BR112013012536B1

BR112013012536B1 - motor de combustão linear

Info

Publication number: BR112013012536B1
Application number: BR112013012536-5A
Authority: BR
Inventors: Adam Simpson; Shannon Miller; Mark Svrcek
Original assignee: Mainspring Energy, Inc
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2021-03-16
Also published as: JP2022188231A; JP6790027B2; DK2643573T3; FI2643573T3; RU2016103092A3; BR112013012536B8; CN103299046A; WO2012071239A1; CA2817970C; US20160090908A1; ES2939241T3; JP2018184960A; EP2643573B1; US20140130771A1; RU2016103092A; JP2016138559A; BR112013012536A2; US12000331B2; CA2817970A1; EP2643573A4

Abstract

MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR. Trata-se de motor de combustão línear ao qual diversas modalidades da presente invenção são direcionadas, que compreende: um cilindro que tem um a parede de cilindro e um par de extremidades, sendo que o cilindro inclui uma seção de combustão disposta em uma porção central do cilindro; um par de conjunto de pistão opostos adaptados para se mover linearmente dentro do cilindro, sendo de combustão oposto ao outro conjunto de pistão, em que cada conjunto de pistão inclui uma haste de mola e um pistão que compreende uma seção frontal sólida adjacente à seção de combustão e um seção de gás; e um par de máquinas eletromagnéticas lineares adaptadas para converter diretamente energia cinética do conjunto de pistão em energia eletrica, e adaptados para converter diretamente energia elétrica em energia cinética do conjunto de pistão para fornecer trabalho de compressão durante o curso de compressão.

Description

Referência a Pedidos Relacionados

Este pedido é umacontinuação em parte do PedidodePatente no U.S.13/298.206depositado em 16 de novembrode2011que é umacontinuaçãoem parte do Pedido de PatentenoU.S.13/102.916depositadoem 6 de maio de 2011 que é umacontinuação em parte dos Pedidos de Patente no U.S. 12/953.277 e no U.S. 12/953.270 depositados em 23 de novembro de 2010, cujos conteúdos são incorporados ao presente documento a título de referência em sua totalidade.

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a motores de combustão linear de alta eficiência e, mais particularmente, algumas modalidades referem-se a motores de combustão linear de alta eficiência com capacidade de atingir razões de alta compressão/expansão pela utilização de uma arquitetura de motor de pistão livre em conjunto com uma máquina eletromagnética linear para extração de trabalho e uma estratégia de controle de combustão inovadora.

Descrição da Técnica Relacionada

A densidade e a emissão de potência de motor foram aprimoradas ao longo dos últimos 30 anos; no entanto eficiência geral permaneceu relativamente constante. É bem conhecido por pessoas no campo de motores que o aumento da razão de compressão geométrica de um motor aumenta o limite de eficiência teórico do motor. Adicionalmente, o aumento de uma razão de expansão geométrica do motor, de modo que seja maior que sua razão de compressão, aumenta seu limite de eficiência teórico ainda mais. Em resumo, os termos “razão de compressão” e “razão de expansão” são usados para se referir à “razão de compressão geométrica” e à “razão de expansão geométrica”, respectivamente.

A Figura 1 (técnica anterior) mostra os limites de eficiência teórica de dois ciclos comumente usados em — Otto e Atkinson. Em particular, a Figura 1 é uma comparação entre as eficiências ideais dos ciclos de Otto e Atkinson como funções de razão de compressão. As assunções-modelo incluem: (i) a pressão em ponto morto inferior ("BDC") é igual a 0,1 MPa (uma atmosfera); e (ii) gás metano ideal estequiométrico e ar pré-misturados que incluem propriedades variáveis, produtos dissociados e equilíbrio durante expansão.

Conforme mostrado na Figura 1, os limites de eficiência teórica para ambos os ciclos aumentam significativamente como o aumento da razão de compressão. O ciclo de Otto ideal é dividido em três etapas: 1) compressão isentrópica, 2) combustão de volume constante adiabática e 3) expansão isentrópica para o volume original em BDC. A razão de expansão para ciclo de Otto é igual a sua razão de compressão. O ciclo de Atkinson ideal é também dividido em três etapas: 1) compressão isentrópica, 2) combustão de volume constante adiabática e 3) expansão isentrópica para a pressão de BDC original (igual a 0,1 MPa (uma atmosfera) nesse exemplo). A razão de expansão para o ciclo de Atkinson é sempre maior que sua razão de compressão, conforme mostrado na Figura 1. Embora o ciclo de Atkinson tenha um limite de eficiência teórico mais alto que o ciclo de Otto para uma dada razão de compressão, tem uma densidade de energia significantemente mais baixa (potência por massa). Em aplicações reais, há uma compensação entre eficiência e densidade de energia.

Os motores bem projetados/planejados no mercado hoje em dia tipicamente alcançam eficiências de freio entre 70 a 80% de seus limites de eficiência teórica. As eficiências de vários motores disponíveis comercialmente são mostradas na Figura 2 (técnica anterior). Especificamente, a Figura 2 é uma comparação entre o limite de eficiência de ciclo de Otto ideal e vários motores disponíveis comercialmente no mercado hoje em dia. As assunções-modelo incluem gás propano ideal estequiométrico e ar pré-misturados que incluem propriedades variáveis, produtos dissociados e equilíbrio durante expansão. A razão de compressão efetiva é definida como a razão da densidade do gás em ponto morto superior ("TDC") para a densidade do gás em BDC. A razão de compressão efetiva fornece um meio para comparar motores reforçados para motores naturalmente aspirados em um campo de ação de nível. A fim de um motor similarmente bem projetado ter eficiências de freio acima de 50% (isto é, pelo menos 70% de sua eficiência teórica), um motor que opera sob o ciclo de Otto tem que ter uma compressão maior que 102 e um motor que opera sob o ciclo de Atkinson tem que ter uma razão de compressão maior que 14, que corresponde a uma razão de expansão de 54, conforme ilustrado na Figura 1.

É difícil atingir razões de alta compressão/expansão (acima de 30) em motores recíprocos de manivela deslizante convencionais (“motores convencionais”) por causa da arquitetura inerente de tais motores. Um diagrama que ilustra a arquitetura de motores convencionais e problemas que os limitam de chegarem a altas razões de compressão. é mostrado na Figura 3 (técnica anterior). Os motores de combustão interna (“IC”) típicos têm razões de calibre para curso entre 0,5 a 1,2 e razões de compressão entre 8 a 24. (Heywood, J. (1988). Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill). Conforme uma razão de compressão do motor é aumentada ao mesmo tempo em que mantém a mesma razão de calibre para curso, a razão de superfície para volume em ponto morto superior (TDC) aumenta, a temperatura aumenta e a pressão aumenta. Isso tem três consequências principais: 1) a transferência de calor a partir da câmara de combustão aumenta, 2) faseamento de combustão se torna difícil e 3) atrito e perdas mecânicas aumentam. A transferência de calor aumenta porque a camada de demarcação térmica se torna uma fração maior do volume geral (isto é, a razão de aspecto em TDC se torna menor). A razão de aspecto é definida como a razão do diâmetro de calibre para o comprimento da câmara de combustão. O faseamento de combustão e alcance de combustão completa é difícil por causa do pequeno volume realizado em TDC. A pressão de câmara de combustão aumentada translada diretamente para forças aumentadas. Essas forças grandes podem sobrecarregar tanto as ligações mecânicas quanto os anéis de pistão.

Embora motores de combustão interna de pistão livre não sejam novos, os mesmos não foram tipicamente utilizados ou desenvolvidos para o alcance de razões de expansão/compressão maiores que 30:1, com a exceção do trabalho em Sandia National Laboratory. Consulte Patente no U.S. 6.199.519. Há uma quantidade significante de literatura e patentes a respeito de motores de pistão livre. No entanto, a literatura é direcionada para os motores de pistão livre que têm comprimentos de curso curto e, portanto, têm problemas similares para motores recíprocos quando chegam a razões de alta compressão/expansão, isto é, problemas de controle de combustão e perdas de transferência de calor grandes. As configurações de motor de pistão livre podem ser divididas em três categorias: 1) dois pistões opostos, câmara de combustão única, 2) pistão único, duas câmaras de combustão e 3) pistão único, câmara de combustão única. Um diagrama das três configurações comuns de motor de pistão livre é mostrado na Figura 4 (técnica anterior). As configurações de motor de pistão livre de pistão único e duas câmaras de combustão são limitadas na razão de compressão porque as altas forças experimentadas a altas razões de compressão não são balanceadas, o que pode provocar instabilidades mecânicas.

Conforme observado acima, vários motores de pistão livre foram propostos na pesquisa e literatura de patente. Dos muitos motores de pistão livre propostos, há somente vários que foram fisicamente implantados (pelo que se sabe). A pesquisa por Mikalsen e Roskilly descreve os motores de pistão livre na Universidade de West Virginia, Sandia National Laboratory e o Royal Institute of Technolgoy na Suécia. Mikalsen R., Roskilly A.P. A review of free-piston engine history and applications. Applied Thermal Engineering, 2007; 27:2.339 a 2.352. Foram relatados outros esforços de pesquisa em progresso na Universidade Técnica Tcheca (http://www.lceproject.org/en/) INNAS BV nos País Baixos (http://www.innas.com/) e Pempek Systems na Austrália (http://www.freepistonpower.com/). Todos os motores de pistão livre conhecidos fisicamente implantados têm comprimentos de curso curto e, portanto, têm problemas similares a motores recíprocos quando chegam a razões de alta compressão/expansão, isto é, problemas de controle de combustão e perdas de transferência de calor grandes. Adicionalmente, todos os motores exceto o protótipo no Sandia National Laboratory (Aichlmayr, H. T., Van Blarigan, P. Modeling and Experimental Characterization of a Permanent Magnet Linear Altenator for Free-piston Engine Applications ASME Energy Sustainability Conference San Francisco CA, 19 a 23 de Julho de 2009) e o protótipo desenvolvido por OPOC (Pedido de Patente Internacional no WO 03/078835) têm configurações de pistão único e duas câmaras de combustão e são, portanto, limitados em razão de compressão porque as altas forças experimentadas a altas razões de compressão não são balanceadas, o que provoca instabilidades mecânicas.

Dadas as limitações de arquitetura inerente de motores convencionais descritas acima, vários fabricantes tentaram e continuam tentando aumentar a eficiência de motor pelo fato de chegar a altas razões de compressão efetivas através do uso de turbo ou sobrecarregadores. O reforço de um motor por meio de um turbo ou sobrecarregador fornece um meio para alcançar uma alta razão de compressão efetiva ao mesmo tempo em que mantém a mesma razão de compressão geométrica. O reforço de um motor não evita os problemas causados pelas pressões e forças mais altas que as normais experimentadas em TDC ou próximo ao mesmo. Portanto, as forças podem sobrecarregar tanto as ligações mecânicas no interior do motor (pino de pistão, haste de pistão e virabrequim) que provocam falha mecânica quanto os anéis energizados por pressão que provocam atrito, desgaste ou falha aumentados. O reforço de um motor também leva tipicamente a maiores perdas de transferência de calor por causa do tempo passado em TDC ou próximo ao mesmo (isto é, quando as temperaturas são as mais altas) e não é reduzido o suficiente para ser responsável pelas temperaturas mais altas que as normais experimentadas em TDC ou próximo aos mesmos.

Breve Sumário de Modalidades da Invenção

Várias modalidades da presente invenção fornecem motores de combustão linear de alta eficiência. Tais modalidades resolvem os problemas que impedem que os motores convencionais atinjam razões de alta compressão/expansão pela utilização de uma arquitetura de motor de pistão livre em conjunto com uma máquina eletromagnética linear para extração de trabalho e de uma estratégia de controle de combustão inovadora. A invenção revelada, no presente documento, fornece um meio para aumentar a eficiência térmica de motores de combustão interna para acima de 50% em escalas adequadas para veículos híbridos elétricos e/ou geração distribuída (5 kW a 5 MW).

Uma modalidade da invenção é direcionada para um motor de combustão linear que compreende: um cilindro que tem uma parede cilíndrica e um par de extremidades, sendo que o cilindro inclui uma seção de combustão disposta em uma porção central do cilindro; um par de conjuntos de pistão opostos adaptados para se mover linearmente no interior do cilindro, cada conjunto de pistão disposto em um lado da seção de combustão em oposição ao outro conjunto de pistão, sendo que cada conjunto de pistão inclui uma haste de mola e um pistão que compreende uma seção anterior sólida adjacente à seção de combustão e uma seção posterior oca que compreende uma mola a gás que fornece diretamente pelo menos algum trabalho de compressão durante um curso de compressão do motor; e um par de máquinas eletromagnéticas lineares adaptadas para converter diretamente a energia cinética do conjunto de pistão em energia elétrica e adaptadas para converter diretamente a energia elétrica em energia cinética do conjunto de pistão para fornecimento de trabalho de compressão durante o curso de compressão; em que o motor inclui uma razão de expansão variável maior que 50:1.

Outra modalidade da invenção é direcionada para um motor de combustão linear que compreende: um cilindro que tem uma parede cilíndrica e uma seção de combustão disposta em uma extremidade do cilindro; um conjunto de pistão adaptado para se mover linearmente no interior do cilindro que inclui uma haste de mola e um pistão que compreende uma seção anterior sólida adjacente à seção de combustão e uma seção posterior oca que compreende uma mola a gás que fornece diretamente pelo menos algum trabalho de compressão durante um curso de compressão do motor; e uma máquina eletromagnética linear adaptada para converter diretamente a energia cinética do conjunto de pistão em energia elétrica e adaptada para converter diretamente a energia elétrica em energia cinética do conjunto de pistão para fornecimento trabalho de compressão durante o curso de compressão; em que o motor inclui uma razão de expansão variável maior que 50:1.

Outros atributos e aspectos da invenção se tornarão aparentes a partir da seguinte descrição detalhada, considerada em conjunto com os desenhos anexos que ilustram, a título de exemplo, os atributos de acordo com modalidades da invenção. O sumário não se destina a limitar o âmbito da invenção que é definido somente pelas reivindicações anexas ao presente documento.

Breve Descrição dos Desenhos

A presente invenção, de acordo com uma ou mais das várias modalidades, é descrita em detalhes com referência às seguintes Figuras. Os desenhos são fornecidos com o propósito de ilustração somente e meramente retratam modalidades da invenção típicas ou exemplificativas. Esses desenhos são fornecidos para facilitar o entendimento do leitor da invenção e não devem ser considerados como limitantes da extensão, âmbito ou aplicabilidade da invenção. Deveria ser observado que, a título de clareza e facilitação de ilustração, esses desenhos não se encontram necessariamente em escala.

A Figura 1 (técnica anterior) é um gráfico que ilustra os limites de eficiência teórica de dois ciclos comumente usados em motores de combustão interna.

A Figura 2 (técnica anterior) é um gráfico que compara o limite de eficiência de ciclo de Otto ideal e vários motores disponíveis comercialmente no mercado hoje em dia.

A Figura 3 (técnica anterior) é um diagrama que ilustra a arquitetura de motores convencionais e problemas que os limitam de chegarem a altas razões de compressão.

A Figura 4 (técnica anterior) é um diagrama das três configurações comuns de motor de pistão livre.

A Figura 5 é um gráfico que ilustra uma comparação entre dados experimentais a partir do protótipo na Universidade de Stanford e o limite de eficiência de ciclo de Otto ideal.

A Figura 6 é um desenho em corte transversal que ilustra uma modalidade de molas a gás integradas de dois cursos e dois pistões de um motor de combustão interna, de acordo com os princípios da invenção.

A Figura 7 é um diagrama que ilustra ciclo de pistão de dois cursos do motor de molas a gás integradas de dois pistões da Figura 6.

A Figura 8 é um desenho em corte transversal que ilustra uma modalidade de molas a gás integradas de dois pistões e quatro cursos de um motor de combustão interna, de acordo com os princípios da invenção.

Figura 9 é um diagrama que ilustra o ciclo de pistão de quatro cursos do motor de molas a gás integradas de dois pistões da Figura 8, de acordo com os princípios da invenção.

A Figura 10 é um desenho em corte transversal que ilustra um motor de máquina eletromagnética linear e molas a gás completamente integradas de seção de combustão única, dois pistões e dois cursos, de acordo com os princípios da invenção.

A Figura 11 é um desenho em corte transversal que ilustra um motor de molas a gás separadas de seção de combustão única, dois pistões e dois cursos alternativo, de acordo com os princípios da invenção.

A Figura 12 é um desenho em corte transversal que ilustra um motor de molas a gás integradas de pistão único e dois cursos, de acordo com os princípios da invenção.

A Figura 13 é um diagrama que ilustra o ciclo de pistão de dois cursos do motor de molas a gás integradas de pistão único e dois cursos da Figura 12, de acordo com os princípios da invenção.

A Figura 14 é um desenho em corte transversal que ilustra um motor de molas a gás integradas de pistão único e quatro cursos, de acordo com os princípios da invenção.

A Figura 15 é um diagrama que ilustra o ciclo de pistão de quatro cursos do motor de molas a gás integradas de pistão único e dois cursos da Figura 14, de acordo com os princípios da invenção.

A Figura 16 é um desenho em corte transversal que ilustra outro motor de máquina eletromagnética linear e molas a gás completamente integradas de seção de combustão única de pistão único e dois cursos, de acordo com os princípios da invenção.

A Figura 17 é um desenho em corte transversal que ilustra outro motor de molas a gás separadas de seção de combustão única de pistão único e dois cursos, de acordo com os princípios da invenção.

A Figura 18 é uma vista em corte transversal que ilustra uma versão de pistão único e dois cursos da arquitetura de IIGS de acordo com uma modalidade da invenção.

A Figura 19 é uma vista em corte transversal que ilustra uma modalidade de uma haste de mola a gás de acordo com os princípios da invenção.

A Figura 20 é uma vista em corte transversal que ilustra uma versão de dois pistões e dois cursos do motor de IIGS de acordo com uma modalidade da invenção.

As Figuras não se destinam a ser exaustivas ou a limitarem a invenção à forma precisa revelada. Deveria ser entendido que a invenção pode ser colocada em prática com modificação e alteração e que a invenção pode ser limitada somente pelas reivindicações e os equivalentes das mesmas.

Descrição Detalhada das Modalidades da Invenção

A presente invenção é geralmente direcionada a motores de combustão linear de alta eficiência com capacidade de atingir razões de alta compressão/expansão pela utilização de uma arquitetura de motor de pistão livre em conjunto com uma máquina eletromagnética linear para extração de trabalho e de uma estratégia de controle de combustão inovadora.

Um protótipo de pistão único e disparo único foi construído e operado na Universidade de Stanford. Esse protótipo demonstra exequibilidade de conceito e alcança eficiências de trabalho indicadas de 60%. Um mapeamento de certos resultados experimentais é mostrado na Figura 5. Em particular, a Figura 5 é um gráfico que ilustra uma comparação entre os dados experimentais a partir do protótipo na Universidade de Stanford e o limite de eficiência de ciclo de Otto ideal. As assunções-modelo são como se segue: 0,3 de razão de equivalência, diesel no 2 e ar que inclui propriedades variáveis, produtos dissociados e equilíbrio durante expansão.

Várias modalidades da invenção são direcionadas a um motor de combustão linear de pistão livre caracterizado por uma eficiência térmica maior que 50%. Em pelo menos uma modalidade, o motor compreende: (i) pelo menos um cilindro, (ii) pelo menos um conjunto de pistão por cilindro disposto para deslocamento linear no interior do cilindro, (iii) pelo menos uma máquina eletromagnética linear que converte diretamente a energia cinética do conjunto de pistão em energia elétrica e (iv) pelo menos uma seção de gás que fornece pelo menos parte do trabalho de compressão durante um curso de compressão. Adicionalmente, em algumas configurações, o motor de combustão interna tem as seguintes características físicas: (i) uma razão de expansão variável maior que 50:1, (ii) uma razão de compressão variável igual ou menor que a razão de expansão e (iii) um comprimento de seção de combustão em TDC entre 0,51 e 10,16 cm (0,2 e 4 polegadas). Deveria ser observado, no entanto, que modalidades adicionais podem incluir várias combinações dos atributos e características físicas acima identificados.

A Figura 6 é um desenho em corte transversal que ilustra uma modalidade de molas a gás integradas de dois cursos e dois pistões de um motor de combustão interna 100. Esse motor de combustão interna de pistão livre 100 converte diretamente a energia química em um combustível em energia elétrica por meio de um par de máquinas eletromagnéticas lineares 200. Conforme usado no presente documento, o termo “combustível” refere-se à matéria que reage com um oxidante. Tais combustíveis incluem, porém sem limitação: (i) combustíveis de hidrocarboneto como gás natural, biogás, gasolina, diesel e biodiesel; (ii) álcoois combustíveis como etanol, metanol e butanol; e (iii) misturas de qualquer um dos acima citados. Os motores descritos, no presente documento, são adequados tanto para geração de potência estacionária quanto para geração de potência portátil (por exemplo, para uso em veículos).

A Figura 6 ilustra uma modalidade de um motor de molas a gás integradas de dois pistões e dois cursos 100. Em particular, o motor 100 compreende um cilindro 105 com dois conjuntos de pistão opostos 120 que se encontram em uma seção de combustão 130 (ou câmara de combustão) no centro do cilindro 105. A colocação da seção de combustão 130 no centro do motor 100 equilibra as forças de combustão. Cada conjunto de pistão 120 compreende um pistão 125, vedações de pistão 135 e uma haste de pistão 145. Os conjuntos de pistão 120 são livres para se mover linearmente no interior do cilindro 105. As hastes de pistão 145 se movem ao longo de rolamentos e são vedadas por vedações contra gás 150 que são fixadas ao cilindro 105. Na modalidade ilustrada, as vedações contra gás 150 são vedações de haste de pistão. Conforme usado no presente documento, o termo “rolamento” refere-se a qualquer parte de uma máquina sobre a qual outra parte se move, desliza ou gira incluindo, mas sem limitação: rolamentos deslizantes, rolamentos flexionais, rolamentos de esferas, rolamentos de tambor, rolamentos a gás, e/ou rolamentos magnéticos. Adicionalmente, o termo “imediações” refere-se à área fora do cilindro 105 incluindo, mas sem limitação: o ambiente imediato, tubulação auxiliar e/ou equipamento auxiliar.

Com referência adicional à Figura 6, o volume entre a parte traseira do pistão 125, a haste de pistão 145 e o cilindro 105 é chamado, no presente documento, de a seção acionadora 160. A seção acionadora 160 pode também ser chamada, no presente documento, de a "seção a gás", “molas a gás” ou “seção de molas a gás”. Cada seção acionadora 160 é vedada das imediações e da seção de combustão 130 pela vedação de haste de pistão 150 e pelas vedações de pistão 135. Na modalidade ilustrada, o gás na seção acionadora 160 atua um volante do motor (isto é, uma mola a gás) durante um ciclo para fornecer pelo menos parte do trabalho de compressão durante um curso de compressão. De acordo, algumas modalidades da invenção apresentam molas a gás para fornecimento de trabalho. Outras modalidades incluem um alternador linear altamente eficiente operado como um motor e não exigem molas a gás para geração de trabalho de compressão.

Em algumas modalidades, a fim de obter altas eficiências térmicas, o motor 100 tem uma razão de expansão variável maior que 50:1. Em modalidades adicionais, a razão de expansão variável é maior que 75:1. Em modalidades adicionais, a razão de expansão variável é maior que 100:1. além disso, algumas modalidades apresentam uma razão de compressão igual ou menor que a razão de expansão e um comprimento de seção de combustão em TDC entre 0,51 e 10,16 cm (0,2 e 4 polegadas). Conforme usado no presente documento, "comprimento de seção de combustão em TDC” é a distância entre as faces frontais dos dois pistões 125 em TDC.

As especificações acima ditam que o motor 100 tem um comprimento de curso que é significativamente mais longo que em motores convencionais, em que o termo “comprimento de curso” refere-se à distância percorrida por cada pistão 125 entre TDC e BDC. A ignição por combustão pode ser alcançada por meio de ignição por compressão e/ou ignição por centelha. O combustível pode ser diretamente injetado na câmara de combustão 130 por meio de injetores de combustível (“injeção direta”) e/ou misturado com ar antes e/ou durante admissão de ar (“injeção pré-misturada”). O motor 100 pode operar com combustão pobre, estequiométrica ou rica com uso de combustíveis líquidos e/ou gasosos.

Em continuação à referência à Figura 6, o cilindro 105 inclui portas de exaustão/injetoras 170, portas de admissão 180, portas de remoção de gás acionador 185 e portas de composição de gás acionador 190 para troca de matéria (sólido, líquido, gás ou plasma) com as imediações. Conforme usado no presente documento, o termo “porta” inclui qualquer abertura ou conjunto de aberturas (por exemplo, um material poroso) que permite troca de matéria entre o interior do cilindro 105 e suas imediações. Algumas modalidades não exigem todas as portas conforme retratado na Figura 6. O número e tipos de portas dependem da configuração do motor, estratégia de injeção e ciclo de pistão (por exemplo, ciclos de pistão de dois ou quatro cursos). Para essa modalidade de dois pistões e dois cursos, as portas de exaustão/injetoras 170 permitem que gases de exaustão e fluidos entrem e deixem o cilindro, as portas de admissão 180 são para a admissão de ar e/ou misturas de ar/combustível, as portas de remoção de gás acionador 185 são para a remoção de gás acionador e as portas de composição de gás acionador 190 são para a admissão de gás de composição para a seção acionadora 160. A localização das várias portas não é necessariamente fixa. Por exemplo, na modalidade ilustrada, as portas de exaustão/injetoras 170 se encontram localizadas substancialmente no ponto médio do cilindro. No entanto, essas portas podem alternativamente estar localizadas afastadas do ponto médio adjacente às portas de admissão 180.

As portas acima descritas podem ou não ser abertas e fechadas por meio de válvulas. O termo “válvula” pode ser referir a qualquer controlador de fluxo atuado ou outro mecanismo atuado para a passagem de modo seletivo de matéria através de uma abertura incluindo, mas sem limitação: válvulas de esferas, válvulas macho, válvulas borboleta, válvulas de mistura, válvulas de verificação, válvulas de gaveta, válvulas de lâmina, válvulas de pistão, válvulas de gatilho, válvulas rotativas, válvulas deslizantes, válvulas solenoide, válvulas bidirecionais ou válvulas tridirecionais. As válvulas podem ser atuadas por qualquer meio incluindo, mas sem limitação: meio mecânico, elétrico, magnético, acionado por eixo de ressaltos, hidráulico ou pneumático. Na maioria dos casos, as portas são exigidas para remoção de gás acionador de exaustão e composição de gás acionador. Em modalidades em que a injeção direta é a estratégia de ignição desejada, portas injetoras e portas de admissão de ar são também exigidas. Em modalidades em que a ignição por compressão pré-misturada ou ignição por centelha pré- misturada são a estratégia de combustão desejada, portas de admissão de ar/combustível podem também ser exigidas. Em modalidades em que uma estratégia de combustão híbrida pré- misturada/injeção direta com ignição por compressão e/ou ignição por centelha são a estratégia de combustão desejada, as portas injetoras e portas de admissão de ar/combustível podem também ser exigidas. Em todas as configurações do motor, o gás de exaustão de um ciclo anterior pode ser misturado com o ar de admissão ou a mistura de ar/combustível para um ciclo subsequente. Esse processo é chamado de recirculação de gás de exaustão (EGR) e pode ser utilizado para moderar a temporização de combustão e as temperaturas de pico.

Com referência adicional à Figura 6, o motor 100 compreende adicionalmente um par de máquinas eletromagnéticas lineares (LEMs) 200 para conversão de modo direto da energia cinética dos conjuntos de pistão 120 em energia elétrica. Cada LEM 200 tem também a capacidade de conversão de modo direto da energia elétrica em energia cinética do conjunto de pistão 120 para fornecimento do trabalho de compressão durante um curso de compressão. Conforme ilustrado, as LEM 200 compreendem um estator 210 e um translador 220. Especificamente, o translador 220 é ligado à haste de pistão 145 e se move linearmente no interior do estator 210, que é estacionário. O volume entre o translador 220 e estator 210 é chamado de o vão de ar. A LEM 200 pode incluir qualquer número de configurações. A Figura 6 mostra uma configuração em que o translador 220 é mais curto que o estator 210. No entanto, o translador 220 poderia ser mais longo que o estator 210 ou poderiam ter substancialmente o mesmo comprimento. Além disso, a LEM 200 pode ser uma máquina de ímã permanente, uma máquina de indução, uma máquina de relutância comutada ou alguma combinação das três. O estator 210 e o translador 220 podem (cada) incluir ímãs, molas, ferro ou alguma combinação dos mesmos. Já que a LEM 200 transforma diretamente a energia cinética dos pistões em energia elétrica e vice-versa (isto é, não há ligações mecânicas), as perdas mecânicas e de atrito são mínimas comparadas às configurações de motor-gerador convencionais.

A modalidade mostrada na Figura 6 opera com uso de um ciclo de pistão de dois cursos. Um diagrama que ilustra o ciclo de pistão de dois cursos 250 do motor de molas a gás integradas de dois pistões 100 da Figura 6 é ilustrado na Figura 7. Conforme usado no presente documento, o termo “ciclo de pistão” refere-se a qualquer série de movimentos de pistão que começam e terminam com o pistão 125 na mesma configuração substancialmente. Um exemplo comum é um ciclo de pistão de quatro cursos que compreende um curso de admissão, um curso de compressão, um curso de potência (expansão) e um curso de exaustão. Os cursos alternados adicionais podem formar parte de um pistão ciclo conforme descrito ao longo dessa revelação. Um ciclo de pistão de dois cursos é caracterizado como tendo um curso de potência (expansão) e um curso de compressão.

Conforme ilustrado na Figura 7, o motor exaure produtos de combustão (através das portas de exaustão 170) e admite ar ou uma mistura de ar/combustível ou uma mistura de ar/combustível/produtos de combustão (através das portas de admissão 180) próximo ao BDC entre os cursos de compressão e potência. Esse processo pode ser chamado, no presente documento, de “ventilação” ou "ventilação em BDC ou próximo ao mesmo”. Será apreciado por aquelas pessoas de habilidade comum na técnica que muitos outros tipos de configurações de porta e ventilação são possíveis sem sair do âmbito da invenção. Quando em BDC ou próximo ao mesmo e se a seção acionadora tem que ser usada para fornecer trabalho de compressão, a pressão do gás no interior da seção acionadora 160 é maior que a pressão da seção de combustão 130, o que força os pistões 125 para dentro na direção um do outro. O gás na seção acionadora 160 pode ser usado para fornecer pelo menos parte da energia exigida para realizar um curso de compressão. A LEM 200 pode também fornecer parte da energia exigida para realizar um curso de compressão.

A quantidade de energia exigida para realizar um curso de compressão depende da razão de compressão desejada, a pressão da seção de combustão 130 no começo do curso de compressão e a massa do conjunto de pistão 120. Um curso de compressão continua até a combustão ocorrer, que é em um momento em que a velocidade do pistão 125 se encontra em zero ou próxima a zero. O ponto em que as velocidades dos pistões 125 são iguais a zero marca suas posições de TDC para aquele ciclo. A combustão provoca um aumento na temperatura e pressão no interior da seção de combustão 130, o que força o pistão 125 para fora na direção da LEM 200. Durante um curso de potência, uma porção da energia cinética do conjunto de pistão 120 é convertida em energia elétrica pela LEM 200 e outra porção da energia cinética executa o trabalho de compressão no gás na seção acionadora 160. Um curso de potência continua até que as velocidades dos pistões 125 sejam zero, o que marca suas posições de BDC para aquele ciclo.

A Figura 7 ilustra uma configuração de porta para ventilação em que as portas de admissão 180 se encontram em frente a ambos os pistões, próximas ao BDC e as portas de exaustão 170 se encontram próximas ao TDC. Há várias configurações de porta alternativas possíveis como, mas sem limitação, as que localizam as portas de exaustão 170 em frente a um pistão 125 próximas ao BDC e as que localizam as portas de admissão 180 em frente ao outro pistão 125 próximas ao BDC, permitindo o que é chamado de recirculação de fluxo unidirecional ou ventilação de fluxo unidirecional. A abertura e fechamento das portas de exaustão 170 e portas de admissão 180 são independentemente controlados. A localização das portas de exaustão 170 e das portas de admissão 180 pode ser escolhida de modo que uma faixa de razões de compressão e/ou razões de expansão seja possível. Os tempos em um ciclo em que as portas de exaustão 170 e portas de admissão 180 são ativadas (abertas e fechadas) podem ser ajustados durante e/ou entre os ciclos para variar a razão de compressão e/ou razão de expansão e/ou a quantidade de produtos de combustão retidos na seção de combustão 130 no começo de um curso de compressão. A retenção de gases de combustão na seção de combustão 130 é chamada de aprisionamento de gás residual (RGT) e pode ser utilizado para moderar a temporização de combustão e temperaturas de pico.

Durante o ciclo de pistão, o gás poderia, potencialmente, se transferir além das vedações de pistão 135 entre a seção de combustão 130 e a seção acionadora 160. Essa transferência de gás é chamada de “travessia”. O gás de travessia poderia conter ar e/ou combustível e/ou produtos de combustão. O motor 100 é projetado para gerir gás de travessia com pelo menos duas portas em cada seção acionadora 160, uma porta 185 para remoção de gás acionador e a outra porta 190 para fornecimento de gás acionador de composição. A remoção de gás acionador e a admissão de gás acionador de composição são independentemente controladas e ocorrem de modo a minimizar perdas e maximizar a eficiência.

A Figura 7 mostra uma estratégia para troca de gás acionador em que a remoção de gás acionador ocorre em algum ponto durante o curso de expansão e a admissão de gás acionador de composição ocorre em algum ponto durante o curso de compressão. A remoção e a admissão de gás acionador poderia também ocorrer na ordem inversa de cursos ou durante o mesmo curso. O gás acionador removido pode ser usado como parte da admissão para a seção de combustão 130 durante um ciclo de combustão subsequente. A quantidade de gás na seção acionadora 160 pode ser ajustada para variar a razão de compressão e/ou a razão de expansão. A razão de expansão é definida como a razão do volume da seção de combustão 130 quando os pistões 125 têm velocidade zero após o curso de potência para o volume da seção de combustão 130 quando os pistões 125 têm velocidade zero após o curso de compressão. A razão de compressão é definida como a razão do volume da seção de combustão 130 quando a pressão no interior da seção de combustão 130 começa a aumentar devido ao movimento para dentro dos pistões 125 para a razão do volume da seção de combustão 130 quando os pistões 125 têm velocidade zero após o curso de compressão.

A combustão é controlada de modo ótimo através da moderação (por exemplo, resfriamento) da temperatura do gás no interior da seção de combustão 130 antes da combustão. O controle da temperatura pode ser alcançado através de pré- resfriamento do gás de admissão de seção de combustão e/ou resfriamento do gás no interior da seção de combustão 130 durante o curso de compressão. A combustão ótima ocorre quando a seção de combustão 130 atinge o volume em que a eficiência térmica do motor 100 é maximizada. Esse volume é chamado de volume ótimo e pode ocorrer antes ou após o TDC. Dependendo da estratégia de combustão (estratégia de injeção e ignição), o gás de admissão de seção de combustão poderia ser ar, uma mistura de ar/combustível ou uma mistura de ar/combustível/produtos de combustão (em que os produtos de combustão são a partir de EGR e/ou gás acionador reciclado) e o gás no interior da seção de combustão 130 poderia ser ar, uma mistura de ar/combustível ou uma mistura de ar/combustível/produtos de combustão (em que os produtos de combustão são a partir de EGR e/ou RGT e/ou gás acionador reciclado).

Quando a ignição por compressão é a estratégia de ignição desejada, a combustão ótima é alcançada através da moderação da temperatura do gás no interior da seção de combustão 130 de modo que atinja sua temperatura de autoignição no volume ótimo. Quando a ignição por centelha é a estratégia de ignição desejada, a combustão ótima é alcançada através da moderação da temperatura do gás no interior da seção de combustão 130 de modo que permaneça abaixo de sua temperatura de autoignição antes que uma centelha ignifique no volume ótimo. A centelha é externamente controlada para ignificar no volume ótimo. O gás de admissão de seção de combustão pode ser pré-resfriado por meio de um ciclo de refrigeração. O gás no interior da seção de combustão 130 pode ser resfriado durante um curso de compressão através da injeção de um líquido na seção de combustão 130 que em seguida vaporiza. O líquido pode ser água e/ou outro líquido como, mas sem limitação, um combustível ou um refrigerante. O líquido pode ser resfriado antes da injeção na seção de combustão 130.

Para uma dada geometria de motor e localizações de porta de admissão e exaustão, a saída de potência a partir do motor 100 pode ser variada de ciclo para ciclo através da variação da razão de ar/combustível e/ou da quantidade de produtos de combustão na seção de combustão 130 antes da combustão e/ou da razão de compressão e/ou da razão de expansão. Para uma dada razão de ar/combustível em um ciclo, a temperatura de combustão de pico pode ser controlada através da variação da quantidade de produtos de combustão de um ciclo anterior que se encontram presentes no gás de seção de combustão antes da combustão. Os produtos de combustão no gás de seção de combustão antes da combustão podem vir de EGR e/ou RGT e/ou gás acionador de reciclagem. A sincronização de pistão é alcançada através de uma estratégia de controle que usa informações sobre as posições de pistão, velocidades de pistão, composição de seção de combustão e pressões de cilindro para ajustar as LEMs' e características de operação de seções acionadoras.

A configuração das Figuras 6 e 7 inclui uma unidade única chamada de o motor 100 e definida pelo cilindro 105, os conjuntos de pistão 120 e as LEMs 200. No entanto, muitas unidades podem ser colocadas em paralelo, o que poderia coletivamente ser chamado de “o motor”. Algumas modalidades da invenção são modulares de modo que possam ser dispostas para operar em paralelo para possibilitar que a escala do motor seja aumentada conforme o necessário pelo usuário final. Adicionalmente, nem todas as unidades necessitam ser do mesmo tamanho ou operar sob as mesmas condições (por exemplo, frequência, estequiometricidade ou ventilação). Quando as unidades são operadas em paralelo, existe o potencial para integração entre os motores como, mas sem limitação, troca de gás entre as unidades e/ou retroalimentação entre as LEMs das unidades 200.

A arquitetura de pistão livre permite razões de expansão e compressão grandes e variáveis ao mesmo tempo em que mantém volume suficientemente grande em TDC para minimizar a transferência de calor e alcançar combustão adequada. Além disso, os pistões passam menos tempo em TDC ou próximos ao mesmo do que passariam se fossem mecanicamente ligados a um virabrequim. Isso ajuda a minimizar a transferência de calor (e maximizar a eficiência) porque menos tempo é passado nas temperaturas mais altas. Além do mais, já que a arquitetura de pistão livre não tem ligações mecânicas, as perdas mecânicas e de atrito são mínimas comparadas aos motores convencionais. Juntos, as razões de expansão e compressão grandes e variáveis, o volume suficientemente grande em TDC, a conversão direta de energia cinética em energia elétrica pela LEM 200, o tempo inerentemente curto passado em TDC e próximo do mesmo e a habilidade de controlar combustão possibilitam que o motor 100 alcance eficiências térmicas maiores que 50%.

Durante operação, as perdas no interior do motor 100 incluem: perdas de combustão, perdas de transferência de calor, perdas de conversão de eletricidade, perdas de atrito e perdas de travessia. Em algumas modalidades da invenção, as perdas de combustão são minimizadas pela realização de combustão em estados de alta energia interna, que é alcançada pelo fato de ter a habilidade atingir altas razões de compressão ao mesmo tempo em que modera as temperaturas de seção de combustão. As perdas de transferência de calor são minimizadas pelo fato de ter um volume suficientemente grande no momento em que a combustão ocorre e próximo ao mesmo de modo que a camada de demarcação térmica seja uma pequena fração do volume. As perdas de transferência de calor são também minimizadas por passar menos tempo em alta temperatura com uso de um perfil de pistão livre em vez de um perfil de manivela deslizante. As perdas de atrito são minimizadas porque não há ligações mecânicas. As perdas de travessia são minimizadas pelo fato de ter vedações de pistão bem projetadas e com uso de gás acionador que contém combustível não queimado como parte da admissão para o ciclo de combustão seguinte.

Conforme citado, a modalidade descrita acima em relação às Figuras 6 e 7 compreende um motor de combustão interna de dois cursos, seção única e dois pistões 100. Descritas abaixo e ilustradas nas Figuras correspondentes, estão várias modalidades alternativas. Essas modalidades não são destinadas a serem limitantes. Como seria apreciado por aquelas pessoas de habilidade comum na técnica, várias modificações e configurações alternativas podem ser utilizadas e outras alterações podem ser feitas, sem sair do âmbito da invenção. A não ser que seja citado de outra forma, as características operacionais e físicas das modalidades descritos abaixo são similares àquelas descritas na modalidade das Figuras 6 e 7 e elementos semelhantes foram identificados de acordo. Além do mais, todas as modalidades podem ser configuradas em paralelo (isto é, em configurações de múltiplas unidades para elevação) conforme apresentado acima.

A Figura 8 ilustra uma modalidade de quatro cursos da invenção que compreende um motor de molas a gás integradas de dois pistões e quatro cursos 300. A diferença física principal entre o motor de quatro cursos 300 da Figura 8 e o motor de dois cursos 100 da Figura 6 envolve a localização das portas. Em particular, no motor de quatro cursos 300, as portas de admissão, de injeção e de exaustão 370 se encontram localizadas no ponto médio do cilindro 105 ou próximas ao mesmo entre os dois pistões 125.

A Figura 9 ilustra o ciclo de pistão de quatro cursos 400 para o motor de molas a gás integradas de dois pistões 300 da Figura 8. Um ciclo de pistão de quatro cursos é caracterizado como tendo um curso de potência (expansão), um curso de exaustão, um curso de admissão e um curso de compressão. Um curso de potência começa em seguida à combustão, o que ocorre no volume ótimo e continua até que as velocidades dos pistões 125 sejam zero, o que marca suas posições de BDC de curso de potência para aquele ciclo.

Durante um curso de potência, uma porção da energia cinética dos conjuntos de pistão 120 é convertida em energia elétrica pela LEM 200 e a outra porção da energia cinética executa o trabalho de compressão no gás na seção acionadora 160. Quando em BDC de curso de potência ou próximo ao mesmo e se a seção acionadora tem que fornecer pelo menos parte do trabalho de compressão, a pressão do gás na seção acionadora 160 é maior que a pressão do gás na seção de combustão 130, o que força os pistões 125 para dentro na direção do ponto médio do cilindro 105. Na modalidade ilustrada, o gás na seção acionadora 160 pode ser usado para fornecer pelo menos parte da energia exigida para realizar um curso de exaustão. Em alguns casos, a LEM 200 pode também fornecer parte da energia exigida para realizar um curso de exaustão. As portas de exaustão 370 se abrem em algum ponto no BDC de curso de potência ou próximo ao mesmo, o que pode ser antes ou após um curso de exaustão começar. Um curso de exaustão continua até que as velocidades dos pistões 125 sejam zero, o que marca suas posições de TDC de curso de exaustão para aquele ciclo. As portas de exaustão 370 se fecham em algum ponto antes que os pistões 125 atinjam suas posições de TDC de curso de exaustão. Portanto, pelo menos alguns produtos de combustão permanecem na seção de combustão 130. Esse processo é chamado de aprisionamento de gás residual.

Com referência adicional à Figura 9, no TDC de curso de exaustão ou próximo ao mesmo, a pressão da seção de combustão 130 é maior que a pressão da seção acionadora 160, o que força os pistões 125 para fora. O gás residual aprisionado atua uma mola a gás para fornecer pelo menos parte da energia exigida para realizar um curso de admissão. A LEM 200 pode também fornecer parte da energia exigida para realizar um curso de admissão. As portas de admissão 370 se abrem em algum ponto durante o curso de admissão após a pressão no interior da seção de combustão 130 estar abaixo da pressão do gás de admissão. Um curso de admissão continua até que as velocidades dos pistões 125 sejam zero, o que marca suas posições de BDC de curso de admissão para aquele ciclo. As posições de BDC de curso de admissão para um dado ciclo não têm necessariamente que ser as mesmas que as posições de BDC de curso de potência. As portas de admissão 370 se fecham em algum ponto em BDC de curso de admissão ou próximas ao mesmo. Um curso de compressão continua até a combustão ocorrer, o que acontece em um momento em que as velocidades dos pistões 125 são zero ou próximas a zero. As posições dos pistões 125 em que suas velocidades são iguais a zero marcam suas posições de TDC de curso de compressão para aquele ciclo. No TDC de curso de compressão ou próximo ao mesmo, a pressão do gás na seção acionadora 160 é maior que a pressão do gás na seção de combustão 130, o que força os pistões 125 para dentro. O gás na seção acionadora 160 é usado para fornecer pelo menos parte da energia exigida para realizar um curso de compressão. A LEM 200 pode também fornecer parte da energia exigida para realizar um curso de compressão.

A Figura 9 mostra uma estratégia para troca de gás acionador em que a remoção de gás acionador ocorre em algum ponto durante o curso de expansão e a admissão de gás acionador de composição ocorre em algum ponto durante o curso de compressão. Como na modalidade de dois cursos, a remoção e admissão de gás acionador poderia também ocorrer na ordem inversa de cursos ou durante o mesmo curso. No entanto, já que a modalidade de quatro cursos tem um curso de exaustão separado que exige menos energia para a realização que um curso de compressão, a regulação da quantidade de ar na seção acionadora 160 pode exigir uma abordagem diferente, dependendo do quanto a LEM 200 é usada para fornecer e extrair energia durante os quatro cursos.

A Figura 10 ilustra uma segunda modalidade de máquina eletromagnética linear e molas a gás totalmente integradas de dois pistões e dois cursos de um motor de combustão interna 500. De modo similar ao motor 100 da Figura 10, o motor 500 compreende um cilindro 105, dois conjuntos de pistão opostos 520 e uma seção de combustão 130 localizados no centro do cilindro 105. Na configuração ilustrada, cada conjunto de pistão 520 compreende dois pistões 525, vedações de pistão 535 e uma haste de pistão 545. Diferentemente das modalidades anteriores, os conjuntos de pistão 520 e transladores 620 são completamente localizados no interior do cilindro e a LEM 600 (incluindo o estator 610) é disposta em torno do perímetro externo do cilindro 105. Os conjuntos de pistão 520 são livres para se mover linearmente no interior do cilindro 105. O cilindro 105 inclui adicionalmente as portas de exaustão/injetoras 170, portas de admissão 180, portas de remoção de gás acionador 185 e portas de composição de gás acionador 190. Com referência adicional à Figura 10, essa modalidade pode operar com uso de um ciclo de pistão de dois ou quatro cursos com uso da mesma metodologia apresentada acima em relação às Figuras 7 e 9.

A Figura 11 ilustra uma terceira modalidade de molas a gás separadas, seção de combustão única, dois pistões e dois cursos de um motor de combustão interna 700. De modo similar ao motor 100 da Figura 6, o motor 700 compreende um cilindro principal 105, dois conjuntos de pistão opostos 120 e uma seção de combustão 130 localizados no centro do cilindro 705. No entanto, o motor ilustrado 700 tem certas diferenças físicas quando comparados ao motor 100. Especificamente, o motor 700 inclui um par de cilindros externos 705 que contêm pistões adicionais 135 e as LEMs 200 são dispostas entre o cilindro principal 105 e os cilindros externos 705. Cada cilindro externo 705 inclui uma seção acionadora 710 localizada entre o pistão 125 e a extremidade distal do cilindro 705 e uma seção posterior acionadora 720 disposta entre o pistão 125 e a extremidade proximal do cilindro 705. Adicionalmente, o cilindro 105 inclui um par de seções posteriores de combustão 730 disposto entre os pistões 125 e as extremidades distais do cilindro 105. A seção posterior acionadora 720 e seção posterior de combustão 730 são mantidas em pressão atmosférica ou próximas a mesma. Assim, a seção posterior acionadora 720 não é vedada (isto é, o rolamento linear 740 não é dotado de vedação contra gás), enquanto a seção posterior de combustão 730 é vedada (isto é, por meio da vedação 150), mas tem portas para remoção de gás de travessia (isto é, a porta de remoção de travessia 750) e para gás de composição (isto é, porta de gás de composição 760). Na configuração ilustrada, cada conjunto de pistão 120 compreende dois pistões 125, vedações de pistão 135 e uma haste de pistão 145. Os conjuntos de pistão 120 são livres para se mover linearmente entre o cilindro principal 105 e os cilindros externos 705, conforme retratado na Figura 11. As hastes de pistão 145 se movem ao longo de rolamentos e são vedadas por vedações contra gás 150 que são fixadas ao cilindro principal 105. O cilindro 105 inclui adicionalmente as portas de exaustão/injetoras 170 e portas de admissão 180. No entanto, as portas de remoção de gás acionador 185 e as portas de composição de gás acionador 190 se encontram localizadas em um par de cilindros externos 705 que contêm um dos dois pistões 125 de cada conjunto de pistão 120. Com referência adicional à Figura 11, essa modalidade pode operar com uso de um ciclo de pistão de dois ou quatro cursos com uso da mesma metodologia apresentada acima em relação às Figuras 7 e 9.

A Figura 12 ilustra uma modalidade de um motor de molas a gás integradas de pistão único e dois cursos 1000. Em particular, o motor 1000 compreende um cilindro verticalmente disposto 105 com o conjunto de pistão 120 dimensionado para se mover no interior do cilindro 105 em resposta a reações no interior da seção de combustão 130 (ou câmara de combustão) próximo à extremidade de fundo do cilindro 105. Uma placa de impacto 230 é fornecida na extremidade de fundo do cilindro verticalmente disposto para fornecer estabilidade e resistência a impacto durante a combustão. O conjunto de pistão 120 compreende um pistão 125, vedações de pistão 135 e uma haste de pistão 145. O conjunto de pistão 120 é livre para se mover linearmente no interior do cilindro 105. A haste de pistão 145 se move ao longo de rolamentos e é vedada por vedações contra gás 150 que são fixadas ao cilindro 105. Na modalidade ilustrada, as vedações contra gás 150 são vedações de haste de pistão.

Com referência adicional à Figura 12, o volume entre a parte traseira do pistão 125, a haste de pistão 145 e o cilindro 105 é chamado, no presente documento, de a seção acionadora 160. A seção acionadora 160 pode também ser chamada, no presente documento, de as “molas a gás” ou “seção de molas a gás”. A seção acionadora 160 é vedada das imediações e da seção de combustão 130 pela vedação de haste de pistão 150 e vedações de pistão 135. Na modalidade ilustrada, o gás na seção acionadora 160 atua um volante do motor (isto é, uma mola a gás) durante um ciclo para fornecer pelo menos parte do trabalho de compressão durante um curso de compressão. De acordo, algumas modalidades da invenção apresentam molas a gás para fornecimento de trabalho. Outras modalidades incluem um alternador linear altamente eficiente, operado como um motor e não exigem molas a gás para geração de trabalho de compressão.

Em algumas modalidades, a fim de obter altas eficiências térmicas, o motor 1000 tem uma razão de expansão variável maior que 50:1. Em modalidades adicionais, a razão de expansão variável é maior que 75:1. Em modalidades adicionais, a razão de expansão variável é maior que 100:1. Além disso, algumas modalidades apresentam uma razão de compressão igual ou menor que a razão de expansão e um comprimento de seção de combustão em TDC entre 0,25 a 5,08 centímetros (0,1 a 2 polegadas). Conforme usado no presente documento, "comprimento de seção de combustão em TDC” é a distância entre a face frontal e cabeça de seção de combustão do pistão 125.

As especificações acima ditam que o motor 1000 tem um comprimento de curso que é significativamente mais longo que em motores convencionais, em que o termo “comprimento de curso” refere-se à distância percorrida pelo pistão 125 entre TDC e BDC. O curso é a distância percorrida pelo pistão entre TDC e BDC. A ignição por combustão pode ser alcançada por meio de ignição por compressão e/ou ignição por centelha. O combustível pode ser diretamente injetado na câmara de combustão 130 por meio de injetores de combustível (“injeção direta”) e/ou misturado com ar antes e/ou durante a admissão de ar (“injeção pré-misturada”). O motor 1000 pode operar com combustão pobre, estequiométrica ou rica com uso de combustíveis líquidos e/ou gasosos.

Em continuação à referência à Figura 12, o cilindro 105 inclui as portas de exaustão/injetoras 170, portas de admissão 180, porta de remoção de gás acionador 185 e porta de gás acionador de composição 190, para troca de matéria (sólido, líquido, gás ou plasma) com as imediações. Conforme usado no presente documento, o termo “porta” inclui qualquer abertura ou conjunto de aberturas (por exemplo, um material poroso) que permite a troca de matéria entre o interior do cilindro 105 e suas imediações. Algumas modalidades não exigem todas as portas conforme retratado na Figura 12. O número e tipos de portas dependem da configuração do motor, da estratégia de injeção e do ciclo de pistão (por exemplo, ciclos de pistão de dois ou quatro cursos). Para essa modalidade de pistão único e dois cursos, as portas de exaustão/injetoras 170 permitem que os gases de exaustão e fluidos entrem e deixem o cilindro, as portas de admissão 180 são para a admissão de ar e/ou misturas de ar/combustível, a porta de remoção de gás acionador 185 é para a remoção de gás acionador e a porta de gás acionador de composição 190 é para a admissão de gás de composição para a seção acionadora 160. A localização das várias portas não é necessariamente fixa. Por exemplo, na modalidade ilustrada, as portas de exaustão/injetoras 170 se encontram localizadas substancialmente no ponto médio do cilindro. No entanto, essas portas podem alternativamente ser localizadas afastadas do ponto médio adjacente às portas de admissão 180.

Com referência adicional à Figura 12, o motor 1000 compreende adicionalmente uma máquina eletromagnética linear (LEM) 200 para conversão de modo direto da energia cinética do conjunto de pistão 120 em energia elétrica. A LEM 200 tem também a capacidade de conversão de modo direto da energia elétrica em energia cinética do conjunto de pistão 120 para fornecimento de trabalho de compressão durante um curso de compressão. Conforme ilustrado, a LEM 200 compreende um estator 210 e um translador 220. Especificamente, o translador 220 é ligado à haste de pistão 145 e se move linearmente no interior do estator 210, que é estacionário. O volume entre o translador 220 e estator 210 é chamado de o vão de ar. A LEM 200 pode incluir qualquer número de configurações. A Figura 6 mostra uma configuração em que o translador 220 é mais curto que o estator 210. No entanto, o translador 220 poderia ser mais longo que o estator 210 ou poderia ter substancialmente o mesmo comprimento. Além disso, a LEM 200 pode ser uma máquina de ímã permanente, uma máquina de indução, uma máquina de relutância comutada ou alguma combinação das três. O estator 210 e translador 220 podem (cada) incluir ímãs, molas, ferro ou alguma combinação dos mesmos. Já que a LEM 200 transforma diretamente a energia cinética dos pistões em energia elétrica e vice-versa (isto é, não há ligações mecânicas), as perdas mecânicas e de atrito são mínimas comparadas às configurações de motor- gerador convencionais.

A modalidade mostrada na Figura 12 opera com uso de um ciclo de pistão de dois cursos. Um diagrama que ilustra o ciclo de pistão de dois cursos 1250 do motor de molas a gás integradas de pistão único 1000 da Figura 12 é ilustrado na Figura 13. O motor exaure produtos de combustão (através das portas de exaustão 170) e admite ar ou uma mistura de ar/combustível ou uma mistura de ar/combustível/produtos de combustão (através de portas de admissão 180) próximas ao BDC entre os cursos de compressão e de potência. Esse processo pode ser chamado, no presente documento, de “ventilação” ou "ventilação em BDC ou próximo ao mesmo”. Será apreciado por aquelas pessoas de habilidade comum na técnica que muitos outros tipos de configurações de porta e de ventilação são possíveis sem sair do âmbito da invenção. Quando em BDC ou próximo ao mesmo e se a seção acionadora tem que ser usada para fornecer trabalho de compressão, a pressão do gás no interior da seção acionadora 160 é maior que a pressão da seção de combustão 130, o que força os pistões 125 para dentro na direção um do outro. O gás na seção acionadora 160 pode ser usado para fornecer pelo menos parte da energia exigida para realizar um curso de compressão. A LEM 200 pode também fornecer parte da energia exigida para realizar um curso de compressão.

A quantidade de energia exigida para realizar um curso de compressão depende da razão de compressão desejada, da pressão da seção de combustão 130 no começo do curso de compressão e da massa do conjunto de pistão 120. Um curso de compressão continua até a combustão ocorrer, o que acontece em um momento em que a velocidade do pistão 125 se encontra em zero ou próxima a zero. O ponto em que as velocidades do pistão 125 são iguais a zero marca suas posições de TDC para aquele ciclo. A combustão provoca um aumento na temperatura e pressão no interior da seção de combustão 130, o que força o pistão 125 para fora na direção a LEM 200. Durante um curso de potência, uma porção da energia cinética do conjunto de pistão 120 é convertida em energia elétrica pela LEM 200 e a outra porção da energia cinética executa o trabalho de compressão no gás na seção acionadora 160. Um curso de potência continua até que as velocidades do pistão 125 sejam zero, o que marca suas posições de BDC para aquele ciclo.

A Figura 13 ilustra uma configuração de porta 1300 para ventilação em que as portas de admissão 180 se localizam em frente ao pistão próximo ao BDC e as portas de exaustão 170 se encontram próximas ao TDC. A abertura e fechamento das portas de exaustão 170 e portas de admissão 180 são independentemente controlados. A localização das portas de exaustão 170 e das portas de admissão 180 pode ser escolhida de modo que uma faixa de razões de compressão e/ou razões de expansão seja possível. Os tempos em um ciclo em que as portas de exaustão 170 e as portas de admissão 180 são ativadas (abertas e fechadas) podem ser ajustados durante e/ou entre ciclos para variar a razão de compressão e/ou razão de expansão e/ou a quantidade de produto de combustão retido na seção de combustão 130 no começo de um curso de compressão. A retenção de gases de combustão na seção de combustão 130 é chamada de aprisionamento de gás residual (RGT) e pode ser utilizada para moderar a temporização de combustão e temperaturas de pico.

Durante o ciclo de pistão, o gás poderia, potencialmente, se transferir além das vedações de pistão 135 entre a seção de combustão 130 e a seção acionadora 160. Essa transferência de gás é chamada de “travessia”. Gás de travessia poderia conter ar e/ou combustível e/ou produtos de combustão. O motor 1000 é projetado para gerir o gás de travessia pelo fato de ter pelo menos duas portas em seção acionadora 160, uma porta 185 para remoção de gás acionador e a outra porta 190 para fornecimento de gás acionador de composição. A remoção de gás acionador e a admissão de gás acionador de composição são independentemente controladas e ocorrem de modo a minimizar as perdas e maximizar a eficiência.

A Figura 13 mostra uma estratégia para troca de gás acionador em que a remoção de gás acionador ocorre em algum ponto durante o curso de expansão e a admissão de gás acionador de composição ocorre em algum ponto durante o curso de compressão. A remoção e admissão de gás acionador poderia também ocorrer na ordem inversa de cursos ou durante o mesmo curso. O gás acionador removido pode ser usado como parte da admissão para a seção de combustão 130 durante um ciclo de combustão subsequente. A quantidade de gás na seção acionadora 160 pode ser ajustada para variar a razão de compressão e/ou razão de expansão. A razão de expansão é definida como a razão do volume da seção de combustão 130 em que o pistão 125 tem velocidade zero após o curso de potência para o volume da seção de combustão 130 em que o pistão 125 tem velocidade zero após o curso de compressão. A razão de compressão é definida como a razão do volume da seção de combustão 130 em que a pressão no interior da seção de combustão 130 começa a aumentar devido ao movimento para dentro do pistão 125 à razão do volume da seção de combustão 130 em que o pistão 125 tem velocidade zero após o curso de compressão.

A configuração das Figuras 12 e 13 inclui uma unidade única chamada de o motor 1000 e definida pelo cilindro 105, o conjunto de pistão 120 e a LEM 200. No entanto, muitas unidades podem ser colocadas em paralelo, o que poderia coletivamente ser chamado de “o motor”. Algumas modalidades da invenção são modulares de modo que podem ser dispostas para operar em paralelo para possibilitar a escala do motor seja aumentada conforme o necessário pelo usuário final. Adicionalmente, nem todas as unidades necessitam ser do mesmo tamanho ou operar sob as mesmas condições (por exemplo, frequência, estequiometricidade ou ventilação). Quando as unidades são operadas em paralelo, existe o potencial para integração entre os motores como, mas sem limitação, a troca de gás entre as unidades e/ou retroalimentação entre a LEM das unidades 200.

Conforme citado, a modalidade descrita acima em relação às Figuras 12 e 13 compreende um motor de combustão interna de seção de combustão única, pistão único e dois cursos 1000. Descritas abaixo e ilustradas nas Figuras correspondentes, estão várias modalidades alternativas. Essas modalidades não são destinadas a serem limitantes. Como seria apreciado por aquelas pessoas de habilidade comum na técnica, várias modificações e configurações alternativas podem ser utilizadas e outras alterações podem ser feitas, sem sair do âmbito da invenção. A não ser que seja citado de outra forma, as características operacionais e físicas das modalidades descritas abaixo são similares àquelas descritas na modalidade das Figuras 12 e 13 e elementos semelhantes foram identificados de acordo. Além do mais, todas as modalidades podem ser configuradas em paralelo (isto é, em configurações de múltiplas unidades para elevação) conforme apresentado acima.

Figura 14 ilustra uma modalidade de quatro cursos da invenção que compreende um motor de molas a gás integradas de pistão único e quatro temperos 1400. A diferença física principal entre o motor de quatro cursos 1400 da Figura 14 e o motor de dois cursos 1000 da Figura 12 envolve a localização das portas. Em particular, no motor de quatro cursos 1400, as portas de admissão, de injeção e de exaustão 370 se encontram localizadas no fundo do cilindro 105 e/ou próximas ao mesmo adjacente à placa de impacto 230.

A Figura 15 ilustra o ciclo de pistão de quatro cursos 1500 para o motor de molas a gás integradas de pistão único 1400 da Figura 14. Um ciclo de pistão de quatro cursos é caracterizado como tendo um curso de potência (expansão), um curso de exaustão, um curso de admissão e um curso de compressão. Um curso de potência começa em seguida à combustão, o que ocorre no volume ótimo e continua até que a velocidade do pistão 125 seja zero, o que marca a posição de BDC de curso de potência para aquele ciclo.

Durante um curso de potência, uma porção da energia cinética do conjunto de pistão 120 é convertida em energia elétrica pela LEM 200 e a outra porção da energia cinética executa o trabalho de compressão no gás na seção acionadora 160. Quando em BDC de curso de potência ou próximo ao mesmo e se a seção acionadora tem que fornecer pelo menos parte do trabalho de compressão, a pressão do gás na seção acionadora 160 é maior que a pressão do gás na seção de combustão 130, o que força o pistão 125 para dentro na direção do ponto médio do cilindro 105. Na modalidade ilustrada, o gás na seção acionadora 160 pode ser usado para fornecer pelo menos parte da energia exigida para realizar um curso de exaustão. Em alguns casos, a LEM 200 pode também fornecer parte da energia exigida para realizar um curso de exaustão. As portas de exaustão 370 se abrem em algum ponto no BDC de curso de potência ou próximo ao mesmo, o que pode ser antes ou após um curso de exaustão começar. Um curso de exaustão continua até que a velocidade do pistão 125 seja zero, o que marca a posição de TDC de curso de exaustão para aquele ciclo. As portas de exaustão 370 se fecham em algum ponto antes do pistão 125 atingir sua posição de TDC de curso de exaustão. Portanto, pelo menos alguns produtos de combustão permanecem na seção de combustão 130. Esse processo é chamado de aprisionamento de gás residual.

Com referência adicional à Figura 15, no TDC de curso de exaustão ou próximo ao mesmo, a pressão da seção de combustão 130 é maior que a pressão da seção acionadora 160, o que força o pistão 125 para cima. O gás residual aprisionado atua uma mola a gás para fornecer pelo menos parte da energia exigida para realizar um curso de admissão. A LEM 200 pode também fornecer parte da energia exigida para realizar um curso de admissão. As portas de admissão 370 se abrem em algum ponto durante o curso de admissão após a pressão no interior da seção de combustão 130 estar abaixo da pressão do gás de admissão. Um curso de admissão continua até que a velocidade do pistão 125 seja zero, o que marca a posição de BDC de curso de admissão para aquele ciclo. A posição de BDC de curso de admissão para um dado ciclo não tem necessariamente que ser a mesma que a posição de BDC de curso de potência. As portas de admissão 370 se fecham em algum ponto em BDC de curso de admissão ou próximas ao mesmo. Um curso de compressão continua até a combustão ocorrer, o que acontece em um momento em que a velocidade do pistão 125 é zero ou próxima a zero. A posição do pistão 125 na qual sua velocidade é igual a zero marca sua posição de TDC de curso de compressão para aquele ciclo. No TDC de curso de compressão ou próximo ao mesmo, a pressão do gás na seção acionadora 160 é maior que a pressão do gás na seção de combustão 130, o que força o pistão 125 para baixo. O gás na seção acionadora 160 é usado para fornecer pelo menos parte da energia exigida para realizar um curso de compressão. A LEM 200 pode também fornecer parte da energia exigida para realizar um curso de compressão.

A Figura 15 mostra uma estratégia para troca de gás acionador em que a remoção de gás acionador ocorre em algum ponto durante o curso de expansão e a admissão de gás acionador de composição ocorre em algum ponto durante o curso de compressão. Como na modalidade de dois cursos, a remoção e admissão de gás acionador poderiam também ocorrer na ordem inversa de cursos ou durante o mesmo curso. No entanto, já que a modalidade de quatro cursos tem um curso de exaustão separado que exige menos energia para realização que um curso de compressão, a regulação da quantidade de ar na seção acionadora 160 pode exigir uma abordagem diferente, dependendo do quanto a LEM 200 é usada para fornecer e extrair energia durante os quatro cursos.

A Figura 16 ilustra uma segunda modalidade de máquina eletromagnética linear e molas a gás totalmente integradas de pistão único e dois cursos de um motor de combustão interna 1600. O motor 1600 compreende um cilindro 105, conjunto de pistão 520 e uma seção de combustão 130. Na configuração ilustrada, o conjunto de pistão 520 compreende dois pistões 525, vedações de pistão 535 e uma haste de pistão 545. Diferentemente das modalidades anteriores, o conjunto de pistão 120 e translador 620 se encontram completamente localizados no interior do cilindro e a LEM 600 (incluindo o estator 610) é disposta em torno do perímetro externo do cilindro 105. O conjunto de pistão 520 é livre para se mover linearmente no interior do cilindro 105. O cilindro 105 inclui adicionalmente as portas de exaustão/injetoras 170, portas de admissão 180, portas de remoção de gás acionador 185 e portas de composição de gás acionador 190. Com referência adicional à Figura 16, essa modalidade pode operar com uso de um ciclo de pistão de dois ou quatro cursos com uso da mesma metodologia apresentada acima.

A Figura 17 ilustra uma terceira modalidade de molas a gás separadas, seção de combustão única, dois pistões e dois cursos de um motor de combustão interna 1700. De modo similar ao motor 1000, o motor 1700 compreende um cilindro principal 105, conjunto de pistão 120 e uma seção de combustão 130. No entanto, o motor ilustrado 1700 tem certas diferenças físicas quando comparado ao motor 1000. Especificamente, o motor 1700 inclui cilindros externos 705 que contêm pistão adicional 125 e a LEM 200 é disposta entre o cilindro principal 105 e o cilindro externo 705. O cilindro externo 705 inclui uma seção acionadora 710 localizada entre o pistão 125 e a extremidade distal do cilindro 705 e uma seção posterior acionadora 720 disposta entre o pistão 135 e a extremidade proximal do cilindro 705. Adicionalmente, o cilindro 105 inclui uma seção posterior de combustão 730 disposta entre o pistão 135 e a extremidade distal do cilindro 105. A seção posterior acionadora 720 e a seção posterior de combustão 730 são mantidas em pressão atmosférica ou próximas a mesma. Assim, a seção posterior acionadora 720 não é vedada (isto é, o rolamento linear 740 não é dotado de vedação contra gás), enquanto a seção posterior de combustão 730 é vedada (isto é, por meio da vedação 150), mas tem portas para remoção de gás de travessia (isto é, porta de remoção de travessia 750) e para gás de composição (isto é, porta de gás de composição 760). Na configuração ilustrada, o conjunto de pistão 120 compreende dois pistões 125, vedações de pistão 135 e uma haste de pistão 145. O conjunto de pistão 120 é livre para se mover linearmente entre o cilindro principal 105 e o cilindro externo 705. A haste de pistão 145 se move ao longo de rolamentos e é vedada por vedações contra gás 150 que são fixadas ao cilindro principal 105. O cilindro 105 inclui adicionalmente as portas de exaustão/injetoras 170 e as portas de admissão 180. No entanto, as portas de remoção de gás acionador 185 e as portas de composição de gás acionador 190 se encontram localizadas no cilindro externo 705 que contém um dos dois pistões 125 do conjunto de pistão 120. Essa modalidade pode operar com uso de um ciclo de pistão de dois ou quatro cursos com uso da mesma metodologia apresentada acima.

As modalidades reveladas acima compreendem configurações de pistão único e de dois pistões incluindo: (i) uma mola a gás integrada a uma máquina eletromagnética linear separada (Figuras 6 a 9 e 12 a 15), (ii) uma mola a gás totalmente integrada e máquina eletromagnética linear (Figuras 10 e 16) e (iii) uma mola a gás separada e máquina eletromagnética linear (Figuras 11 e 17). As Figuras 18 a 20 ilustram adicionalmente as modalidades da invenção que apresentam molas a gás internas integradas em que a mola a gás é integrada no interior do pistão e a máquina eletromagnética linear (LEM) é separada do combustor cilindro. A Tabela 1 sumariza as distinções-chave entre as quatro arquiteturas descritas no presente documento incluindo.

Tabela 1. Sumário das distinções-chave entre asquatro arquiteturas.

Mola a Gás Interna Integrada

Conforme ilustrado nas Figuras 18 a 20 e sumarizado na Tabela 1, a arquitetura de mola a gás interna integrada (IIGS) é similar em comprimento à arquitetura de mola a gás integrada com LEM separada ilustrada nas Figuras 6 a 9 e 12 a 15. No entanto, a arquitetura de IIGS elimina os problemas com relação aos gases de travessia a partir da seção de combustão que entram na mola a gás, o que também ocorre na arquitetura de mola a gás totalmente integrada e LEM.

A Figura 18 é uma vista em corte transversal que ilustra uma versão de pistão único e dois cursos da arquitetura de IIGS de acordo com uma modalidade da invenção. Muitos componentes como a seção de combustão 130 são similares aos componentes em modalidades anteriores (por exemplo, Figura 12) e são identificados de acordo. O motor 1800 compreende um cilindro verticalmente disposto 105 com o conjunto de pistão 1820 dimensionado para se mover no interior do cilindro 105 em resposta a reações no interior da seção de combustão 130 próximo à extremidade de fundo do cilindro 105. Uma placa de impacto pode ser fornecida na extremidade de fundo do cilindro verticalmente disposta para fornecer estabilidade e resistência a impacto durante a combustão. O conjunto de pistão 1820 compreende um pistão 1830, vedações de pistão 1835 e uma haste de mola 1845. O conjunto de pistão 1820 é livre para se mover linearmente no interior do cilindro 105. A haste de pistão 1845 se move ao longo de rolamentos e é vedada por vedações contra gás 150 que são fixadas ao cilindro 105. Na modalidade ilustrada, as vedações contra gás 150 são vedações de haste de pistão. O cilindro 105 inclui as portas de exaustão/injetoras 1870, 1880 para a admissão de ar, combustível, gases de exaustão, misturas de ar/combustível, e/ou misturas de ar/gases de exaustão/combustível, exaustão de produtos de combustão e/ou injetores. Algumas modalidades não exigem todas as portas conforme retratado na Figura 18. O número e tipos de portas dependem da configuração do motor, da estratégia de injeção e do ciclo de pistão (por exemplo, ciclos de pistão de dois ou quatro cursos).

Na modalidade ilustrada, o motor 1800 compreende adicionalmente uma LEM 1850 (incluindo o estator 210 e ímãs 1825) para conversão de modo direto da energia cinética do conjunto de pistão 1820 em energia elétrica. A LEM 1850 tem também a capacidade de conversão de modo direto da energia elétrica em energia cinética do conjunto de pistão 1820 para fornecimento de trabalho de compressão durante um curso de compressão. A LEM 1850 pode ser uma máquina de ímã permanente, uma máquina de indução, uma máquina de relutância comutada ou alguma combinação das três. O estator 210 pode incluir ímãs, molas, ferro ou alguma combinação dos mesmos. Já que a LEM 1850 transforma diretamente a energia cinética dos pistões em energia elétrica e vice-versa (isto é, não há ligações mecânicas), as perdas mecânicas e de atrito são mínimas comparadas às configurações de motor-gerador convencionais.

Com referência adicional à Figura 18, o pistão 1830 compreende uma seção anterior sólida (lado de combustor) e uma seção posterior oca (lado de mola a gás). A área no interior da seção oca do pistão 1830, entre a face frontal do pistão e a haste de mola 1845, compreende um gás que serve como a mola a gás 160, que fornece pelo menos uma parte do trabalho exigido para realizar um curso de compressão. O pistão 1830 se move linearmente no interior da seção de combustor 130 e o estator 210 da LEM 1850. O movimento do pistão é guiado pelos rolamentos 1860, 1865, que podem ser rolamentos sólidos, rolamentos hidráulicos e/ou rolamentos de ar. Na modalidade ilustrada, o motor 1800 inclui tanto rolamentos externos 1860 quanto rolamentos internos 1865. Em particular, os rolamentos externos 1860 se encontram localizados entre a seção de combustão 130 e a LEM 1850 e os rolamentos internos 1865 se encontram localizadas no interior da seção oca do pistão 1830. Os rolamentos externos 1860 são externamente fixados e não se movem com o pistão 1830. Os rolamentos internos 1865 são fixados ao pistão 1830 e se movem com o pistão 1830 e contra a haste de mola 1845.

Em continuação à referência à Figura 18, a haste de mola 1845 serve como uma face para a mola a gás 160 e é externamente fixada. A haste de mola 1845 tem pelo menos uma vedação 1885 localizada na sua extremidade ou próxima à mesma, o que serve ao propósito de manter o gás no interior da seção de mola a gás 160. Os ímãs 1825 são ligados à parte de trás do pistão 1830 e se move linearmente com o pistão 1830 no interior do estator 210 da LEM 1850. O pistão 1830 tem vedações 1835 para manter os gases nas respectivas seções. A modalidade ilustrada inclui (i) vedações frontais que são fixadas ao pistão 1830 na sua extremidade frontal ou próximo ao mesmo para impedir que os gases sejam transferidos a partir da seção de combustão 130 e (ii) vedações posteriores que são fixadas ao cilindro 105 e impedem que os gases de admissão e/ou gases de travessia sejam transferidos para as imediações.

A Figura 19 é uma vista em corte transversal que ilustra uma modalidade 1900 de uma haste de mola a gás 1845 de acordo com os princípios da invenção. Especificamente, a haste de mola 1845 inclui um lúmen central 1910 que permite que massa seja transferida entre a seção de mola a gás 160 e uma seção de reservatório 1920 que se encontra em comunicação com as imediações. A comunicação com as imediações é controlada através de uma válvula 1930. A quantidade de massa na mola a gás 1845 é regulada para controlar a pressão no interior da mola a gás 1845 de modo que trabalho de compressão suficiente esteja disponível para o ciclo de pistão seguinte.

A Figura 20 é uma vista em corte transversal que ilustra uma versão de dois pistões e dois cursos do motor de IIGS 2000 de acordo com uma modalidade da invenção. A maioria dos elementos da modalidade de dois pistões é similar àqueles da modalidade de pistão único da Figura 18 e elementos semelhantes são identificados de acordo. Além disso, as características de operação das modalidades de pistão único e de dois pistões são similares conforme descrito em modalidades anteriores, incluindo todos os aspectos do alternador linear, ventilação, estratégias de combustão, etc.

Embora várias modalidades da presente invenção tenham sido descritas acima, deveria ser entendido que as mesmas foram apresentadas a título de exemplo somente e não de limitação. Da mesma forma, os vários diagramas podem retratar um exemplo arquitetural ou outra configuração para a invenção,queé feito paraauxiliar noentendimentodos atributosefuncionalidadeque podem ser incluídosna invenção.Ainvenção não érestrita àsarquiteturasou configuraçõesexemplificadasilustradas,mas os atributos desejados podem ser implantados com uso de uma variedade de arquiteturas e configurações alternativas. Com certeza, será aparente a uma pessoa versada na técnica como configurações e particionamento físico, lógico ou funcional alternativos podem ser implantados para implantar os atributos desejados da presente invenção. Também, uma multiplicidade de diferentes nomes de módulo constituinte além daquelas retratadas no presente documento pode ser aplicada às várias partições. Adicionalmente, no que concerne aos fluxogramas, descrições operacionais e reivindicações de método, a ordem em que as etapas são apresentadas no presente documento não deveria impor que as várias modalidades sejam implantadas para realizar a dita funcionalidade na mesma ordem a não ser que o contexto dite de outra forma.

Embora a invenção seja descrita acima em termos de várias modalidades e implantações exemplificativas, deveria ser entendido que os vários atributos, aspectos e funcionalidade descritos em uma ou mais das modalidades individuais não são limitados em sua aplicabilidade à modalidade particular com a qual são descritos, mas em vez disso, podem ser aplicados, sozinhos ou em várias combinações, a uma ou mais das outras modalidades da invenção, quer tais modalidades sejam descritas ou não e quer tais atributos sejam apresentados ou não como sendo uma parte de uma modalidade descrita. Assim, a extensão e âmbito da presente invenção não deveriam ser limitados por qualquer uma das modalidades exemplificativas acima descritas.

Os termos e expressões usados neste documento e variações dos mesmos, a não ser que seja dito expressamente de outra forma, deveriam ser considerados como abertos em vez de limitantes. Como exemplos do que foi dito anteriormente: o termo “que inclui” deveria ser lido com o significado de “que inclui, sem limitação” ou similares; o termo “exemplo” é usado para fornecer situações exemplificativas do item em discussão, não uma listagem exaustiva ou limitante do mesmo; os termos “um” ou “uns” deveriam ser lidos com o significado de “pelo menos um”, “um ou mais” ou similares; e adjetivos como “convencional”, “tradicional”, “normal”, “padrão”, “conhecido” e termos de significado similar não deveriam ser considerados como limitantes para o item descrito para um dado período de tempo ou para um item disponível de um dado tempo, mas em vez disso, deveria ser lido como englobando tecnologias convencionais, tradicionais, normais ou padrão que possam estar disponíveis ou ser conhecidas no presente ou em qualquer tempo no futuro. Da mesma forma, no que este documento se refere a tecnologias que seriam aparentes ou conhecidas por uma pessoa de habilidade comum na técnica, tais tecnologias englobam aquelas aparentes ou conhecidas pela pessoa versada na técnica no presente ou em qualquer tempo no futuro.

A presença de palavras ou expressões de amplo significado como “um ou mais”, “pelo menos”, “mas sem limitação” ou outras expressões semelhantes em algumas situações não deveriam ser lidas com o significado de que o caso mais restrito é pretendido ou exigido em situações em que tais expressões de amplo significado possam estar ausentes. O uso do termo “módulo” não implica que os componentes ou funcionalidade descritos ou reivindicados como parte do módulo sejam todos configurados em um pacote comum. Com certeza, qualquer ou todos dos vários componentes de um módulo, quer a lógica de controle ou outros componentes possam ser combinados em um pacote único ou mantidos separadamente e podem adicionalmente ser distribuídos em múltiplos agrupamentos ou pacotes ou por múltiplas localizações.

Adicionalmente, as várias modalidades apresentadas no presente documento são descritas em termos de diagramas de blocos, fluxogramas exemplificativos e outras ilustrações. Como ficará aparente para uma pessoa de habilidade comum na técnica após leitura deste documento, a modalidade ilustrada e suas várias alternativas podem ser implantadas sem retenção aos exemplos ilustrados. Por exemplo, os diagramas de blocos e sua descrição anexa não deveriam ser considerados como imposição de uma arquitetura ou configuração particular.

Claims

1.MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR, caracterizado por compreender: pelo menos um cilindro que compreende um par de extremidades e uma seção de combustão disposta na parte central do cilindro; um par de seções de propulsão, cada seção de propulsão compreendendo uma mola à gás que provê diretamente pelo menos algum trabalho de compressão durante um curso de compressão do motor; um par de conjuntos de pistão configurado para percorrer linearmente dentro do cilindro; um translador configurado para se mover com o conjunto de pistão; um para de rolamentos ao longo dos quais os respectivos conjuntos de pistão são configurados para se mover; e um par de estatores configurados para converter energia cinética do conjunto de pistão em energia elétrica com base no movimento relativo do translador e adaptado para converter diretamente energia elétrica em energia cinética do conjunto de pistão, em que cada estator é localizado distal a uma extremidade do cilindro.

2.MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo conjunto de pistão ser um conjunto de pistão livre.

3.MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por cada conjunto de pistão compreender ainda:uma ou mais vedações de pistão acopladas ao pistão; e uma haste de pistão acoplada ao pistão, em que o translador é acoplado à haste de pistão.

4.MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por compreender: a haste de pistão se estende através da segunda extremidade; e em que o translador é acoplado à haste de pistão fora do pelo menos um cilindro.

5.MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo translador e o estator formarem uma máquina eletromagnética linear selecionada a partir do grupo que consiste em uma máquina de ímã permanente, uma máquina de indução, uma máquina de relutância comutada e uma combinação das mesmas.

6.MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda uma ou mais portas configuradas para permitir troca de matéria entre o lado de dentro do pelo menos um cilindro e o lado de fora do pelo menos um cilindro.

7.MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender: o pelo menos um cilindro que compreende: um cilindro principal configurado para alojar a seção de combustão, em que o pistão é um primeiro pistão; e um cilindro externo configurado para alojar a seção de propulsão; e o conjunto de pistão que compreende ainda: uma haste de pistão acopladaao primeiro pistão; e um segundo pistão acoplado àhaste de pistão, sendo o segundo pistão configurado para percorrer linearmente dentro do cilindro externo e para entrar em contato com a seção de propulsão.

8.MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR, caracterizado por compreender: pelo menos um cilindro que compreende uma seção de combustão e pelo menos uma seção de propulsão; um primeiro conjunto de pistão configurado para percorrer linearmente, sendo que o primeiro conjunto de pistão compreende um primeiro pistão dentro do pelo menos um cilindro entre uma primeira posição de ponto morto superior e uma primeira posição de ponto morto inferior, sendo que o pistão é configurado para entrar em contato com a seção de combustão; um primeiro translador configurado para se mover com o primeiro conjunto de pistão; um segundo conjunto de pistão configurado para percorrer linearmente e para se opor ao primeiro conjunto de pistão, sendo que o segundo conjunto de pistão compreende um segundo pistão dentro do pelo menos um cilindro entre uma segunda posição de ponto morto superior e uma segunda posição de ponto morto inferior, sendo que o segundo pistão é configurado para entrar em contato com a seção de combustão opostaaoprimeiropistão, sendo que a seção de combustão tem entre 0,508 e 10,16 cm (0,2 e 4 polegadas) de comprimento quandooprimeiropistãoestá na primeiraposição de ponto morto superior e o segundo pistão está na segunda posição de ponto morto superior; um segundo translador configurado para se mover com o segundo conjunto de pistão; um primeiro estator configurado para converter energia cinética do primeiro conjunto de pistão em energia elétrica com base no movimento relativo do primeiro translador; e um segundo estator configurado para converter energia cinética do segundo conjunto de pistão em energia elétrica com base no movimento relativo do segundo translador.

9.MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por: o primeiro conjunto de pistão ser um primeiro conjunto de pistão livre; e o segundo conjunto de pistão ser um segundo conjunto de pistão livre.

10.MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por: o primeiro conjunto de pistão compreender ainda: uma ou mais primeiras vedações de pistão acopladas ao primeiro pistão; e uma primeira haste de pistão acoplada ao primeiro pistão, e em que o primeiro translador é acoplado à primeira haste de pistão; e o segundo conjunto de pistão que compreende ainda: uma ou mais segundas vedações de pistão acopladas ao segundo pistão; e uma segunda haste de pistão acoplada ao segundo pistão, e sendo que o segundo translador é acoplado à segunda haste de pistão.

11.MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por: o pelo menos um cilindro compreende uma primeira extremidade, uma segunda extremidade, e uma porção central; a seção de combustão está situada na porção central; a primeira haste de pistão se estende através da primeira extremidade; a segunda haste de pistão se estende através da segunda extremidade; oprimeiro transladoréacopladoàprimeirahastede pistãoforadopelomenosumcilindro;e o segundo transladoréacopladoà segundahastede pistãoforadopelomenosumcilindro.

12.MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por: o primeiro translador e o primeiro estator formarem uma máquina eletromagnética linear selecionada a partir do grupo que consiste em uma máquina de ímã permanente, uma máquina de indução, uma máquina de relutância comutada e uma combinação das mesmas; e o segundo translador e o segundo estator formarem uma máquina eletromagnética linear selecionada a partir do grupo que consiste em uma máquina de ímã permanente, uma máquina de indução, uma máquina de relutância comutada e uma combinação das mesmas.

13.MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por compreender ainda uma ou mais portas configuradas para permitir troca de matéria entre o lado de dentro do pelo menos um cilindro e o lado de fora do pelo menos um cilindro.

14.MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por: o primeiro estator e o segundo estator serem ambos integrados com o pelo menos um cilindro; e o primeiro conjunto de pistão, o segundo conjunto de pistão, o primeiro translador, e o segundo translador serem todos configurados para percorrer linearmente dentro do pelo menos um cilindro.

15.MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por: apelo menosuma seção de propulsão compreenderuma primeira seção de propulsão e uma segunda seção de propulsão; opelo menosum cilindro compreender: um cilindro principal que tem uma primeira extremidade, uma segunda extremidade, e uma porção central, sendo que a porção central é configurada para alojar a seção de combustão; e um primeiro cilindro externo configurado para alojar a primeira seção de propulsão; um segundocilindroexterno configurado para alojar a segunda seção de propulsão; o primeiroconjunto de pistão compreender ainda: uma primeira haste de pistão acoplada ao primeiro pistão, e um terceiro pistão acoplado à primeira haste de pistão, sendo o terceiro pistão configurado para percorrer linearmente dentro do primeiro cilindro externo, sendo que o terceiro pistão é configurado para entrar em contato com a primeira seção de propulsão; e o segundo conjunto de pistão compreender ainda: uma segunda haste de pistão acoplada ao segundo pistão, e um quarto pistão acoplado à segunda haste de pistão, sendo o quarto pistão configurado para percorrer linearmente dentro do segundo cilindro externo, sendo que o quarto pistão é configurado para entrar em contato com a segunda seção de propulsão.

16.MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR, caracterizado por compreender: um cilindro principal que compreende uma seção de combustão; um cilindro externo que compreende uma seção de propulsão configurada para fornecer pelo menos algum trabalho de compressão durante um curso de compressão do motor de combustão linear; um conjunto de pistão configurado para percorrer linearmente, em que oconjunto de pistão compreende: um primeiro pistão dentro do cilindro principal entre uma posição de ponto morto superior e uma posição de ponto morto inferior, um segundo pistão dentro do cilindro externo, e uma haste de pistão acoplada ao primeiro pistão e ao segundo pistão; um rolamento à gás ao longo da qual o conjunto de pistão é configurado para mover; um translador configurado para se mover com o conjunto de pistão; e um estator configurado para: converter energia cinética do conjunto de pistão em energia elétrica com base no movimento relativo do translador, e converter energia elétrica em energia cinética do conjunto de pistão.

17.MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo motor de combustão linear ser configurado para alcançar uma razão de compressão variável menor que ou igual a uma razão de expansão variável.

18.MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado por: o estator ser disposto entre o cilindro principal e o cilindro externo; e a haste de pistão se estender para dentro do cilindro principal e para dentro do cilindro externo.

19.MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo cilindro principal compreender uma vedação de gás em torno da haste de pistão configurada para vedar o lado de dentro do cilindro principal do lado de fora do cilindro principal.

20.MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo translador e o estator formarem uma máquina eletromagnética linear selecionada a partir do grupo que consiste em uma máquina de ímã permanente, uma máquina de indução, uma máquina de relutância comutada e uma combinação das mesmas.

21.MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado por compreender ainda uma ou mais portas configuradas para permitir troca de matéria entre o lado de dentro do cilindro principal e o lado de fora do cilindro principal.

22.MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado por: o cilindro externo ser um primeiro cilindro externo; o conjunto de pistão ser um primeiro conjunto de pistão; ahaste depistão ser umaprimeirahaste depistão; aposiçãode ponto mortosuperiorser umaprimeira posição de ponto morto superior; e aposiçãode ponto mortoinferiorser umaprimeira posição de ponto morto inferior, sendo que o motor de combustão linear compreende ainda: um segundo cilindro externo que compreende uma segunda seção de propulsão; um segundo conjunto de pistão configurado para percorrer linearmente e para se opor ao primeiro conjunto de pistão, em que o segundo conjunto de pistão compreende: um terceiro pistão dentro do cilindro principal entre uma segunda posição de ponto morto superior e uma segunda posição de ponto morto inferior, um quarto pistão dentro o segundo cilindro externo, e uma segunda haste de pistão acoplada ao terceiro pistão e ao quarto pistão; um segundo translador acoplado ao segundo conjunto de pistão, e um segundo estator configurado para converter energia cinética do segundo conjunto de pistão em energia elétrica com base no movimento relativo do segundo translador.

23.MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR, caracterizado por compreender: um cilindroque compreende umaseção de combustão; um conjunto de pistão configurado para percorrer linearmente,em que oconjunto de pistãocompreende: um pistão dentro do cilindro entre uma posição de ponto morto superior e uma posição de ponto morto inferior, sendo que o pistão é configurado para entrar em contato com a seção de combustão, e sendo que o pistão compreende uma seção posterior oca, uma haste de mola disposta para formar uma mola a gás dentro da seção posterior oca do pistão; um translador configurado para se mover com o pistão; e um estator configurado para converter energia cinética do conjunto de pistão em energia elétrica com base no movimento relativo do translador.

24.MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo conjunto de pistão ser um conjunto de pistão livre.

25.MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo conjunto de pistão compreender ainda uma ou mais vedações de pistão acopladas ao pistão.

26.MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR, de acordo com a reivindicação 25, caracterizado pelo translador e o estator formarem uma máquina eletromagnética linear selecionada a partir do grupo que consiste em uma máquina de ímã permanente, uma máquina de indução, uma máquina de relutância comutada e uma combinação das mesmas.

27.MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado por compreender ainda uma ou mais portas configuradas para permitir troca de matéria entre o lado de dentro do pelo menos um cilindro e o lado de fora do pelo menos um cilindro.

28.MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pela haste de mola compreender ainda: uma seção de reservatório; um lúmen central configurado para permitir que massa seja transferida entre a primeira mola a gás e a seção de reservatório; e uma válvula configurada para controlar a troca de matéria do reservatório.

29.MOTOR DE COMBUSTÃO LINEAR, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo conjunto de pistão ser um primeiro conjunto de pistão, sendo que o pistão é um primeiro pistão, e sendo que a seção posterior oca é uma primeira seção posterior oca, sendo que o motor de combustão linear compreende ainda: um segundo conjunto de pistão configurado para percorrer linearmente e para se opor ao primeiro conjunto de pistão, em que o segundo conjunto de pistão compreende um segundo pistão dentro do cilindro entre uma segunda posição de ponto morto superior e uma segunda posição de ponto morto inferior, sendo que o segundo pistão é configurado para entrar em contato com a seção de combustão oposta ao primeiro pistão, e sendo que o segundo pistão compreende uma segunda seção posterior oca, uma segunda haste de mola disposta para formar uma segunda mola a gás dentro da segunda seção posterior oca do segundo pistão, um segundo translador configurado para se mover com o segundo pistão, e um segundo estator configurado para converter energia cinética do segundo conjunto de pistão em energia elétrica com base no movimento relativo do segundo translador.