一种具有压电发电功能的汽车内燃机用磁流变消音器

摘要

本发明涉及汽车消音技术，具体涉及一种具有压电发电功能的汽车内燃机用磁流变消音器。筒体包括壳体和固定体，固定体上开有若干圆柱孔，圆柱孔内设有磁锥；磁锥由圆柱形永磁体和被磁化后覆盖在永磁体上的圆锥形磁流变液组成；筒体内由左隔板和右隔板沿垂直筒体轴线方向将筒体分隔为第一腔体、第二腔体和第三腔体，第二腔体内的转轴上安装有发电单元；第一腔体内转轴上安装有风扇叶片；发电单元内活塞通过蝶形弹簧将压电叠堆压在孔底面上。优势与特色：利用压电效应将风能转换为电能发电，不仅吸收噪音，且能发电，节约能源；利用磁锥声阻抗的梯度变化主动吸声，吸声频带宽。

权利要求

1.一种具有压电发电功能的汽车内燃机用磁流变消音器，其特征在于：包括中空的筒体，沿筒体一端偏离轴线的位置设有进气管，沿筒体另一端轴线的位置设有出气管；筒体包括壳体和固定体，固定体上开有若干圆柱孔，圆柱孔内设有磁锥；磁锥由圆柱形永磁体和被磁化后覆盖在永磁体上的圆锥形磁流变液组成；筒体内由左隔板和右隔板沿垂直筒体轴线方向将筒体分隔为第一腔体、第二腔体和第三腔体，进气管与第一腔体相通，出气管与第三腔体相通；左隔板和右隔板上均布地开有左流通孔和右流通孔；第二腔体内设有与筒体同轴的转轴，转轴两端通过滚动轴承安装在左隔板和右隔板上，左隔板和右隔板两端面上设有密封轴承的端盖，第二腔体内的转轴上安装有发电单元；转轴左端伸入到第一腔体内并在细轴的轴肩上通过螺钉均布地安装有风扇叶片，风扇叶片由压电晶片和金属基板粘接而成；发电单元内设空腔，转轴在空腔内的左中部均布设有沿径向凸出的左凸条，转轴在空腔内的中右部均布设有沿径向凸出的右凸条，左凸条和右凸条沿转轴外圆交错设置，左凸条和右凸条横截面一致，同为半圆形；发电单元包括并列设置在左隔板和右隔板之间的左极和右极、压电叠堆、蝶形弹簧、左活塞、右活塞；左极和右极为圆环形，左隔板、左极、右极和右隔板固定为一体；左极上开有至少一个圆柱形左孔，每个左孔内设有与转轴上左凸条接触的左活塞，左活塞通过蝶形弹簧将压电叠堆压在左孔底面上；右极上开有与左孔数量相等的圆柱形右孔，每个右孔内设有与转轴上右凸条接触的右活塞，右活塞通过蝶形弹簧将压电叠堆压在右孔底面上；风扇叶片E与转轴t的细轴t1的轴肩通过螺钉连接，并与轴向成一定的倾斜角β，风扇叶片倾斜角为β＝110°，风扇叶片为弯曲的彩虹型结构，压电晶片的曲率半径小于金属基板的曲率半径，压电晶片厚度为0.15～0.3mm的PZT4，金属基板为铍青铜，金属基板与压电晶片的厚度之比为1～2.5，此时风扇叶片的吸音降噪能力较强。

说明书

一种具有压电发电功能的汽车内燃机用磁流变消音器

技术领域

[0001] 本发明涉及汽车消音技术，具体涉及一种具有压电发电功能的汽车内燃机用磁流变消音器。

背景技术

[0002] 随着人们对生活品质要求的提升，汽车对排气噪声的要求也相应的越来越高。在汽车内燃机消音器的设计和制造时，吸声降噪是噪声控制中很重要的一个手段。如何实现良好吸声降噪，达到最佳的消音效果和最小的功率损失比，一直是内燃机消音器设计和制造领域的研究课题。吸声材料和吸声结构的种类很多，一般可分为单层吸声材料和多层吸声材料，它们都是被动吸声；而有别于被动吸声的主动吸声方法是从噪声传播途径上和受声体进行控制，它的控制目标是使入射声波的反射系数很小或接近于零，形成“黑洞”现象，使得吸声系数达到最大，从而达到吸声降噪的目的。与传统的吸声降噪技术相比，主动吸声技术可使吸声系数根据外界噪声的变化而变化，实现噪声的主动控制。

[0003] 主动吸声的智能材料主要有压电材料和磁流变液。压电材料主要利用压电效应，根据入射声波的频率，在压电材料表面形成电荷，将声能转化为电能，达到主动吸声的目的；磁流变液具有优异的可控性能，通过磁场的作用其粘度、场致微结构等易形成梯度变化，使声波能够无反射的进入吸声材料，而且由于材料本身的粘性和微结构，可导致声波多次反射，多次吸收，最终将声能转化为热能，使得声波在其中能够迅速衰减，因此，磁流变液场致微结构可实现梯度变化，易于形成梯度阻抗，给主动智能吸声提供了一个新的视角。

发明内容

[0004] 针对现有汽车内燃机消音器消音方面所存在的问题，本发明提出一种具有压电发电功能的汽车内燃机用磁流变消音器，本发明采用的实施方案是：包括中空的筒体，沿筒体一端偏离轴线的位置设有进气管，沿筒体另一端轴线的位置设有出气管；筒体包括壳体和固定体，固定体上开有若干圆柱孔，圆柱孔内设有磁锥；磁锥由圆柱形永磁体和被磁化后覆盖在永磁体上的圆锥形磁流变液组成；筒体内由左隔板和右隔板沿垂直筒体轴线方向将筒体分隔为第一腔体、第二腔体和第三腔体，进气管与第一腔体相通，出气管与第三腔体相通；左隔板和右隔板上均布地开有左流通孔和右流通孔；第二腔体内设有与筒体同轴的转轴，转轴两端通过滚动轴承安装在左隔板和右隔板上，左隔板和右隔板两端面上设有密封轴承的端盖，第二腔体内的转轴上安装有发电单元；转轴左端伸入到第一腔体内并在细轴的轴肩上通过螺钉均布地安装有风扇叶片，风扇叶片由压电晶片和金属基板粘接而成；发电单元内设空腔，转轴在空腔内的左中部均布设有沿径向凸出的左凸条，转轴在空腔内的中右部均布设有沿径向凸出的右凸条，左凸条和右凸条沿转轴外圆交错设置，左凸条和右凸条横截面一致，同为半圆形；发电单元包括并列设置在左隔板和右隔板之间的左极和右极、压电叠堆、蝶形弹簧、左活塞、右活塞；左极和右极为圆环形，左隔板、左极、右极和右隔板固定为一体；左极上开有至少一个圆柱形左孔，每个左孔内设有与转轴上左凸条接触的左活塞，左活塞通过蝶形弹簧将压电叠堆压在左孔底面上；右极上开有与左孔数量相等的圆柱形右孔，每个右孔内设有与转轴上右凸条接触的右活塞，右活塞通过蝶形弹簧将压电叠堆压在右孔底面上。

[0005] 本发明中，为提高风扇叶片的吸音降噪能力，风扇叶片与转轴的细轴的轴肩通过螺钉连接，并与轴向成一定的倾斜角β(类似电风扇叶片倾斜角)，风扇叶片倾斜角为β＝110°，风扇叶片为弯曲的彩虹型结构，压电晶片的曲率半径小于金属基板的曲率半径，压电晶片厚度为0.15～0.3mm的PZT4，金属基板为铍青铜，金属基板与压电晶片的厚度之比为1～2.5，此时风扇叶片的吸音降噪能力较强。

[0006] 气流进入第一腔体吹到风扇叶片时，气流中声波的振动使压电晶片所受的应力交替增加和减小的过程即将声能转换成电能；同时，气体动压力驱动风扇叶片旋转，带动转轴旋转，转轴转动将使左活塞在左凸条作用下、右活塞在右凸条产生周期性往复振动并带动压电叠堆伸缩变形，从而将风能经机械能转换为电能；压电晶片和压电叠堆所生成的电能全部经导线传输到能量转换与存储电路为汽车电路供电。

[0007] 磁锥是根据逐渐过渡原理，使磁流变液被永磁体磁化成圆锥形，利用声阻抗的逐渐变化，从磁锥的尖端到底部，声阻抗是从空气的特性阻抗逐步过渡到磁流变液的阻抗，从而实现了很好的阻抗匹配；同时由于磁流变液本身的场至微结构特性，导致声波多次反射，多次吸收，最终将声能转化为热能，从而使消音器内磁锥吸声系数达到最高。

[0008] 优势与特色：1)利用压电效应将风能转换为电能发电，不仅吸收噪音，且能发电，节约能源；2)利用磁锥声阻抗的梯度变化主动吸声，吸声频带宽。

附图说明

[0009] 图1为本发明一个较佳实施例中一种具有压电发电功能的汽车内燃机用磁流变消音器的结构示意图；

[0010] 图2为图1的A-A剖视图；

[0011] 图3为本发明一个较佳实施例中风扇叶片与转轴装配结构示意图；

[0012] 图4为图1的局部放大图。

具体实施方式

[0013] 一种具有压电发电功能的汽车内燃机用磁流变消音器，包括中空的筒体V，沿筒体V一端偏离轴线的位置设有进气管a，沿筒体V另一端轴线的位置设有出气管p；筒体V包括壳体b和固定体c，固定体c上开有若干圆柱孔，圆柱孔内设有磁锥X；磁锥X由圆柱形永磁体d和被磁化后覆盖在永磁体d上的圆锥形磁流变液h组成；筒体V内由左隔板g和右隔板m沿垂直筒体V轴线方向将筒体V分隔为第一腔体A、第二腔体B和第三腔体C，进气管a与第一腔体A相通，出气管p与第三腔体C相通；左隔板g和右隔板m上均布地开有左流通孔g1和右流通孔m1；第二腔体B内设有与筒体V同轴的转轴t，转轴t两端通过滚动轴承安装在左隔板g和右隔板m上，左隔板g和右隔板m两端面上设有密封轴承的端盖，第二腔体B内的转轴t上安装有发电单元Y；转轴t左端伸入到第一腔体A内并在细轴t1的轴肩上通过螺钉均布地安装有风扇叶片E，风扇叶片E由压电晶片e1和金属基板e2粘接而成；发电单元Y内设空腔D，转轴t在空腔D内的左中部均布设有沿径向凸出的左凸条t2，转轴t在空腔D内的中右部均布设有沿径向凸出的右凸条t3，左凸条t2和右凸条t3沿转轴t外圆交错设置，左凸条t2和右凸条t3横截面一致，同为半圆形；发电单元Y包括并列设置在左隔板g和右隔板m之间的左极f和右极n、压电叠堆j、蝶形弹簧s、左活塞i、右活塞k；左极f和右极n为圆环形，左隔板g、左极f、右极n和右隔板m固定为一体；左极f上开有至少一个圆柱形左孔f1，每个左孔f1内设有与转轴t上左凸条t2接触的左活塞i，左活塞i通过蝶形弹簧s将压电叠堆j压在左孔f1底面上；右极n上开有与左孔f1数量相等的圆柱形右孔n1，每个右孔n1内设有与转轴t上右凸条t3接触的右活塞k，右活塞k通过蝶形弹簧s将压电叠堆j压在右孔n1底面上。

[0014] 本发明中，为提高风扇叶片E的吸音降噪能力，风扇叶片E与转轴t的细轴t1的轴肩通过螺钉连接，并与轴向成一定的倾斜角β(类似电风扇叶片倾斜角)，风扇叶片E倾斜角为β＝110°，风扇叶片E为弯曲的彩虹型结构，压电晶片e1的曲率半径小于金属基板e2的曲率半径，压电晶片e1厚度为0.15～0.3mm的PZT4，金属基板e2为铍青铜，金属基板e2与压电晶片e1的厚度之比为1～2.5，此时风扇叶片的吸音降噪能力较强。

[0015] 气流进入第一腔体吹到风扇叶片E时，气流中声波的振动使压电晶片e1所受的应力交替增加和减小的过程即将声能转换成电能；同时，气体动压力驱动风扇叶片E旋转，带动转轴t旋转，转轴t转动将使左活塞i在左凸条t2作用下、右活塞k在右凸条t3产生周期性往复振动并带动压电叠堆j伸缩变形，从而将风能经机械能转换为电能；压电晶片e1和压电叠堆j所生成的电能全部经导线传输到能量转换与存储电路。

[0016] 磁锥X是根据逐渐过渡原理，使磁流变液h被永磁体d磁化成圆锥形，利用声阻抗的逐渐变化，从磁锥X的尖端到底部，声阻抗是从空气的特性阻抗逐步过渡到磁流变液h的阻抗，从而实现了很好的阻抗匹配；同时由于磁流变液h本身的场至微结构特性，导致声波多次反射，多次吸收，最终将声能转化为热能，从而使消音器内磁锥X吸声系数达到最高。