CN101214788A - 受迫振动直动发电、缓冲储能、电动驱动汽车 - Google Patents
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Abstract
一种能在较宽工况下优化发动机的压缩比、降低机械损失，提高燃油效率的汽车***，它是直接利用往复式发动机活塞的直线运动，驱动线圈或磁体产生电流发电，活塞和线圈(或磁体)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运动；该***通过控制中心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，通过控制投入工作汽缸数量和进气冲程的距离来控制进气量来调整功率；气门的驱动也利用磁振动体系(或机械振动体系)和电磁力迫使气门正确开闭，用电磁力补充受迫振动体系的能量；该***能方便调整压缩比，可适应多种燃料的压燃式工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种节能的汽车***，尤其是采用受拍振动直动发电、缓冲储能、电动机驱动的汽车。
背景技术
目前公知的普遍采用的汽车动力***是四冲程汽油或柴油发动机、通过变速器、传动轴等驱动车轮转动、压缩比固定，由于在不同工况下进气量不同，混合气(或空气)真实压缩比是变化的，尤其是低速情况下进气量小，压缩比低，效率低，低速运行发动机机械摩擦损失比例大，进一步降低发动机效率；目前主要有四类方法来提高燃油效率，一是通过机械装置改变压缩比来实现气体真实压缩比最优化，增加发动机高效运行范围；二是混合动力汽车，该类汽车主要包括小功率发动机、发电机、蓄电池和电动机，该类汽车使发动机主要在中高效率区间运行来提高燃油效率，利用停车时或低速时发电并存储在蓄电池内，低功率需求时蓄电池和电动机提供驱动力，高功率需求时由发动机或发动机与电动机共同提供驱动力；三是纯电动汽车；四是燃料电池汽车；四类提高燃料效率的方法因为可靠性、成本等因素没有大规模运用。
发明内容
为了在较宽工况下优化发动机的压缩比、降低机械损失，提高发动机效率，本发明设计了受迫振动直动发电，储能缓冲，电动驱动汽车，实现了在主要工况下提高燃油效率的目的。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
(1)受迫振动直动发电***
常规活塞式发动机将活塞直线运动变为旋转运动再输出动力，本设计不将活塞直线运动变为旋转运动，直接用活塞直线运动驱动发电***，在不做功期间，利用机械或电磁受迫振动实现活塞往复运动，由于没有活塞直线运动变为旋转运动的曲轴连杆装置，活塞运动的上下止点为浮动的，通过发电***的电磁力调节活塞运动的上下止点、实现发动机进气量和气体真实压缩比优化。通过调节喷油器和发电线圈的工作状态，该发电***可使用多种燃料压燃式工作。
由于该种发动机没有曲轴，不能采用常规凸轮轴驱动气门，气门的驱动设计为气门与衔铁、弹簧相连，衔铁位于二个电磁铁中间，形成受迫振动体系，电磁铁的电磁力补充受迫振动体系的能量，并保证气门的正确开闭。
为了降低发动机振动，汽缸采用水平对置的方式安装，每两个汽缸为一组，根据需求设置多组汽缸，在运行过程中根据功率需求改变投入工作的汽缸的数量，降低***机械损耗，最终实现较宽工况条件实现高效工作。
(2)缓冲储能***
由于采用变压缩比和工作缸数后，发动机适应性增强，大多数情况下发电机可以高效率地工作，只在特低功率和启动期间需电池供电，因此可以比混合动力汽车小得多的电池储存电能。该***主要有发电工作电容，提供发电缓冲和为线圈供电，启动发电机和调节活塞上下止点；高压主电容，提供高压储能缓冲；电动机工作电容；中低压储能电池，为低压电器供电和发动机长时不用时通过升压电路和控制电路向高压主电容补充电能。
(3)电动驱动***
该部分可采用与纯电池驱动汽车相似的结构，主要为可转换为发电机的电动机，其安装位置位于车轮处，电动机轴中心与驱动轴中心重合，电动机轴与驱动轴连接有两种模式，一、直接连接工作模式：此工作模式为主要工作模式，电动机轴与驱动轴通过可轴向运动的咬合齿连结，两轴转速相同，咬合齿无相对运动，机械损失小；二、减速工作模式：在高转拒需求或强制减速过程中工作，通过操作机构使电动机轴与驱动轴的咬合齿分离，同时使电动机轴、驱动轴与减速齿轮结合，实现减速驱动。
(4)控制***
利用各种传感器反馈汽车各***的工作状态，并发出控制指令，保证汽车平稳工作。本发明的有益效果是，可以较方便地实现变发动机工作缸数、变压缩比，从而使发动机在宽工作条件下的高效率，降低储电***的容量要求，提高整个汽车***的工作效率，同时通过控制***的编程控制，可实现多种燃料压燃式工作。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明
图1是动圈式受迫振动直动发电***结构原理图
图2是动磁式受迫振动直动发电***结构原理图
图3是受迫振动式气门驱动机构结构原理图
图4是储能缓冲控制***原理图
图中1.活塞，2.连接杆，3.弹簧座，4.弹簧，5.受力板，6.动线圈，7.弹簧，8.导磁体，9.永磁铁(或激励磁铁)，10.弹簧座，11.永磁铁，12.导磁体，13.定线圈，14.永磁体，15.永磁铁，16.气门，17.气门杆，18.受力板，19.弹簧，20.弹簧座，21.电磁铁，22.衔铁，23.电磁铁，24.磁铁座，26.发电机正工作电容，27.发电机正工作电容可控硅，28.发电机正工作电容电压控制可控硅，29.主正电容，30.主正电容可控硅，31.电动机正工作电容电压控制可控硅，32.电动机正工作电容，33.电动机正工作电容可控硅，34.发电机负工作电容，35.发电机负工作电容可控硅，36.发电机负工作电容电压控制可控硅，37.主负电容，38.主负电容可控硅，39.电动机负工作电容电压控制可控硅，40.电动机负工作电容，41.电动机负工作电容可控硅，42.电动机线圈，43可控硅控制线，44.***控制中心。
具体实施方式
在图1中，永磁铁(9)(或激励磁铁)与高导磁体(8)连接，在高导磁之间形成磁力线沿径向分布的磁场，活塞(1)与连接杆(2)、受力板(5)、动线圈(6)、弹簧(7)连接，弹簧(7)另一端与弹簧座(10)连接，弹簧(4)与弹簧座(3)连接，弹簧座(3)固定在机体上，中心开孔与连接杆(2)滑动连接。活塞(1)与弹簧(4)和弹簧(7)形成一个振动体系，活塞(1)往复运动带动动线圈(6)在磁场中往复运动，活塞的平衡位置位于汽缸的上止点附近。
正常工作时分为四个冲程，第一冲程，进气冲程，进气门打开，排气门关闭，活塞(1)在弹簧(4)和弹簧(7)的共同作用下加速向下止点运动，同时混合气进入，线圈中通以电流，促使活塞(1)运动，或向外输出电能，阻止活塞(1)运动，进气冲程后期，活塞(1)在弹簧(7)和动线圈(6)磁力的共同作用下，达到要求进气量时运动终止，进气冲程结束；第二冲程，压缩冲程，进气门和排气门关闭，线圈中通以电流，促使活塞(1)向上止点运动，电流大小，根据进气量确定，电磁力与弹力一同驱动活塞压缩混合气，压缩冲程末期，混合气温度达到燃点，混合气燃烧，活塞继续压缩混合气，当混合气压力升高使活塞(1)运动速度为零时，压缩冲程终止，在此过程中弹簧基本(4)不工作；第三冲程，做功冲程，进气门、排气门关闭，混合气继续燃烧，并推动活塞(1)和线圈运动，在线圈中产生电压，在控制电路的控制下将电能输出，活塞运动过程中压缩弹簧(7)，将机械能储存在弹簧中；第四冲程，排气冲程，进气门关闭，排气门打开，弹簧(7)推动活塞(1)排气，在上止点附近，弹簧(4)被压缩，活塞(1)在弹簧(4)和弹簧(7)的共同作用下，运动速度快速降低，速度为零时，排气冲程结束，此冲程中可根据需要，在活塞快速运动期间通过控制电路向外输出电能，辅助降低活塞运动，减低对弹簧(4)的性能要求。
为了增加充分利用燃气能量，利用控制***将各冲程控制为不等冲程工作模式，做功冲程和排气冲程采用较长冲程，吸气冲程和压缩冲程采用较短冲程。
当发动机启动时，线圈中通以与***振动周期一致的周期性电流，活塞运动的幅度增大，当达到启动要求时，进入正常的工作冲程
在图2中，永磁铁(14)通过连接杆(2)与活塞(1)相连，永磁铁(15)和永磁铁(11)通过高导磁体(12)连接，形成闭合磁路，永磁铁(11)、永磁铁(14)和永磁铁(15)形成振动体系，永磁铁(14)在活塞的限制下在定线圈(13)中进行往复运动。
图2实例中工作方式与图1实例一致。
图3中气门(16)、气门推杆(17)、受力板(18)、弹簧(19)、弹簧座(20)衔铁(22)共轴连接，弹簧座(20)中心开孔与气门推杆(17)滑动安装，电磁铁(21)、电磁铁(23)分别安装在弹簧座(20)、磁铁座(24)上。
发动机启动时电磁铁(21)、电磁铁(23)通以与***振动周期一致的周期性电流，***机械能增加，当振幅满足要求时，气门进入正常状态。***固有振动频率高于气门最高工作频率，气门推杆在弹簧(19)作用下运动，每次运动都有一定能量衰减，在运动接近终点，衔铁与电磁铁接近时，电磁铁通以电流，吸引衔铁，补充***能量，并将气门保持，断开电磁电流时，气门在弹簧(19)作用下向另一状态运动，实现气门的开闭。
图4是发电机和电动机缓冲储能驱动工作电路原理图，图中发电机线圈(6、13)分别通过发电机正工作电容可控硅(27)，主正电容可控硅(30)，发电机负工作电容可控硅(35)，主负电容可控硅(38)，与发电机正工作电容(26)，主正电容(29)，发电机负工作电容(34)，主负电容(37)连接；发电机正工作电容(26)和发电机负工作电容(34)分别通过发电机正工作电容电压控制可控硅(28)和发电机负工作电容电压控制可控硅(36)与主正电容(29)和主负电容(37)相连；电动机线圈(42)分别通过电动机正工作电容可控硅(33)，电动机负工作电容可控硅(41)与电动机正工作电容(32)和电动机负工作电容相连(40)相连；电动机正工作电容(32)和电动机负工作电容(40)分别通过电动机正工作电容电压控制可控硅(31)和电动机负工作电容电压控制可控硅(39)与主正电容(29)和主负电容(37)相连；所有可控硅控制端(43)与***控制中心相连(44)。
为了减少发电机向主电容充电和直流换向所需可控硅，减小电能损失，储能缓冲***设计成正负电源工作模式，发动机和电动机线圈通过可控硅与正负工作电容相连，根据工作状态控制连接不同的正负工作电容的可控硅导通，实现控制电动机和发电机线圈电流方向。为了减小发电机在正常工作过程中电功发热损失，各个冲程的初期和末期(活塞低速运动期间)，活塞靠弹簧和混合气燃烧驱动，工作电容的可控硅不导通，在活塞中高速运动期间通过控制相应的可控硅导通，和工作电容的电压高低，实现准确输出电能或驱动活塞的目的。电动机在汽车强制减速过程中，电动机与驱动轴之间转换为减速连接，电动机以高于驱动轴的转速运转，产生较高电压，通过可控硅将电能储层于相应的主电容内。
Claims (9)
1.一种汽车***，它是直接利用往复式发动机活塞的直线运动，驱动线圈或磁体产生电流发电，活塞在非做功冲程期间的运动和气门驱动利用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。
2.根据权利要求1所述的汽车***，其特征是：发电体系采用动圈式发电体系，永磁铁(或激励磁铁)与高导磁体连接，在高导磁体之间形成磁力线沿径向分布的磁场，活塞与连接杆、受力板、线圈、长自由度弹簧连接，线圈可在高导磁体之间形成的磁力线沿径向分布的磁场中运动，在靠近汽缸处设置另一短自由度弹簧，形成机械振动体系。
3.根据权利要求1所述的汽车***，其特征是：发电体系采用动磁式发电，活塞驱动一块永磁铁(或激励磁铁)在线圈中运动，活塞驱动的磁铁两端分别设置一块与活塞驱动的磁铁的磁性相反的磁铁，三块磁铁形成磁振动体系。
4.根据权利要求1所述的汽车***，其特征是汽缸采用水平对置方式安装，工作程序相同，线圈接线方式使产生电压方向相反。
5.根据权利要求1所述的汽车***，其特征是控制***控制活塞为不等冲程工作模式，做功冲程和排气冲程采用较长冲程，吸气冲程和压缩冲程采用较短冲程。
6.根据权利要求1所述的汽车***，其特征是发动机不同燃料均采用压燃式工作，通过控制发电线圈中电流大小、方向和导通时间来实现控制不同的压缩比，实现发动机在不同燃料和不同功率需求下压缩比优化。
7.根据权利要求1所述的汽车***，其特征是气门与衔铁、弹簧相连，衔铁位于二个电磁铁中间，形成受迫振动体系，电磁铁的电磁力补充受迫振动体系的能量，并保证气门的正确开闭。
8.根据权利要求1所述的汽车***，其特征是：电容缓冲体系是采用正负双电源体系，发动机和电动机线圈通过可控硅与正负工作电容相连，根据工作状态控制连接不同的正负工作电容的可控硅导通，实现控制电动机和发电机线圈电流方向。
9.根据权利要求1所述的汽车***，其特征是：控制***设计为发动机在各个冲程的初期和末期(活塞低速运动期间)，活塞靠弹簧和混合气燃烧驱动，工作电容的可控硅不导通，在活塞中高速运动期间通过控制相应的可控硅导通和工作电容的电压高低，实现准确输出电能或驱动活塞的目的。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: TIANJIN XIJING POWER TECHNOLOGY CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: TANG MINGLONG Effective date: 20100527 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 841000 XINJIANG UYGUR AUTONOMOUS REGION KORLA CITY RESEARCH INSTITUTE OF EXPLORATION AND DEVELOPMENT OF TARIM OILFIELD COMPANY TO: 300457 ROOM 912, DISTRICT C, VENTURE CENTER, NO.12, TAIHUA ROAD, NO.5 AVENUE, TIANJIN CITY ECONOMIC AND TECHNOLOGICAL DEVELOPMENT ZONE |
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| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20100527 Address after: No. 12 business center C District 300457 Fifth Street Tianjin City Economic and Technological Development Zone Taihua Road Room 912 Applicant after: Tianjin Xijing Power Technology Co., Ltd. Address before: 841000 Korla exploration and Development Research Institute, Tarim Oilfield Company, the Xinjiang Uygur Autonomous Region, China Applicant before: Tang Minglong |
|
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20080709 |