专利名称：活塞进气二冲程直线发电系统的制作方法
技术领域：
本发明属于直线发电领域，特别是带辅助气缸，活塞进气，完全分离润滑的ニ冲程直线发电系统。
背景技术：
直线发电系统具有机械损失小，压缩比可调，理论热机效率高的特点，但直线发电系统存在如何高效实现活塞和直线发电机往复运动的难点，现有直线发电系统实现直线运动分为以下几类(I)双缸对置推挽工作(一缸压縮，ー缸做功)ニ冲程发电系统；(2)单缸机械弹簧或辅助气缸弹簧ニ冲程发电系统；(3)单纯电驱动四冲程或ニ冲程发电统，(4)双机械弹簧受迫振动式四冲程发电系统；从实现往复运动的难易程度来说，双缸对置推挽工作的ニ冲程发电系统最易实现，是在一定领域实现实际运用的方案，但存在系统频率不高的问题，尤其是，ニ冲程发动机气缸润滑油的供油路径上至少存在供气ロ、排气ロ其中之 一，润滑油混入混合气或废气中，増加污染，在注重环保的今天，排放问题是ニ冲程发动机发展的障碍。
发明内容本发明提供ー种降低污染、提高工作频率、提高效率的ニ冲程直线发电系统，具体方案为以双缸对置推挽工作直线发电的方案为基础，增加ー个辅助气缸和ー个与发电动子轴固定的活塞，辅助气缸上安装调整工作压カ的阀门，当功率需求较高吋，增加辅助气缸的压力，提高系统的工作频率；在气缸顶部设电磁驱动排气门，活塞和传动轴为中空筒状，在活塞上安装进气门，实现直流扫气，提高扫气效率；在活塞外周环带以下安装储油环，储油环为表面粗糙，具有褶皱的钢环，储油环的下部为油环，油环的下部为进气孔，此油环将润滑油和进气孔分开，活塞运动到下止点附近吋，储油环与气缸体的润滑油进、出油孔相对，润滑油喷在储油环上，并排出多余的润滑油，活塞向上止点运动的早期，油环内的剰余油对气缸壁起润滑作用，在活塞向上止点运动到中后期时，活塞为减速运动，储油环中润滑油依靠惯性向油环中运动，提高上止点附近气缸壁的润滑效果，实现润滑油与进气完全分离。为了保证进气效果，优化的进气增压方案为电动增压与废气增压的混合增压方式，在增压涡轮的两边分别同轴安装废气涡轮和增压电机，在系统启动和低速时电机以电动状态运行，提高低速下的进气压力，系统中速运行时，以废气增压方式运行，在系统高速运行时，采用废气增压，同时电机工作在发电状态，使涡轮转速不至太高，同时充分利用排
气能量。为了实现活塞上的进气门正常开闭，优选的驱动方案为惯性气门驱动，为活塞上各个气门安装ー个气门驱动摇臂，ー个重力驱动块，气门驱动摇臂通过中间的旋转轴与活塞相连，气门驱动摇臂一端顶在气门杆顶部，有一轻弹簧使重力驱动块与气门驱动摇臂的另一端接触，在平衡情况下，气门弹簧的弹カ高于重力驱动块弹簧的弾力，使气门关闭，当活塞运动到下止点附近时，由于另ー气缸混合气的压缩力、直线发电机的电磁力、以及辅助气缸的压缩力，使活塞产生IO2到103g的减速运动,重力驱动块在惯性作用下推动气门驱动摇臂打开气门，活塞由下止点向上止点运动的初期重力驱动块也在惯性作用下推动气门驱动摇臂打开气门，系统制造时，调整重力驱动块重量和气门弹簧的弹力特性，可调整气门打开提前角和关闭延迟角，系统运行过程中，重力驱动块重量和气门弹簧特性固定，当需要増加功率时，通过以下几种方式实现功率増加，(I)増加排气门排气提前角，气缸内提前排气，进气门上的压カ提前减小，重力驱动块提前驱动气门打开，増加进气门打开提前角，进气量增加，功率增加；(2)增加辅助气缸的压力，系统工作频率增加，功率增加，同时重力驱动块产生的驱动カ提前达到气门打开要求，系统打开提前角増加，(3)増加进气空气压力，提高功率，当系统功率增加时，进气门关闭延迟角会自动延长，打开气门所需的重力驱动块为柱形，优化为圆柱形，并安装在圆筒内，圆筒底部具有缓冲结构，优化的缓冲结构为圆筒上部与重力块之间间隙大，圆筒底部间隙小，缓冲重力块的运动，优化的气门材料为耐热铝合金，减轻重量，重力驱动块的材料优选铜等高密度材料。为了充分发挥该系统可变压缩比的特点，优化的工作方式为均质压燃方式，但不 限于均质压燃方式，均质压燃的工作压カ高，优化的气缸体与缸盖为一体式，气缸体中的冷却水道为环状分布的轴向水道，以圆形孔为主，在排气门相对位置为ー对长轴形孔，气缸体的水道在轴向上为直通水道，一直延伸到气缸盖的水道中，气缸盖的水道为双层式，下层水道外周与气缸体的圆形水道直通，与长轴形水道部份直通，气缸盖的下层水道放射性分布导流板，此导流板同时起加强结构的作用，气缸盖的上层水道为空腔结构，与下层水道之间有ー盖板，盖板中间与下层水道相连，上层水道与出水ロ相连，这样从气缸体的水流从周边流入下层水道，再向中间汇流入上层水道，经出水口排出，冷却系统较均匀，水道结构简单，优化的下气缸盖与气缸体为一体化结构，増加缸体抗压能力。优化的气缸体底部安装ー个配油、气压板，配油气压板沿轴向分为三部份，靠上部份为配油段，分布ニ个润滑油孔，一个为进油孔，ー个为出油孔，靠下部份为配气段，环状分布进气孔，进气孔分为径向部份和轴向部份，轴向部份向上开ロ，与配油孔相对的位置，无进气孔。气缸体上有ー个压盘，在气缸体外周(或辅助气缸外周)分布T型水槽和放射性水槽，将电机轴向的冷却水孔数量減少一倍后引入气缸体冷却水孔，在放射性水槽之间分布配气孔，气缸体压盘上的配气孔与配油气压板上的轴向孔相通，配油配气压板与气缸体底部之间用密封垫将配气孔与冷却水槽分开，配气孔穿过冷却水槽之间的间隙通到缸体外部，通过供气套，实现供气。[0008]优化的直线发电机为动磁式直线发电机，永磁动子为单极辐向永磁铁环通过导磁衬环与放射性支架固定，放射性支架固定与内筒固定，内筒与传动轴固定，磁路为内铁心、外铁心和导磁端盖，内铁心为放射状，放射性动子支架可在扇形内鉄心之间轴向运动，外鉄心有纵向冷却液孔，环状分布冷却液孔并与纵向冷却液孔相通，外铁心的外部为水道外套，水道外套上有进水口 ；直线发电系统定子线圈为导磁与导电交替式结构，导磁环内径处厚度大于外径处厚度，内径处导磁部份厚度占线圈总高比例为气隙处工作磁感应強度除以导磁材料最大工作感应强度，导磁环内径处厚度与外径处厚度比等于它们直径比值的倒数。本发明的有益效果为采用活塞进气、顶部排气的配气方案，可以实现完全分离的气缸润滑，解决ニ冲程直线发电系统的污染问题；增加辅助气缸可以提高ニ冲程直线发电系统的工作频率，提高系统的功率；采用的直通的冷却水道和放射状的导流板，下气缸盖与气缸体一体制造,有利于增加气缸的机械强度适应均质压燃方式工作,提高效率。
图I是活塞进气ニ冲程直线发电系统立体图，图2是活塞进气ニ冲程直线发电系统剖面图，图3是组合动子图，图4是活塞组件外观图，图5是活塞外观图，图6是活塞组件内部图，图7是活塞组件剖面图，图8是直连电机气缸体俯视图，图9是直连电机气缸体仰视图，图10是与辅助气缸相连的气缸体仰视图，图11是配油气压板结构图，图12是辅助气缸的仰视图，图13是辅助气缸的俯视图，图14是气缸盖下盖仰视图，图15是气缸盖下盖俯视图，图16是气缸盖上盖仰视图，图17是气缸盖下盖俯视图，图18是电磁气门驱动机构结构图，图19是电机增压与废气增压的混合增压的结构示意图，图20是直线电机动子结构图，图21是直线电机定子结构立体图，图22是直线电机定子结构剖面图。
具体实施方式
图I、图2、图3说明了本发明的外部和内部总体结构,包括一个直线电机(700)，两端分别固定一个气缸体(100)，和ー个辅助气缸(500)，另ー个气缸体与辅助气缸固定，两个下气缸盖(200)分别固定在两个气缸体上部，优化的两个下气缸盖(200)分别与气缸体一体化制造，缸盖上部为上水道段(300)和气门驱动段(400)，在气缸体的下部外周安装进气套(600 )，两个活塞(800 )，ー个辅助活塞(900 )，一个直线电机动子(1000 )同轴固定在ー起，并与直线发电系统外部同轴滑动配合，直线电机动子(1000)在直线电机(700)内部轴向运动，辅助活塞(900)在辅助气缸(500)内轴向运动，活塞(800)在气缸体(100)内轴向运动。图4 图7说明了活塞及活塞上气门驱动机械结构，活塞顶(801)上安装了气门(802)，活塞外周环岸(803)以下依次安装了第一气环(804)，第二气环(805)，上油环(806)储油环(808)，储油环为粗糙的具有褶皱的钢环，活塞筒(811)同时起传动轴作用，安装储油环的活塞筒壁分布油孔(812)，油孔(812)通过活塞上加强筋(818)内部通向各气门导管(820 )上的油孔，润滑气门导管(820 )和气门杆(819 )，气门导管上分布两道密封环(821)，密封环(821)阻止多余的润滑油泄漏，储油环(808)下部为下油环(809)，下油环(809)下部环状分布进气孔(810)，上油环(806)与储油环(808)之间的环岸上分布油槽(807)，上油环(806)刮下多余的润滑油通过油槽(807)排到储油环(808)上，同时储油环(808)的润滑油也可通过油槽(807)流到上油环(806)内，气门弹簧(822)、气门杆(819)和气门弹簧座(817)按常规方法安装，气门驱动摇臂(815)通过旋转轴(823)安装在摇臂座(816)上，摇臂(815)—端顶在气门杆(819)顶部，摇臂(815)另一端顶在重力驱动块(813)上，摇臂(815)安装有间隙调整钉(814)，重力驱动块(813)滑动安装在驱动块安装筒(824)内，重力驱动块(813)内部安装有弹簧(826)，弹簧底部安装柱芯(825)，柱芯(825)可固定在活塞上，重力驱动块(813)与安装筒(824)底部为小配合间隙，中上部为大配合间隙，当重力驱动块(813)与安装筒(824)运动到底部时起到缓冲运动作用，气门材料为耐热铝合金，减轻重量，重力驱动块的材料优选铜等高密度材料。当活塞向下止点减速运动，或向上止点加速运动时，重力驱动块(813)对摇臂(815)产生推力，可推动摇臂(815)打开进气门(802)推力大小取决于重力驱动块(813)的重量和加(减)速度的大小，调整重力驱动块(813)的重量，气门弹簧(822)的弹カ特性，可得到额定エ况下气门(802)打开提前角和气门关闭延迟角，辅助气缸压カ増加，负荷增加时气门打开提前角和气门关闭延迟角会増加，増加排气门打开提前角也会増大进气门(802)的打开提前角，増大进气量。图8 图11说明了气缸体结构，气缸体整体为压盘(106)和气缸筒(102)结合的结构，气缸体分为两种，ー是直接与直线电机相连的气缸体(图8、图9)，另ー种是与辅助气缸相连的气缸体(图10)，由于直线电机比辅助气缸直径大，直接与直线电机相连的气缸体的压盘(106)较大，在外周有T型水槽(120a)，将每两个直线电机的水道孔汇集成ー个水槽(120b)，并分布有加强筋(105)，两 种气缸体的固定螺孔(108、108a)分布直径不同，两种气缸体的其它结构相同；气缸套(101)紧配合安装在气缸筒(102)内孔中，气缸筒(102)筒壁上分布直通水道，大多数为圆形水道(103)，与排气道相对(图14，204)的位置分布ー对长轴形水道(104)，每对长轴形水道(104)的宽度大于排气道的宽度，长轴形水道(104)的一部份可避开排气道，直通缸盖水道(图14，205)，压盘(106)中间有ー个大沉孔，水槽(120b)放射性地分布在压盘(106)表面，并与圆形水道(103)及长轴形水道(104)相连，T型水槽和放射性水槽(120b)压在导磁端盖(图22，710)、辅助气缸压盘(图13，507)、配油、配气压板(121)上，并在密封垫的配合下，形成封闭的水道；在压盘(106)上的水槽(120b)之间环状分布轴向进气孔(107)，配油气压板(121)环状分布相通的轴向进气孔(107b)和径向进气孔(107c)，分布两个径向机油孔(109b，109c)，气缸体压盘(106)的大沉孔与配油、气压板(121)紧配合或通过密封件配合，进气孔107a与107b相通，经过增压的空气经过进气道(图1，601)分配入进气孔(107)，空气依次从进气孔107、107a、107b、107c、810、进入活塞筒(811)内部;两个机油孔(109)依次通过109a、109b、109c、109d进入气缸套(101)内，当活塞(800)运动到下止点附近，机油孔109d位于上油环(806)和下油环(809)之间时，靠上部的机油孔(109)喷机油，靠下部的机油孔回收机油，实现机油替换、补充。图12、图13说明了辅助气缸的结构，为带压盘的筒状结构，压盘(504)上分布T型水槽(505)和放射性水槽(505a)，同直接与电机相连的气缸体一祥，T型水槽将直线电机水道数量減少一半，辅助气缸筒壁(501)上环状分布直通圆形水道(508)，并与放射性水槽(505a)的内末端(505b)相通，辅助气缸筒壁(501)端部有端盖(507)，气缸筒壁(501 )、端盖(507)和电机导磁端盖(图22，710)以及辅助传动轴(图3，905)活塞筒(811)辅助活塞(900)构成两个气缸，形成了气弹簧结构，可提供动子辅助动力，提高工作频率，气缸筒壁上还有两个调节气孔(502)与内部气缸相通，并与外部压カ调整阀相连。图14 图17说明了气缸盖的结构，气缸盖分为下盖(图14、15)，和上盖(图16、17)，上、下气缸盖之间采用密封垫密封，下气缸盖(201)正对气缸体的部份分布2至3个气门座孔(202)，I个喷油孔(203)，选择点火式时，要包括火花塞孔，环状分布圆形水道(206)和长轴形水孔(205)，环形水道(206)直通到气缸盖下部水道(209)，长轴形水孔(205)的一部份与下部水道(209)直通；气缸盖的下层水道放射性分布导流板(207)，此导流板同时起加强结构的作用，导流板与气门导管座(202a)和喷油嘴座(203a)接触时留水道(208、208a)，气缸盖的上层水道(305)为空腔结构，内部有与气门导管座(202a)和喷油嘴座(203a)相对应的导管(303，304)，上层水道与下层水道之间为ー盖板(301)，上层水道盖板中心孔(302)，这样从气缸体的水流从周边流入下层水道(209)，再向中心孔(302)汇流入上层水道，经出水口(306)排出，本实施的附图将下气缸盖与气缸体分别说明，但从图8和图14可以看出，其水道形状为完全相同的直通结构，优化的结构为下气缸盖与气缸体为ー体化结构；上气缸盖背面(401)分布气门驱动安装孔(402)，喷油嘴安装孔(403)，润滑油进油孔(404)润滑油出油孔(405)。图18说明了电磁气门驱动机构，两个弹簧(406)与衔铁(401)组成振动体系，单极幅向永磁体(402)与衔铁(401)固定在一起，组成复合动子，内铁心(403)、外铁心(405)、导磁端(406)构成环状间隙的直线电机磁路，线圈(404)为导磁与导电交替结构，固定于外铁心与单极幅向永磁体(402)之间，构成直线电机定子线圈，单极幅向永磁体402a固定于另ー个电磁铁线圈与内铁之间，衔铁以下部份构成了永磁吸合的电磁铁与直线电机复合的结构，衔铁以上部份构成了永磁吸合的电磁铁结构，当衔铁接近铁心的吸合面时，永磁体402和402a的磁通大量转向衔鉄，将衔铁保持在吸合位置，当衔铁需要释放吋，向相应的线圈中进行反向励磁，衔铁释放，衔铁在弹簧(406)的推动下运动，在运动过程中向下电磁铁构成的直线电机通电，补充体系能量，并控制气门落座速度，为了调整气门关闭间隙，系统中还设计了液压间隙调整机构(407 );本气门驱动机构为现有技术(PCT/CN2011/000786 )，这里不再详述。图19说明了电机增压与废气增压的混合增压的结构，在增压涡轮(1101)的两边分别同轴安装废气涡轮(1102)和增压电机(1103)，在系统启动和低速时电机启动，提高低速下的进气压力，系统中速运行时，以废气增加方式运行，在系统高速运行时，采用废气增压，同时电机工作在发电状态，使涡轮转速不至太高，同时充分利用排气能量。图20说明了直线电机动子结构，单极幅向永磁环(1001)套在导磁衬环(1002)上，放射性支架(1004)与内筒(1005)为一体化结构，选用轻质无磁材料(如耐热铝合金)，导磁衬环(1002)与放射性支架焊接固定在一起。图21、22说明了直线电机定子结构，外铁心(702)为环状结构，并分布纵向冷却水孔(703)，纵向冷却水孔中部与径向水道(711)相通，冷却水套(701)密封套在外鉄心(702)外周，冷却水套上有进水孔(708)，定子线圈(704)套在外鉄心内，定子线圈两端分布无磁非导电衬环(709);定子线圈(704)为导电绕组与导磁环交替结构,定子线圈(704)导磁环内径处厚度大于外径处厚度，内径处导磁部份厚度占线圈总高比例为气隙处工作磁感应强度除以导磁材料最大工作感应强度，导磁环内径处厚度与外径处厚度比等于它们直径比值的倒数；内铁心(705)为扇形,放射性分布,各扇之间有放射性间隙(707),内铁心与定子线圈之间有环状间隙(706)，直线电机两端有导磁端盖(710)，图20的动子放射性支架在放射性间隙(707)运动，图20的单极幅向永磁环(1001)和导磁衬环(1002)在环状间隙(706)内运动。权利要求1.ー种活塞进气ニ冲程直线发电系统，其特征是以双缸对置推挽工作直线发电的方案为基础，増加ー个辅助气缸和ー个与发电动子轴固定的活塞，辅助气缸上安装调整工作压力的阀门，当功率需求较高时，増加辅助气缸的压力，提高系统的工作频率；在气缸顶部设电磁驱动排气门，活塞和传动轴为中空筒状，在活塞上安装进气门，实现直流扫气，提高扫气效率；在活塞外周环岸带以下安装储油环，储油环为表面粗糙，具有褶皱的钢环，储油环的下部为油环，油环的下部为进气孔，此油环将润滑油和进气孔分开，活塞运动到下止点附近吋，储油环与气缸体的润滑油进、出油孔相对，润滑油喷在储油环上，并排出多余的润滑油，活塞向上止点运动的早期，油环内的剰余油对气缸壁起润滑作用，在活塞向上止点运动到中后期时，活塞为减速运动，储油环中润滑油依靠惯性向油环中运动，提高上止点附近气缸壁的润滑效果，实现润滑油与进气完全分离。
2.根据权利求I所述的活塞进气ニ冲程直线发电系统，其特征是活塞进气门驱动方案为惯性气门驱动，为活塞上各个气门安装ー个气门驱动摇臂，ー个重力驱动块，气门驱动摇臂通过中间的旋转轴与活塞相连，气门驱动摇臂一端顶在气门杆顶部，有一轻弹簧使重力驱动块与气门驱动摇臂的另一端接触，在平衡情况下，气门弹簧的弹カ高于重力驱动块弹簧的弹力，使气门关闭，当活塞运动到下止点附近时，由于另ー气缸混合气的压缩力、直线发电机的电磁力、以及辅助气缸的压缩力，使活塞产生IO2到103g的减速运动,重力驱动块在惯性作用下推动气门驱动摇臂打开气门，活塞由下止点向上止点运动的初期重力驱动块也在惯性作用下推动气门驱动摇臂打开气门，系统制造时，调整重力驱动块重量和气门弹簧的弹力特性，可调整气门打开提前角和关闭延迟角，系统运行过程中，重力驱动块重量和气门弹簧特性固定，当需要増加功率时，通过以下几种方式实现功率増加，(I)増加排气门排气提前角，气缸内提前排气，进气门上的压カ提前减小，重力驱动块提前驱动气门打开，増加进气门打开提前角，进气量増加，功率増加；(2)増加辅助气缸的压力，系统工作频率増加，功率増加，同时重力驱动块产生的驱动カ提前达到气门打开要求，系统打开提前角增カロ，(3)増加进气空气压力，提高功率，当系统功率增加时，进气门关闭延迟角会自动延长，打开气门所需的重力驱动块优化为圆柱形，并安装在圆筒内，圆筒底部具有缓冲结构，优化的缓冲结构为圆筒上部与重力块之间间隙大，圆筒底部间隙小，缓冲重力块的运动，优化的气门材料为耐热铝合金，减轻重量。
3.根据权利求I所述的活塞进气ニ冲程直线发电系统，其特征是气缸盖为双层水道并与气缸体成为一体，气缸体中的冷却水道为环状分布的轴向水道，气缸盖的下层水道放射性分布导流板，此导流板同时起加强结构的作用，气缸盖的上层水道与下层水道之间有ー盖板，盖板中间有中心孔与下层水道相连。
4.根据权利求I所述的活塞进气ニ冲程直线发电系统，其特征是进气增压方案为电动增压与废气增压的混合增压方式，在增压涡轮的两边分别同轴安装废气涡轮和增压电机，在系统启动和低速时电机以电动状态运行，提高低速下的进气压力，系统中速运行时，以废气增压方式运行，在系统高速运行时，采用废气增压，同时电机工作在发电状态，使涡轮转速不至太高，同时充分利用排气能量。
5.根据权利求I所述的活塞进气ニ冲程直线发电系统，其特征是直线发电机的动子采用放射性支架和单极幅向永磁铁，永磁动子为单极福向永磁铁环通过导磁衬环与放射性支架固定，放射性支架与内筒固定，内筒与传动轴固定，内铁心为扇形放射状分布，放射性动子支架可在扇形内鉄心之间轴向运动。
6.根据权利求I所述的活塞进气ニ冲程直线发电系统，其特征是直线发电系统定子线圈为导磁与导电交替式结构，导磁环内径处导磁部份厚度占线圈总高比例为气隙处工作磁感应强度除以导磁材料最大工作感应强度，导磁环内径处厚度与外径处厚度比等于它们直径比值的倒数。
专利摘要一种活塞进气的直线发电系统，其特征是以双缸对置推挽工作直线发电的方案为基础，增加一个辅助气缸和一个与发电动子轴固定的活塞，通过调整辅助气缸压力来进一步调整工作频率；活塞和传动轴为中空筒状，在活塞上安装进气门，实现直流扫气；在活塞外周环岸带以下安装储油环；活塞运动到下止点附近时，储油环与气缸体的润滑油进、出油孔相对，润滑油喷在储油环上，并排出多余的润滑油，实现润滑油与进气完全分离。
文档编号F02B63/04GK202451276SQ20112036267
公开日2012年9月26日 申请日期2011年9月26日 优先权日2011年9月26日
发明者刘斌, 唐明龙, 李小年 申请人:天津蹊径动力技术有限公司