专利名称：受迫振动直动发电系统改进方案的制作方法
技术领域：
本发明涉及受迫振直动发电系统，尤其是动力传动轴采用大直径中空式，振动弹簧分别位于传动轴内外，减小长度；第一活塞环采用大桶度非对称活塞环，降低摩擦损失； 燃烧室结构采用缸盖与活塞近平行且平滑结构，降低燃烧室传热损失；气门顶杆采用双槽式连接及放射形锁定台阶，使结构紧凑；气门电磁铁加速驱动电路采用长时预充电吸能回馈加速电路，简化电路并节能的受迫振动直动发电系统。
背景技术：
目前公知各种直动发电方案中主要有①通过气缸联合工作杠杆驱动，这类工作方式少了曲轴，但又增加了杠杆等机构，没有明显的优势；②新增密闭气缸，靠压缩空气的驱动，这类工作方法要保证新增气缸的密封，如果不能完全保证，还要增加补气系统，基本实现不了 ；③依靠电流驱动，应该说这类系统比较简单，控制也较方便，但在每个做功循环中有8次电能和机械能之间的转换(四冲程发动机)，增加了电损耗，实际很难取得提高效率的效果；④在US6349683发明中提出了二冲程用弹簧振动实现活塞往复运动的小型发电机 O 3英寸)；这类发电机在压缩冲程中利用了弹簧驱动，可实现二程发动机直动工作，但对于四冲程来说，排气冲程气缸压力低，而压缩冲程气气缸压力很高，不能实现排气冲程和压缩冲程协调工作，因此不能用于常规的四冲程发动机。在200710004101. 6发明中提出的 “受迫振动直动发电、缓冲储能、电动驱动汽车”中的直动发电方案提出利用机械弹簧(或磁体)形成振动体系，活塞在非做功冲程期间，依靠振动体系和线圈的电磁力驱动；发电机产生的电流通过电容缓冲后驱动电动机；该系统通过控制发电机中线圈电流的方法，实现活塞的冲程和压缩比优化，通过控制投入工作气数量和进气冲程的距离来调整功率；气门的驱动利用受迫振动体系，电磁力补充能量的方式并实现气门正确开闭，该系统通过方便调整压缩比，采用压燃式工作，保证在宽工况、多燃料下实现较高压缩比的方式，提高系统效率。在200710004101. 6发明中提出的“受迫振动直动发电、缓冲储能、电动驱动汽车”
中的直动发电方案，通过控制投入工作气缸数量和进气冲程的距离来调整功率，主要缺点为频率相对固定，发动机工作动态范围较窄；在主振动体(发电线圈、活塞、螺旋弹簧及其连接机构)外附加碟形弹簧，碟形弹簧与主振动体无固定连接，当主振动体压缩碟形弹簧并离开碟形弹簧后，碟形弹簧会进入高频振动，这会形成噪声，另外在下一次主振动体对弹簧的压缩初期，碟形弹簧的振动相位难以控制，增加两个对称的气缸工作相位差，也会增加振动和噪声。PCT/CN2008/071781及相关国内专利申请中提出了带加速弹簧和同拍机构的受迫振动直动发电系统，降低受迫振动直动发电系统碟形弹簧的噪声，并实现频率可调。受迫振动直动发电系统为了减小机体的振动，采用气缸水平对置，同步工作的方式，使机体中部受力平衡，减小振动，但在水平方向有两个发电单元，两个气缸单元，振动弹簧安装在缸体以外，为首尾串连，长度难以减小。常规活塞式发动机活塞的机械损失占机械损失的50%左右，降低活塞摩擦损失的方法主要为提高加工精度，良好的表面处理，良好的润滑，及采用摩擦较小桶形结构，活塞环外表面和下表面为密封面，当气缸中压力升高时，上表面和内表面承受气体压力，内表面的压力使得侧压力升高，摩擦损失增高，常规方案可以采用高强度材料，减小活塞环高度的方法，降低高压气体的侧压力，但为了保证强度，在相同材料下，厚度减小量是有一定限度的。传热损失是影响发动机效率的重要方面，常规发动机为了提高效率，需优化燃烧室结构，增加紊流，加快燃烧速度，而降低传热损失需降低紊流，二者是矛盾的，因此在燃烧室结构设计时，主要考虑提高燃烧速度，很少考虑降低传热损失。在200810009996. 7中提出的带保护机构受迫振动系统，提出了一种机械加电磁铁配合的保护机构和双电源吸能回馈电磁铁驱动电路，保护机构体积较大，原电路图不能实现所说明的功能，双电源结构较复杂。
发明内容
它是将直动发电系统的传动轴改为大直径中空式，振动弹簧分别位于传动轴内外，直动电机内铁心和直动电机驱动架为放射状，驱动架通过内铁心的放射性缝隙驱动动子，降低系统长度；利用均质压燃技术，提高燃烧速度，燃烧室形状设计时主要考虑降低紊流，推荐活塞和缸盖采用曲率一致的球面形状，降低对流传热损失；第一活塞环采用非对称大桶度形状，降低高压气体所造成的侧压力，降低侧压摩擦损失；气门杆端部采用二槽式连接，端部为与锁心相同的放射状，通过减速电机驱动锁心转动相应角度实现气门杆的锁定和解锁；减小气门锁定的体积，气门电磁铁加速驱动电路采用预充电吸能回馈加速电路，取消高压电源部份，实现气门加速并节省能耗的目的。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是(1)大直径中空式传动轴，放射状内铁心结构，减少系统长度和重量原方案两组振动弹簧安装在气缸体底部以外的基座上，为了保证行程和强度，弹簧的总长较长，本案将传动轴改为大直径中空式，振动弹簧分别位于传动轴内外，弹簧的安装空间延伸到气缸内，增加了弹簧的安装空间，相应可减少系统长度，使设计方法更为灵活；原方案直动电机铁心为一端开口式，传动轴通过类似筒状的机械与动子相连，其最小长度为行程2倍，同时由于磁通回路仅通过铁心一端，当采用单极的时(动磁或动圈)，所需铁心体积接近两端磁路的体积两倍，增加了系统重量，本方案将内铁心和端部做成放射状，磁通通过实体部份购成回路，放射状传动轴连接架通过内铁心的放射性缝隙驱动动子(磁铁或线圈)，这样电机长度为行程加上动子长度，约为行程的1. 5倍，同时由于采用两端导磁方法，铁心截面减小，重量减轻。(2)第一活塞环采用非对称大桶度形状在发动机机械损失中，活塞环的损失占总损失的50%左右，而主要损失来自活塞的侧压力，侧压力由三部份购成，①活塞环的弹性力；②曲轴转动造成的侧压力；③高气压造成的侧压力，直动发电方案没有曲轴转动的侧压力，主要摩擦损失为高气压造成的侧压力；对于直动系统而言，侧压力是均衡的，缸壁的厚度的磨损是均勻的，所以活塞的弹性力密封相对可靠，可降低气压密封，本方案充分运用此特点提出了不对称大桶度活塞环，在活塞的上部(以最大直径为界)采用超过机油膜厚度的桶度，在下部采用正常的桶度，同时下部高度小于上部高度，当存在高压气体时，活塞环不仅有上表面、内表面要承受压力，部份外表面也要承受压力，侧压力等于内表面压力减去外表面压力，这样就降低了摩擦损失，该方案与常规方案一样，要尽可能降低活塞环高度，根据实际密封面高度，降低活塞环宽度， 降低侧压力，活塞环外承压面的压强与常规设计基本一致。(3)活塞和缸盖为平行且光滑的形状，降低对流传热损失燃烧室的传热损失是影响发动机效率的重要方面，影响传热速度有时间，流动状态，温度，面积等，传热时间、温度、面积等与转速、功率有关，不容易调整，由于主要的传热方式为对流传热，流动状态对传热影响很大，但常规发动机提高燃烧速度需要增加紊流，而增加紊流要增加传热损失，二者难以兼顾，本方案利用直动发电的特点，采用均质压燃方式，来提高燃烧速度，采用简化燃烧室结构，尽可能降低紊流的方法降低传热损失，推荐活塞和缸盖采用同一曲率的球面，使混合气尽可能平行运动，减小紊流。(4)气门顶杆采用双槽式连接及放射状锁定台阶，优化结构为了减小气门锁定机构的体积，本方案气门杆端部采用双环槽式连接，靠气门盘的槽用于固定气门驱动衔铁，端部槽顶部为与锁心相对应的均勻放射状台阶，通过减速电机驱动锁心转动相应角度实现气门杆的锁定和解锁使整个锁定机构安装在气门电磁铁及气门弹簧的内部空间内，减小体积。(5)气门驱动电磁铁采用放射状骨架为了减小气门的电磁涡流损失，同时保证单位面积的磁力，气门驱动电磁铁和驱动衔铁应采用硅钢片，并竖直叠置(硅钢片面与气门杆平行)，对于圆形结构采用放射状， 由于气门驱动电磁铁和驱动衔铁中心带孔，硅钢片叠置困难，本方案圆形电磁铁为底部相连的双环结构，为了减小硅钢片叠置难度，设计用硅钢铸造(或模压)成两个放射状骨架， 底部为圆环状将内外放射状骨相连，这样将硅钢片环分成了圆弧，减小了叠置难度，驱动衔铁中心部分(电磁铁内环以内)为整体环，整体环将放射装钢片连结。为了进一步减小硅钢片叠制难度，可以在气门驱动电磁铁安装硅钢片的内外设置二道或四道薄圆环，薄圆环应在每个扇区至少开一个竖向缝，在驱动衔铁外环设置一薄外环，同样在每个扇区至少开一个竖向缝；以上骨架也可以采用高强度耐高温的高电阻材料制成，这种情况下，以上薄圆环不设置竖向缝，但会增加电磁铁体积；对于方形EI状电磁铁，驱动衔铁可制成带中心孔的“工”字形骨架，气门驱动电磁铁制成底部相连，竖向布置8个竖向骨架。(6)门电磁铁加速驱动电路采用预充电高电压电容吸能回馈加速电路 电磁铁式气门驱动机构的主要问题为气门驱动电磁铁需较大吸力，在保证吸力的情况下，电感较大，难以实现快速动作，电磁铁关断消耗能量大，现有电磁铁加速电路一般为耗能式，能量损失大，难以满足实际需求。在200810009996. 7中提出的带保护机构受迫振动系统，提出了一种机械加电磁铁配合的，带保护机构和双电源吸能回馈电磁铁驱动电路，保护机构位于驱动电磁铁外部，体积较大，驱动电路采用了双电源结构，驱动电路较复杂，另外电路有错误，不能实现说明的功能，本方案采用向电磁铁预通电，吸收电磁铁关断电流，并存储在高压吸能电容内，后期需加速吸合时，控制吸收电容中的高电压能量释放， 实现电磁铁加速吸合，取消原方案的高压电源部份，简化电路，并节省能耗的作用。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明图1是受迫振动直动发电系统改进方案总装配剖面2是发电铁心立体3是直动发电传动轴立体4是非对称大桶度活塞环示意5是气门驱动机构装配剖面6是气门锁定内心结构7是带双环槽式气门杆结构8预充电吸能回馈加速电路图中1.缸体，2.缸套，3.活塞，4.气门，5.水套，6.水口，7.缸盖，8.进气道， 9.排气道，10.缸盖水道，11.气门衔铁，12.气门电磁铁铁心，13.气门弹簧，14.气门线圈， 15.减速电机，16.机油喷口，17.机油回收口，18.传动轴承，19.上止点碟形弹簧，20.轴承油封，21.直动电机压板，22.发电机动子，23.传动轴组件，24.发电内铁心，25.发电线圈， 26.发电外铁心，27.发电外水套，28.上止点螺旋弹簧，29.下止点螺旋弹簧，30.下止点加粗螺旋弹簧，31.下止点碟形弹簧，32.下止点碟形弹簧座，33.非对称大桶度活塞环，34.气门衔铁固定下螺母，35.气门衔铁固定半块，36.气门衔铁固定上螺母，37.气门锁定内心， 38.正电源，39. 二极管，40.气门驱动电磁铁，41.气门驱动电磁铁电感，42.气门驱动电磁铁电阻，43. 二极管，44.开关管，45.储能电容，46. 二极管，47.地线，48.开关管，49.开关管。
具体实施例方式图1是受迫振动直动发电系统改进方案总装配剖面图，传动轴组件—端形状为圆筒状，通过螺纹与活塞相连，另一端为十子架状，通过螺纹与发电机动子0 相连(本例为磁铁)，传动轴的十字臂可在带缝隙的内铁心04)内上下移动，上止点螺旋弹簧08) 一端与传动轴十字架相连，另一端与上上止点碟形弹簧(19)相连，下止点螺旋弹簧 (29) 一端位于传动轴内部，顶在支撑板上，另一端与下止点加粗螺旋弹簧(30)和下止点碟形弹簧(31)串连，顶在下止点碟形弹簧座(3 上，以上部份构成受迫振动体系，在弹簧、电磁力、燃烧室的压力共同作用下实现受控的振动，在做功冲程输出电力，其中大直径中空式传动轴，放射状铁心结构，减少系统长度和重量，由于安装长度空间增大，螺旋弹簧最好采用圆线螺旋弹簧，增加单位重量的能量，同时可做成一体化的变径螺旋弹簧。图中发电内铁心04)和发电外铁心06)采用硅钢片放射性叠置，直动电机压板 (21)可为整体式，放射状钢片或水平硅钢片(与中心轴垂直)，其中放射状钢片、水平硅钢片、整体式涡流损失依次减小。为了减小安装难度，同时不增加太多涡流损失，压板采用带圆环(可带放射缝，减小长度)带放射性条的骨架，带放射性条之间叠放射状硅钢片，内发电内铁心04)骨架形状与其外包线一致，并设置竖向缝，发电外铁心06)中间高竖向分隔条，发电外铁心(26竖向分隔条及内发电内铁心04)骨架通过螺丝或直接铸造、压制等方法连结成一体。硅钢片骨架可采用硅钢等导磁体，也可采用高电阻材料制成。图1中气缸底部通过传动轴承(18)和油封OO)使气缸下部形成密封空间，在活塞向下止点运动时，底部空间压力增高，在活塞向上止点运动下部空间形成一定的真空度，该空间工作在气弹簧状态，同时通过在机油喷口(16)和机油回收口(17)接上单向阀，再与密封的油箱、过滤器相连，就形成了自动泵油系统，其余低压回油孔通过单流阀接入气缸底部回油口(17)以后，单流阀以前，可利用缸下部的压力变化实现泵油效果，在气缸底部的靠上的方向接一个可调节的向内流的单流阀(开启压力调整为略低于大气压，建议低于大气压10% 20%)，可在气缸下部压力较低时补充一定的空气，维持稳定适当的气弹簧和泵油效果。图4中为是非对称大桶度活塞环示意图，外壁为弧面，最大直径位于活塞环中下部，上部直径小(桶度大，大于润滑油膜厚度)，下部直径大(桶度相对较小)，高压气体可进入上部环隙中，产生向内的力，部分抵消内壁气体压力，降低活塞环的侧压力，降低摩擦损失，图1中活塞(3)与缸盖(7)的形状为相同曲率的球面，活塞上下运动时燃烧室气体以上下运动为主，没有明显不规则运动，可以大大减小紊流，减少对流传热损失。图5是气门驱动机构装配剖面图，图6是气门锁定内心结构图，图7是带双环槽式气门杆结构图，图中气门杆(4)上带二个环槽，靠气门盘的环槽通过气门衔铁固定半块 (35)、气门衔铁固定下螺母(34)、气门衔铁固定上螺母(36)与气门衔铁(11)相连，气门衔铁固定半块(35)、气门衔铁固定下螺母(34)、气门衔铁固定上螺母相接面为弧面或斜面， 通过调整气门衔铁固定上螺母(36)及气门衔铁(11)固定下螺母(34)可调节气门配合；气门中杆端部槽顶部为与锁心相对应的均勻放射状台阶(图中为二个台阶，各占90° )，当要转换锁定状态时，先对顶部气门驱动电磁铁通电，降低锁心(37)负荷，通过减速电机(15) 驱动锁心(37)转动相应角度实现气门杆的锁定和解锁，整个锁定机构安装在气门电磁铁及气门弹簧的内部空间内，减小体积。气门电磁铁铁心(1 为底部相连的双环状，气门线圈(14)位于气门电磁铁铁心(12)双环中间，两个气门弹簧(13)位于气门电磁铁铁心(12) 内部，气门弹簧两端分别顶在气门衔铁和机体上，气门电磁铁铁心固定在机体上，这样气门弹簧、气门衔铁、气门杆和电磁铁形成受迫振动体系，控制电磁铁吸合释放，实现气门驱动。位于气门电磁铁铁心(1 为用铸造(或模压)成两个放射状骨架，底部为圆环状将内外放射状骨相连，这样将硅钢片环分成了圆弧，减小了叠置难度，气门衔铁(11)中心部分(电磁铁内环以内)为整体环，整体环将放射装钢片连结。为了进一步减小硅钢片叠制难度，可以在气门驱动电磁铁安装硅钢片的内外设置二道或四道薄圆环，薄圆环应在每个扇区至少开一个竖向缝，在驱动衔铁外环设置一薄外环，同样在每个扇区至少开一个竖向缝，硅钢片可压制成与圆环直径或半径成正比的厚度；以上骨架也可以采用硅钢或高强度耐高温的高电阻材料制成，采用高电阻材料时，以上薄圆环不设置竖向缝，但会增加电磁铁体积；对于方形EI状电磁铁，驱动衔铁可制成带中心孔的“工”字形骨架，气门驱动电磁铁制成底部相连，竖向布置8个竖向骨架。图8是高预充电吸能回馈加速电路，图中00)为气门驱动电磁铁，(41)和02)分别代表其电感和电阻，两个二极管G3) (46)分别串接在吸收电容G5)两端，并与气门驱动电磁铁并联，吸收电磁铁关断电流，同时在电容两端反向串接二个开关管G4) (49)，开关管打开时可将电容0 中的电能释放，加速驱动电磁铁，电源线上分别串接一个二极管(39) 和一个开关管G8)用以隔离吸能电容G5)上的高压，并控制电源通断。吸能电容的大小， 根据电磁铁电感、电流，加速量及耐压确定，建议电压控制在100V 300V，电容越小，电压越高，加速越快。气门电磁铁在正常停机时，气门衔铁位于上部，锁心与气门杆端部台阶相互扣合， 使气门处于关闭位置附近，系统初始化时，先接通电源开关管(48)，并保持较长时间通电， 确保电磁铁中建立初始电流，气门锁定减速电机(1 转动一定角度(气门杆端部放射性台阶形状)，气门杆解锁，系统初始化完成，当电磁铁需释放时，断开电源开关管(48)，气门驱动电磁铁中的能量向电容G5)中充电，气门驱动电磁铁需再次吸合时，打开开关管G4) (46)，电容(妨)中高压的电能，通过开关管流向气门驱动电磁铁，加速吸合，延迟一定时间 (略小于电感及电容谐振周期四分之一)后接通电源开关管(48)，再关断开关管04) (46)， 进行正常电压吸合和保持，，以后进入正常循环。由于气门电磁铁电感量受衔铁位置影响，当第一次关断电磁铁时吸能电容电压与预设值相差较大时，表示气门未到规定位置，系统出现故障，可关闭相对应的一组气缸，低功率运行，也可以在气门电磁铁通电的情况下将锁心手动转动到解锁位置，给电磁铁通周期性电流，使气门衔铁振幅增大，吸能电容电压与达到预设值时，电磁铁初始化成功，以后进入正常循环，这样可进行紧急运行。
权利要求
1.一种动力传动轴采用大直径中空式，振动弹簧分别位于传动轴内外，减小系统长度； 第一活塞环采用大桶度非对称活塞环，降低摩擦损失；燃烧室结构采用缸盖与活塞平行且平滑的球面结构，降低传热损失；气门顶杆采用双槽式连接及放射形锁定台阶，优化结构； 气门电磁铁加速驱动电路采用长时预充电吸能回馈加速电路，简化电路并节能的受迫振动直动发电系统。
2.根据权利要求1所述的受迫振动直动发电系统，其特征是传动轴采用大直径中空式，振动弹簧分别位于传动轴内外，将弹簧间接延伸至气缸内部，直动电机内铁心、传动轴的连接架改为放射状，传动轴连接架可通过内铁心的放射性缝隙驱动动子(磁铁或线圈)， 减小系统长度。
3.根据权利要求1所述的受迫振动直动发电系统，其特征是图中发电内铁心、外铁心、 及直动电机压板设置骨架，内铁心骨架与其外包线一致，外铁心中间设竖向分隔条，直动电机压板为压板采用带圆环(可带放射缝，减小长度)带放射性条的骨架，放射状硅钢片可安装在骨架中，骨架最好用硅钢等较高电阻材料制成。
4.根据权利要求1所述的受迫振动直动发电系统，其特征是活塞和缸盖为平行且平滑的形状，推荐采用球面形状，降低对流传热损失。
5.根据权利要求1所述的受迫振动直动发电系统，其特征是气门第一活塞环采用不对称大桶度形状，靠缸盖方向桶度较大(大于机油膜厚度)，高度较大，气缸内高压气体可进入活塞环的上面部分，抵消部份高压气体的侧压力，减少摩擦损失。
6.根据权利要求1所述的受迫振动直动发电系统，其特征是气门锁定机构为内置旋转锁式气门锁定机构，气门杆端部采用二环槽式连接，靠气门盘的槽用于固定气门驱动衔铁，端部槽顶部台阶为与锁心相对应的均勻放射状，通过减速电机驱动锁心转动相应角度实现气门杆的锁定和解锁。
7.根据权利要求1所述的受迫振动直动发电系统，其特征是位于气门电磁铁铁心用铸造(或模压)成两个放射状骨架，底部为圆环状将内外放射状骨相连，硅钢片放射状叠置在圆弧中，减小了叠置难度；气门衔铁骨架中心部分(电磁铁内环以内)为整体环，外部为放射状，放射状之间叠置硅钢片；为了进一步减小硅钢片叠制难度，可以在气门驱动电磁铁安装硅钢片的内外设置二道或四道薄圆环，薄圆环应在每个扇区至少开一个竖向缝，在驱动衔铁外环设置一薄外环，同样在每个扇区至少开一个竖向缝，硅钢片可压制成与圆环直径或半径成正比的厚度；以上骨架也可以采用硅钢或高强度耐高温的高电阻材料制成，采用高电阻材料，以上薄圆环不设置竖向缝，但会增加电磁铁体积。
8.根据权利要求1所述的受迫振动直动发电系统，其特征是气门电磁铁驱动电路采用反向将二个二极管和吸收电容串连后与电磁铁线圈并连，在主电路关断时吸收电磁铁能量；再用二个开关管与吸能电容串连再与电磁铁并联(与二极管相反接入)，在吸合时打开开关管，将电容电压反相后加速驱动电磁铁；在主电源上串连一个开关管和一个二极管，实现与高压电容隔离，并通断主电源。该加速电路在启动时，由于电容中没有高压存在，电感较大，电磁铁没有加速过程，电磁铁通电达到稳定电流的时间较长，不能实现快速吸合，在系统起动时，给电磁铁设定一个较长时间预通电初始化断电过程，再进入正常电磁铁驱动， 通过以上方案，取消双电源驱动中的外部高压电源，简化电路，并实现节能。
全文摘要
一种优化结构，节省能耗的受迫振动直动发电系统，其动力传动轴采用大直径中空式，振动弹簧分别位于传动轴内外，减小了系统长度；第一活塞环采用大桶度非对称活塞环，降低了摩擦损失；燃烧室结构采用缸盖与活塞平行且平滑的球面结构，降低了传热损失；气门顶杆采用双槽式连接及放射形锁定台阶，使结构更为紧凑；气门电磁铁加速驱动电路采用长时预充电吸能回馈加速电路，简化电路并节能；直动电机铁心、气门电磁铁及衔铁采用放射性骨架，减小放射性硅钢片安装难度。
文档编号F02D13/02GK102182551SQ20091022404
公开日2011年9月14日 申请日期2009年12月1日 优先权日2009年12月1日
发明者唐明龙 申请人:天津蹊径动力技术有限公司