ЛИНЕЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ВЫСОКИМ КПД Российский патент 2016 года по МПК F02B71/00 

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Настоящая заявка является частично продолжающей заявкой патентной заявки США №13/298206, поданной 16 ноября 2011, которая является частично продолжающей заявкой патентной заявки США №13/102916, поданной 6 мая 2011, которая является частично продолжающей заявкой патентных заявок США №12/953277 и №12/953270, поданных 23 ноября 2010, содержание которых в полном объеме включено в настоящее описание посредством ссылки.

Область техники изобретения

[0001] Настоящее изобретение относится к линейным двигателям внутреннего сгорания с высоким КПД и, в частности, некоторые варианты осуществления изобретения относятся к линейным двигателям внутреннего сгорания с высоким КПД, в которых обеспечивается достижение высоких степеней сжатия/расширения при использовании конструкции свободнопоршневого двигателя в сочетании с линейной электромагнитной машиной для обеспечения работы по выпуску газов и инновационной концепции управления процессом сгорания.

Описание известного уровня техники

[0002] За последние 30 лет показатели удельной мощности и эмиссии двигателя внутреннего сгорания улучшились; но общий КПД остался относительно неизменным. Специалистам в области двигателей внутреннего сгорания хорошо известен тот факт, что увеличение геометрической степени сжатия двигателя ведет к увеличению теоретического предела КПД двигателя. Кроме того, увеличение геометрической степени расширения двигателя настолько, что она превышает его степень сжатия, ведет к еще большему увеличению теоретического предела его КПД. Для краткости "геометрическая степень сжатия" и "геометрическая степень расширения" упоминаются соответственно как "степень сжатия" и "степень расширения".

На фиг.1 (известный уровень техники) показаны ограничения по теоретическому КПД двух циклов, обычно используемых в двигателях внутреннего сгорания - Отто и Аткинсона. В частности, на фиг.1 сопоставляются идеальные КПД циклов Отто и Аткинсона в функции степени сжатия. Модельные допущения включают: (i) давление в нижней мертвой точке ("BDC") равно одной атмосфере; и (ii) стехиометрическое соотношение предварительно смешанных идеального газа метана и воздуха, включая переменные свойства, диссоциированные продукты и равновесие во время расширения.

Как показано на фиг.1, с увеличением степени сжатия наблюдается значительное увеличение теоретических пределов КПД для обоих циклов. Идеальный цикл Отто разбит на три ступени: 1) изоэнтропическое сжатие, 2) адиабатическое сгорание при постоянном объеме и 3) изоэнтропическое расширение до первоначального объема в BDC. Степень расширения для цикла Отто равна его степени сжатия. Идеальный цикл Аткинсона тоже разбит на три ступени: 1) изоэнтропическое сжатие 2) адиабатическое сгорание при постоянном объеме и 3) изоэнтропическое расширение до первоначального давления в BDC (в этом примере равно одной атмосфере). Степень расширения для цикла Аткинсона всегда больше, чем его степень сжатия, как показано на фиг.1. Несмотря на то, что цикл Аткинсона имеет больший теоретический предел КПД, чем цикл Отто для определенной степени сжатия, он имеет значительно более низкую плотность энергии (мощность на единицу массы). На практике выбирается компромиссный вариант между КПД и плотностью энергии.

В имеющихся в настоящее время на рынке удачно спроектированных/сконструированных двигателях внутреннего сгорания, как правило, достигаются тормозные КПД, составляющие 70-80% теоретических пределов их КПД. На фиг.2 (известный уровень техники) показаны КПД нескольких коммерчески доступных двигателей внутреннего сгорания. Фиг.2, в частности, сопоставляется предел КПД идеального цикла Отто с КПД нескольких коммерчески доступных двигателей внутреннего сгорания, имеющихся в настоящее время на рынке. Модельные допущения включают стехиометрическое соотношение предварительно смешанных идеального газа пропана и воздуха, в том числе переменные свойства, диссоциированные продукты и равновесное состояние во время расширения. Действительная степень сжатия определяется как отношение плотности газа в верхней мертвой точке ("TDC") к плотности газа в BDC. Действительная степень сжатия предоставляет средство сравнения двигателей с форсированием с безнаддувными двигателями при равных условиях. Для того чтобы аналогично удачно спроектированный двигатель имел тормозной КПД свыше 50% (то есть, по меньшей мере, 70% его теоретического КПД), двигатель, работающий согласно циклу Отто, должен иметь степень сжатия, превышающую 102, и двигатель, работающий согласно циклу Аткинсона, должен иметь степень сжатия свыше 14, что соответствует степени расширения, равной 54, как видно из фигуры 1.

В традиционных поршневых возвратно-поступательных двигателях с кривошипно-шатунным механизмом ("традиционные двигатели") трудно достичь высоких степеней сжатия/расширения (свыше 30) из-за присущей таким двигателям структуры. На фиг.3 (известный уровень техники) приведен схематический чертеж, поясняющий конструкцию традиционных двигателей и проблемы, препятствующие достижению в них высоких степеней сжатии. В типичных двигателях внутреннего сгорания ("ДВС") отношение диаметра цилиндра к ходу поршня колеблется в пределах 0,5-1,2 и степень сжатия колеблется в пределах 8-24. (Heywood, J. (1988). Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill). По мере увеличения степени сжатия двигателя при сохранении того же отношения диаметра цилиндра к ходу поршня увеличивается отношение площади поверхности к объему в верхней мертвой точке (TDC), повышается температура и повышается давление. Это имеет следующие три главных последствия: 1) увеличивается теплоотдача от камеры сгорания, 2) становится затруднительной синхронизация по фазе в камере сгорания, и 3) возрастают трение и механические потери. Теплоотдача увеличивается из-за того, что доля теплового граничного слоя в общем объеме становится больше (то есть формат в TDC уменьшается). Формат определяется как отношение диаметра цилиндра к длине камеры сгорания. Синхронизация по фазе процесса горения и достижение полного сгорания затруднены вследствие малого объема, реализованного в TDC. Повышенное давление камеры сгорания непосредственно преобразуется в увеличенные силы. Эти большие силы могут вызвать перегрузку, как механических связей, так и поршневых колец.

Несмотря на то, что свободнопоршневые двигатели внутреннего сгорания не являются новыми, их, как правило, не использовали или не разрабатывали в расчете на получение степеней сжатия/расширения свыше 30:1, за исключением работы, выполнявшейся в Национальной лаборатории Сэндиа (см. патент США №6199519). Существует большое количество литературы и патентов по свободнопоршневым двигателям. Однако литература ориентирована на свободнопоршневые двигатели, имеющие малую длину хода, в связи с чем для них характерны проблемы, аналогичные имеющим место в поршневых возвратно-поступательных двигателях при приближении к области высоких степеней сжатия/расширения, а именно проблемы, связанные с управлением процессом горения и большими потерями от теплопередачи. Конструкции свободнопоршневых двигателей можно разделить на три категории, а именно: 1) с двумя оппозитными поршнями и одной камерой сгорания, 2) с одним поршнем и двумя камерами сгорания и 3) с одним поршнем и одной камерой сгорания. На фиг.4 (известный уровень техники) представлена диаграмма, демонстрирующая три общеизвестные конструкции свободнопоршневого двигателя. Конструкции свободнопоршневого двигателя с одним поршнем и двумя камерами имеют ограничение по степени сжатия вследствие неуравновешенности больших сил, возникающих при высоких степенях сжатия, которые могут вызывать механическую неустойчивость.

Как упомянуто выше, в научно-технической литературе и патентной документации на момент создания изобретения предлагается несколько вариантов свободнопоршневых двигателей. Из многочисленных предлагавшихся конструкций свободнопоршневых двигателей практическое применение нашли лишь несколько (насколько известно авторам данного изобретения). В научно-исследовательской работе Микалсена и Роскилли описываются свободнопоршневые двигатели в Университете Западной Вирджинии, Национальной лаборатории Сандиа и Королевского технологического института в Швеции. Mikalsen R., Roskilly А.Р. A review of free-piston engine history and applications. Applied Thermal Engineering, 2007; 27:2339-2352. Имеются сведения о научно-исследовательских работах, которые проводятся в Чешском техническом университете (http://www.lceproject.org/en/), фирмой INNAS BV в Нидерландах (http://www.innas.com/) и фирмой Pempek Systems в Австралии (http://www.freepistonpower.com/). Все известные нашедшие практическое применение свободнопоршневые двигатели имеют малую длину хода и поэтому имеют аналогичные нежелательные последствия при приближении к области высоких степеней сжатия/расширения, а именно к проблемам с управлением процессом горения и большим потерям на теплопередачу. Кроме того, все двигатели, за исключением опытного образца в Национальной лаборатории Сандиа (Aichlmayr, Н.Т., Van Blarigan, P. Modeling and Experimental Characterization of a Permanent Magnet Linear Alternator for Free-Piston Engine Applications ASME Energy Sustainability Conference San Francisco CA, July 19-23 2009) и опытного образца, разработанного ОРОС (международная патентная заявка WO 03/07883), имеют конструкции с одним поршнем и двумя камерами сгорания и поэтому имеют ограничение в отношении степени сжатия в связи с тем, что большие усилия, возникающие при высоких степенях сжатия, не уравновешены, что вызывает потерю механической устойчивости.

Принимая во внимание ограничения, свойственные конструкциям традиционных двигателей, описанные выше, некоторые изготовители предприняли попытки, и продолжают предпринимать попытки, повысить КПД двигателя путем перехода к высокоэффективным степеням сжатия за счет использования турбокомпрессоров или компрессоров наддува. Форсирование двигателя посредством турбокомпрессоров или компрессоров наддува обеспечивает достижение высокоэффективной степени сжатия при сохранении той же геометрической степени сжатия. Форсирование двигателя не устраняет нежелательные последствия, обусловленные превышением нормальных значений сил, которое имеет место в TDC или вблизи нее. По этой причине под действием таких сил может возникать перегрузка как механических связей внутри двигателя (поршневого пальца, штока поршня, и коленчатого вала), приводящая к механической неисправности, так и компрессионных поршневых колец, приводящая к повышенному трению, износу или неисправности. Форсирование двигателя также ведет, как правило, к увеличению потерь на теплопередачу вследствие недостаточного уменьшения времени нахождения в TDC или ее окрестности (то есть при самых высоких температурах), что обусловливает превышение нормальных температур в TDC или вблизи нее.

Краткое описание вариантов осуществления изобретения

В примерах осуществления настоящего изобретения предлагаются линейные двигатели внутреннего сгорания с высоким КПД. В этих вариантах осуществления устранены недостатки, мешающие достижению в традиционных двигателях высоких степеней сжатия/растяжения, за счет использования свободнопоршневой структуры двигателя в сочетании с линейной электромагнитной машиной для обеспечения работы по удалению газов и инновационной стратегии управления процессом горения. Изобретение, сущность которого здесь раскрыта, обеспечивает повышение теплового КПД двигателей внутреннего сгорания до уровня свыше 50% в диапазоне, подходящем для распределенных источников производства электроэнергии и/или гибридных электромобилей (5 кВт - 5 МВт).

В одном примере осуществления изобретения предлагается линейный двигатель внутреннего сгорания, включающий в себя: цилиндр, имеющий стенку цилиндра и два конца, причем цилиндр содержит секцию сгорания, расположенную в центральной части цилиндра; два оппозитных поршневых узла, приспособленных для прямолинейного перемещения внутри цилиндра, причем каждый поршневой узел расположен с одной стороны секции сгорания напротив другого поршневого узла, каждый поршневой узел содержит подпружиненный шток и поршень, включающий сплошную переднюю часть, примыкающую к секции сгорания, и полую заднюю часть, содержащую пневматическую пружину, непосредственно обеспечивающую, по меньшей мере, часть работы сжатия в течение такта сжатия двигателя; и две электромагнитные машины, приспособленные для непосредственного преобразования кинетической энергии поршневого узла в электрическую энергию и приспособленные для непосредственного преобразования электрической энергии в кинетическую энергию поршневого узла для обеспечения работы сжатия в течение такта сжатия; при этом двигатель имеет переменную степень расширения свыше 50:1.

В другом примере осуществления изобретения предлагается линейный двигатель внутреннего сгорания, включающий в себя: цилиндр, имеющий стенку цилиндра и секцию сгорания, расположенную на одном конце цилиндра; поршневой узел, приспособленный для прямолинейного перемещения внутри цилиндра, содержащий подпружиненный шток и поршень, включающий сплошную переднюю часть, примыкающую к секции сгорания, и полую заднюю часть, содержащую пневматическую пружину, непосредственно обеспечивающую, по меньшей мере, часть работы сжатия в течение такта сжатия двигателя; и линейную электромагнитную машину, приспособленную для непосредственного преобразования кинетической энергии поршневого узла в электрическую энергию и приспособленную для непосредственного преобразования электрической энергии в кинетическую энергию поршневого узла для обеспечения работы сжатия в течение такта сжатия; при этом двигатель имеет переменную степень сжатия свыше 50:1.

Другие признаки и особенности изобретения очевидны из приведенного ниже подробного описания, которое ведется со ссылками на прилагаемые графические материалы, поясняющие на примере признаки изобретения в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Данное краткое описание не имеет целью ограничение объема изобретения, который определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения.

Краткое описание графических материалов

Настоящее изобретение, в соответствии с одним или несколькими различными вариантами его осуществления, подробно описывается со ссылкой на приведенные ниже фигуры графических материалов. Графические материалы приведены исключительно в целях иллюстрации и всего лишь показывают типичные варианты осуществления изобретения. Эти графические материалы служат для облегчения понимания сущности изобретения при прочтении текста описания изобретения и не должны рассматриваться как ограничивающие широту притязаний, объем или область применения изобретения. Следует отметить, что для удобства обзора и простоты выполнения иллюстраций эти графические материалы не требуют соблюдения масштаба.

Фиг.1 (известный уровень техники) - график, поясняющий теоретические пределы КПД для двух циклов, обычно используемых в двигателях внутреннего сгорания.

Фиг.2 (известный уровень техники) - график, сопоставляющий предел КПД идеального цикла Отто и несколько коммерчески доступных двигателей, имеющихся в настоящее время на рынке.

Фиг.3 (известный уровень техники) - схематический чертеж, поясняющий конструкцию традиционных двигателей и проблемы, мешающие достижению в них высоких степеней сжатия.

Фиг.4 (известный уровень техники) - диаграмма, демонстрирующая три обычные конструкции свободнопоршневого двигателя.

Фиг.5 - график, позволяющий сопоставить экспериментальные данные, полученные от опытного образца в Стэнфордском университете, с пределом КПД идеального цикла Отто.

Фиг.6 - вид в разрезе примера выполнения двухпоршневого двухтактного варианта осуществления двигателя внутреннего сгорания со встроенными пневматическими пружинами в соответствии с принципами изобретения.

Фиг.7 - чертеж, демонстрирующий двухтактный цикл поршневого узла двухпоршневого двигателя со встроенными пневматическими пружинами по фиг.6.

Фиг.8 - вид в разрезе примера выполнения двухпоршневого четырехтактного двигателя варианта осуществления двигателя внутреннего сгорания со встроенными пневматическими пружинами в соответствии с принципами изобретения.

Фиг.9 - вид в разрезе четырехтактного цикла поршневого узла двухпоршневого двигателя со встроенными пневматическими пружинами по фиг.8 в соответствии с принципами изобретения.

Фиг.10 - вид в разрезе альтернативного варианта двухпоршневого двухтактного двигателя с одной секцией сгорания и полностью встроенными пневматическими пружинами и линейной электрической машиной в соответствии с принципами изобретения.

Фиг.11 - вид в разрезе альтернативного варианта двухпоршневого двухтактного двигателя с одной секцией сгорания и отделимыми пневматическими пружинами в соответствии с принципами изобретения.

Фиг.12 - вид в разрезе однопоршневого двухтактного двигателя внутреннего сгорания с интегрированными пневматическими пружинами в соответствии с принципами изобретения.

Фиг.13 - схематический чертеж однопоршневого двухтактного двигателя с двухтактным циклом поршневого узла и отделимыми пневматическими пружинами по фиг.12 в соответствии с принципами изобретения.

Фиг.14 - вид в разрезе однопоршневого четырехтактного двигателя с отделимыми пневматическими пружинами в соответствии с принципами изобретения.

Фиг.15 - схематический чертеж, демонстрирующий четырехтактный цикл поршневого узла однопоршневого двухтактного двигателя с отделимыми пневматическими пружинами по фиг.14 в соответствии с принципами изобретения.

Фиг.16 - вид в разрезе другого однопоршневого двухтактного двигателя с одной секцией сгорания, полностью встроенными пневматическими пружинами и линейной электромагнитной машиной в соответствии с принципами изобретения.

Фиг.17 - вид в разрезе другого однопоршневого двухтактного двигателя с одной секцией сгорания, отделимыми пневматическими пружинами в соответствии с принципами изобретения.

Фиг.18 - вид в разрезе однопоршневого двухтактного варианта IIGS-структуры со встроенной внутрь пневматической пружиной в соответствии с примером осуществления изобретения.

Фиг.19 - вид в разрезе примера выполнения пружинного штока в виде пневматической пружины в соответствии с принципами изобретения.

Фиг.20 - вид в разрезе двухпоршневого двухтактного варианта IIGS-двигателя со встроенной внутрь пневматической пружиной в соответствии с примером осуществления изобретения.

Предполагается, что фигуры не являются исчерпывающими или ограничивающими изобретение точным соблюдением раскрытых форм конструктивного исполнения.

Следует понимать, что изобретение может быть осуществлено с изменениями и дополнениями и что изобретение ограничивается только формулой изобретения и его эквивалентами.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предлагаются, в общем, линейные двигатели внутреннего сгорания с высоким КПД, обеспечивающие достижение высоких степеней сжатия/расширения за счет использования структуры свободнопоршневого двигателя в сочетании с линейной электромагнитной машиной для обеспечения работы по удалению газов и инновационной концепции управления процессом горения

В Стэнфордском университете создан и введен в действие однотактный однопоршневой опытный образец. Этот опытный образец демонстрирует реализацию концепции и обеспечивает достижение значений КПД индикаторной работы порядка 60%. График, демонстрирующий определенные экспериментальные результаты, показан на фиг.5. В частности, на фиг.5 графические кривые демонстрируют в сравнении экспериментальные данные, полученные от опытного образца, в Стэнфордском университете, и предел КПД для идеального цикла Отто. Модельные допущения следующие: коэффициент избытка топлива 0,3, дизель №2 и воздух, включая изменяемые параметры, диссоциированные продукты и равновесное состояние во время расширения.

В вариантах осуществления предлагается свободнопоршневой линейный двигатель внутреннего сгорания, отличительной особенностью которого является тепловой КПД, превышающий 50%. По меньшей мере в одном примере осуществления изобретения двигатель содержит: (i) по меньшей мере один цилиндр, (ii) по меньшей мере один поршневой узел в расчете на один цилиндр, приспособленный для прямолинейного перемещения внутри цилиндра, (iii) по меньшей мере одну линейную электромагнитную машину, непосредственно преобразующую кинетическую энергию поршневого узла в электрическую энергию, и (iv) по меньшей мере одну пневматическую секцию, обеспечивающую обеспечение, по меньшей мере, части работы сжатия в течение такта сжатия. Кроме того, в некоторых конструкциях двигатель внутреннего сгорания имеет следующие физические характеристики: (i) переменную степень расширения более 50:1, (ii) переменную степень сжатия, которая равна степени расширения или меньше ее, и (iii) длину секции сгорания в TDC в диапазоне 0,2-4 дюйма. Следует отметить, однако, что другие варианты осуществления изобретения могут включать различные комбинации вышеупомянутых признаков и физических характеристик.

На фиг.6 представлен вид в разрезе варианта осуществления двухпоршневого двухтактного двигателя 100 внутреннего сгорания со встроенными пневматическими пружинами. Этот свободнопоршневой двигатель 100 внутреннего сгорания непосредственно преобразует химическую энергию топлива в электрическую энергию посредством двух линейных электромагнитных машин 200. Используемый здесь термин "топливо" обозначает вещество, вступающее в реакцию с окислителем. К таким топливам относятся, в том числе: (i) углеводородные топлива, такие как природный газ, биогаз, бензин, дизельное топливо и биодизельное топливо; (ii) спиртовые топлива, такие как этанол, метанол и бутанол, и (iii) смеси любых из вышеуказанных топлив. Описываемые здесь двигатели пригодны как для стационарных генераторов энергии, так и для передвижных генераторов энергии (например, предназначенных для использования в транспортных средствах).

На фиг.6 представлен один вариант осуществления двухпоршневого двухтактного двигателя 100 со встроенными пневматическими пружинами. В частности, двигатель 100 содержит один цилиндр 105 с двумя оппозитными поршневыми узлами 120, которые сближаются друг с другом в секции 130 сгорания (или камере сгорания) в центре цилиндра 105. Размещение секции 130 сгорания в центре двигателя 100 обеспечивает уравновешивание сил сгорания. Каждый поршневой узел 120 содержит поршень 125, уплотнения 135 поршня и шток 145 поршня. Поршневые узлы 120 имеют возможность свободного прямолинейного перемещения внутри цилиндра 105. Штоки 145 поршней перемещаются вдоль опор и герметизированы газонепроницаемыми уплотнениями 150, закрепленными к цилиндру 105. В показанном примере осуществления изобретения газонепроницаемые уплотнения 150 представляют собой уплотнения штока поршня. В данном контексте термин "опора" подразумевает любую часть машины, по которой другая часть движется, скользит или обеспечивает вращательное движение, включая, в том числе: опоры скольжения, опоры для гибких связей, шариковые опоры, роликовые опоры, пневматические опоры и/или магнитные опоры. Кроме того, термин "окружающая среда" подразумевает область, находящуюся снаружи цилиндра 105, включая, в том числе: непосредственно окружающую внешнюю среду, вспомогательные трубопроводы и/или вспомогательное оборудование.

Снова ссылаясь на фиг.6, следует отметить, что объем между задней стороной поршня 125, штоком 145 поршня и цилиндром 105 называется в данном описании изобретения приводной секцией 160. Приводная секция 160 также может упоминаться в данном описании изобретения как "пневматическая секция", "пневматические пружины" или "секция пневматических пружин". Каждая приводная секция 160 изолирована от окружающей среды и секции 130 сгорания уплотнением 150 штока поршня и уплотнениями 135 поршня. В показанной конструкции газ, заключенный в приводной секции 160, во время цикла действует как маховое колесо (то есть пневматическая пружина), обеспечивая обеспечение, по меньшей мере, части работы сжатия во время такта сжатия. Таким образом, особенностью некоторых вариантов осуществления изобретения является использование пневматических пружин для обеспечения работы. Другие варианты осуществления изобретения предусматривают использование высокоэффективного линейного генератора переменного тока как двигателя и не требуют применения пневматических пружин для обеспечения работы сжатия.

В некоторых вариантах осуществления для получения высоких тепловых КПД двигатель 100 имеет переменную степень расширения более 50:1. В других вариантах осуществления переменная степень расширения превышает 75:1. Еще в одних вариантах осуществления переменная степень расширения больше, чем 100:1. Кроме того, особенностью некоторых вариантов осуществления изобретения является то, что степень сжатия равна степени расширения или меньше ее и длина секции сгорания в TDC заключена в диапазоне 0,2-4 дюйма. В данном описании изобретения выражение "длина секции сгорания в TDC" означает расстояние в TDC между передними сторонами двух поршней 125.

Вышеупомянутые технические условия требуют, чтобы длина хода поршня двигателя 100 была значительно больше, чем в традиционных двигателях, где термин "длина хода поршня" означает расстояние, проходимое каждым поршнем 125 между TDC и BDC. Воспламенение в камере сгорания может обеспечиваться воспламенением от сжатия и/или искровым зажиганием. Топливо может впрыскиваться в камеру 130 сгорания непосредственно через топливные форсунки ("прямой впрыск") и/или после смешивания его с воздухом, производимым перед впуском воздуха и/или во время впуска воздуха ("впрыскивание с предварительным смешиванием компонентов"). Двигатель 100 может работать со сжиганием обедненной смеси, стехиометрического состава топлива или богатой смеси с использованием жидких и/или газообразных топлив.

Из фиг.6 также видно, что цилиндр 105 содержит каналы 170 выпуска/впрыска, впускные каналы 180, каналы 185 отвода толкающего газа и каналы 190 притока толкающего газа, для обеспечения возможности обмена веществом (твердым веществом, жидкостью газом или плазмой) с окружающей средой. В данном описании изобретения термин "канал" подразумевает любое отверстие или группу отверстий (например, с пористым материалом), которые обеспечивают обмен веществом между внутренним пространством цилиндра 105 и окружающей его средой. В некоторых вариантах осуществления не все из изображенных на фиг.6 каналов нужны. Количество каналов и их тип зависят от конструкции двигателя, концепции впрыска и цикла поршня (например, двух- или четырехтактные циклы поршней). Для данного двухпоршневого двухтактного варианта конструкции согласно изобретению каналы 170 выпуска/впрыска обеспечивают поступления в цилиндр и выхода из него отработавших газов и текучих сред, впускные каналы 180 предназначены для впуска воздуха и/или топливовоздушных смесей, каналы 185 отвода газа предназначены для удаления толкающего газа и каналы 190 притока толкающего газа предназначены для впуска подпиточного газа, предназначенного для приводной секции 160. Местоположение различных каналов не обязательно должно быть фиксированным. Например, в показанном примере осуществления изобретения каналы 170 выпуска/впрыска расположены по существу посередине цилиндра. Однако эти каналы могут быть, в соответствии с другим вариантом, расположены на удалении от середины вблизи впускных каналов 180.

Вышеупомянутые каналы могут или не могут открываться или закрываться посредством клапанов. Термин "клапан" может подразумевать любой приводимый в действие регулятор потока или другой приводимый в действие механизм для избирательного пропускания вещества через отверстие, включая, в том числе: шариковые клапаны, конические клапаны, дроссельные заслонки, воздушные заслонки, обратные клапаны, запорные клапаны, створчатые клапаны, поршневые клапаны, тарельчатые клапаны, поворотные клапаны, золотники, электромагнитные клапаны, двухходовые клапаны или трехходовые клапаны. Клапаны могут приводиться в действие любым средством, включая, в том числе: механическим, электрическим, магнитным, с приводом от кулачкового вала, гидравлическим или пневматическим средством. В большинстве случаев требуются каналы для выпуска, отвода толкающего газа и притока толкающего газа. В тех вариантах осуществления, где желательной концепцией впрыска является непосредственный впрыск, требуются также каналы впрыска и каналы впуска воздуха. В тех вариантах осуществления, где желательной концепцией воспламенения является воспламенение заранее приготовленной смеси от сжатия или искровое зажигание заранее приготовленной смеси, могут также потребоваться каналы впуска воздуха/топлива. В тех вариантах осуществления, где желательной концепцией воспламенения является гибридная концепция впрыска предварительно приготовленной топливовоздушной смеси/непосредственного впрыска топлива с воспламенением от сжатия и/или искровым зажиганием, могут также потребоваться каналы впрыска и каналы впуска воздуха/топлива. Во всех конструкциях двигателей отработавший газ от предыдущего цикла может быть смешан с впускаемыми воздухом или топливовоздушной смесью для протекающего цикла. Этот процесс называется рециркуляцией отработавших газов (EGR) и может использоваться для поддержания в определенных рамках интервалов времени горения и максимальных температур.

Из фиг.6 также видно, что двигатель 100 содержит также две линейные электромагнитные машины (LEM) электромагнитные машины 200 для непосредственного преобразования кинетической энергии поршневых узлов 120 в электрическую энергию. Каждая LEM 200 способна также преобразовывать электрическую энергию в кинетическую энергию поршневого узла 120 для обеспечения работы сжатия во время такта сжатия. Как видно из фигур, LEM 200 содержит статор 210 и преобразователь 220. При этом преобразователь 220 закреплен к штоку 145 поршня и перемещается прямолинейно внутри статора 210, который является неподвижным. Объем между преобразователем 220 и статором 210 называется воздушным зазором. Возможно любое число вариантов конструктивного исполнения LEM 200. На фиг.6 показан один вариант конструктивного исполнения, в котором преобразователь 220 короче статора 210. Однако преобразователь 220 может быть и длиннее статора 210 или же они могут иметь по существу одинаковую длину. Кроме того, LEM 200 может представлять собой электрическую машину с постоянными магнитами, асинхронную машину, коммутируемую реактивную электрическую машину или какую-либо комбинацию этих трех машин. И статор 210 и преобразователь 220 могут содержать магниты, катушки индуктивности, сердечник или какую-либо их комбинацию. Ввиду того, что LEM 200 осуществляет непосредственное преобразование кинетической энергии поршней в электрическую энергию и наоборот (то есть механические связи отсутствуют), механические потери и потери от трения минимальны в сравнении с традиционными двигатель-генераторными конструкциями.

Устройство согласно изобретению по фиг.6 работает с использованием двухтактного цикла поршня. Схематический чертеж, поясняющий двухтактный цикл 250 поршня двухпоршневого двигателя 100 со встроенными пневматическими пружинами по фиг.6, представлен на фиг.7. В данном описании изобретения термин "цикл поршня" подразумевает любой ряд перемещений поршня, который начинается и заканчивается при по существу одинаковом расположении поршня 125. Типичным примером может служить четырехтактный цикл поршня, который включает такт впуска, такт сжатия, рабочий ход (такт расширения) и такт выпуска. Как указано в тексте данного описания изобретения, цикл поршня может включать дополнительные чередующиеся такты. Двухтактный цикл поршня отличается тем, что включает рабочий ход (такт расширения) и такт сжатия.

Как видно из фиг.7, двигатель осуществляет выброс продуктов сгорания (через выпускные каналы 170) и впуск воздуха и/или топливовоздушной смеси или смеси воздуха/топлива/продуктов сгорания (через впускные каналы 180) вблизи BDC в промежутке между рабочим ходом и тактом сжатия. Этот процесс может упоминаться в тексте описания изобретения как "впуск и выпуск" или "впуск и выпуск в BDC или вблизи нее". Специалистам в области техники, к которой относится изобретение, должно быть понятно, что в пределах объема изобретения возможно использование многих других типов конструктивных исполнений системы каналов и впуска и выпуска. При нахождении в BDC или вблизи нее и если приводная секция используется для обеспечения работы сжатия, то давление газа внутри приводной секции 160 выше, чем давление секции 130 сгорания, что побуждает поршни 125 двигаться в направлении внутрь так, что они приближаются друг к другу. Газ, находящийся в приводной секции 160, может использоваться для выработки, по меньшей мере, части энергии, требуемой для выполнения такта сжатия. LEM 200 тоже может вырабатывать часть энергии, требуемой для выполнения такта сжатия.

Количество энергии, требуемое для обеспечения такта сжатия, зависит от требуемой степени сжатия, давления секции 130 сгорания в начале такта сжатия и массы поршневого узла 120. Такт сжатия продолжается до тех пор, пока не возникнет горение, в это время скорость поршня 125 равна нулю или близка к нулю. Момент, в который скорости поршней 125 равны нулю, дает отметку положений их TDC для этого цикла. Горение вызывает повышение температуры и давления внутри секции 130 сгорания, что вызывает перемещение поршня 125 в направлении наружу к LEM 200. Во время рабочего хода часть кинетической энергии поршневого узла 120 преобразуется в электрическую энергию при помощи LEM 200, и другая часть кинетической энергии обеспечивает работу по сжатию газа, находящегося в приводной секции 160. Рабочий ход продолжается до тех пор, пока скорости поршней 125 не станут равными нулю, что дает отметку положений их BDC для этого цикла.

На фиг.7 показан один вариант схемы расположения каналов для впуска и выпуска, в которой впускные каналы 180 находятся впереди обоих поршней вблизи BDC и выпускные каналы 170 находятся вблизи TDC. Существуют другие возможные варианты расположения каналов, как например, в частности, расположение выпускных каналов 170 впереди одного поршня 125 вблизи BDC и расположение впускных каналов 180 впереди другого поршня 125 вблизи BDC, что обеспечивает так называемую прямоточную продувку или прямоточный впуск и выпуск. Управление открыванием и закрыванием выпускных каналов 170 и впускных каналов 180 осуществляется независимо. Местоположение выпускных каналов 170 и впускных каналов 180 может быть выбрано таким образом, чтобы можно было получить ряд степеней сжатия и/или степеней расширения. Те моменты времени в цикле, когда происходит активация (открывание или закрывание) выпускных каналов 170 и впускных каналов 180, могут быть отрегулированы во время циклов и/или в промежутках между циклами для изменения степени сжатия и/или степени расширения или количества продукта сгорания, удерживаемого в секции 130 сгорания в начале такта сжатия. Удержание рабочих газов, образующихся при сгорании топлива, в секции 130 называется задержанием остаточного газа (RGT) и может использоваться для поддержания в определенных рамках интервалов времени горения и максимальных температур.

Во время цикла поршня газ может перемещаться мимо уплотнений 135 между секцией 130 сгорания и приводной секцией 160. Это перемещение газа называется "прорыв газов". Газ, пропускаемый при прорыве газов, может содержать воздух и/или топливо и/или продукты сгорания. Двигатель 100 спроектирован в расчете на преодоление проблемы прорыва газа за счет наличия по меньшей мере двух каналов в каждой приводной секции 160 - одного канала 185 для отвода толкающего газа и другой канал 190 для обеспечения притока толкающего газа. Отвод толкающего газа и впуск подпиточного толкающего газа регулируются независимым образом и происходят таким образом, чтобы свести к минимуму потери и газа получить максимально возможный КПД.

Фиг.7 демонстрирует одну концепцию замены толкающего газа, в которой отвод толкающего газа происходит в некоторый момент во время такта расширения и впуск приточного толкающего газа происходит в некоторый момент во время такта сжатия. Отвод и впуск толкающего газа могут также происходить при обратном порядке следования тактов или в течение одного и того же такта. Отведенный толкающий газ может использоваться как часть впуска для секции 130 сгорания в течение протекающего цикла сгорания. Количество газа в приводной секции 160 может регулироваться для изменения степени сжатия и/или степени расширения. Степень расширения определяется как отношение объема секции 130 сгорания, когда поршни 125 имеют нулевую скорость после рабочего такта, к объему секции 130 сгорания, когда поршни 125 имеют нулевую скорость после такта сжатия. Степень сжатия определяется как отношение объема секции 130 сгорания, когда давление внутри секции 130 сгорания начинает повышаться вследствие движения поршней 125 в направлении внутрь, к объему секции 130 сгорания, когда поршни 125 имеют нулевую скорость после такта сжатия.

Оптимальное управление сгоранием достигается за счет понижения (например, охлаждением) температуры газа внутри секции 130 сгорания до начала горения. Регулирование температуры может достигаться путем предварительного охлаждения газа, впускаемого в секцию сгорания, и/или охлаждением внутри секции 130 сгорания во время такта сжатия. Оптимальное сгорание происходит тогда, когда объем секции 130 сгорания становится таким, при котором тепловой КПД максимален. Этот объем называется оптимальным объемом, и он может иметь место до или после TDC. В зависимости от концепции сгорания (концепция воспламенения и впрыска), впускаемым в секцию сгорания газом может быть воздух, топливовоздушная смесь или смесь воздуха/топлива/продуктов сгорания (где продукты сгорания представляют собой продукты сгорания от EGR и/или использованного повторно толкающего газа), и газом, содержащимся внутри секции 130 сгорания, может быть воздух, топливовоздушная смесь или смесь воздуха/топлива/продуктов сгорания (где продукты сгорания представляют собой продукты сгорания от EGR и/или RGT и/или повторно использованного толкающего газа).

Когда желательной концепцией воспламенения является воспламенение от сжатия, оптимальное сгорание достигается путем понижения температуры газа внутри секции 130 сгорания так, что он достигает температуры самовоспламенения при оптимальном объеме. Когда желательной концепцией воспламенения является искровое зажигание, оптимальное сгорание достигается путем понижения температуры газа внутри секции 130 сгорания так, что она остается ниже уровня его температуры самовоспламенения до момента образования искры при оптимальном объеме. Управление искрообразованием осуществляется извне, чтобы ее образование происходило при оптимальном объеме. Газ, впускаемый в секцию сгорания, может быть предварительно охлажденным с помощью цикла охлаждения. Газ, содержащийся внутри секции 130 сгорания, может быть охлажден в период такта сжатия путем впрыска в секцию 130 сгорания жидкости, которая потом испаряется. Жидкостью может быть вода и/или другая жидкость, такая как, в частности, топливо или хладагент. Жидкость может быть охлаждена до момента впрыска в секцию 130 сгорания.

Для данной геометрии двигателя и местоположений выпускных и впускных каналов мощность на выходе двигателя 100 может изменяться от одного цикла к другому путем изменения отношения количества воздуха к количеству топлива и/или количества продуктов сгорания в секции 130 сгорания до начала процесса горения и/или степени сжатия и/или степени расширения. Для данного отношения количества воздуха к количеству топлива в цикле регулирование максимальной температуры горения может осуществляться путем изменения количества продуктов сгорания от предыдущего цикла, которые присутствуют в газе, находящемся в секции сгорания, до начала горения. Продукты сгорания, присутствующие в секции сгорания до начала процесса горения, могут образовываться от EGR и/или RGT и/или из повторно использованного толкающего газа. Синхронизация поршня достигается за счет концепции управления, использующей информацию о положениях поршня, скоростях поршня, состава секции сгорания и давлений цилиндра для настройки рабочих характеристик секций LEM и приводных секций.

Конструкция по фиг.6 и 7 содержит один агрегат, называемый двигателем 100, образованный цилиндром 105, поршневыми узлами 120 и LEM 200. Однако возможна установка в параллель ряда агрегатов, и вместе их можно назвать как "двигатель". Некоторые варианты осуществления изобретения имеют модульное исполнение, что позволяет организовать их работу в параллель для обеспечения возможности пропорционального увеличения размера двигателя так, как это нужно конечному пользователю. Кроме того, нет необходимости в том, чтобы все агрегаты были одинакового размера или работали в одинаковых условиях (например, частота, стехиометрия или впуск и выпуск). Когда агрегаты работают в параллель, существует возможность объединения двигателей в одно целое, такого, как, в частности, газообмен между агрегатами и/или обратная связь между LEM 200 агрегатов.

Свободнопоршневая структура допускает большие и переменные степени сжатия и расширения при одновременном сохранении достаточно большого объема в TDC, что позволяет свести к минимуму передачу тепла и обеспечить приемлемое сгорание. Кроме того, поршни находятся меньше времени в TDC или вблизи нее, чем это было бы в случае их механической связи с коленчатым валом. Это способствует минимизации передачи тепла (и достижению максимального КПД) вследствие меньшего времени воздействия на них самых высоких температур. Более того, поскольку свободнопоршневая структура не имеет механических связей, механические потери и потери на трение минимальны в сравнении с традиционными двигателями. Большие и переменные степени сжатия и расширения, достаточно большой объем в TDC, непосредственное преобразование кинетической энергии в электрическую энергию при помощи LEM 200, по существу короткое время нахождения в TDC или вблизи нее и возможность управления сгоранием в совокупности обеспечивают достижения в двигателе 100 тепловых КПД свыше 50%.

В число потерь внутри двигателя 100 во время его работы входят: потери при сгорании, потери при теплопередаче, потери при преобразовании электроэнергии, потери при трении и потери при прорыве газов. В некоторых вариантах осуществления изобретения потери при сгорании сведены к минимуму за счет того, сгорание осуществляют при высоких внутренних энергетических состояниях, что обеспечивается за счет наличия возможности достижения высоких степеней сжатия при одновременном понижении температур в секции сгорания. Потери при передаче тепла сводятся к минимуму благодаря тому, что в момент начала горения или близко к этому моменту имеется достаточно большой объем, в результате чего тепловой пограничный слой составляет малую часть объема. Потери при теплопередаче тоже сведены к минимуму за счет того, что при использовании свободнопоршневой конфигурации время пребывания при высокой температуре меньше, чем при использовании конфигурации с кривошипно-шатунным механизмом. Потери на трение сводятся к минимуму благодаря отсутствию механических связей. Потери на прорыв газов сводятся к минимуму за счет того, что есть удачно спроектированные уплотнения поршня и за счет использования толкающего газа, который содержит несгоревшее топливо, как часть впуска для следующего цикла сгорания.

Как упомянуто выше, вариант осуществления, описанный выше со ссылкой на фиг.6 и 7, представляет собой двухпоршневой двухтактный двигатель 100 внутреннего сгорания с одной секцией сгорания. Ниже описаны альтернативные варианты осуществления изобретения, поясняемые соответствующими фигурами. Эти варианты осуществления изобретения не носят ограничительный характер. Специалистам в данной области техники станут очевидны различные модификации и альтернативные варианты конструктивного исполнения и внесения других изменений в пределах объема изобретения. Если не оговорено особо, физические и рабочие характеристики описанных ниже вариантов осуществления аналогичны физическим и рабочим характеристикам, описанным в варианте осуществления по фиг.6 и 7, и схожие элементы обозначены соответственно. Кроме того, конструкции всех вариантов осуществления изобретения могут быть скомпонованы в параллель (то есть в многоагрегатные конструкции с пропорционально и равномерно увеличенными размерами), как указано выше.

На фиг.8 изображен четырехтактный вариант устройства согласно изобретению, представляющий собой двухпоршневой четырехтактный двигатель 300 со встроенными пневматическими пружинами. Основное физическое различие между четырехтактным двигателем 300 по фиг.8 и двухтактным двигателем 100 по фиг.6 состоит в том, что в нем предусмотрено определенное местоположение каналов. В частности, в четырехтактном двигателе 300 выпускные, инжекционные и впускные каналы 370 расположены посередине и/или вблизи середины цилиндра 105 между двумя поршнями 125.

На фиг.9 показан четырехтактный цикл 400 поршня для двухпоршневого двигателя 300 со встроенными пневматическими пружинами по фиг.8. Отличительной особенностью четырехтактного цикла поршня является наличие рабочего хода (расширения), такта выпуска, такта впуска и такта сжатия. После сгорания начинается рабочий ход, который происходит при оптимальном объеме и продолжается до тех пор, пока скорости поршней 125 не станут равными нулю, что дает отметку положений BDC их рабочего хода для этого цикла.

Во время рабочего хода часть кинетической энергии поршневых узлов 120 преобразуется в электрическую энергию при помощи LEM 200, и другая часть кинетической энергии обеспечивает работу по сжатию газа в приводной секции 160. При нахождении в BDC или вблизи BDC рабочего хода и если при этом приводная секция должна обеспечивать, по меньшей мере, часть работы сжатия, давление газа в приводной секции 160 выше, чем давление газа в секции 130 сжатия, что вынуждает поршни 125 смещаться в направлении внутрь к середине цилиндра 105. В рассматриваемом примере осуществления изобретения газ, находящийся в приводной секции 160, может использоваться для выработки, по меньшей мере, части энергии, требуемой для обеспечения такта выпуска. В некоторых случаях часть энергии, необходимой для обеспечения такта выпуска, может вырабатывать LEM 200. Каналы 370 выпуска открываются в некоторый момент в BDC или вблизи BDC рабочего такта, который может либо предшествовать началу такту выпуска либо следовать за ним. Такт выпуска продолжается до тех пор, пока скорости поршней 125 не станут равными нулю, что дает отметку положений BDC их такта выпуска для этого цикла. Закрытие выпускных каналов 370 происходит в некоторый момент до того как поршни 125 займут свои места, соответствующие TDC такта выпуска. Поэтому в секции 130 сгорания остается, по меньшей мере, часть продуктов сгорания. Этот процесс называется задержанием остаточного газа.

Снова обратимся к фиг.9. В TDC или вблизи TDC такта выпуска давление камеры 130 сгорания выше, чем давление приводной секции 160, что вызывает перемещение поршней 125 в направлении наружу. Удерживаемый остаточный газ действует как пневматическая пружина, вырабатывая, по меньшей мере, часть энергии, необходимой для обеспечения такта впуска. Часть энергии, требуемой для обеспечения такта впуска, может также вырабатывать LEM 200. Впускные каналы 370 открываются в некоторый момент во время такта впуска после того как давление внутри секции 130 сгорания становится ниже давления впускаемого газа. Такт впуска продолжается до тех пор, пока скорости поршней 125 не станут равными нулю, что дает отметку положений BDC их такта впуска для этого цикла. Положения BDC при такте впуска для данного цикла не обязательно должно быть таким, как положения BDC при рабочем такте. Впускные каналы 370 закрываются в некоторый момент в BDC или вблизи BDC такта впуска. Такт сжатия продолжается до тех пор, пока не возникнет горение, а именно до момента времени, когда скорости поршней 125 становятся равными или почти равными нулю. Местоположения поршней 125, в которых их скорости равны нулю, являются отметками положений TDC их хода сжатия для этого цикла. В TDC или вблизи TDC такта сжатия давление газа в приводной секции 160 выше, чем давление газа в секции 130 сгорания, что вызывает перемещение поршней 125 в направлении внутрь. Газ, находящийся в приводной секции 160, используется для выработки, по меньшей мере, части энергии, необходимой для обеспечения такта сжатия. Часть энергии, требуемой для обеспечения такта сжатия, может также вырабатываться LEM 200.

Фиг.9 демонстрирует одну концепцию замены толкающего газа, согласно которой удаление толкающего газа происходит в некоторый момент во время такта расширения и впуск подпиточного толкающего газа происходит в некоторый момент во время такта сжатия. Как и в двухтактном варианте устройства согласно изобретению, удаление и впуск толкающего газа может также возникать при обратном порядке следования тактов или во время одного и того же такта. Однако ввиду того, что в четырехтактный вариант конструктивного исполнения согласно изобретению имеет отдельный такт выпуска, для обеспечения которого требуется меньше энергии, чем для обеспечения такта сжатия, может потребоваться другой подход к решению вопроса регулирования количества воздуха в приводной секции 160, в зависимости от того, в какой степени LEM 200 используются для выработки и потребления энергии во время четырех тактов.

На фиг.10 изображен второй вариант конструктивного исполнения согласно изобретению двухпоршневого двухтактного двигателя 500 внутреннего сгорания с полностью пневматическими пружинами и встроенными линейными электрическими машинами. Аналогично двигателю 100 по фиг.10, двигатель 500 содержит цилиндр 105, два оппозитных поршневых узла 520 и секцию 130 сгорания, расположенную в центре цилиндра 105. В изображенном устройстве каждый поршней узел 520 содержит два поршня 525, уплотнения 535 поршня и шток 545 поршня. В отличие от предыдущих вариантов осуществления, поршневые узлы 520 и преобразователи 620 полностью расположены внутри цилиндра и LEM 600 (включая статор 610) расположена вокруг наружного периметра цилиндра 105. Поршневые узлы 520 имеют возможность свободного прямолинейного перемещения внутри цилиндра 105. В цилиндре 105 также выполнены каналы 170 выпуска/впрыска, каналы 180 впуска, каналы 185 отвода толкающего газа и каналы 190 притока толкающего газа. В отношении примера устройства согласно изобретению, представленного на фиг.10, следует отметить, что принцип работы этого устройства с использование двух- или четырехтактного цикла поршня может быть таким, как изложено со ссылкой на фиг.7 и 9.

На фиг.11 изображен третий пример выполнения согласно изобретению двухпоршневого двухтактного двигателя внутреннего сгорания 700 с одной секцией сгорания и отделимыми пневматическими пружинами. Аналогично двигателю 100 по фиг.6, двигатель 700 содержит главный цилиндр 105, два оппозитных поршневых узла 120 и секцию 130 сгорания, расположенную в центре цилиндра 705. Однако изображенный двигатель 700 имеет некоторые физические отличия по сравнению с двигателем 100. В частности, двигатель 700 содержит два наружных цилиндра 705, содержащих дополнительные поршни 135, и LEM 200 расположены между главным цилиндром 105 и наружными цилиндрами 705. Каждый наружный цилиндр 705 содержит приводную секцию 710, расположенную между поршнем 125 и дальним концом цилиндра 705, и заднюю приводную секцию 720, расположенную между поршнем 125 и ближним концом цилиндра 705. Кроме того, цилиндр 105 содержит две задние секции 730 сгорания, расположенные между поршнями 125 и дальними концами цилиндра 105. Давление в задней приводной секции 720 и задней секции 730 сгорания поддерживается на уровне или почти на уровне атмосферного давления. Задняя приводная секция 720 практически не герметизирована (а именно опора 740 прямолинейного движения не снабжена газонепроницаемым уплотнением), тогда как задняя секция 730 сгорания герметизирована (а именно посредством уплотнения 150), но имеет каналы для удаления газа, пропущенного в результате прорыва газа (а именно канал 750 для удаления пропущенного газа) и для подпиточного газа (а именно канал 760 для подпиточного воздуха). В изображенной конфигурации каждый поршневой узел 120 содержит два поршня 125, уплотнения 135 поршня, и шток 145 поршня. Поршневые узлы 120 могут беспрепятственно перемещаться прямолинейно между главным цилиндром 105 и наружными цилиндрами 705, как видно из фиг.11. Штоки 145 поршней движутся вдоль опор и герметизированы газонепроницаемыми уплотнениями 150, закрепленными к главному цилиндру 105. В цилиндре 105 выполнены также каналы 170 выпуска/впрыска и впускные каналы 180. Однако каналы 185 отвода толкающего газа и каналы 190 притока толкающего газа расположены на двух наружных цилиндрах 705, каждый из которых вмещает один из двух поршней 125 каждого поршневого узла 120. Принцип работы устройства согласно изобретению, изображенного на фиг.11, при использовании двух- или четырехтактного цикла поршня может быть аналогичен изложенному выше при рассмотрении фиг.7 и 9.

На фиг.12 изображен один вариант конструктивного исполнения согласно изобретению однопоршневого двухтактного двигателя 1000 со встроенными пневматическими пружинами. При этом двигатель 1000 содержит вертикально расположенный цилиндр 105 с поршневым узлом 120 таких размеров, что он перемещается внутри цилиндра 105 под действием сил реакции, действующих внутри секции 130 сгорания (или камеры сгорания) вблизи нижнего конца цилиндра 105. Для обеспечения устойчивости и сопротивления удару во время горения на нижнем конце вертикально расположенного цилиндра предусмотрена амортизационная пластина 230. Поршневой узел 120 содержит поршень 125, уплотнения 135 поршня и шток 145 поршня. Поршневой узел 120 может беспрепятственно перемещаться прямолинейно внутри цилиндра 105. Шток 145 поршня движется вдоль опор и герметизирован газонепроницаемыми уплотнениями 150, закрепленными к цилиндру 105. В проиллюстрированном варианте осуществления газонепроницаемые уплотнения 150 представляют собой уплотнения штока поршня.

На фиг.12 объем между обратной стороной поршня 125, штоком 145 поршня и цилиндром 105 называется в данном описании изобретения приводной секцией 160. Приводная секция 160 может также называться в данном описании изобретения "пневматическими пружинами" или "секцией пневматических пружин". Приводная секция 160 изолирована от окружающей среды и секции 130 сгорания уплотнением 150 штока поршня и уплотнениями 135 поршня. В проиллюстрированном варианте осуществления газ, содержащийся в приводной секции 160, во время цикла ведет себя как маховое колесо (а именно как пневматическая пружина), обеспечивая, по меньшей мере, часть работы сжатия во время такта сжатия. Следовательно, особенностью некоторых вариантов осуществления изобретения является использование пневматических пружин для обеспечения работы. Другие варианты осуществления предусматривают использование линейного генератора переменного тока с высоким КПД так, что он выполняет функцию двигателя, и не требуют наличия пневматических пружин для обеспечения работы сжатия.

В некоторых вариантах осуществления для получения высоких тепловых КПД двигатель 1000 имеет переменную степень расширения свыше 50:1. В других вариантах осуществления переменная степень расширения больше, чем 75:1. Еще в одних вариантах осуществления переменная степень расширения больше, чем 100:1. Кроме того, особенностью некоторых вариантов осуществления является то, что степень сжатия равна степени расширения или меньше ее и длина секции сгорания в TDC колеблется в диапазоне 0,1-2 дюйма. В данном описании изобретения выражение "длина секции сгорания в TDC" подразумевает расстояние между головкой секции сгорания и передней стороной поршня 125.

Приведенные выше технические условия предписывают, чтобы длина хода двигателя 1000 была значительно больше, чем в традиционных двигателях, где термин "длина хода" подразумевает расстояние, проходимое поршнем 125 между TDC и BDC. Ход - это расстояние, проходимое поршнем между TDC и BDC. Инициирование процесса горения может достигаться посредством воспламенения от сжатия или искровым зажиганием. Топливо может впрыскиваться в камеру 130 сгорания непосредственно через топливные форсунки ("непосредственный впрыск") и/или может быть смешано с воздухом перед впуском воздуха или во время впуска воздуха ("впрыск с предварительным смешением компонентов"). Двигатель 1000 может работать при сжигании обедненной смеси, стехиометрическом сжигании топлива или сжигании богатой смеси с использованием жидких и/или газообразных топлив.

Из фиг.12 чертежа также видно, что в цилиндре 105 выполнены каналы 170 выпуска/впрыска, впускные каналы 180, канал 185 отвода толкающего газа и канал 190 притока толкающего газа для обеспечения обмена веществом (твердым веществом, жидкостью, газом или плазмой) с окружающей средой. В данном контексте термин "канал" подразумевает любое отверстие или группу отверстий (например, с пористым материалом), которые обеспечивают обмен веществом между внутренним пространством цилиндра 105 и окружающей его средой. В некоторых вариантах осуществления нужны не все из каналов, показанных на фиг.12. Количество каналов и их типы зависят от конструкции двигателя, концепции впрыска и цикла поршня (например, двух- или четырехтактные циклы поршня). Для данного однопоршневого двухтактного варианта конструкции согласно изобретению каналы 170 выпуска/впрыска обеспечивают поступления в цилиндр и выхода из него отработавших газов и текучих сред, впускные каналы 180 служат для впуска воздуха и/или топливовоздушных смесей, канал 185 отвода толкающего газа служит для удаления толкающего газа, и канал 190 притока толкающего газа служит для впуска толкающего газа, необходимого для приводной секции 160. Местоположение различных каналов не обязательно должно быть фиксированным. Например, в рассматриваемом примере осуществления изобретения, каналы 170 выпуска/впрыска расположены по существу посередине цилиндра. Однако эти каналы могут быть, в соответствии с другим вариантом, расположены на удалении от середины цилиндра рядом с впускными каналами 180.

Снова обратимся к фиг.12, где показано, что двигатель 1000 содержит также линейную электромагнитную машину (LEM) 200, предназначенную для преобразования кинетической энергии поршневого узла 120 в электрическую энергию. LEM 200 также способна непосредственно осуществлять преобразование электрической энергии в кинетическую энергию поршневого узла 120 для обеспечения работы сжатия во время такта сжатия. Как видно, LEM 200 содержит статор 210 и преобразователь 220. В частности, преобразователь 220 закреплен к штоку 145 поршня и перемещается прямолинейно внутри статора 210, который неподвижен. Объем, заключенный между преобразователем 220 и статором 210, называется воздушным зазором. LEM 200 может иметь любое число вариантов конструктивного исполнения. На фиг.6 показан вариант конструктивного исполнения, в котором преобразователь 220 короче, чем статор 210. Однако преобразователь 220 может быть длиннее статора 210 или же они могут быть по существу одинаковой длины. Кроме того, LEM 200 может представлять собой электрическую машину на постоянных магнитах, асинхронную машину, коммутируемую реактивную электрическую машину или какую-либо комбинацию этих трех машин. В состав и статора 210 и преобразователя 220 могут входить магниты, катушки индуктивности, сердечник или какая-либо их комбинация. Ввиду того, что LEM 200 непосредственно осуществляет преобразование кинетической энергии поршней в электрическую энергию и обратное преобразование (то есть механические связи отсутствуют), механические потери и потери на трение минимальны в сравнении с традиционными двигатель-генераторными устройствами.

Устройство согласно изобретению, показанное на фиг.12, работает с использованием двухтактного цикла поршня. На фиг.13 представлен схематический чертеж, демонстрирующий двухтактный цикл 1250 поршня однопоршневого двигателя 1000 со встроенными пневматическими пружинами по фиг.12. Двигатель осуществляет выброс продуктов сгорания (через выпускные каналы 170) и впуск воздуха или топливовоздушной смеси или смеси топлива/воздуха/продуктов сгорания (через впускные каналы 180) вблизи BDC в промежутке между рабочим ходом и тактом сжатия. Этот процесс может здесь называться "впуском и выпуском" или "впуском и выпуском в BDC или вблизи нее". Специалистам в данной области техники станет очевидным, что возможны многие другие типы конструктивного исполнения системы каналов и впуска-выпуска, не выходящих за пределы объема изобретения. При работе в BDC или вблизи нее и если приводная секция должна использоваться для обеспечения работы сжатия, давление газа внутри приводной секции 160 выше, чем давление секции 130 сгорания, что вызывает перемещение поршней 125 в направлении внутрь так, что они приближаются друг к другу. Газ, находящийся в приводной секции 160, может использоваться для выработки, по меньшей мере, части энергии, необходимой для обеспечения такта сжатия. Часть энергии, необходимой для обеспечения такта сжатия, может также вырабатываться LEM 200.

Количество энергии, необходимое для обеспечения такта сжатия, зависит от требуемой степени сжатия, давления секции 130 сгорания в начале такта сжатия и массы поршневого узла 120. Такт сжатия продолжается до тех пор, пока не возникнет горение, что соответствует времени, когда скорость поршня 125 равна или почти равна нулю. Момент равенства нулю скоростей поршней 125 является отметкой положений их TDC для этого цикла. Горение вызывает повышение температуры и давления внутри секции 130 сгорания, что вызывает перемещение поршня 125 в направлении наружу к LEM 200. Во время рабочего хода часть кинетической энергии поршневого узла 120 преобразуется с помощью LEM 200 в электрическую энергию и другая часть кинетической энергии обеспечивает работу по сжатию газа в приводной секции 160. Рабочий ход продолжается до тех пор, пока скорости поршней 125 не станут равными нулю, что является отметкой положений их BDC для этого цикла.

На фиг.13 представлен одни вариант системы 1300 каналов для впуска и выпуска, в которой впускные каналы 180 расположены впереди поршня вблизи BDC и выпускные каналы 170 расположены вблизи TDC. Управление открыванием и закрыванием выпускных каналов 170 и впускных каналов 180 осуществляется независимо. Местоположение выпускных каналов 170 и впускных каналов 180 может быть выбрано так, что возможно получение ряда степеней сжатия и/или расширения. Те моменты времени в цикле, когда происходит активация (открывание и закрывание) выпускных каналов 170 и впускных каналов 180, могут подстраиваться во время циклов или в промежутках между циклами в целях изменения степени сжатия и/или степени расширения и/или количества продукта сгорания, удерживаемого в секции 130 сгорания в начале такта сжатия. Удерживание рабочих газов, образующихся при сгорании топлива, в секции 130 сгорания называется задержанием остаточного газа (RGT) и может использоваться для поддержания в определенных пределах интервалов времени горения и максимальных температур.

В течение цикла поршня существует вероятность перепуска газа между секцией 130 сгорания и приводной секцией 160 минуя уплотнения 135 поршня. Этот перепуск газа называется "прорывом газа". Просочившийся газ может содержать воздух и/или топливо и/или продукты сгорания. Двигатель 1000 спроектирован в расчете на устранение проблемы прорыва газа за счет введения двух каналов в приводную секцию 160 - одного канала 185 для удаления толкающего газа и другого канала 190 для обеспечения притока толкающего газа. Управление удалением толкающего газа и впуском подпиточного толкающего газа осуществляется независимо и происходит таким образом, что потери сводятся к минимуму и достигается максимальный КПД.

Фиг.13 демонстрирует принцип замены толкающего газа, предполагающий удаление толкающего газа в некоторый момент во время такта расширения и впуск подпиточного толкающего газа в некоторый момент во время такта сжатия. Удаление и впуск толкающего газа может также происходить при обратном порядке следования тактов или в течение одного и того же такта. Отведенный толкающий газ может использоваться как часть впуска для секции 130 сгорания во время протекающего цикла двигателя внутреннего сгорания. Количество газа в приводной секции 160 может регулироваться с тем, чтобы изменять степень сжатия и/или степень расширения. Степень расширения определяется как отношение объема секции 130 сгорания в то время, когда поршень 125 имеет нулевую скорость после рабочего хода, к объему секции 130 сгорания в то время, когда поршень 125 имеет нулевую скорость после такта сжатия. Степень сжатия определяется как отношение объема секции 130 сгорания в то время, когда давление внутри секции 130 сгорания начинает увеличиваться вследствие движения поршня 125 в направлении внутрь, к объему секции 130 сгорания в то время, когда поршень 125 имеет нулевую скорость после такта сжатия.

Устройство по фиг.12 и 13 состоит из одного агрегата, именуемого как двигатель 1000, образованного цилиндром 105, поршневым узлом 120 и LEM 200. Однако можно установить в параллель ряд агрегатов, которые вместе можно называть "двигателем". Некоторые варианты осуществления изобретения имеют модульное исполнение, что дает возможность компоновать их для работы в параллель для обеспечения возможности пропорционального увеличения размера двигателя так, как это нужно конечному пользователю. Кроме того, нет необходимости в том, чтобы все агрегаты были одинакового размера или работали в одинаковых условиях (например, при одинаковых частоте, стехиометрии или впуске и выпуске). Когда агрегаты работают в параллель, существует возможность объединения двигателей в одно целое, как например, в частности, путем реализации газообмена между агрегатами и/или обратной связи между LEM 200 агрегатов.

Как указано, пример осуществления изобретения, описанный выше со ссылкой на фиг.12 и 13, представляет собой однопоршневой двухтактный двигатель 1000 внутреннего сгорания с одной секцией сгорания. Ниже описано несколько альтернативных вариантов осуществления изобретения, проиллюстрированных соответствующими фигурами чертежей. Эти варианты осуществления изобретения не имеют в виду ограничение объема изобретения. Специалистам в данной области техники станут очевидны различные модификации и другие варианты конструктивного исполнения и внесение других изменений, которые не выходят за пределы объема изобретения. Если не оговорено особо, физические и рабочие характеристики описанных ниже вариантов осуществления изобретения аналогичны физическим и рабочим характеристикам, описанным при рассмотрении примера осуществления изобретения по фиг.12 и 13, и схожие элементы имеют соответствующие обозначения. Кроме того, все варианты осуществления изобретения могут быть скомпонованы в параллель (то есть с образованием многоагрегатных конструкций для пропорционального увеличения размеров), как указано выше.

На фиг.14 представлен четырехтактный вариант устройства согласно изобретению, выполненного в виде однопоршневого четырехтактного двигателя 1400 со встроенными пневматическими пружинами. Главное физическое различие между четырехтактным двигателем 1400 по фиг.14 и двухтактным двигателем 1000 по фиг.12 состоит в местоположении каналов. В частности, в четырехтактном двигателе 1400 каналы 370 выпуска, впрыска и впуска расположены в нижней части или вблизи нижней части цилиндра 105 рядом с амортизационной пластиной 230.

На фиг.15 показан четырехтактный цикл 1500 однопоршневого двигателя 1400 со встроенными пневматическими пружинами по фиг.14. Четырехтактный цикл поршня характеризуется тем, что он имеет рабочий ход (такт расширения), такт выпуска, такт впуска и такт сжатия. Вслед за сгоранием начинается рабочий ход, который происходит при оптимальном объеме и продолжается до тех пор, пока скорость поршня 125 не станет равной нулю, что дает отметку положения BDC рабочего хода для этого цикла.

Во время рабочего хода часть кинетической энергии поршневого узла 120 преобразуется при помощи LEM 200 в электрическую энергию, и другая часть кинетической энергии обеспечивает работу по сжатию газа, находящегося в приводной секции 160. При работе в BDC или вблизи BDC рабочего хода и если при этом приводная секция должна обеспечивать, по меньшей мере, часть работы сжатия, давление газа в приводной секции 160 выше, чем давление газа в секции 130 сгорания, что вызывает перемещение поршня 125 в направлении внутрь к середине цилиндра 105. В рассматриваемом примере осуществления изобретения газ, находящийся в приводной секции 160, может использоваться для выработки, по меньшей мере, части энергии, необходимой для обеспечения такта выпуска. В некоторых случаях часть энергии, необходимой для обеспечения такта выпуска, может вырабатываться LEM 200. Выпускные каналы 370 открываются в некоторый момент в BDC рабочего хода или вблизи нее, и это может происходить до или после начала такта выпуска. Такт выпуска продолжается до тех пор, пока скорость поршня 125 не станет равной нулю, что дает отметку положения TDC такта выпуска для этого цикла. Выпускные каналы 370 закрываются в некоторый момент до достижения поршнем 125 положения TDC его такта выпуска. Поэтому, по меньшей мере, часть продуктов сгорания остается в секции 130 сгорания. Этот процесс называется задержанием остаточного газа.

В отношении примера осуществления изобретения, представленного на фиг.15, следует добавить, что в TDC или вблизи TDC такта выпуска давление секции 130 сгорания выше, чем давление приводной секции 160, что вызывает движение поршня 125 в направлении вверх. Захваченный остаточный газ действует как пневматическая пружина, вырабатывая, по меньшей мере, часть энергии, необходимой для обеспечения такта впуска. Часть энергии, необходимой для обеспечения такта впуска, может также вырабатываться LEM 200. Впускные каналы 370 открываются в некоторый момент во время такта впуска после понижения давления внутри секции 130 сгорания ниже уровня давления впускаемого газа. Такт впуска продолжается до тех пор, пока скорость поршня 125 не станет равной нулю, что дает отметку положения BDC такта впуска для этого цикла. Положение BDC такта впуска для данного цикла не обязательно должно быть таким, как положение BDC такта впуска рабочего хода. Впускные каналы 370 закрываются в некоторый момент в BDC такта впуска или вблизи нее. Такт сжатия продолжается до тех пор, пока не возникнет горение, которое возникает в то время, когда скорость поршня 125 равна или почти равна нулю. Местоположение поршня 125, в котором его скорость равна нулю, дает отметку положения TDC его такта сжатия для этого цикла. В TDC или вблизи TDC такта сжатия давление газа, находящегося в приводной секции 160, выше, чем давление газа в секции 130 сгорания, что вызывает перемещение поршня 125 в направлении вниз. Газ, находящийся в приводной секции 160, используется для выработки, по меньшей мере, части энергии, необходимой для обеспечения такта сжатия. Часть энергии, необходимой для обеспечения такта сжатия, может также вырабатываться LEM 200.

Фиг.15 демонстрирует принцип замены толкающего газа, согласно которому удаление толкающего газа происходит в некоторый момент во время такта сжатия. Как и в двухтактном варианте устройства согласно изобретению, удаление и впуск толкающего газа могут происходить при обратном порядке следования тактов или во время одного и того же такта. Однако ввиду того, что четырехтактный вариант устройства согласно изобретению имеет отдельный такт выпуска, который требует меньшей затраты энергии, чем такт сжатия, может потребоваться другой подход к решению вопроса регулирования количества воздуха в приводной секции 160, зависящий от того, в какой степени LEM 200 используется для выработки и потребления энергии в течение четырех тактов.

На фиг.16 изображен второй вариант конструктивного исполнения согласно изобретению однопоршневого двухтактного двигателя внутреннего сгорания с полностью пневматическим пружинами и встроенной линейной электрической машиной, представленный двигателем 1600 внутреннего сгорания. Двигатель 1600 содержит цилиндр 105, поршневой узел 520 и секцию 130 сгорания. В изображенном устройстве поршневой узел 520 содержит два поршня 525, уплотнения 535 поршня и шток 545 поршня. В отличие от предыдущих вариантов осуществления изобретения, поршневой узел 120 и преобразователь 620 целиком установлены внутри цилиндра и LEM 600 (включая статор 610) расположена вокруг наружного периметра цилиндра 105. Поршневой узел 520 имеет возможность свободного прямолинейного перемещения внутри цилиндра 105. Кроме того, в цилиндре 105 выполнены каналы 170 выпуска/впрыска, впускные каналы 180, каналы 185 отвода толкающего газа и каналы 190 притока толкающего газа. Принцип действия устройства согласно изобретению, изображенного на фиг.16, с использованием двух- или четырехтактного цикла поршня такой же, как описанный выше.

На фиг.17 изображен третий вариант конструктивного исполнения согласно изобретению двухпоршневого двухтактного двигателя внутреннего сгорания с одной секцией сгорания и отделимыми пневматическим пружинами, представленный двигателем 1700 внутреннего сгорания. Аналогично двигателю 1000, двигатель 1700 содержит главный цилиндр 105, поршневой узел 120 и секцию 130 сгорания. Однако изображенный двигатель 1700 имеет определенные физические отличия в сравнении с двигателем 1000. В частности, двигатель 1700 содержит наружные цилиндры 705, вмещающие дополнительный поршень 125, и LEM 200 расположена между главным цилиндром 105 и наружным цилиндром 705. Наружный цилиндр 705 содержит приводную секцию 710, расположенную между поршнем 125 и дальним концом цилиндра 705, и заднюю приводную секцию 720, расположенную между поршнем 135 и ближним концом цилиндра 705. Кроме того, цилиндр 105 содержит заднюю секцию 730 сгорания, расположенную между поршнем 135 и дальним концом цилиндра 105. Давление в приводной секции 720 и секции 730 сгорания поддерживается равным или почти равным атмосферному давлению. Задняя приводная секция 720 по существу не герметизирована (имеется в виду, что опора 740 прямолинейного движения не снабжена никаким газонепроницаемым уплотнением), тогда как задняя секция 730 сгорания герметизирована (при помощи уплотнения 150), но имеет каналы для удаления газа, просочившегося при прорыве газа (а именно канал 750 для отвода просочившегося газа) и для подпиточного газа (а именно канал 760 для подпиточного воздуха). В изображенном устройстве поршневой узел 120 содержит два поршня 125, уплотнения 135 поршня и шток 145 поршня. Поршневой узел 120 имеет возможность свободного прямолинейного перемещения между главным цилиндром 105 и наружным цилиндром 705. Шток 145 поршня движется вдоль опор и герметизирован при помощи газонепроницаемых уплотнений 150, закрепленных к главному цилиндру 105. Кроме того, в цилиндре 105 выполнены каналы 170 выпуска/впрыска и впускные каналы 180. Однако каналы 185 отвода толкающего газа и каналы 190 притока толкающего газа расположены на наружном цилиндре 705, вмещающем один из двух поршней 125 поршневого узла 120. Принцип действия этого устройства согласно изобретению с использованием двух- или четырехтактного цикла поршня такой же, как описанный выше.

Описанные выше варианты осуществления изобретения представляют собой однопоршневые и двухпоршневые устройства, включающие в себя: (i) встроенную пневматическую пружину и отделимую линейную электрическую машину (фиг.6-9 и 12-15), (ii) полностью встроенные пневматическую пружину и линейную электрическую машину (фиг.10 и 16), и (iii) отделимые пневматическую пружину и линейную электрическую машину (фиг.11 и 17). Фиг.18-20 поясняют другие варианты осуществления изобретения, особенностью которых является наличие встроенных внутрь пневматических пружин, в которых пневматическая пружина встроена внутрь поршня и линейная электрическая машина (LEM) выполнена отдельно от цилиндра камеры сгорания. В таблицу 1 сведены ключевые различия между четырьмя структурами, рассмотренными в данном описании изобретения, в том числе:

Таблица 1 Перечень ключевых различий между четырьмя структурами Структура Длина однопоршневого двигателя (секция сгорания + приводная секция + LEM) Местонахождение прорыва газа Встроенная пневматическая пружина, отделимая LEM В ~2 раза больше длины хода поршня В пневматическую пружину Полностью встроенные пневматическая пружина и LEM Немного больше длины хода поршня В пневматическую пружину Отделимые пневматическая пружина и LEM В ~3 раза больше длины хода поршня Не в пневматическую пружину Встроенная внутрь пневматическая пружина, отдельная LEM В ~2 раза больше длины хода поршня Не в пневматическую пружину

Встроенная внутрь пневматическая пружина

Как видно из фиг.18-20 и сведено в таблицу 1, конструкция со встроенной внутрь пневматической пружиной (IIGS) аналогична по длине структуре со встроенной пневматической пружиной и выполненной отдельно от нее LEM, изображенной на фиг.6-9 и 12-15. Однако конструкция IIGS устраняет проблемы, связанные с перепуском газов из секции сгорания в пневматическую пружину, который имеет также место в конструкции с полностью встроенными пневматической пружиной и LEM.

На фиг.18 представлен вид в разрезе однопоршневого двухтактного варианта IIGS конструкцией в соответствии с примером осуществления изобретения. Многие компоненты, как например секция 130 сгорания, аналогичны компонентам предыдущих вариантов осуществления изобретения (например, по фиг.12) и имеют соответствующие обозначения. Двигатель 1800 содержит вертикально расположенный цилиндр 105 с поршневым узлом 1820 таких размеров, что он может перемещаться внутри цилиндра 105 под действием сил реакции, действующих внутри секции 130 сгорания вблизи нижнего конца цилиндра 105. Для обеспечения устойчивости и сопротивления удару во время процесса горения на нижнем конце вертикально расположенного цилиндра может быть предусмотрено наличие амортизационной пластины. Поршневой узел 1820 содержит поршень 1830, уплотнения 1835 поршня и пружинный шток 1845. Поршневой узел 1820 имеет возможность свободного прямолинейного перемещения внутри цилиндра 105. Шток 1845 поршня движется вдоль опор и герметизирован газонепроницаемыми уплотнениями 150, закрепленными к цилиндру 105. В проиллюстрированном варианте осуществления газонепроницаемые уплотнения 150 представляют собой уплотнения штока поршня. В цилиндре 105 выполнены каналы 1870, 1880 выпуска/впрыска, предназначенные для впуска воздуха, топлива, отработавших газов, топливовоздушных смесей и/или смесей воздух/отработавшие газы/топливо, выпуска продуктов сгорания и/или инжекторы. В некоторых вариантах осуществления нужны не все из показанных на фиг.18 каналов. Количество каналов и их типы зависят от конструкции двигателя, концепции впрыска и цикла поршня (например, двух- или четырехтактные циклы).

В рассматриваемом примере осуществления изобретения двигатель 1800 содержит также LEM 1850 (включая статор 210 и магниты 1825), предназначенную для непосредственного преобразования кинетической энергии поршневого узла 1820 в электрическую энергию. LEM 1850 может также осуществлять непосредственное преобразование электрической энергии в кинетическую энергию поршневого узла 1820 для обеспечения работы сжатия во время такта сжатия. LEM 1850 может представлять собой электрическую машину с постоянными магнитами, асинхронную электрическую машину, коммутируемую реактивную электрическую машину или какую-либо комбинацию этих трех машин. В состав статора 210 могут входить магниты, катушки индуктивности, сердечник или какая-либо комбинация этих элементов. Ввиду того, что LEM 1850 осуществляет непосредственное преобразование кинетической энергии поршней в электрическую энергию и наоборот (то есть отсутствуют механические связи), механические потери и потери на трении минимальны в сравнении с традиционными двигатель-генераторными конструкциями.

Из фиг.18 также видно, что поршень 1830 содержит сплошную переднюю часть (сторона камеры сгорания) и полую заднюю часть (сторона пневматической пружины). Зона внутри полой части поршня 1830 между лицевой (передней) стороной поршня и пружинным штоком 1845 вмещает газ, выполняющий функцию пневматической пружины 160, которая обеспечивает, по меньшей мере, часть работы, необходимой для обеспечения такта сжатия. Поршень 1830 движется прямолинейно внутри секции 130 сгорания и статора 210 LEM 1850. Направляющими для движения поршня служат опоры 1860, 1865, которыми могут быть твердотельные опоры, гидравлические опоры и/или воздушные опоры. В рассматриваемом примере осуществления изобретения двигатель 1800 содержит как наружные опоры 1860, так и внутренние опоры 1865. В частности, наружные опоры 1860 расположены между секцией 130 сгорания и LEM 1850, и внутренние опоры 1865 расположены на внутренней стороне полой части поршня 1830. Наружные опоры 1860 зафиксированы с внешней стороны и не перемещаются вместе с поршнем 1830. Внутренние опоры 1865 прикреплены к поршню 1830 и движутся вместе с поршнем 1830 относительно пружинного штока 1845.

Из фиг.18 также видно, что пружинный шток 1845 образует одну наружную поверхность для пневматической пружины 160 и зафиксирован с наружной стороны. Пружинный шток 1845 имеет, по меньшей мере, одно уплотнение 1885, расположенное на его конце или вблизи его конца, которое служит в целях удержания газа внутри пневматической пружинной секции 160. Магниты 1825 прикреплены к задней стороне поршня 1830 и перемещаются прямолинейно вместе с поршнем 1830 внутри статора 210 LEM 1850. Поршень 1830 имеет уплотнения 1835 для удерживания газов в соответствующих частях устройства. Изображенный вариант осуществления содержит (i) передние уплотнения, прикрепленные к поршню 1830 на его переднем конце или вблизи него, препятствующие перепуску газов из секции 130 сгорания, и (ii) задние уплотнения, прикрепленные к цилиндру 105 и препятствующие поступлению в окружающую среду впускаемых газов и/или газов, просочившихся при прорыве газов.

На фиг.19 представлен вид в разрезе узла 1900 пружинного штока 1845 в виде пневматической пружины в соответствии с принципами изобретения. В частности, пружинный шток 1845 заключает в себе центральный просвет 1910, обеспечивающий перенос массы между пневматической пружинной секцией 160 и коллекторной зоной 1920, сообщающейся с окружающей средой. Связь с окружающей средой контролируется посредством клапана 1930. Величина массы в пневматической пружине 1845 регулируется для регулирования давления внутри пневматической пружины 1845 таким образом, чтобы обеспечить использование достаточной работы сжатия для следующего цикла поршня.

На фиг.20 представлен вид в разрезе двухпоршневого двухтактного варианта двигателя 2000 со встроенной внутрь пневматической пружиной (IIGS) в соответствии с примером осуществления изобретения. Многие элементы двухпоршневого варианта осуществления аналогичны элементам однопоршневого варианта осуществления по фиг.18, и схожие элементы имеют соответствующие обозначения. Кроме того, рабочие характеристики одно- и двухпоршневого вариантов конструктивного исполнения согласно изобретению аналогичны описанным в предыдущих вариантах осуществления, включая все особенности линейного генератора переменного тока, впуска и выпуска, концепции сжигания и т.д.

Следует понимать, что описанные выше различные варианты осуществления настоящего изобретения служат исключительно для пояснения изобретения на примерах его осуществления, но не ограничивают объем изобретения. Аналогично этому, различные приведенные схематические чертежи могут показывать пример структурного или другого конструктивного построения устройства, предлагаемого согласно изобретению, чтобы помочь понять признаки и функциональные возможности, которые могут быть заключены в изобретении. Изобретение не ограничивается показанными на фигурах чертежей примерами структурного или схемотехнического построения, во всяком случае, требуемые признаки могут быть реализованы с использованием целого ряда альтернативных структурных и схемотехнических конструктивных решений. Специалистам в области техники, к которой относится изобретение, должно быть, без сомнения, понятно, как можно практически осуществить альтернативные функциональное, логическое или физическое структурное разбиение и конструктивные схемные решения для реализации необходимых признаков настоящего изобретения. К тому же, различным составляющим элементам могут быть присвоено много других названий различных составляющих модулей, отличающихся от тех, которые приведены в данном описании изобретения. Кроме того, в отношении заявленных последовательностей операций, описаний работы и способов следует отметить, что соблюдение порядка следования этапов, представленного в данном описании изобретения, не является обязательным для реализации в различных вариантах изобретения перечисленных функциональных возможностей, если в контексте не оговорено особо.

Хотя изобретение описано выше на различных примерных вариантов осуществления, следует понимать, что различные признаки, особенности и функциональные возможности, описанные в одном или нескольких отдельных вариантах осуществления, не ограничиваются возможностью их применения к конкретному примеру осуществления, в связи с которым они описаны, напротив, они могут быть применены, самостоятельно или в различных комбинациях, к одному или нескольким другим вариантам осуществления изобретения, независимо от того, описаны или нет такие варианты осуществления изобретения, и независимо от того, представлены такие признаки или же не представлены как составляющая часть описанного примера осуществления изобретения. Таким образом, объем притязаний настоящего изобретения не ограничивается никаким из вышеописанных вариантов осуществления изобретения.

Технические термины и выражения, используемые в данном документе, и их варианты должны рассматриваться как допускающие изменения, а не как носящие ограничительный характер. Примеры вышесказанного: термин "содержащий" подразумевает "содержащий без ограничения" или что-либо подобное; термин "пример" используется для показа примеров предмета рассмотрения, а не для представления исчерпывающего или ограничивающего перечня для этого примера; слова в единственном числе следует должны быть прочитаны как означающие "по меньшей мере один", "один или несколько" и т.п.; и имена прилагательные, такие как "общепринятый", "традиционный", "нормальный", "стандартный", "известный" и термины, имеющие аналогичное значение, не следует рассматривать как ограничивающие описываемую позицию определенным периодом времени или позицией, доступной в данное время, но вместо этого следует рассматривать как охватывающие традиционные, нормальные или стандартные технологии, которые могут быть доступны или известны в настоящее время или в любое время в будущем. Аналогично этому, в тех случаях, где в данном документе в отношении технологий указывается, что они должны быть очевидными или известными специалисту в данной области техники, имеется ввиду, что это те технологии, которые очевидны для специалиста в данной области техники или известны ему в настоящее время или же станут очевидными для него или известными ему в любое время в будущем.

Присутствие расширяющих слов или выражений, таких как "один или несколько" "по меньшей мере", "в частности" или других похожих выражений в отдельных примерах не должно рассматриваться как означающее необходимость присутствия более ограниченного случая в тех примерах, где такие расширяющие выражения могут отсутствовать. Использование термина "модуль" не означает, что все компоненты или функции, описанные или заявленные как часть модуля, выполнены в общем корпусе. Фактически любые или все различные компоненты модуля, то ли логические схемы управления, то ли другие компоненты, могут быть объединены в одном корпусе или могут содержаться отдельно друг от друга и затем могут быть распределены на ряд групп или корпусов или по ряду мест.

Следует добавить, что изложенные здесь различные варианты осуществления изобретения описаны с помощью примерных структурных схем, временных диаграмм и других иллюстраций. После ознакомления с текстом данного документа специалисту в данной области техники должно стать понятно, что средства реализации рассматриваемых вариантов осуществления изобретения и различных их модификаций или вариантов могут быть шире, чем это показано в примерах, приведенных на фигурах чертежей. Например, структурные схемы и прилагаемое к ним описание не следует рассматривать как делающие обязательными конкретную структуру или конкретное конструктивное исполнение.

Изобретение относится к свободнопоршневым двигателям внутреннего сгорания. Различные варианты осуществления настоящего изобретения направлены на получение линейного двигателя внутреннего сгорания, содержащего: цилиндр, имеющий стенку цилиндра и два конца, причем цилиндр содержит секцию сгорания, расположенную в центральной части цилиндра; два оппозитных поршневых узла, приспособленных для прямолинейного перемещения внутри цилиндра, причем каждый поршневой узел расположен по одну сторону секции сгорания напротив другого поршневого узла, каждый поршневой узел содержит пружинный шток и поршень, включающий сплошную переднюю часть, примыкающую к секции сгорания, и пневматическую часть; и две линейные электромагнитные машины, приспособленные для непосредственного преобразования кинетической энергии поршневого узла в электрическую энергию и приспособленные для непосредственного преобразования электрической энергии в кинетическую энергию поршневого узла для обеспечения работы сжатия во время такта сжатия. Изобретение обеспечивает достижение высоких степеней сжатия/расширения, а также повышение КПД. 4 н. и 26 з.п. ф-лы, 20 ил.

1. Линейный двигатель внутреннего сгорания, содержащий:
по меньшей мере один цилиндр, содержащий секцию сгорания и приводную секцию;
поршневой узел, приспособленный для прямолинейного перемещения, причем поршневой узел содержит поршень внутри по меньшей мере одного цилиндра между верхней мертвой точкой и нижней мертвой точкой, создавая степень расширения по меньшей мере 50:1, где поршень приспособлен соприкасаться с секцией сгорания, и где длина секции сгорания находится в диапазоне 0,1-2 дюйма, когда поршень находится в верхней мертвой точке;
преобразователь, приспособленный для перемещения с поршневым узлом;
и
статор, приспособленный для преобразования кинетической энергии поршневого узла в электрическую энергию на основе взаимного перемещения преобразователя.

2. Линейный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что поршневой узел является свободным поршневым узлом.

3. Линейный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что поршневой узел дополнительно содержит:
одно или несколько уплотнений поршня, присоединенных к поршню; и
шток поршня, присоединенный к поршню, при этом преобразователь присоединен к штоку поршня.

4. Линейный двигатель внутреннего сгорания по п.3, отличающийся тем, что:
по меньшей мере один цилиндр содержит первый конец и второй конец; секция сгорания расположена на первом конце;
шток поршня проходит через второй конец; и
преобразователь присоединен к штоку поршня снаружи по меньшей мере одного цилиндра.

5. Линейный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что преобразователь и статор линейной электромагнитной машины выбраны из группы, состоящей из электрической машины с постоянными магнитами, асинхронной электрической машины, коммутируемой реактивной электрической машины и их комбинации.

6. Линейный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит один или несколько каналов, приспособленных для обеспечения обмена веществом между внутренней частью по меньшей мере одного цилиндра и внешней частью по меньшей мере одного цилиндра.

7. Линейный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что:
по меньшей мере один цилиндр содержит:
главный цилиндр, приспособленный вмещать секцию сгорания, при этом поршень является первым поршнем; и
внешний цилиндр, приспособленный вмещать приводную секцию; и
поршневой узел дополнительно содержит:
шток поршня, соединенный с первым поршнем; и
второй поршень, соединенный со штоком поршня, причем второй поршень приспособлен для прямолинейного перемещения внутри внешнего цилиндра и контакта с приводной секцией.

8. Линейный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что статор интегрирован по меньшей мере с одним цилиндром, и при этом поршневой узел и преобразователь предназначены для прямолинейного перемещения внутри по меньшей мере одного цилиндра.

9. Линейный двигатель внутреннего сгорания, содержащий:
по меньшей мере один цилиндр, содержащий секцию сгорания и по меньшей мере одну приводную секцию;
первый поршневой узел, приспособленный для прямолинейного перемещения, причем первый поршневой узел содержит первый поршень внутри по меньшей мере одного цилиндра между первой верхней мертвой точкой и первой нижней мертвой точкой, при этом поршень приспособлен соприкасаться с секцией сгорания;
первый преобразователь, приспособленный для перемещения с первым поршневым узлом;
второй поршневой узел, приспособленный для прямолинейного перемещения, и противоположный первому поршневому узлу, причем второй поршневой узел содержит второй поршень внутри по меньшей мере одного цилиндра между второй верхней мертвой точкой и второй нижней мертвой точкой, при этом второй поршень приспособлен соприкасаться с секцией сгорания напротив первого поршня, причем длина секции сгорания находится в диапазоне 0,2-4 дюйма, когда первый поршень находится в первой верхней мертвой точке, а второй поршень находится во второй верхней мертвой точке, и при этом первая верхняя мертвая точка, вторая верхняя мертвая точка, первая нижняя мертвая точка и вторая нижняя мертвая точка позволяют достичь степени расширения 50:1;
второй преобразователь, приспособленный для перемещения со вторым поршневым узлом;
первый статор, приспособленный для преобразования кинетической энергии первого поршневого узла в электрическую энергию на основе взаимного перемещения первого преобразователя; и
второй статор, приспособленный для преобразования кинетической энергии второго поршневого узла в электрическую энергию на основе взаимного перемещения второго преобразователя.

10. Линейный двигатель внутреннего сгорания по п.9, отличающийся тем, что:
первый поршневой узел является первым свободным поршневым узлом; и второй поршневой узел является вторым свободным поршневым узлом.

11. Линейный двигатель внутреннего сгорания по п.9, отличающийся тем, что:
первый поршневой узел дополнительно содержит:
одно или несколько уплотнений первого поршня, соединенных с первым поршнем; и
первый шток поршня, соединенный с первым поршнем, и при этом первый преобразователь присоединен к первому штоку поршня; и
второй поршневой узел дополнительно содержит:
одно или несколько уплотнений второго поршня, соединенных со вторым поршнем; и
второй шток поршня, соединенный со вторым поршнем, и при этом второй преобразователь присоединен ко второму штоку поршня.

12. Линейный двигатель внутреннего сгорания по п.11, отличающийся тем, что:
по меньшей мере один цилиндр содержит первый конец, второй конец и центральную часть;
секция сгорания расположена в центральной части;
первый шток поршня проходит через первый конец;
второй шток поршня проходит через второй конец;
первый преобразователь присоединен к первому штоку поршня снаружи по меньшей мере одного цилиндра; и
второй преобразователь присоединен ко второму штоку поршня снаружи по меньшей мере одного цилиндра.

13. Линейный двигатель внутреннего сгорания по п.9, отличающийся тем, что:
первый преобразователь и первый статор образуют линейную электромагнитную машину, выбранную из группы, состоящей из электрической машины с постоянными магнитами, асинхронной электрической машины, коммутируемой реактивной электрической машины и их комбинации; и
второй преобразователь и второй статор образуют линейную электромагнитную машину, выбранную из группы, состоящей из электрической машины с постоянными магнитами, асинхронной электрической машины, коммутируемой реактивной электрической машины и их комбинации.

14. Линейный двигатель внутреннего сгорания по п.9, отличающийся тем, что дополнительно содержит один или несколько каналов, приспособленных для обеспечения обмена веществом между внутренней частью по меньшей мере одного цилиндра и внешней частью по меньшей мере одного цилиндра.

15. Линейный двигатель внутреннего сгорания по п.9, отличающийся тем, что:
первый статор и второй статор интегрированы в по меньшей мере один цилиндр; и
первый поршневой узел, второй поршневой узел, первый преобразователь и второй преобразователь - все приспособлены для прямолинейного перемещения внутри по меньшей мере одного цилиндра.

16. Линейный двигатель внутреннего сгорания по п.9, отличающийся тем, что:
по меньшей мере одна приводная секция содержит первую приводную секцию и вторую приводную секцию;
по меньшей мере один цилиндр содержит:
главный цилиндр, содержащий первый конец, второй конец и центральную часть, при этом центральная часть приспособлена вмещать секцию сгорания; и
первый внешний цилиндр, приспособленный вмещать первую приводную секцию;
второй внешний цилиндр, приспособленный вмещать вторую приводную секцию;
первый поршневой узел дополнительно содержит:
первый шток поршня, присоединенный к первому поршню, и
третий поршень, присоединенный к первому штоку поршня, причем третий поршень приспособлен для прямолинейного перемещения внутри первого внешнего цилиндра, при этом третий поршень приспособлен соприкасаться с первой приводной секцией; и
второй поршневой узел дополнительно содержит:
второй шток поршня, присоединенный ко второму поршню, и
четвертый поршень, присоединенный ко второму штоку поршня, причем четвертый поршень приспособлен для прямолинейного перемещения внутри второго внешнего цилиндра, при этом четвертый поршень приспособлен соприкасаться со второй приводной секцией.

17. Линейный двигатель внутреннего сгорания, содержащий: главный цилиндр, содержащий секцию сгорания;
внешний цилиндр, содержащий секцию привода, приспособленную обеспечивать, по меньшей мере, часть работы сжатия во время такта сжатия линейного двигателя внутреннего сгорания;
поршневой узел, приспособленный для прямолинейного перемещения, причем поршневой узел содержит:
первый поршень внутри главного цилиндра между верхней мертвой точкой и нижней мертвой точкой,
второй поршень внутри внешнего цилиндра, и
шток поршня, соединенный с первым поршнем и со вторым поршнем;
преобразователь, приспособленный для перемещения с поршневым узлом;
и
статор приспособлен:
преобразовывать кинетическую энергию поршневого узла в электрическую энергию на основе взаимного перемещения преобразователя, и
преобразовывать электрическую энергию в кинетическую энергию поршневого узла.

18. Линейный двигатель внутреннего сгорания по п.17, отличающийся тем, что двигатель внутреннего сгорания приспособлен достигать переменной степени сжатия меньшей или равной переменной степени расширения.

19. Линейный двигатель внутреннего сгорания по п.17, отличающийся тем, что:
статор расположен между главным цилиндром и внешним цилиндром; и
шток поршня проходит внутрь главного цилиндра и внутрь внешнего цилиндра.

20. Линейный двигатель внутреннего сгорания по п.19, отличающийся тем, что главный цилиндр содержит газовое уплотнение вокруг поршневого штока, приспособленное изолировать внутреннюю часть главного цилиндра от внешней части главного цилиндра.

21. Линейный двигатель внутреннего сгорания по п.17, отличающийся тем, что преобразователь и статор из линейной электромагнитной машины выбраны из группы, состоящей из электрической машины с постоянными магнитами, асинхронной электрической машины, коммутируемой реактивной электрической машины и их комбинации.

22. Линейный двигатель внутреннего сгорания по п.17, отличающийся тем, что дополнительно содержит один или несколько каналов, приспособленных для обеспечения обмена веществом между внутренней частью главного цилиндра и внешней частью главного цилиндра.

23. Линейный двигатель внутреннего сгорания по п.17, отличающийся тем, что:
внешний цилиндр является первым внешним цилиндром;
поршневой узел является первым поршневым узлом;
шток поршня является первым штоком поршня;
верхняя мертвая точка является первой верхней мертвой точкой; и
нижняя мертвая точка является первой нижней мертвой точкой, причем линейный двигатель внутреннего сгорания дополнительно содержит:
второй внешний цилиндр, содержащий вторую приводную секцию;
второй поршневой узел, приспособленный для прямолинейного перемещения, и противоположный первому поршневому узлу, причем второй поршневой узел содержит:
третий поршень внутри главного цилиндра между второй верхней мертвой точкой и второй нижней мертвой точкой,
четвертый поршень внутри второго внешнего цилиндра, и
второй шток поршня, присоединенный к третьему поршню и к четвертому поршню;
второй преобразователь, присоединенный ко второму поршневому узлу, и
второй статор, приспособленный преобразовывать кинетическую энергию второго поршневого узла в электрическую энергию на основе взаимного перемещения второго преобразователя.

24. Линейный двигатель внутреннего сгорания, содержащий: цилиндр, содержащий секцию сгорания;
поршневой узел, приспособленный для прямолинейного перемещения, причем поршневой узел содержит:
поршень внутри цилиндра между верхней мертвой точкой и нижней мертвой точкой, где поршень приспособлен соприкасаться с секцией сгорания, и при этом поршень содержит полую заднюю секцию,
пружинный шток, образующий пневматическую пружину внутри полой задней секции поршня;
преобразователь, приспособленный для прямолинейного перемещения с поршнем; и
статор, приспособленный для преобразования кинетической энергии поршневого узла в электрическую энергию на основе взаимного перемещения преобразователя.

25. Линейный двигатель внутреннего сгорания по п.24, отличающийся тем, что поршневой узел является свободным поршневым узлом.

26. Линейный двигатель внутреннего сгорания по п.24, отличающийся тем, что поршневой узел дополнительно содержит одно или несколько уплотнений поршня, соединенных с поршнем.

27. Линейный двигатель внутреннего сгорания по п.24, отличающийся тем, что преобразователь и статор образуют линейную электромагнитную машину, выбранную из группы, состоящей из электрической машины с постоянными магнитами, асинхронной электрической машины, коммутируемой реактивной электрической машины и их комбинации.

28. Линейный двигатель внутреннего сгорания по п.24, отличающийся тем, что дополнительно содержит один или несколько каналов, приспособленных для обеспечения обмена веществом между внутренней частью по меньшей мере одного цилиндра и внешней частью по меньшей мере одного цилиндра.

29. Линейный двигатель внутреннего сгорания по п.24, отличающийся тем, что пружинный шток дополнительно содержит:
коллекторную секцию;
центральный просвет, приспособленный для обеспечения переноса массы между первой пневматической пружиной и коллекторной секцией; и
клапан, приспособленный для управления обменом вещества из резервуара.

30. Линейный двигатель внутреннего сгорания по п.24, отличающийся тем, что поршневой узел является первым поршневым узлом, при этом поршень является первым поршнем, и при этом полая задняя секция является первой полой задней секцией, причем линейный двигатель внутреннего сгорания дополнительно содержит:
второй поршневой узел, приспособленный для прямолинейного перемещения, и противоположный первому поршневому узлу, при этом второй поршневой узел содержит второй поршень внутри цилиндра между второй верхней мертвой точкой и второй нижней мертвой точкой, при этом второй поршень приспособлен контактировать с секцией сгорания, противоположной первому поршню, и при этом второй поршень содержит вторую полую заднюю секцию,
второй пружинный шток, образующий вторую пневматическую пружину внутри второй полой задней секции второго поршня,
второй преобразователь, приспособленный для перемещения со вторым поршнем, и
второй статор, приспособленный для преобразования кинетической энергии второго поршневого узла в электрическую энергию на основе взаимного перемещения второго преобразователя.