一種用于二沖程自由活塞發(fā)動機-發(fā)電機系統(tǒng)的可控氣門機構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種可用于二沖程自由活塞發(fā)動機-發(fā)電機的可控氣門機構，包括偏心輪滑塊機構、氣門彈簧機構、進氣道/排氣道、進氣門/排氣門、伺服電機、滑塊、銷；偏心輪與伺服電機軸通過銷連接，將伺服電機的旋轉運動轉化為滑塊的直線運動；氣門彈簧座與滑塊、進氣門/排氣門固連，將滑塊的直線運動轉化為進氣門/排氣門的開閉；氣門彈簧位于氣門彈簧座與發(fā)動機機體之間，存儲拉伸能量用于氣門的關閉；進氣道采用高壓進氣且具有節(jié)氣門傳感器，實現(xiàn)發(fā)動機高效進氣與負載控制。本發(fā)明利用伺服電機的定位移轉動，通過偏心輪滑塊機構實現(xiàn)二沖程自由活塞發(fā)動機-發(fā)電機系統(tǒng)進氣門與排氣門的靈活調節(jié)，進而實現(xiàn)二沖程發(fā)動機進氣量的穩(wěn)定高效控制。
【專利說明】—種用于二沖程自由活塞發(fā)動機-發(fā)電機系統(tǒng)的可控氣門機構
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及的是可控氣門機構，特別涉及一種可用于二沖程自由活塞發(fā)動機-發(fā)電機的可控氣門機構，具體是利用伺服電機與偏心輪滑塊機構實現(xiàn)二沖程自由活塞發(fā)動機-發(fā)電機系統(tǒng)進氣門或排氣門的靈活控制，屬于車輛工程領域。
【背景技術】
[0002]二沖程自由活塞發(fā)動機-發(fā)電機系統(tǒng)是一種新型的動力系統(tǒng)，其結構一般由兩個自由活塞發(fā)動機對置連接，直線電機位于兩個發(fā)動機中間，直線電機動子組件與自由活塞發(fā)動機的活塞連桿組件軸線連接。與傳統(tǒng)發(fā)動機相比，自由活塞發(fā)動機的最大特點是去除了曲柄連桿機構，通過液、電等介質實現(xiàn)“柔性”輸出，從而避免傳統(tǒng)內燃機中曲軸和軸承所消耗的大量摩擦熱，以及由于曲柄滑塊機構所引起的側向力而造成的活塞上的摩擦，效率更高。并且由于系統(tǒng)壓縮比可變，可適用于多種燃料，更容易實現(xiàn)均質壓燃的燃燒方式。將自由活塞發(fā)動機與直線電機相結合，可以直接將活塞直線往復運動的機械能轉換為電能，省去了傳統(tǒng)旋轉發(fā)動機和發(fā)電機之間的連接軸、軸承等輔助連接裝置，且直線發(fā)動機工作時活塞的每個行程都會帶動發(fā)電機發(fā)電，因此整個耦合機構的能量轉換效率更高。
[0003]傳統(tǒng)的二沖程自由活塞發(fā)動機-發(fā)電機的進氣、掃氣及排氣均采用壁面開孔的形式分布在氣缸壁上，由于氣門位置固定，傳統(tǒng)二沖程自由活塞發(fā)動機-發(fā)電機系統(tǒng)無法根據(jù)活塞運動行程實現(xiàn)氣門的靈活控制，很容易造成系統(tǒng)進氣量波動較大，繼而影響發(fā)動機的穩(wěn)定高效燃燒；同時傳統(tǒng)二沖程系統(tǒng)大多采用進氣道噴射的形式，且系統(tǒng)中含有掃氣箱，部分新鮮工質在掃氣過程中隨廢棄排除氣缸，導致二沖程系統(tǒng)排放惡劣且燃燒效率較低。本發(fā)明參考傳統(tǒng)四沖程發(fā)動機的進排氣形式，采用伺服電動與偏心輪滑塊機構配合的可控氣門機構實現(xiàn)系統(tǒng)進氣門/排氣門的靈活控制。該可控氣門機構均由伺服電機帶動，伺服電機的旋轉運動經偏心輪滑塊機構轉化為進氣門、排氣門的直線升降運動，同時該進氣系統(tǒng)配以氣門彈簧儲存能量用于進氣門的快速復位，不僅實現(xiàn)了氣門的靈活開閉，而且節(jié)省了能源。為了提高系統(tǒng)的進氣效率，裝有該可控氣門機構的二沖程自由活塞發(fā)動機-發(fā)電機系統(tǒng)去除掃氣箱，采用進氣增壓的方式，通過壓縮空氣掃除燃燒后的廢氣。同時該系統(tǒng)配以燃油缸內直噴，進一步提高自由活塞發(fā)動機的燃燒效率，繼而提高整個自由活塞發(fā)動機/發(fā)電機系統(tǒng)的輸出效率。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術問題在于提供了一種可用于二沖程自由活塞發(fā)動機-發(fā)電機的可控氣門機構，對原二沖程自由活塞發(fā)動機-發(fā)電機系統(tǒng)進行了進氣門/排氣門結構改造，設計了相配套的氣門控制機構，實現(xiàn)二沖程發(fā)動機系統(tǒng)進氣門與排氣門的靈活調節(jié)，并采用缸內燃油直噴與高壓進氣的形式，提高二沖程自由活塞發(fā)動機的掃氣效率及燃燒效率，實現(xiàn)自由活塞發(fā)動機/發(fā)電機系統(tǒng)的高效輸出。[0005]為了解決以上的技術問題，本發(fā)明提供了一種用于二沖程自由活塞發(fā)動機-發(fā)電機系統(tǒng)的可控氣門機構，由偏心輪滑塊機構、氣門彈簧機構、進氣道/排氣道、進氣門/排氣門、伺服電機組成的可控氣門機構。
[0006]所述偏心輪滑塊機構，包括偏心輪與滑塊，偏心輪與伺服電機通過銷連接，可將伺服電機的旋轉運動轉化為滑塊的直線運動；
所述氣門彈簧機構，包括氣門彈簧座與氣門彈簧，氣門彈簧座與滑塊及進氣門/排氣門固連，可將滑塊的直線運動轉化為氣門的開閉，同時配以氣門彈簧用于進氣門/排氣門的復位。
[0007]所謂進氣道/排氣道，為類圓筒狀管道，且進氣道中裝有節(jié)氣門位置傳感器并采用高壓進氣的形式，實現(xiàn)發(fā)動機負荷的實時調節(jié)及高效掃氣。
[0008]所述伺服電機，為補助馬達間接變速裝置，位置控制精度非常準確，通過銷連接帶動偏心輪滑塊機構運轉設定角位移，以實現(xiàn)進氣門/排氣門的開閉行程控制。
[0009]本發(fā)明可根據(jù)二沖程自由活塞發(fā)動機-發(fā)電機系統(tǒng)中活塞組件運動的位置控制伺服電機的起動與停止；當伺服電機起動時，伺服電機的起動力經偏心輪滑塊機構打開進氣門或排氣門，并通過設定伺服電機的運動角位置確定進氣門或排氣門的開啟位置；同時當伺服電機停止即驅動力卸掉時，機構利用氣門彈簧的蓄能作用實現(xiàn)進氣門或排氣門的自動閉合。
[0010]并且，進氣道采用高壓進氣的形式，且裝有節(jié)氣門位置傳感器用以控制進氣量；同時，燃油經噴油器直接噴入氣缸內。
[0011]發(fā)動機控制器根據(jù)霍爾傳感器測得的活塞運動頻率及直線位移傳感器測得的活塞瞬時位移，控制伺服電機的啟停及運轉角位移，進而實現(xiàn)直線發(fā)動機的循環(huán)進氣及排氣。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)越功效在于:
1)去除了傳統(tǒng)二沖程發(fā)動機的壁面開孔式進排氣機構，實現(xiàn)了進氣門/排氣門的靈活開閉，提高了系統(tǒng)的進氣效率，減小了循環(huán)進氣量的波動，有助于發(fā)動機的穩(wěn)定高效燃燒，同時該進氣/排氣機構配以氣門彈簧儲能能量用于進氣門/排氣門的復位，節(jié)省了能源，進一步提高發(fā)動機效率；
2)去除了傳統(tǒng)自由活塞發(fā)動機/發(fā)電機系統(tǒng)的掃氣箱，提高了系統(tǒng)的進氣效率，并且進氣機構采用進氣增壓的方式，通過壓縮空氣掃除燃燒后的廢氣，避免了傳統(tǒng)系統(tǒng)的可燃混合氣掃氣，減少了燃油的浪費，提聞了系統(tǒng)的效率；
3)用于二沖程自由活塞發(fā)動機-發(fā)電機系統(tǒng)的可控氣門機構，不僅實現(xiàn)了發(fā)動機進氣門及排氣門的靈活開閉，而且有助于自由活塞發(fā)動機穩(wěn)定高效運轉，因此與其它形式的二沖程發(fā)動機進氣機構相比，本發(fā)明在機械結構、能源利用效率、運轉穩(wěn)定性、使用的方便性等方面均具有明顯優(yōu)勢；具有結構簡單、能源利用率高、氣門開閉快速穩(wěn)定等特點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的結構示意圖；
圖2是裝有該可控氣門機構的二沖程自由活塞發(fā)動機-發(fā)電機系統(tǒng)。
[0014]圖中標號說明:
I——偏心輪；2——氣門彈簧座； 3——氣門彈簧；4——進氣道；
5-進氣門；6-伺服電機；
7——噴油器；8——火花塞；
9——氣缸蓋；10——直線位移傳感器；
11——直線ISG電機動子鐵芯；12-電壓傳感器；
13——電流傳感器；14——節(jié)氣門位置傳感器；
15——空氣流量傳感器；16-電動車主驅動電機；
17——功率變換器；18——蓄電池；
19——永磁體；20——直線ISG電機線圈；
21——直線ISG電機定子鐵芯；22——霍爾傳感器；
23—連桿組件；24—活塞組件；
25——氣缸體；26——排氣門；
27——排氣道；28——銷；
29——滑塊。
【具體實施方式】
[0015]下面根據(jù)附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0016]如圖1所示，本發(fā)明提供了一種用于二沖程自由活塞發(fā)動機-發(fā)電機系統(tǒng)的可控氣門機構，包括偏心輪1、氣門彈簧機構、進氣道4/排氣道27、進氣門5/排氣門26、伺服電機6、銷28、滑塊29。
[0017]所述偏心輪1，與伺服電機6通過銷28連接，可將伺服電機6的旋轉運動轉化為滑塊29的直線運動，繼而帶動進氣門5或排氣門26的直線運動，實現(xiàn)進氣門5或排氣門26的靈活開閉；
所述氣門彈簧機構，包括氣門彈簧座2及氣門彈簧3，氣門彈簧座2與滑塊29、進氣門5/排氣門26固連，氣門彈簧3位于氣門彈簧座與發(fā)動機機體之間，存儲能量，用于進氣門5或排氣門26的復位。
[0018]所述進氣道4/排氣道27，為類圓筒狀管道，且進氣道4中裝有節(jié)氣門位置傳感器14并采用高壓進氣的形式，實現(xiàn)發(fā)動機負荷的實時調節(jié)及高效掃氣。
[0019]所述伺服電機6，為補助馬達間接變速裝置，位置控制精度非常準確，通過銷28帶動偏心輪滑塊機構I運轉到設定位置，繼而實現(xiàn)進氣門5或排氣門26的開閉行程控制。
[0020]發(fā)動機控制器根據(jù)霍爾傳感器22測得的活塞運動頻率及直線位移傳感器10測得的活塞瞬時位移，控制伺服電機6的啟停及運轉角位移，實現(xiàn)直線發(fā)動機的循環(huán)進氣及排氣。
[0021]所述霍爾傳感器22的磁鋼片安裝在連桿機構23，隨連桿機構23 —起直線往復運動；檢測觸頭安裝在基座上，當磁鋼片運動經過檢測觸頭時，霍爾傳感器22的信號端就產生一個方波信號，該信號輸入發(fā)動機控制器。
[0022]所述直線位移傳感器10的運動端安裝在連桿機構23上，隨活塞及連桿往復直線運動，測得活塞的瞬時位移信號，該信號輸入發(fā)動機控制器，控制器根據(jù)設定的直線發(fā)動機進氣門開啟位置、進氣門關閉位置、排氣門開啟位置、排氣門關閉位置、噴油脈寬、噴油位置、點火位置，控制伺服電機6的啟停及運轉角位移，驅動噴油器及點火線圈動作，實現(xiàn)發(fā)動機的進氣、噴油、點火及排氣。
[0023]進氣門5與排氣門26均由各自的可控氣門機構驅動，該可控氣門機構的偏心輪I可由伺服電機6驅動，伺服電機6與偏心輪I通過銷29固連，可根據(jù)直線位移傳感器7測得的活塞組件24的位置實時伺服電機6的開閉，進而控制進氣門5/排氣門26的開閉，且該發(fā)明保證進氣門5/排氣門26關閉時，氣門彈簧3處于自然狀態(tài)。當活塞組件24運動到進氣門5開啟的位置時，系統(tǒng)控制器控制伺服電機6運動，驅動偏心輪滑塊機構I運轉，壓縮氣門彈簧3使進氣門5開啟。當活塞組件24運動到進氣門5閉合的位置時，伺服電機6斷開并切斷驅動力，進氣門5在氣門彈簧3的彈力作用下復位。由此可見發(fā)動機控制器可根據(jù)直線位移傳感器的信號對伺服電機進行實時的控制，進而控制進氣門5//排氣門26在指定活塞組件24位置時的開閉，根據(jù)不同的配氣要求，就能實現(xiàn)氣門的靈活開閉。
[0024]如圖2所示，活塞組件24經連桿組件23左右對置連接，可在氣缸體25內作自由直線往復運動，氣缸蓋9上布置火花塞8和噴油器7,實現(xiàn)氣缸內燃油直噴；進排氣機構與傳統(tǒng)四沖程發(fā)動機的結構相似，進氣門5與排氣門26均由本發(fā)明驅動，且進氣道3采用進氣增壓方式，其內布置空氣流量傳感器15、節(jié)氣門位置傳感器14，兩傳感器與系統(tǒng)控制器電氣連接，實現(xiàn)對節(jié)氣門開度的控制；連桿組件23上固結鐵芯21和永磁體19，組成直線ISG電機動子，可隨活塞組件24及連桿組件23做直線運動；兩氣缸之間、直線ISG電機動子之外布置鐵芯21與線圈20，組成直線ISG電機定子，該部分固定不動；直線位移傳感器10、霍爾傳感器22布置于連桿組件23，并與系統(tǒng)控制器電氣連接，分別測量活塞組件的瞬時位移與運動頻率。
[0025]當裝有該可控氣門機構的二沖程自由活塞發(fā)動機-發(fā)電機系統(tǒng)起動時，蓄電池18提供電量通過電磁作用驅動直線ISG電機的運轉，并帶動活塞組件24直線往復運動。當活塞組件24運動頻率達到設定起動頻率時，自由活塞發(fā)動機的噴油器7和火花塞8開始噴油和點火。以左側自由活塞發(fā)動機點火燃燒為例，當左側發(fā)動機著火燃燒膨脹，驅動活塞組件24開始向右運動，活塞運動組件24運動到左側自由活塞發(fā)動機系統(tǒng)排氣門26打開位置時，系統(tǒng)控制器通過本發(fā)明打開排氣門26，燃燒廢氣經排氣門26排出氣缸；活塞組件24繼續(xù)向右移動，當?shù)竭_進氣門5打開的位置時，系統(tǒng)控制器通過本發(fā)明打開進氣門5，高壓氣體通過進氣道4進入氣缸，進一步將燃燒廢氣掃除，并填充氣缸；當右側自由活塞發(fā)動機燃燒使活塞組件24反向運動，當活塞組件24運動到進氣門關閉的位置時，系統(tǒng)控制器通過本發(fā)明關閉進氣門5，同時當活塞組件24運動到排氣門關閉的位置時，系統(tǒng)控制器通過本發(fā)明關閉排氣門26。排氣門26關閉后，噴油器7噴射燃油進氣缸，當活塞組件24運動到點火位置時，火花塞8點火，左側自由活塞發(fā)動機燃燒并進入下一循環(huán)。
【權利要求】
1.一種用于二沖程自由活塞發(fā)動機-發(fā)電機系統(tǒng)的可控氣門機構，其特征在于，由偏心輪滑塊機構、氣門彈簧機構、進氣道/排氣道、進氣門/排氣門、伺服電機組成的可控氣門機構。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于二沖程自由活塞發(fā)動機-發(fā)電機系統(tǒng)的可控氣門機構，其特征在于，所述偏心輪滑塊機構，包括偏心輪與滑塊，偏心輪與伺服電機通過銷連接，可將伺服電機的旋轉運動轉化為滑塊的直線運動。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的用于二沖程自由活塞發(fā)動機-發(fā)電機系統(tǒng)的可控氣門機構，其特征在于，所述氣門彈簧機構包括氣門彈簧座和氣門彈簧；所述氣門彈簧座與滑塊及進氣門/排氣門固連，可將滑塊的直線運動轉化為氣門的開閉，同時配以氣門彈簧用于進氣門/排氣門的復位。
4.根據(jù)權利要求1所述的用于二沖程自由活塞發(fā)動機-發(fā)電機系統(tǒng)的可控氣門機構，其特征在于，所謂進氣道/排氣道，為類圓筒狀管道，且進氣道中裝有節(jié)氣門位置傳感器并采用高壓進氣的形式。
5.根據(jù)權利要求1所述的用于二沖程自由活塞發(fā)動機-發(fā)電機系統(tǒng)的可控氣門機構，其特征在于，所述伺服電機，為補助馬達間接變速裝置，通過銷連接帶動偏心輪滑塊機構運轉設定角位移，以實現(xiàn)進氣門/排氣門的開閉行程控制。
6.根據(jù)權利要求1所述的用于二沖程自由活塞發(fā)動機-發(fā)電機系統(tǒng)的可控氣門機構，其特征在于，該機構可根據(jù)二沖程自由活塞發(fā)動機-發(fā)電機系統(tǒng)中活塞組件運動的位置控制伺服電機的起動與停止；當伺服電機起動時，伺服電機的起動力經偏心輪滑塊機構打開進氣門或排氣門，并通過設定伺服電機的運動角位置確定進氣門或排氣門的開啟位置；同時當伺服電機停止即驅動力卸掉時，機構利用氣門彈簧的蓄能作用實現(xiàn)進氣門或排氣門的自動閉合。
7.根據(jù)權利要求1所述的用于二沖程自由活塞發(fā)動機-發(fā)電機系統(tǒng)的可控氣門機構，其特征在于，進氣道采用高壓進氣的形式，且裝有節(jié)氣門位置傳感器用以控制進氣量；同時，燃油經噴油器直接噴入氣缸內。
【文檔編號】F01L9/04GK103939170SQ201410082220
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月7日 優(yōu)先權日:2014年3月7日
【發(fā)明者】王哲, 尹兆雷, 丁宣, 孫晨樂, 顧旺旺, 李惠聰, 余弢, 蔣盛飛, 章桐 申請人:同濟大學