑和密封。
现在参考图8,图8为图2中的发动机1的排气凸轮轴800结构示意图。排气凸轮轴800包括单元凸轮81和链轮83。在示例性实施例中,单元凸轮81包括6个单元凸轮,其分别为第一单元凸轮81a、第二单元凸轮81b、第三单元凸轮81c、第四单元凸轮81d、第五单元凸轮81e、第六单元凸轮81f。在备选实施例中,单元凸轮81的数目可以是1个、2个、4个、6个、8个、12个或更多个,这取决于发动机气缸数和每一个气缸的排气阀个数。在本实用新型的示例性实施例中,每个单元凸轮81包括两个凸轮82,每个凸轮82控制其对应的排气阀62的开启。在图8中的优选实施例中,各个单元凸轮81的相位作如下设置:第一单元凸轮81a与第二单元凸轮81b相差120度、第二单元凸轮81b与第三单元凸轮81c相差120度、第三单元凸轮81c与第四单元凸轮81c相差180度、第四单元凸轮81d与第五单元凸轮81e相差-120度、第五单元凸轮81e与第六单元凸轮81f相差-120度。如此设置下的单元凸轮,可以实现单元凸轮的工作顺序为:第一和第五单元凸轮同时工作,而后第三和第六单元凸轮一起工作,最后第二和第四单元凸轮一起工作。如此一来,相应的发动机气缸的工作顺序为:1-5缸,3-6缸和2-4缸。根据本实用新型的教导,本领域技术人员可设置不同于本实用新型的单元凸轮及其工作相位和工作顺序,但其均落在本实用新型的范围内。
现在参考图9,图9A-图9C统称为图9,其为图1中的电磁助力二冲程空气动力发动机总成的控制器系统6的视图。如图9所示,控制器系统6包括高压共轨恒压管91、控制器下座97、控制器中座98、控制器气门92、控制器弹簧94以及控制器上盖108。高压共轨恒压管91具有圆柱形外形,其也可为矩形、三角形等外形。高压共轨恒压管91内部为例如是圆柱形的腔道,以接受来自进气控制调速阀23的高压进气,并大体上保持腔道内的压缩空气压力均衡,以便使初始进入各个气缸40的膨胀排气室63内的高压空气具有相同的压力,从而使发动机工作平稳。高压共轨恒压管91的两端固定装配有高压共轨恒压管端盖100,在其与进气控制调速阀23连接的端盖100具有向外延伸的凸缘(图中未标记),该凸缘伸入到高压进气控制调速阀23和高压共轨恒压管91之间的管路内,并通过例如是螺纹的连接方式与高压管路可拆卸地固定连接。高压共轨恒压管端盖100通过端盖连接螺栓与高压共轨恒压管91连接。高压共轨恒压管91上设有对应于气缸40的数目的上盖连接孔111,在图示的优选实施例中,上盖连接孔111的数目为6。控制器上盖108在沿其中心线的剖面上具有倒T形,其具有圆柱形的支进气管路112和圆形下表面(图中未标记),支进气管路112通过其上端外围的螺纹连接到上盖连接孔111内,以与高压共轨恒压管91形成固定可拆卸地连接。控制器上盖108通过上盖与中座连接螺栓或其他紧固件与控制器中座98形成密封的、可拆卸固定连接。控制器中座98通过中座与下座连接螺栓110或其他紧固件与控制器下座97形成密封的可拆卸固定连接。
如图9所示,控制器中座98在其中心处设有直径不同的孔,从上到下依次为控制器气门座套孔120、控制器气门孔117、油封衬套孔116、控制器气门弹簧孔119。在示例性实施例中,孔120的直径大于孔117的直径并且大于孔116的直径。孔117的直径大于孔116的直径。孔119的直径可以和与孔117的直径相同或不同,但要求大于孔116的直径。在优选实施例中,孔119的直径等于孔117的直径,但略小于孔120的直径。控制器气门座套93安装在控制器气门座套孔120内,并支撑在控制器气门孔117之上。控制器气门孔117为空腔,其与气喉孔连接孔118连通,以在控制器气门92打开时,将来自高压共轨恒压管91的压缩空气经由支进气管路112进入气喉孔连接孔118。气喉孔连接孔118的一端与控制器气门孔117连通,另一端联通缸盖系统36的气喉孔402,其保持常通,因而可在控制器气门92打开时,将压缩空气送入膨胀排气室63,从而驱动发动机工作。油封衬套99安装在油封衬套孔116内,并支撑在控制器气门弹簧94之上,其内通过控制器气门92的气门杆(图中未标记)。该油封衬套99除了对控制器气门92进行密封外还对气门杆起导向作用。控制器气门弹簧94安装在控制器气门弹簧孔119内,其下端支撑有控制器气门弹簧下座95,并通过控制器气门锁夹片紧固在控制器气门弹簧下座95之上。在发动机不工作时,控制器气门弹簧94预加载一定的预张力,其将控制器气门92抵靠在控制器气门套座93上,控制器气门92关闭。
控制器下座97内部设有示例性的6个控制器挺柱安装孔114,其根据发动机气缸数的不同,可以设置不同数目的控制器挺柱安装孔114,例如可以是1个、2个、4个、6个、8个、10个或更多。控制器挺柱115安装在控制器挺柱安装孔114内,并随安装在进气凸轮轴安装孔113内的进气凸轮轴200转动而上下往复运动。当需要给发动机气缸40提供高压压缩空气时,进气凸轮轴200的凸轮向上顶起控制器挺柱115,控制器挺柱115继而顶起控制器气门92的气门杆,使得气门杆克服控制器气门弹簧94的拉力,离开控制器气门套座93,从而控制器气门打开,高压压缩空气得以从高压共轨恒压管91进入膨胀排气室63,以满足发动机的供气需求。在进气凸轮轴200随曲轴56转过一定角度后,控制器气门92的气门杆在控制器气门弹簧94的恢复力作用下重新坐落在控制器气门套座93上,控制器气门92关闭,供气结束。由于本实用新型的空气动力发动机为二冲程发动机,曲轴56每转动一周,控制器气门92和排气阀62各开闭一次,因此,很容易设置进气凸轮轴200和排气凸轮轴800的凸轮相位以及它们与曲轴的连接关系,其详细的结构和运动传递见图10的示例性说明。
现在参考图10,图10A-图10C统称为图10,其为图1中的电磁助力空气动力发电机系统的发动机1的前齿轮箱系统43的不同视图。如图10所示,前齿轮箱系统包括多边形盖313、传动齿轮308、曲轴齿轮307、过桥齿轮303、进气凸轮轴齿轮302、排气凸轮轴齿轮306。曲轴齿轮307与穿过多边形盖313的曲轴56一端固定连接,以传递来自曲轴的转动。曲轴56在多边形盖313另一侧的突出延伸端3071(此处称曲轴延伸端)用来连接电磁助力器1000,电磁助力器1000为曲轴55的转动提供助力,以提高发动机的性能。电磁助力器1000的详细结构和工作过程将在后文描述。
曲轴齿轮307的下方(图10B中所示方位)设有例如是机油泵齿轮的传动齿轮308,以通过传动齿轮308带动例如是机油泵的构件转动。在曲轴齿轮307的上方从左至右(图10B中所示方位)依次设置有进气凸轮轴齿轮302、过桥齿轮303、排气凸轮轴齿轮306。曲轴齿轮307与过桥齿轮303直接接合以带动过桥齿轮303转动。过桥齿轮303同时与左右两侧的进气凸轮轴齿轮302和排气凸轮轴齿轮306接合,以在曲轴56转动时,通过曲轴齿轮307、过桥齿轮303带动进气凸轮轴齿轮302和排气凸轮轴齿轮306的转动,从而使进气凸轮轴200和排气凸轮轴800转动,最终实现排气阀62和控制器气门92的开启和关闭。在示例性实施例中,排气凸轮轴齿轮306直接固定连接在排气凸轮轴800上,从而排气凸轮轴齿轮306的转动直接带动排气凸轮轴800的转动。而进气凸轮轴齿轮302的中心轴的适当位置上固定有皮带轮(未示出),该皮带轮通过凸轮轴传动皮带35与设置在进气凸轮轴200上的皮带轮连接,从而带动进气凸轮轴200转动,实现控制器气门92的开启和关闭。在备选实施例中,进气凸轮轴齿轮302的中心轴的适当位置上也可固定有链轮(未示出),该链轮通过链条与设置在进气凸轮轴200上的链轮连接,从而带动进气凸轮轴200转动,实现控制器气门92的开启和关闭。
多边形盖313上设有多个不同作用的孔,例如螺钉连接孔309、螺钉孔310和螺栓连接孔311。多边形盖313通过螺钉连接孔309连接到发动机箱体上,过桥齿轮303通过螺钉孔310连接到多边形盖313上,螺栓连接孔311用来将多边形盖311与发动机箱体连接。螺栓连接孔311可以设置在焊接在多边形盖311上的焊接柱305内。多边形盖311上还设有供润滑油流动的油孔304和用于安装吊环的吊环座12。
现在参考图11,图11A-图11C统称为图11,其为图1中的电磁助力二冲程空气动力发动机总成的多柱体动力分配器2的不同视图。如图11所示的本实用新型的示例性实施例,多柱体动力分配器2是多级动力分配器,其由一级601、二级602、三级603、四级604、五级605(图10B所示的方向由左至右)组成。在备选实施例中,多柱体动力分配器可由不用于本实用新型的五级的其他级组成,例如三级、四级、六级或七级等。每一级的结构大体相同,均包括行星齿轮401、内齿圈407和太阳轮405。可根据需要均匀设定每一级的行星轮的个数,例如3个、5个、7个或更多个。在示例性实施例中,每一级均包括5个均匀分布的行星齿轮401。这样做的好处在于,行星齿轮的均匀分布可使主轴的受力均匀,传动平稳而且传动功率大。如图11B所示,一级601和二级602的行星齿轮401之间通过行星齿轮销403连接,以使一级601、二级602同步转动。行星齿轮销403通过光滑的平键4021或花键与行星齿轮401连接。在示例性实施例中,行星齿轮销403可以是细圆柱形的销,其外形也可以是矩形、梯形、半圆形,其个数可以是每一级采用二个、三个、四个、五个或更多个。二级602和三级603的太阳轮405通过太阳齿轮销406连接,以实现二级602和三级603的联动。三级603和四级604之间的连接关系类似于一级601和二级604之间的连接关系,四级604和五级605之间的连接关系类似于二级602和三级603之间的连接关系。如此一来,多柱体动力分配器4的一级602到五级603实现了动力的传递,可以将来自一级601的动力输入从五级605中输出。尤其注意的是,每一级的行星齿轮401只绕自身轴线作自传运动,而不绕相应太阳轮405作公转运动,这样的布置使多柱体动力分配器的内部结构相对简单,易于平稳地传递动力。
现在描述多柱体动力分配器2的工作原理。发动机1的曲轴51上设有飞轮32,飞轮32的外围固定连接有齿圈31,该齿圈31具有外齿圈,其与多柱体动力分配器2的一级601上的具有内齿的内齿圈407啮合,以将曲轴56的运动传递到一级601的内齿圈407。一级601的行星齿轮401与二级602的行星齿轮连接,动力自一级601传递到二级602,二级602的行星齿轮401带动二级的太阳轮405转动。二级的太阳轮405通过太阳齿轮销406与三级的太阳轮连接,带动三级的太阳轮405转动,动力自二级602传递到三级603。三级603以类似于一级601的方式,将三级603的动力通过行星齿轮401将动力传递到四级604。四级604以类似于二级的方式将四级604的动力通过太阳轮405传递到五级605。在本实用新型的实施例中,五级605的行星齿轮401的转动轴为动力输出端,动力通过行星齿轮401分为多路(本实用新型示例性地示出了两路)传递到与多柱体动力分配器2连接的元件,例如在本实用新型的示例性实施例中,该元件是比如是发电机的动力装置4。这样一来,动力从发动机的曲轴56输出,通过多柱体动力分配器2实现多路输出。相比较传统发动机的变速箱有利地是,采用五级行星齿轮的传递进行动力再分配,即实现了省力又减少了传递中的扭矩振动。
现在描述电磁助力器1000的详细结构和工作原理。图13-16描述了本实用新型的电磁助力器1000的不同实施例。在图13-16中,相同的标记表示完全相同的部件。现在参考图13A-13C,图13A为图1中的电磁助力空气动力发电机系统的电磁助力器的一个优选实施例的立体透视图,其示出了转子和定子各2个铁芯的情况;图13B为图13A的正视图;图13C为图13A的中心剖视的截面图。电磁助力器1000包括助力器外壳1001、定子部分、转子部分。定子部分由定子铁芯固定盘1002、定子铁芯1004和定子铁芯线圈1003组成。转子部分由转子铁芯固定盘1007、助力器飞轮1008、转子铁芯1005和转子铁芯线圈1006组成。电磁助力器1000外形成环形筒状,助力器外壳1001位于电磁助力器1000的最外围,其一般由隔磁材料比如铁制成。定子部分的定子铁芯固定盘1002固定连接在助力器外壳1001上,定子铁芯1004插接在定子铁芯固定盘1002上,其上缠绕有定子铁芯线圈1003。
转子铁芯固定盘1007通过过盈配合或螺纹连接固定安装在助力器飞轮1008上,以随助力器飞轮1008转动。转子铁芯固定盘1007上插接有转子铁芯1005,转子铁芯上缠绕有转子铁芯线圈1006。助力器飞轮1008通过键1009与曲轴56固定连接。在本实用新型的示例性实施中,助力器飞轮1008通过花键或平键或销1009与曲轴延伸端3071固定连接,从而使得曲轴56的旋转带动助力器飞轮1008旋转,进而带动转子铁芯1005转动。
通过上面的描述可以知道,本实用新型的电磁助力器1000为分体结构,即定子部分和转子部分是分体安装的,分体安装的好处在于简化电磁助力器的结构,并使得转子部分和定子部分的安装、维修和保养可以单独进行。尽管本实用新型电磁助力器1000采用分体结构,但转子部分和定子依然很好地配合工作。如图13C中所示,定子部分通过定子铁芯固定盘1002与助力器外壳1001固定连接,比如是螺纹连接或过盈配合,即定子部分与助力器外壳1001相互间不存在运动关系,助力器外壳1001通过穿过外壳安装孔1011的螺栓或螺钉等紧固件与前齿轮箱系统43的多边形盖313形成固定连接,从而将定子固定安装在发动机1上。而转子部分通过助力器飞轮1008与曲轴延伸端3071的固定连接而随曲轴56转动,如此一来,电磁助力器1000的定子部分和转子部分可以协同一致地工作。
在图13所示的电磁助力器结构中,定子部分和转子部分均由两个铁芯组成,即2个成180度放置的转子铁芯1006和2个成180度放置的定子铁芯1004组成。如图13B中所示,为了使转子部分的转子铁芯线圈1006与定子部分的定子铁芯线圈1003所产生的电磁场同极相斥产生的作用力推动曲轴56转动,可以适当地将定子铁芯1004适当地倾斜安装,比如可以将定子铁芯1004相对于转子铁芯1005的延长线成5°至30°的锐角角度倾斜安装,优选地是,倾斜角度可以是10°至25°,更优选地是,倾斜角度可以是12°至20°。在本实用新型的优选实施中,可以选定定子铁芯1004相对于转子铁芯的倾斜角度为5°、8°、12°、15°、20°。为了更好地利用线圈1006和1003所产生的磁场,减少铁耗,定子铁芯1004由硅钢片叠成,而转子铁芯1005由整体的钢制成或者也由硅钢片叠成。
现在进一步描述电磁助力器1000的工作原理。电磁助力器1000之所以助力在于其利用了电磁铁或永磁铁之间同极相斥异极相吸的磁场特性。如图13B中所示,当上方位置的转子铁芯1005靠近顶部的定子铁芯1004时,此时两个铁芯通有相反方向的电流(按图示的缠绕方法,绕法相同,电流方向相反),则定子铁芯1004和转子铁芯1005产生的磁场方向相对(例如:定子铁芯的N级向圆心而转子铁芯的N级向圆外,或者定子铁芯的N级向圆外而转子铁芯的N级向圆心),使内外铁芯之间存在斥力,则定子铁芯1004就会推动转子铁芯1005转动。当转子部分转到一定角度(在2铁芯的实施例中,接近180度)后,同一个转子铁芯1005在靠近下一个定子铁芯1004时,同极之间的斥力就会成为转子部分转动的阻力,此时需要对定子部分和转子部分的线圈同时断电,由于断电,转子铁芯1005和定子铁芯1004之间的磁场就会消失,助力器飞轮1008由于惯性继续运动,当同一个转子铁芯1005越过另一个定子铁芯1004时,继续对线圈通电,此时转子铁芯1005和定子铁芯1004之间所存在的同极之间的斥力又会促动转子部分继续转动,如此周而复始地在电磁作用力下转动,实现对曲轴转动的助力目的。
由上述的分析可知,要想使电磁助力器1000起到可靠的助力作用,关键在于通断流的时机。在本实用新型中,对线圈1006、1003正确通断电流的实现在于采用了角位移传感器1010和电子控制单元ECO29。如图13C中所示,在曲轴延伸端371上设置有角位移传感器1010,角位移传感器1010为电位计式或霍尔式或光电式或导电塑料式或电容式或电感式角位移传感器,其检测曲轴旋转所产生的角度。在初始位置,即如图13B中所示的位置,顶部定子铁芯1004和上转子铁芯1005大体上处于同一直线上(由于定子铁芯1004的倾斜安装,实际上存在一个较小的夹角),以此位置为参考基础,上转子铁芯1005顺时针转动的角度计为θ,在初始位置θ为0。当上转子铁芯1005顺时针转动时,角位移传感器1010向电子控制单元ECO 29输出一个角位移逐渐增加的信号,电子控制单元ECO 29接通电磁助力器1000的电源(在图中未输出,其可以是蓄电池单元也可以是提供直流电流的任何电源),此时,顶部定子铁芯1004和上部转子铁芯1005同时产生极性相同的电磁极,顶部定子铁芯1004排斥上部转子铁芯1005,使上部转子铁芯1005加速顺时针转动,并转过一定角度。由于电磁的排斥力所产生的运动与转子铁芯1005的运动方向相同,因而产生助力转动。待上部转子铁芯1005转过一定角度δ后,角位移传感器1010再发一个信号给电子控制单元ECO 29,使线圈1005和1003断电,转子部分由于惯性继续转动。当上部转子铁芯1005转过的角度θ为360/2=180度时,角位移传感器1010再给电子控制单元ECO 29一个信号,电子控制单元ECO 29接通电磁助力器1000的电源,此时,上部转子铁芯1005运动到下部位置(跟起始位置成180度),该转子铁芯1005与底部定子铁芯1004同时产生极性相同的电磁极,底部定子铁芯1004排斥转子铁芯1005,使转子铁芯1005加速顺时针转动,并转过一定角度。由于电磁的排斥力所产生的运动与转子铁芯1005的运动方向相同,因而产生助力转动。由于定子铁芯1004和转子铁芯1005的数目相同,且均匀等间隔的分布,因而上述过程能够循环进行,曲轴56在电磁力的作用下转动,从而实现了电磁助力的目的。
角度δ的设定可以根据实际需要而定,由于电磁助力器的助力作用是依靠同性磁极之间的排斥作用,因而相同磁性的磁极呈现一定角度的偏差后,排斥作用效果就会弱很多,另外,基于节能的考虑,也不能使起助力作用的电磁助力器长时间通电,因此δ应当选定较小的角度,例如可以是10度、12度、15度等小于30度的角度。
值得注意的是,在叙述本实用新型的电磁助力器工作原理时,假定如图13B所示的方位顺时针为正的,本领域技术人员也可设定逆时针方向的曲轴转角,如果设定逆时针方向为正,则如图13B所示的定子铁芯1004的安装位置的斜角应当反向。
此外,当电磁助力器处于工作状态时,电子控制单元ECO 29还可根据速度传感器24传来的信号调节电磁助力器1000中电流的大小,其调节方式为:当发动机1低速转动时,供给电磁助力器1000的电流量最大;随着发动机转速的提高,电子控制单元ECO 29便逐渐减少电磁助力器中的电流,以确保发动机在低速转动时具有稳定的力矩输出,而在高速转动时,提升发动机的高速转动特性,加速进排气的过程,从而在提高发动机最大转速的同时,提高发动机的效率。同样,当电磁助力器处于工作状态时,电子控制单元ECO 29还可根据门油电位计242传来的信号调节电磁助力器1000中电流的大小,其调节方式为:当油门大时,供给电磁助力器1000的电流量最大;随着油门的减少,电子控制单元ECO 29便逐渐减少电磁助力器中的电流。
图14、图15和图16为本实用新型的电磁助力器1010的变型,其构成和工作原理与图13所示的电磁助力器1010大体上相同,相同的部分在此不再细述,本领域技术人员应当能从上文的描述得到图14、图15和图16所示的电磁助力器的相关细节。其结构区别主要体现在定子铁芯1004和转子铁芯1005的数目的不同。对于图14,其示出了转子和定子各3个铁芯的情况。参考图14B,三个定子铁芯1004成120度夹角均匀分布在定子铁芯固定盘1002上,三个转子铁芯1005也成120度夹角均匀分布在转子铁芯固定盘1007上。在此实施例中,电磁助力器1000的电流通断时机和图13约有不同,其工作原理和图13是一样的。即在初始位置,即如图14B中所示的位置,顶部定子铁芯1004和上转子铁芯1005大体上处于同一直线上,当转子铁芯1005顺时针转动时,角位移传感器1010向电子控制单元ECO 29输出一个角位移逐渐增加的信号,电子控制单元ECO 29接通电磁助力器1000的电源,此时,顶部定子铁芯1004和上部转子铁芯1005同时产生极性相同的电磁极,顶部定子铁芯1004排斥上部转子铁芯1005,使上部转子铁芯1005加速顺时针转动,并转过一定角度。待上部转子铁芯1005转过一定角度δ后,角位移传感器1010再发一个信号给电子控制单元ECO 29,使线圈1005和1003断电,转子部分由于惯性继续转动。当上部转子铁芯1005转过的角度θ为360/3=120度时,角位移传感器1010再给电子控制单元ECO 29一个信号,电子控制单元ECO 29接通电磁助力器1000的电源,此时,上部转子铁芯1005运动到第二位置(跟起始位置成120度),该转子铁芯1005与第二位置定子铁芯1004同时产生极性相同的电磁极,第二位置定子铁芯1004排斥转子铁芯1005,使转子铁芯1005加速顺时针转动,并转过一定角度。由于电磁的排斥力所产生的运动与转子铁芯1005的运动方向相同,因而产生助力转动。如此,转子铁芯每转动120度,电子控制单元ECO29控制电磁助力器1005的线圈通断电流各一次,因而上述过程能够循环进行,曲轴56在电磁力的作用下转动,从而实现了电磁助力的目的。
对于图15,其示出了转子和定子各4个铁芯的情况。参考图14B,三个定子铁芯1004成90度夹角均匀分布在定子铁芯固定盘1002上,三个转子铁芯1005也成90度夹角均匀分布在转子铁芯固定盘1007上。在此实施例中,电磁助力器1000的电流通断时机和图13和图14约有不同,其工作原理和图13和图14是一样的。其不同之处在于角位移传感器1010给电子控制单元ECO 29发送信号的时机。在图15所示的实施例中,转子铁芯1005每转过的角度θ为360/4=90度时,角位移传感器1010再给电子控制单元ECO 29一个信号,电子控制单元ECO 29接通电磁助力器1000的电源,从而产生助力转动。如此,转子铁芯每转动90度,电子控制单元ECO29控制电磁助力器1005的线圈通断电流各一次,循环此过程而得以实现电磁助力的目的。
对于图16,其示出了转子和定子各5个铁芯的情况。参考图14B,三个定子铁芯1004成72度夹角均匀分布在定子铁芯固定盘1002上,三个转子铁芯1005也成72度夹角均匀分布在转子铁芯固定盘1007上。在此实施例中,电磁助力器1000的电流通断时机和图13、图14和图15约有不同,其工作原理和图13、图14和图15是一样的。其不同之处在于角位移传感器1010给电子控制单元ECO 29发送信号的时机。在图16所示的实施例中,转子铁芯1005每转过的角度θ为360/5=72度时,角位移传感器1010再给电子控制单元ECO 29一个信号,电子控制单元ECO 29接通电磁助力器1000的电源,从而产生助力转动。如此,转子铁芯每转动72度,电子控制单元ECO 29控制电磁助力器1005的线圈通断电流各一次,循环此过程而得以实现电磁助力的目的。
综上所述,本实用新型所公开的电磁助力器结构简单,分体构成,因而维修和保养方便,其不仅能够保证空气动力发动机在低速转动时具有稳定的力矩输出,还能提高发动机的转速。电磁助力装置的存在改善了整个空气动力发电机系统的效能,提高了发电效率。
本说明书详细地公开了本实用新型,包括最佳模式,并且也能使本领域的任何人员实践本实用新型,包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何引入的方法。本实用新型的保护范围由附加权利要求限定,并可包括在不脱离本实用新型保护范围和精神的情况下针对本实用新型所作的各种变型、改型及等效方案。
Claims (13)
1.一种电磁助力二冲程空气动力发动机总成,其包括:二冲程发动机(1),其包括气缸(40)、缸盖系统(36)、进气管路(42)、排气管路(27)、活塞(51)、连杆(54)、曲轴(56)、排气凸轮轴(800)、进气凸轮轴(200)、前齿轮箱系统(43)、后齿轮箱(33)和电磁助力器(1000);所述活塞(51)经由连杆(54)连接到曲轴(56);所述前齿轮箱系统(43)用来传动曲轴(56)和凸轮轴(800,200),所述缸盖系统(36)上设有用于压缩空气进气的气喉孔(402)和用于尾气排放的排气孔(272);高压气罐组(13),其通过管路(14)与外接加气装置连通;其特征在于,所述电磁助力二冲程空气动力发动机总成还包括:恒压罐(16),其通过管路(15)与高压气罐组(13)连通;进气控制调速阀(23),其通过管路(17)与恒压罐(16)连通;控制器系统(6);以及电子控制单元ECO(29),其根据传感器(24,242)所检测的信号控制进气控制调速阀(23),并且根据角位移传感器(1010)所发出的信号控制电磁助力器(1000)中的线圈(1003,1006)的电流;所述前齿轮箱系统包括多边形盖(313)、传动齿轮(308)、曲轴齿轮(307)、过桥齿轮(303)、进气凸轮轴齿轮(302)、排气凸轮轴齿轮(306);曲轴齿轮(307)通过过桥齿轮(303)将来自曲轴(56)的运动传递给驱动进气凸轮轴(200)的进气凸轮轴齿轮(302)和驱动排气凸轮轴(800)的排气凸轮轴齿轮(306)。
2.根据权利要求1所述的发动机总成,其特征在于,所述电磁助力器(1000)通过曲轴(56)的延伸端(3071)固定连接在曲轴(56)上,并配置在前齿轮箱系统(43)的外侧。
3.根据权利要求1所述的发动机总成,其特征在于,其进一步包括多柱体动力分配器(2),所述多柱体动力分配器(2)包括五级,分别是一级(601)、二级(602)、三级(603)、四级(604)、五级(604),每一级均包括内齿圈(407)、行星齿轮(401)和太阳轮(405)。
4.根据权利要求1所述的发动机总成,其特征在于,所述进气控制调速阀(23)是电磁比例阀或电磁比例阀和减压阀的组合。
5.根据权利要求1所述的发动机总成,其特征在于,所述控制器系统(6)包括高压共轨恒压管(91)、控制器上盖(108)、控制器中座(98)和控制器下座(97),所述控制器上盖(108)、控制器中座(98)和控制器下座依次通过螺栓可拆卸地密封连接。
6.根据权利要求1所述的发动机总成,其特征在于,所述传感器是发动机转速传感器(24)或门油电位计(242)或两者的组合。
7.根据权利要求5所述的发动机总成,其特征在于,所述控制器上盖(108)内设有支进气管路(112),所述支进气管路(112)螺纹连接到高压共轨恒压管(91)。
8.根据权利要求5所述的发动机总成,其特征在于,所述控制器中座(98)内安装有控制器进气门(92)、控制器气门弹簧(94)和控制器气门座套(93),所述控制器气门(92)受控制器气门弹簧(94)的预作用力在发动机无需进气时抵靠在控制器气门座套(93)上。
9.根据权利要求8所述的发动机总成,其特征在于,所述控制器下座(97)内设有控制控制器气门(92)开闭的控制器挺柱(115),所述控制器挺柱(115)由进气凸轮轴(200)致动。
10.根据权利要求1所述的发动机总成,其特征在于,所述电磁助力器包括转子部分、定子部分和助力器外壳(1001),所述定子部分包括:定子铁芯固定盘(1002)、定子铁芯(1004)和定子铁芯线圈(1003);所述转子部分包括:转子铁芯固定盘(1007)、转子铁芯(1005)、转子铁芯线圈(1006)以及助力器飞轮(1008)。
11.根据权利要求10所述的发动机总成,其特征在于,所述定子铁芯固定盘(1002)与助力器外壳(1001)螺纹连接或过盈配合,所述助力器外壳(1001)通过穿过外壳安装孔(1011)的紧固件固定连接在发动机(1)的前齿轮箱系统(43)的多边形盖(313)上,并设置在前齿轮箱系统(43)的外侧。
12.根据前述权利要求中任一项所述的发动机总成,其特征在于,所述电子控制单元ECO(29)根据转子铁芯(1005)或定子铁芯(1004)数目的不同,而在曲轴(56)转动一周的过程中,通断电流的次数不同。
13.根据权利要求10-11中任一项所述的发动机总成,其特征在于,所述转子铁芯(1005)的个数为2、3、4或5。
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Granted publication date: 20120711 Effective date of abandoning: 20141203 |
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RGAV | Abandon patent right to avoid regrant |