BR112013015180B1 - engine manufacturing method - Google Patents
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Abstract
MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE UM MOTOR Um gerador de motor de pistão livre compreendendo um cilindro de motor, um pistão configurado para se mover dentro do cilindro, um suporte de cilindro tendo uma perfuração interna para receber o cilindro de motor e uma pluralidade de elementos magnetizáveis dispostos dentro do suporte de cilindro para ser adjacente ao cilindro ao longo de pelo menos uma parte de sua extensão.METHOD OF MANUFACTURING AN ENGINE A free piston engine generator comprising a motor cylinder, a piston configured to move within the cylinder, a cylinder holder having an internal perforation to receive the motor cylinder and a plurality of magnetizable elements arranged inside the cylinder support to be adjacent to the cylinder over at least a part of its extension.
Description
A presente invenção refere-se a um gerador de motor de pistão livre e um método de fabricação de um gerador de motor. Em particular, a presente invenção se refere a um gerador de motor de pistão livre que tem uma construção disposta para otimizar a eficiência do gerador e para prover bom controle da posição do pistão e movimento do pistão pelo gerador.The present invention relates to a free piston engine generator and a method of manufacturing an engine generator. In particular, the present invention relates to a free piston engine generator that has a construction arranged to optimize the efficiency of the generator and to provide good control of the piston position and movement of the piston by the generator.
Energia elétrica pode ser gerada utilizando um gerador linear acoplado a um motor de pistão livre, em que o movimento linear do pistão de reciprocação por meio de uma ou mais bobinas elétricas gerar alteração de fluxo magnético, conforme revelado no documento US-B-7318506, por exemplo. Conforme o pistão se movimenta dentro do cilindro além das bobinas, ele interage com um fluxo magnético alternado dentro dos elementos estatores para gerar energia elétrica que pode ser utilizada para funcionamento útil ou armazenada para uso posterior.Electric energy can be generated using a linear generator coupled to a free piston motor, in which the linear movement of the reciprocating piston by means of one or more electric coils generates changes in the magnetic flux, as revealed in document US-B-7318506, for example. As the piston moves inside the cylinder in addition to the coils, it interacts with an alternating magnetic flux within the stators to generate electrical energy that can be used for useful operation or stored for later use.
Entretanto, a eficiência desse sistema de geração de energia elétrica é altamente dependente da espessura da parede do cilindro e da proximidade dos elementos elétricos de geração de energia para o pistão reciprocar dentro do cilindro de motor.However, the efficiency of this electric power generation system is highly dependent on the thickness of the cylinder wall and the proximity of the electric power generating elements to the reciprocating piston inside the engine cylinder.
De acordo com a presente invenção, é provido um gerador de motor de pistão livre compreendendo um cilindro de motor, um pistão configurado para se mover dentro do cilindro, a suporte de cilindro tendo uma perfuração interna para receber o cilindro de motor e uma pluralidade de elementos magnetizáveis dispostos dentro do suporte de cilindro para ser adjacente ao cilindro ao longo de pelo menos uma parte de sua extensão.According to the present invention, a free piston engine generator comprising a motor cylinder, a piston configured to move within the cylinder, is provided with a cylinder holder having an internal perforation to receive the motor cylinder and a plurality of magnetizable elements disposed within the cylinder support to be adjacent to the cylinder over at least a part of its extension.
Na presente invenção, a disposição particular do suporte de cilindro que permite que a pluralidade de elementos magnetizáveis seja posicionada adjacente ao cilindro otimiza a eficiência do gerador de motor de pistão livre e provê bom controle da posição do pistão e movimento do pistão pelo gerador.In the present invention, the particular arrangement of the cylinder support that allows the plurality of magnetizable elements to be positioned adjacent to the cylinder optimizes the efficiency of the free piston engine generator and provides good control of the piston position and movement of the piston by the generator.
Preferencialmente, o suporte de cilindro tem um ou mais recessos que permitem que a pluralidade de elementos magnetizáveis seja posicionada adjacente ao cilindro. Preferencialmente, os elementos magnetizáveis são « posicionados em contato fisico direto com o cilindro. 10 Preferencialmente, um ou mais dos elementos magnetizáveis agem como um estator no gerador. 4- Preferencialmente, o cilindro é fixo dentro do suporte de cilindro por um adesivo que provê isolamento térmico entre o cilindro e o suporte de cilindro.Preferably, the cylinder support has one or more recesses that allow the plurality of magnetizable elements to be positioned adjacent to the cylinder. Preferably, the magnetizable elements are «positioned in direct physical contact with the cylinder. Preferably, one or more of the magnetizable elements act as a stator in the generator. 4- Preferably, the cylinder is fixed inside the cylinder holder by an adhesive that provides thermal insulation between the cylinder and the cylinder holder.
Preferencialmente, o suporte de cilindro compreende uma pluralidade de elementos que são montados coaxialmente no cilindro. Preferencialmente, o suporte de cilindro inclui meio de resfriamento para resfriar o cilindro.Preferably, the cylinder support comprises a plurality of elements that are coaxially mounted on the cylinder. Preferably, the cylinder support includes cooling means for cooling the cylinder.
Preferencialmente, o cilindro tem uma espessura de parede que é menor que 5% do diâmetro interno do cilindro, em que a espessura de parede é tipicamente menor que cerca de 2 mm. Preferencialmente, o pistão compreende de elementos 25 centrais, magnetizáveis, laminados e elementos espaçadores • não magnetizáveis. Preferencialmente, os meios de ingestão e são localizados em uma posição central ao longo do cilindro, o que simplifica a disposição do motor e torna essa disposição mais compacta ao permitir que um meio de ingestão 30 comum forneça fluido em cada câmara de combustão.Preferably, the cylinder has a wall thickness that is less than 5% of the inner diameter of the cylinder, where the wall thickness is typically less than about 2 mm. Preferably, the piston comprises central, magnetizable, laminated elements and non-magnetizable spacer elements. Preferably, the intake means and are located in a central position along the cylinder, which simplifies the arrangement of the engine and makes this arrangement more compact by allowing a common intake means 30 to supply fluid to each combustion chamber.
Além disso, ao posicionar os meios de ingestão em uma posição removida da válvula de exaustão, a renovação dos gases queimados pode ser grandemente aprimorada pelo fluxo de renovação unidirecional provido dentro de cada câmara de combustão, o que, por sua vez, resulta em eficiência aprimorada, hidrocarbonetos de combustível não queimado reduzidos e custo menores.In addition, by positioning the intake means in a position removed from the exhaust valve, the renewal of the flared gases can be greatly enhanced by the unidirectional renewal flow provided within each combustion chamber, which in turn results in efficiency improved, reduced unburned fuel hydrocarbons and lower costs.
Preferencialmente, os meios de ingestão compreendem tanto um meio de ingestão de ar como um meio de injeção de combustível, de modo que a injeção de combustível em uma câmara de combustão possa ocorrer durante a admissão do ar de carga de ingestão. Os meios de ingestão também podem 10 compreender uma pluralidade de meio de ingestão de ar e pelo menos um meio de injeção de combustível. A provisão do meio de ingestão de ar e do meio de injeção de combustível juntos nos meios de ingestão permitem que ambos esses aspectos compartilhem uma válvula de porta corrediça comum, cada um 15 estando em recesso dentro do vazio atrás da válvula de porta corrediça. Isso resulta em uma construção mais simples e, portanto, mais barata.Preferably, the ingestion means comprise both an air ingestion and a fuel injection means, so that fuel injection into a combustion chamber can occur during the intake air intake. The intake means may also comprise a plurality of air intake means and at least one fuel injection means. The provision of air intake means and fuel injection means together in the intake means allows both of these aspects to share a common sliding gate valve, each being in recess within the void behind the sliding gate valve. This results in a simpler and therefore cheaper construction.
Preferencialmente, o meio de ingestão de ar compreende uma válvula de porta corrediça e uma válvula 20 secundária, como uma válvula de gatilho solenoide, válvula de barril ou outros meios de válvula disposta em série com a válvula de porta corrediça. A válvula secundária pode permitir ar na câmara em qualquer momento, quando a válvula de porta corrediça não estiver coberta pelo pistão, o que 25 permite bom controle da proporção de expansão em resposta a um evento de combustão, independentemente da posição do pistão dentro dos limites definidos pelas posições de abertura e fechamento da válvula de porta corrediça.Preferably, the air intake means comprises a sliding gate valve and a
Preferencialmente, o meio de injeção de combustível 30 compreende dois injetores dispostos em cada lado da válvula secundária de ingestão de ar para permitir que o combustível seja injetado diretamente na respectiva câmara, independentemente de se a válvula secundária de ingestão está aberta ou fechada. Os injetores são, idealmente, injetores piezo, que permitem o acionamento eletrônico e baixo custo e controle da injeção de combustível.Preferably, the fuel injection means 30 comprises two injectors arranged on each side of the secondary air intake valve to allow fuel to be injected directly into the respective chamber, regardless of whether the secondary intake valve is open or closed. The injectors are, ideally, piezo injectors, which allow the electronic activation and low cost and control of the fuel injection.
Preferencialmente, o meio de injeção de combustível 5 é configurado para injetar combustível imediatamente antes do fechamento da válvula corrediça, para garantir que o combustível injetado não possa ser transportado para dentro e para fora da porta de exaustão ao renovar a carga de ingestão de ar antes de a válvula de exaustão ser fechada, reduzindo 10 emissões de hidrocarboneto.Preferably, the fuel injection means 5 is configured to inject fuel just before the closing of the slide valve, to ensure that the injected fuel cannot be transported in and out of the exhaust port when renewing the air intake load before the exhaust valve is closed, reducing 10 hydrocarbon emissions.
Preferencialmente, os meios de ignição são providos 4 em cada câmara para iniciar a combustão da mistura de ar comprimido e combustível. O uso de combustíveis de ignição a faisca e seus ciclos de operação relacionados geram 15 inerentemente menos emissões de particulado do que combustíveis e ciclos de ignição por compressão.Preferably, ignition means 4 are provided in each chamber to start combustion of the mixture of compressed air and fuel. The use of spark ignition fuels and their related operating cycles generates 15 inherently less particulate emissions than fuels and compression ignition cycles.
Preferencialmente, um meio de exaustão é provido em cada câmara de combustão para permitir que os gases queimados sejam exauridos da câmara após a combustão.Preferably, an exhaust means is provided in each combustion chamber to allow the flared gases to be exhausted from the chamber after combustion.
Preferencialmente, o meio de exaustão é uma válvula de gatilho solenoide provida em cada câmara de combustão, com as válvulas sendo coaxiais com o cilindro, de modo que a área de limitação no fluxo de exaustão pode se aproximar a 40% da área de seção de perfuração interna do cilindro, reduzindo a 25 pressão de volta de gás de exaustão durante a exaustão e * renovação.Preferably, the exhaust medium is a solenoid trigger valve provided in each combustion chamber, with the valves being coaxial with the cylinder, so that the area of limitation in the exhaust flow can approach 40% of the section area of internal cylinder perforation, reducing the back pressure of the exhaust gas during exhaustion and renewal.
Preferencialmente, o cilindro tem um comprimento pelo menos dez vezes maior que seu diâmetro, o que provê variabilidade reduzida da proporção de compressão em cada 30 ciclo, resultante de uma taxa baixa de alteração da proporção de compressão com erro de deslocamento de pistão no ponto morto superior.Preferably, the cylinder has a length at least ten times its diameter, which provides reduced variability of the compression ratio in each 30 cycle, resulting from a low rate of change in the compression ratio with piston displacement error in neutral higher.
Preferencialmente, o pistão é configurado para ser alongado e o cilindro de motor tem uma perfuração interna dimensionada, de modo que uma proporção de compressão entre 10:1 e 16:1 possa ser alcançada. Isso é o máximo que pode ser alcançado em um motor de ignição à faisca convencional devido 5 à detonação (batida). Preferencialmente, o motor é um motor de 'combustível flex' que opera em qualquer mistura de gasolina, etanol anidro e etanol hidratado. A proporção de compressão pode ser otimizada pelo sistema de gerenciamento de motor, de acordo com a mistura de etanol/gasolina/água em 10 particular que é utilizada.Preferably, the piston is configured to be elongated and the engine cylinder has a dimensioned internal perforation, so that a compression ratio between 10: 1 and 16: 1 can be achieved. This is the maximum that can be achieved in a conventional spark ignition engine due to detonation (strike). Preferably, the engine is a 'flex fuel' engine that operates on any mixture of gasoline, anhydrous ethanol and hydrous ethanol. The compression ratio can be optimized by the engine management system, according to the particular ethanol / gasoline / water mixture that is used.
Também, uma proporção de expansão duas vezes maior s que a proporção de compressão é obtida. Um curso de expansão longo permite que mais da energia de combustão seja transferida ao pistão e, além disso, permite mais tempo para 15 controle (ou seja, para reagir à variabilidade de velocidade de pistão medida).Also, an expansion ratio twice as large as the compression ratio is obtained. A long expansion stroke allows more of the combustion energy to be transferred to the piston and, in addition, allows more time for control (ie, to react to the measured piston speed variability).
Preferencialmente, os meios de ingestão são posicionados em uma distância adequada da válvula de exaustão para garantir que uma proporção de compressão de entre 10:1 e 20 16:1 seja alcançada.Preferably, the ingestion means are positioned at an appropriate distance from the exhaust valve to ensure that a compression ratio of between 10: 1 and 20 16: 1 is achieved.
De acordo com a presente invenção, é provido um método de fabricação de um gerador de motor, compreendendo a provisão de um cilindro configurado para acomodar pelo menos um pistão que é livre para reciprocar dentro do cilindro, 25 fixação do cilindro dentro de um suporte de cilindro que tem * uma perfuração interna disposta para receber e prover suporte t estrutural para o cilindro e disposição de uma pluralidade de elementos magnetizáveis adjacente ao cilindro, de modo que, quando o pistão se mover dentro do cilindro, ele induz o 30 fluxo magnético conforme passa a pluralidade de elementos magnetizáveis. Preferencialmente, um ou mais recessos no suporte de cilindro são providos para receber a pluralidade de elementos magnetizáveis.In accordance with the present invention, a method of manufacturing an engine generator is provided, comprising the provision of a cylinder configured to accommodate at least one piston that is free to reciprocate within the cylinder, 25 fixing the cylinder within a bearing support. cylinder having an internal perforation arranged to receive and provide structural support for the cylinder and arrangement of a plurality of magnetizable elements adjacent to the cylinder, so that when the piston moves within the cylinder, it induces the magnetic flux as passes the plurality of magnetizable elements. Preferably, one or more recesses in the cylinder support are provided to receive the plurality of magnetizable elements.
Preferencialmente, uma ou mais seções do suporte de cilindro ao longo da extensão do cilindro são removidas para expor uma ou mais seções da parede do cilindro e a pluralidade de elementos magnetizáveis é disposta dentro dos recessos, de modo que esteja em contato fisico direto com a parede do cilindro.Preferably, one or more sections of the cylinder support along the extension of the cylinder are removed to expose one or more sections of the cylinder wall and the plurality of magnetizable elements is disposed within the recesses, so that it is in direct physical contact with the cylinder wall.
De acordo com a presente invenção, também é provido um método de fabricação de um motor, compreendendo provisão de um cilindro configurado para acomodar pelo menos um pistão que é livre para reciprocar dentro do cilindro, extrusão de um suporte de cilindro que é disposto para reter e prover suporte estrutural para o cilindro, e fixação do cilindro dentro do suporte de cilindro, de modo que a parede do cilindro seja reforçada pela estrutura do suporte de cilindro.According to the present invention, a method of manufacturing an engine is also provided, comprising providing a cylinder configured to accommodate at least one piston that is free to reciprocate within the cylinder, extruding a cylinder support that is arranged to retain and providing structural support for the cylinder, and fixing the cylinder within the cylinder support, so that the cylinder wall is reinforced by the structure of the cylinder support.
Preferencialmente, a pluralidade de elementos magnetizáveis é disposta para prover suporte que sustente carga para o cilindro. Preferencialmente, os elementos magnetizáveis são dispostos para prover uma força em relação à parede do cilindro, por exemplo, eles podem ser polarizados em relação à parede do cilindro, ou podem ser pré-carregados, de modo que eles apliquem uma força em relação à parede do cilindro quando posicionados adjacentes a ele.Preferably, the plurality of magnetizable elements is arranged to provide support that supports the cylinder. Preferably, the magnetizable elements are arranged to provide a force in relation to the cylinder wall, for example, they can be polarized in relation to the cylinder wall, or they can be preloaded, so that they apply a force in relation to the wall of the cylinder when positioned adjacent to it.
Preferencialmente, o cilindro é afixado dentro do suporte de cilindro utilizando um material adesivo na parte externa do cilindro, em que o material adesivo provê isolamento térmico entre o cilindro e o suporte de cilindro.Preferably, the cylinder is affixed within the cylinder holder using an adhesive material on the outside of the cylinder, where the adhesive material provides thermal insulation between the cylinder and the cylinder holder.
Preferencialmente, o suporte de cilindro é provido de meio de resfriamento para resfriar o cilindro.Preferably, the cylinder support is provided with a cooling medium to cool the cylinder.
Preferencialmente, a parede interior do cilindro é revestida com um material de redução de fricção para reduzir a fricção entre a parede interior e um pistão que passa ao longo dela.Preferably, the inner wall of the cylinder is coated with a friction reducing material to reduce friction between the inner wall and a piston that passes along it.
Preferencialmente, a espessura da parede do cilindro é menor que 5% do diâmetro interno do cilindro, em que a espessura da parede do cilindro é tipicamente menor que 5 cerca de 2 mm. De acordo com a presente invenção, é provido um veiculo tendo um gerador de motor de pistão livre, conforme descrito acima.Preferably, the thickness of the cylinder wall is less than 5% of the inner diameter of the cylinder, where the thickness of the cylinder wall is typically less than 5 about 2 mm. In accordance with the present invention, a vehicle is provided having a free piston engine generator, as described above.
A construção do gerador de motor da presente 10 invenção provê diversas vantagens importantes sobre a construção de gerador de motor de pistão livre tipico, em que dois cabeçotes de cilindro são afixados a dois cilindros, com um conjunto de máquina elétrica separado, localizado axialmente entre os cilindros.The construction of the engine generator of the present invention provides several important advantages over the construction of a typical free piston engine generator, in which two cylinder heads are affixed to two cylinders, with a separate electrical machine set, located axially between the cylinders.
O suporte de cilindro é, preferencialmente, formado por extrusão de um material dúctil, como liga de aluminio. De maneira vantajosa, a construção alongada permite o uso de tecnologia de fabricação por extrusão para formar o suporte de cilindro, ao invés tecnologia de moldagem ou de maquinário 20 CNC extensivo utilizada para motores convencionais. A extrusão oferece um tempo de ciclo de fabricação mais rápido e maiores tolerâncias antes das operações de maquinário que a moldagem, reduzindo o custo da parte finalizada. Semelhantemente, o cilindro pode ser formado de tecnologias 25 de fabricação de formação de tubo por extrusão ou outra consolidação, de baixo custo. Esse construção, portanto, reduz o custo geral do conjunto de cilindro do motor.The cylinder support is preferably formed by extrusion of a ductile material, such as aluminum alloy. Advantageously, the elongated construction allows the use of extrusion manufacturing technology to form the cylinder holder, rather than extensive CNC molding or machinery technology used for conventional engines. Extrusion offers faster manufacturing cycle time and greater tolerances before machining operations than molding, reducing the cost of the finished part. Similarly, the cylinder may be formed from low-cost tube forming fabrication technologies or other consolidation. This construction therefore reduces the overall cost of the engine cylinder assembly.
Além disso, a forma contigua do suporte de cilindro, que permanece não quebrada ao longo da seção média 30 do motor, garante que ambas as câmaras de combustão seja coaxialmente alinhadas com alta precisão e provê uma superficie de suporte continua para o pistão trafegar ao longo dela. Isso permite que o pistão se movimente para frente e para trás de uma ingestão disposta centralmente, conforme aqui descrito, enquanto minimiza a quantidade de desgaste à superficie interna do cilindro durante a vida de operação do gerador de motor.In addition, the contiguous shape of the cylinder support, which remains unbroken along the middle section 30 of the engine, ensures that both combustion chambers are coaxially aligned with high precision and provides a continuous support surface for the piston to travel along. her. This allows the piston to move back and forth from a centrally arranged intake, as described here, while minimizing the amount of wear to the cylinder's internal surface during the engine generator's operating life.
Embora o suporte de cilindro seja, preferencialmente, um único elemento extrudado, ele poderia, alternativamente, ser formado pela montagem coaxial de uma pilha de elementos extrudados diferentes em um cilindro comum. Por exemplo, duas extrusões podem ser colocadas em 10 ambos os lados dos meios de ingestão, em que as extrusões são montadas coaxialmente no cilindro.Although the cylinder support is preferably a single extruded element, it could alternatively be formed by coaxially assembling a pile of different extruded elements in a common cylinder. For example, two extrusions can be placed on both sides of the ingestion means, where the extrusions are mounted coaxially on the cylinder.
De maneira ideal, a parede do suporte de cilindro extrusão deve ser suficientemente espessa e/ou forte, isto é, dê suporte à carga para permitir que uma parede do cilindro 15 muito mais fina proveja superficies de desgaste e vedação do que seria, de outra forma, necessário. O suporte de cilindro, de forma ideal, tem seções de material removido ao longo da extensão do cilindro para formar um ou mais recessos que, idealmente, expõem a parede do cilindro dentro dele. Os 20 recessos são formados através do suporte de cilindro, preferencialmente, estendendo da superficie externa para dentro, de modo que o recessos abram para fora. Uma pluralidade de elementos magnetizáveis pode ser posicionada em proximidade estrita ao cilindro, ao dispô-lo no um ou mais 25 recessos, cada elemento magnetizável preferencialmente fixo diretamente à parede do cilindro, que os separa dos elementos de circuito magnético de movimento do pistão.Ideally, the extrusion cylinder support wall should be thick and / or strong enough, that is, support the load to allow a much
A dimensão da espessura de parede do cilindro é um determinante importante da eficiência da máquina elétrica, e 30 deve ser a menor possivel para alta eficiência. Ao prover potência de suporte de carga adequada utilizando o suporte de cilindro e elementos estatores magnetizáveis, a parede do cilindro não é necessária para suportar pressões de fluido de cilindro e pode ser feita consideravelmente mais fina, sujeito às restrições de fabricação, montagem e desgaste.The size of the cylinder wall thickness is an important determinant of the efficiency of the electric machine, and 30 must be as small as possible for high efficiency. By providing adequate load-bearing power using the cylinder support and magnetizable stator elements, the cylinder wall is not required to withstand cylinder fluid pressures and can be made considerably thinner, subject to manufacturing, assembly and wear restrictions.
As superficies interna e externa do cilindro provêem substratos para revestimentos de desgaste e térmico 5 respectivamente. Um revestimento térmico pode ser aplicado à superficie externa do cilindro na forma de um material adesivo para prover ligação de suporte de carga segura, isolante entre o cilindro e o suporte de cilindro.The inner and outer surfaces of the cylinder provide substrates for wear and
Além disso, a disposição de fixação de um cilindro 10 dentro do suporte de cilindro provê a vantagem de que as superficies conjugadas dos respectivos componentes não precisam ser finalizadas em qualquer padrão particular, ao invés de permitir que o cilindro seja ajustado dentro do suporte de cilindro.In addition, the fixing arrangement of a
Um gerador de motor de pistão livre, de acordo com a presente invenção, tem diversas aplicações. Por exemplo, pode ser integrado em um trem de energia de veiculo elétrico hibrido em série que incorpora um armazenamento de energia elétrica temporário e um ou mais motores de acionamento 20 adequados para uso como uma fonte de energia automotiva em veiculos de passageiro pequenos, em que a energia elétrica gerada pelo motor de pistão livre é acumulada em um dispositivo de armazenamento de energia elétrica integrado ao veiculo para ser liberada aos motores de acionamento do veiculo por demanda.A free piston engine generator according to the present invention has several applications. For example, it can be integrated into a series hybrid electric vehicle power train that incorporates temporary electrical energy storage and one or
Como uma fonte de energia para um veiculo de passageiros pequeno, a presente invenção executa preferencialmente em um ciclo de motor de dois cursos com ignição à faisca, com quatro cilindros sendo disposto em uma 30 configuração planar de modo que o motor possa ser montado transverso abaixo dos assentos frontais e traseiros do veiculo, oferecendo significativamente mais flexibilidade de projeto ao layout dos espaços de passageiro e armazenamento comparado a um motor de combustão interna convencional.As a power source for a small passenger car, the present invention preferably runs on a spark-ignited two-stroke engine cycle, with four cylinders being arranged in a planar configuration so that the engine can be mounted transverse below from the front and rear seats of the vehicle, offering significantly more design flexibility to the layout of the passenger and storage spaces compared to a conventional internal combustion engine.
Cada cilindro inclui um pistão livre, cujo movimento induz energia elétrica em um gerador linear disposto ao redor de cada cilindro, e cujo movimento é 5 controlável por diversos meios, incluindo a cronometragem da válvula e eventos de ignição e por modulação da energia extraída ou fornecida ao pistão em cada curso. O movimento dos pistões é sincronizado, de modo que o motor seja completamente balanceado, em que o pistão, idealmente, 10 compreende elementos magnetizáveis alternantes e elementos espaçadores não magnetizáveis.Each cylinder includes a free piston, whose movement induces electrical energy in a linear generator arranged around each cylinder, and whose movement is controllable by several means, including valve timing and ignition events and by modulating the energy extracted or supplied piston in each stroke. The movement of the pistons is synchronized, so that the engine is completely balanced, where the piston, ideally, 10 comprises alternating magnetizable elements and non-magnetizable spacer elements.
Além disso, cada cilindro é carregado por meio de um mecanismo de ingestão que introduz fluido no cilindro em uma posição distai de cada extremidade do cilindro. O 15 mecanismo de ingestão inclui uma válvula de gatilho e válvula de porta corrediça em série, de modo que a cronometragem dos eventos de fluxo de ingestão possa ser controlada independentemente das posições do pistão em relação aos cilindros. O gás de exaustão deixa os cilindros dos 20 mecanismos de válvula de exaustão localizados na extremidade de cada cilindro.In addition, each cylinder is loaded by means of a intake mechanism that introduces fluid into the cylinder at a distal position from each end of the cylinder. The intake mechanism includes a trigger valve and sliding gate valve in series, so that timing of intake flow events can be controlled independently of the piston positions in relation to the cylinders. The exhaust gas leaves the cylinders of the 20 exhaust valve mechanisms located at the end of each cylinder.
A geometria do cilindro e disposição dos mecanismos de ingestão e exaustão são de modo que a renovação de exaustão é concluída com mistura limitada entre o fluido de 25 ingestão e fluido de exaustão. A geometria da câmara de combustão oferece uma proporção de área para volume de superfície baixa e materiais de baixa condutividade são utilizados na coroa do pistão e cabeçote do pistão, de modo que calor mínimo seja rejeitado do motor. A geometria do 30 cilindro e do pistão provê uma proporção de expansão que é pelo menos duas vezes a proporção de compressão.The cylinder geometry and arrangement of the intake and exhaust mechanisms are such that the exhaust renovation is completed with limited mixing between the intake fluid and the exhaust fluid. The geometry of the combustion chamber offers a ratio of area to low surface volume and low conductivity materials are used in the piston crown and piston head, so that minimal heat is rejected from the engine. The geometry of the cylinder and piston provides an expansion ratio that is at least twice the compression ratio.
A disposição e número de cilindros utilizados são, entretanto, dependentes da aplicação e o ciclo de operação do motor também pode ser variado para diferentes aplicações, por exemplo: combustão interna de ignição por faisca; combustão interna de ignição por compressão de carga homogênea; e ignição por compressão de carga heterogênea. Alguns dos aspectos da presente invenção também podem ser realizados dentro de um ciclo de combustão externa. Exemplos de realizações de ciclo de combustão externa incluem uso da presente invenção como um expansor de gás para fluido de uma exaustão de turbina de gás, um ciclo de rankine orgânico ou um ciclo de Stirling. Em um motor de Stirling, o calor de uma fonte de combustão externa é fornecido à câmara contendo fluido de funcionamento comprimido no ponto morto superior. Após a expansão, os gases de exaustão são expelidos para uma câmara de resfriamento fechada antes de ser readmitido à câmara através dos meios de ingestão em um circuito fechado.The layout and number of cylinders used are, however, dependent on the application and the engine operating cycle can also be varied for different applications, for example: internal ignition combustion by spark; internal combustion ignition by homogeneous charge compression; and compression ignition of heterogeneous charge. Some aspects of the present invention can also be performed within an external combustion cycle. Examples of external combustion cycle embodiments include use of the present invention as a gas expander for fluid from a gas turbine exhaust, an organic rankine cycle or a Stirling cycle. In a Stirling engine, heat from an external combustion source is supplied to the chamber containing operating fluid compressed at the upper dead center. After expansion, the exhaust gases are expelled to a closed cooling chamber before being readmitted to the chamber through the ingested means in a closed circuit.
O combustível, em diversas realizações alternativas, pode ser etanol hidratado, misturas de etanol anidro-gasolina, ou gasolina. A invenção também pode ser realizada utilizando diesel, bio-diesel, metano (CNG, LNG ou biogás) ou outros combustíveis gasosos ou líquidos. Em uma realização de combustão externa, uma ampla variação de combustíveis pode ser utilizada.The fuel, in several alternative embodiments, can be hydrated ethanol, mixtures of anhydrous ethanol-gasoline, or gasoline. The invention can also be carried out using diesel, bio-diesel, methane (CNG, LNG or biogas) or other gaseous or liquid fuels. In an external combustion embodiment, a wide range of fuels can be used.
Da mesma forma, em conjunto com um sistema de armazenamento de energia para prover requisitos de saida de energia de pico temporário, a presente invenção provê um fornecimento de energia de baixo custo e alta eficiência para aplicações de veiculo automotivo de passageiros pequeno, e muitas outras aplicações nas quais o baixo custo e a alta eficiência são considerações de projeto principais, por exemplo, como um gerador de energia estática para geração de energia distribuída.Likewise, in conjunction with an energy storage system to provide temporary peak power output requirements, the present invention provides a low cost, high efficiency power supply for small passenger car applications, and many others. applications in which low cost and high efficiency are major design considerations, for example, as a static power generator for distributed power generation.
Um exemplo da presente invenção será, agora, descrito, com referência às figuras anexas, nas quais: A Figura 1 apresenta uma seção longitudinal através de um cilindro tendo um pistão, de acordo com um exemplo da presente invenção; A Figura 2 é uma seção longitudinal através do pistão, apresentando a construção de elementos planares; A Figura 3 é uma seção perpendicular através do pistão, apresentando a disposição concêntrica do eixo e elementos planares; A Figura 4 é uma vista secional do cilindro da Figura 3 ilustrando o fluxo magnético em elementos estatores alternados causado pelo movimento do pistão de acordo com a presente invenção; A Figura 5a é uma seção perpendicular através de um cilindro apresentando o estator de gerador linear e o 15 circuito magnético formado por um elemento permeável no primeiro pistão; A Figura 5b é uma seção perpendicular de uma disposição alternativa de estator de gerador para dois cilindros adjacentes, em que o estator de gerador linear e o 20 circuito magnético são formados por um elemento permeável no primeiro pistão; A Figura 6 é uma vista secional parcial do cilindro ilustrando sua construção; A Figura 7 é uma seção longitudinal mais detalhada 25 da disposição da válvula de gatilho de ingestão, válvula de porta de ingestão e injetor de combustível durante a fase de renovação de deslocamento de carga de ingestão; A Figura 8 é uma seção longitudinal mais detalhada do meio de exaustão incluindo a válvula de gatilho de 30 exaustão e acionador durante a fase de exaustão; A Figura 9 é um gráfico de deslocamento e tempo que apresenta a alteração da posição do pistão dentro de um cilindro durante um ciclo de motor completo, e a cronometragem dos eventos de ciclo de motor durante esse periodo; A Figura 9a é uma tabela que apresenta diferentes meios de controle de proporção de compressão que podem ser 5 empregados para controlar a proporção de compressão em um ciclo de motor tipico; A Figura 9b é um fluxograma correspondente à tabela na Figura 9a; A Figura 10 é um gráfico de pressão e volume que 10 apresenta um gráfico de pressão de cilindro tipico durante um ciclo de motor completo; A Figura 11 é uma seção longitudinal esquemática através de um cilindro no ponto morto superior, no fim da fase de compressão e perto do momento da ignição por faisca e 15 inicio do evento de combustão na primeira câmara; A Figura 12 é uma seção longitudinal esquemática através de um cilindro no meio da fase de expansão da primeira câmara; A Figura 13 é uma seção longitudinal esquemática 20 através de um cilindro no final da fase de expansão, mas antes de a válvula de gatilho de ingestão abrir; A Figura 14 é uma seção longitudinal esquemática através de um cilindro após a abertura da válvula de gatilho de ingestão para carregar a câmara 1, permitindo que a 25 pressão de fluido de carga de ingestão equalize a pressão de cilindro menor na primeira câmara; A Figura 15 é uma seção longitudinal -esquemática através.de um cilindro, após a abertura da válvula de gatilho de exaustão, e enquanto a válvula de gatilho de ingestão 30 permanece aberta, evacuando a primeira câmara; A Figura 16 é uma seção longitudinal esquemática através de um cilindro durante a injeção de combustível na primeira câmara, após a válvula de gatilho de ingestão tiver fechado; A Figura 17 é uma seção longitudinal esquemática através de um cilindro durante injeção de lubrificante na superficie externa do pistão; A Figura 18 é uma seção longitudinal esquemática través de um cilindro enquanto a válvula de gatilho de exaustão está aberta, e após a válvula de gatilho de ingestão e válvula de porta corrediça terem fechado, de modo que a expulsão continua dos gases de exaustão da primeira câmara 10 seja alcançada pelo deslocamento do pistão; A Figura 19 é uma seção longitudinal esquemática através de um cilindro no meio da fase de compressão na primeira câmara; As Figuras 20A e 20B apresenta uma seção de um 15 suporte de cilindro de um gerador de motor, de acordo com a presente invenção, com (A) e sem (B) a máquina elétrica afixada; A Figura 20C apresenta uma seção perpendicular de um suporte de cilindro de um gerador de motor através do 20 plano X-X indicado na Figura 20A; A Figura 21 é uma seção perpendicular esquemática de uma construção de motor com quatro cilindros através do meio de ingestão incluindo o compressor de carga elétrica; A Figura 22 é uma seção perpendicular esquemática 25 de uma construção de motor com quatro cilindros através do meio gerador elétrico; e A Figura 23 é uma seção perpendicular esquemática de uma construção de motor com quatro cilindros através do meio de exaustão.An example of the present invention will now be described, with reference to the accompanying figures, in which: Figure 1 shows a longitudinal section through a cylinder having a piston, according to an example of the present invention; Figure 2 is a longitudinal section through the piston, showing the construction of planar elements; Figure 3 is a cross-section through the piston, showing the concentric arrangement of the axis and planar elements; Figure 4 is a sectional view of the cylinder of Figure 3 illustrating the magnetic flux in alternating stator elements caused by the movement of the piston according to the present invention; Figure 5a is a cross-section through a cylinder showing the linear generator stator and the magnetic circuit formed by a permeable element in the first piston; Figure 5b is a cross-section of an alternative generator stator arrangement for two adjacent cylinders, in which the linear generator stator and the magnetic circuit are formed by a permeable element in the first piston; Figure 6 is a partial sectional view of the cylinder illustrating its construction; Figure 7 is a more detailed longitudinal section 25 of the arrangement of the intake trigger valve, intake port valve and fuel injector during the intake load displacement renewal phase; Figure 8 is a more detailed longitudinal section of the exhaust medium including the exhaust trigger valve and actuator during the exhaust phase; Figure 9 is a graph of displacement and time that shows the change in the position of the piston inside a cylinder during a complete engine cycle, and the timing of the engine cycle events during that period; Figure 9a is a table showing different means of controlling the compression ratio that can be used to control the compression ratio in a typical engine cycle; Figure 9b is a flow chart corresponding to the table in Figure 9a; Figure 10 is a pressure and volume graph which shows a typical cylinder pressure graph over a complete engine cycle; Figure 11 is a schematic longitudinal section through a cylinder in the upper dead center, at the end of the compression phase and close to the moment of spark ignition and the beginning of the combustion event in the first chamber; Figure 12 is a schematic longitudinal section through a cylinder in the middle of the expansion phase of the first chamber; Figure 13 is a schematic longitudinal section 20 through a cylinder at the end of the expansion phase, but before the intake trigger valve opens; Figure 14 is a schematic longitudinal section through a cylinder after opening the intake trigger valve to charge chamber 1, allowing the intake charge fluid pressure to equalize the lower cylinder pressure in the first chamber; Figure 15 is a longitudinal-schematic section through a cylinder, after opening the exhaust trigger valve, and while the intake trigger valve 30 remains open, evacuating the first chamber; Figure 16 is a schematic longitudinal section through a cylinder during fuel injection in the first chamber, after the intake trigger valve has closed; Figure 17 is a schematic longitudinal section through a cylinder during injection of lubricant on the external surface of the piston; Figure 18 is a schematic longitudinal section through a cylinder while the exhaust trigger valve is open, and after the intake trigger valve and sliding gate valve have closed, so that the exhaust expulsion of the first exhaust gases continues.
A Figura 1 apresenta um exemplo de um motor, de acordo com a presente invenção, compreendendo um cilindro linear oco 1. Um pistão 2 é provido dentro do cilindro 1, o pistão 2 tendo um diâmetro constante que é configurado para ser discretamente menor que o diâmetro interno do cilindro 1, mas somente na medida em que o pistão 2 é livre para se mover ao longo da extensão do cilindro 1. 0 pistão 2 é, de outra forma, restrito no alinhamento coaxial com o cilindro 1, dividindo, com isso, de maneira eficiente o cilindro 1 em uma primeira câmara de combustão 3 e uma segunda câmara de combustão 4, cada câmara tendo um volume variável dependendo da posição do pistão 2 dentro do cilindro 1. Nenhuma parte do pistão 2 se estende para fora do cilindro 1. Utilizando a 10 primeira câmara 3 como um exemplo, cada uma das câmaras 3, 4 tem uma altura variável 3a e um diâmetro fixo 3b.Figure 1 shows an example of an engine, according to the present invention, comprising a hollow
O cilindro 1 é, preferencialmente, simétrico de maneira giratória sobre seu eixo e é simétrico sobre um plano central perpendicular a esse eixo. Embora outras formas 15 geométricas poderem ser possivelmente utilizadas para realizar a invenção, por exemplo, tendo pistões de seção quadrada ou retangular, a disposição tendo pistões de seção circular é preferida. O cilindro 1 tem uma série de aberturas la, lb providas ao longo de sua extensão e distais das 20 extremidades, preferencialmente, em uma localização central.
Por meio do movimento do pistão 2, as aberturas la, lb formam uma válvula de ingestão de porta corrediça 6a, que é disposta para operar em conjunto com uma ingestão de ar 6b provida ao redor de pelo menos uma parte do cilindro 1, conforme é 25 descrito em detalhes abaixo.Through the movement of the
O cilindro 1 preferencialmente tem uma extensão pelo menos dez vezes maior que seu diâmetro para prover variabilidade reduzida da proporção de compressão em cada ciclo, como o resultado de uma baixa taxa de alteração da 30 proporção de compressão com erro de deslocamento do pistão no ponto morto superior.
A Figura 2 apresenta um pistão 2 tendo uma superficie externa 2a e compreendendo um eixo central 2c na qual é montada uma série de elementos cilíndricos. Esses elementos cilíndricos podem incluir uma coroa do pistão 2d em cada extremidade do eixo central 2c, cada coroa do pistão 2d preferencialmente construída de um material isolante e 5 resistente à temperatura, como cerâmica. A superfície de extremidade da coroa do pistão 2b é, preferencialmente, discretamente côncava, reduzindo as proporções de área para volume da superfície da primeira e segunda câmara 3, 4 no ponto morto superior e reduzindo,com isso, perdas de calor. De fato, se o cilindro for de uma geometria diferente que a configuração desses elementos, ela seria adaptada da mesma forma.Figure 2 shows a
A coroa do pistão 2d inclui aspectos de controle de óleo 2e para controlar o grau de umidade de lubrificação do 15 cilindro 1 durante a operação do motor. Esses aspectos compreender uma ranhura e um anel de controle de óleo conforme são comumente empregados em motores de combustão interna convencionais.The
Elementos centrais laminados 2f também são montados 20 no eixo do pistão 2c. Cada elemento central 2f é construído de laminações de um material magneticamente permeável, como ferrita de ferro, para reduzir o turbilhão de perdas de corrente durante a operação do motor.Central
Elementos espaçadores 2g também são montados no 25 eixo do pistão 2c. Cada elemento espaçador 2g tem idealmente baixa permeabilidade magnética e é preferencialmente construído de um material leve, como liga de alumínio e tem um vácuo 2h formado dentro dele reduz mais seu peso e, com isso, reduz as forças mecânicas exercidas no motor que o 30 utiliza. Os elementos espaçadores 2g são incluídos para fixar a posição relativa de cada um dos elementos centrais 2f e também age para limitar a perda de gases da "derivação de gás" que fluem para fora de cada câmara 3, 4 através da lacuna entre o pistão parede e a parede do cilindro, enquanto mantém a massa geral do conjunto de pistão 2 em um minimo.Spacer elements 2g are also mounted on the
Elementos de sustentação 2i também são montados no eixo do pistão 2c, localizados aproximadamente em 25% e 75% 5 da extensão do pistão 2 para reduzir o risco de distorção induzida termicamente do eixo do pistão 2 fazendo com que ele trave no cilindro 1 ou, de outra forma, danifique o cilindro 1. Cada elemento de sustentação 2i configura um vácuo de redução de peso 2j e tem um diâmetro discretamente bem maior 10 que dos elementos centrais 2f e dos elementos espaçadores 2g.Support elements 2i are also mounted on the
Os elementos de sustentação 2i também têm uma superficie externa perfilada 2k para sustentar o peso do pistão 2, e quaisquer outras cargas paralelas presentes, enquanto mantém as perdas friccionais e desgaste em um minimo. Os elementos 15 de sustentação 2i são preferencialmente construídos de um material duro, resistente ao desgaste, como cerâmica ou carbono, e a superficie externa perfilada 2k pode ser revestida em um material de baixa fricção. Alternativamente, os elementos de sustentação podem incorporar aspectos de 20 sustentação de rolagem como são comumente utilizados em aplicações deslizantes.The support elements 2i also have a profiled
Semelhante à coroa do pistão ou, talvez, ao invés de, o elemento de sustentação 2i também pode incluir aspectos de controle de óleo para controlar o grau de umidificação de 25 lubrificação do cilindro 1 durante a operação do motor. Esses aspectos compreender uma ranhura e um anela de controle de óleo conforme são comumente empregados em motores de combustão interna convencionais.Similar to the piston crown or, perhaps, instead of, the support element 2i can also include aspects of oil control to control the degree of humidification of the lubrication of the
A extensão total do pistão é, preferencialmente, 30 cinco vezes o seu diâmetro e é pelo menos suficiente para fechar completamente a válvula de porta corrediça, de modo que, em nenhum momento, a válvula de porta corrediça permita que as câmaras de combustão 3 e 4 se comuniquem. A Figura 3 é uma vista secional do pistão 2, apresentando o eixo do pistão 2c passando através de um elemento central 2f. As extremidades do eixo do pistão 21 são mecanicamente deformadas ou, de outra forma, fixas às coroas 5 do pistão 2d, de modo que os elementos 2f, 2g, 2i que são montados ao eixo do pistão 2c sejam seguramente retidos sob a ação da tensão mantida no eixo do pistão 2c. A disposição alternante dos elementos centrais 2f e espaçadores 2g posiciona as laminações centrais 2f na 10 inclinação correta para operação eficiente, como, por exemplo, parte de uma máquina geradores de relutância alternada linear compreendendo o movimento do pistão 2 e um meio de gerador linear, por exemplo, uma pluralidade de bobinas espaçadas ao longo da extensão do cilindro dentro do 15 qual o pistão reciproca. A Figura 4 apresenta um exemplo de meio de gerador linear 9 provido ao redor do exterior do cilindro" 1, ao longo de pelo menos uma parte de sua extensão, para facilitar a transferência de energia entre o pistão 2 e o meio de saida 20 elétrica 9e. 0 meio de gerador linear 9 inclui diversas bobinas 9a e diversos estatores 9c, na forma de elementos •magnetizáveis, alternando ao longo da extensão do meio de gerador linear 9.The total extension of the piston is preferably 30 five times its diameter and is at least sufficient to completely close the sliding gate valve, so that, at no time, the sliding gate valve allows
O meio de gerador linear 9 pode ser de diversos 25 tipos de máquina elétrica diferentes, por exemplo, um gerador de relutância alternado linear. Na disposição apresentada, as bobinas 9a são alternadas ao alternar o dispositivo 9b, de modo a induzir campos magnéticos dentro dos estatores magnetizáveis 9c e as laminações centrais do pistão 2e. Os 30 estatores magnetizáveis 9c podem ser laminados ou construídos de um material composto, magnético, macio (SMC), por exemplo. Em cada abordagem, os estatores são construídos dos elementos magnetizáveis e de condução elétrica separados por material não condutor, o que reduz perdas de calor das correntes do turbilhão induzidas magneticamente. 0 fluxo magnético transverso criado nos estatores magnetizáveis 9c e laminações centrais do pistão 2f sob a 5 ação das bobinas alternadas 9a também é indicado na Figura 4. 0 meio de gerador linear 9 funciona como um dispositivo de relutância alternada linear ou como um dispositivo de fluxo alternado linear. A energia é gerada no meio de saida elétrica 9e conforme os circuitos de fluxo, estabelecidos nos 10 estatores magnetizáveis 9c e induzidos nas laminações centrais do pistão 2f, são cortados pelo movimento do pistão 2. Isso permite um meio de geração elétrico altamente eficiente, sem o uso de imãs permanentes, que podem ser desmagnetizados sob as condições de alta temperatura dentro d 15 um motor de combustão interna, e o que poderia, de outra forma, adicionar custo significativo ao motor, devido ao uso de metais da terra raros custosos.The linear generator means 9 can be of several different types of electrical machine, for example, a linear alternating reluctance generator. In the arrangement shown, the
Adicionalmente, um módulo de controle 9d pode ser empregado, compreendendo diversos meios de controle 20 diferentes, conforme descrito abaixo. Os diferentes meios de controle são providos para alcançar a taxa desejada de transferência de energia entre o pistão 2 e meio de saida elétrica 9e, a fim de liberar a saida elétrica máxima, enquanto satisfaz às características de movimento desejadas 25 do pistão 2, incluindo taxa e proporção de compressão, taxa e proporção de expansão e tempo de permanência do pistão no ponto morto superior de cada câmara 3, 4.In addition, a
Um meio de controle de válvula pode ser utilizado para controlar a válvula de ingestão 6c e a válvula de 30 exaustão 7b. Ao controlar o fechamento da válvula de exaustão 7b, o meio de controle de válvula é capaz de controlar o inicio da fase de compressão. De maneira semelhante, o meio de controle de válvula também pode ser utilizado para controlar a recirculação de gás de exaustão (EGR) , carga de ingestão e proporção de compressão.A valve control means can be used to control the intake valve 6c and the
Um meio de controle de proporção de compressão que é adequado ao tipo de máquina elétrica também pode ser empregado. Por exemplo, no caso de uma máquina de relutância alternada, o controle da proporção de compressão é parcialmente alcançado ao variar a fase, frequência e corrente aplicadas às bobinas alternadas 9a. Isso muda a taxa na qual o fluxo transverso induzido é cortado pelo movimento do pistão 2 e, portanto, muda a força que é aplicada ao pistão 2. Da mesma forma, as bobinas 9a podem ser utilizadas para controlar a energia cinética do pistão 2, ambas em um ponto de fechamento da válvula de exaustão 7b e durante a desaceleração subsequente do pistão 2.A means of controlling the compression ratio that is suitable for the type of electrical machine can also be employed. For example, in the case of an alternating reluctance machine, the control of the compression ratio is partially achieved by varying the phase, frequency and current applied to the alternating
Um meio de controle de cronometragem de ignição por faisca pode ser então empregado para responder a qualquer variabilidade de ciclo para ciclo residual na proporção de compressão, para garantir que o impacto adverso dessa variabilidade residual nas emissões do motor e eficiência seja minimizado, como segue. De modo geral, a proporção de compressão esperada no fim de cada fase de compressão é a proporção de compressão alvo mais um erro que é relacionado à variabilidade do sistema, como o evento de combustão que ocorreu na câmara de combustão oposta 3, 4, e as características do sistema de controle. O meio de controle de cronometragem de ignição por faisca pode ajustar a cronometragem do evento se ignição por faisca em resposta à velocidade e aceleração medidas da aproximação do pistão 2 para otimizar o evento de combustão para a proporção de compressão esperada no fim de cada fase de compressão.A spark ignition timing control means can then be employed to respond to any variability from cycle to residual cycle in the compression ratio, to ensure that the adverse impact of this residual variability on engine emissions and efficiency is minimized, as follows. In general, the expected compression ratio at the end of each compression phase is the target compression ratio plus an error that is related to system variability, such as the combustion event that occurred in the
A proporção de compressão alvo será normalmente uma constante dependendo do combustível 5a que é utilizado. Entretanto, um erro de proporção de compressão pode ser derivado de uma variação de +/- 20% da altura da câmara de combustão 3a. Com isso, se a proporção de compressão alvo for 12:1, a proporção de compressão real pode estar na variação 10:1 a 15:1. A antecipação ou retardo do evento de ignição 5 por faisca pelo meio de controle de cronometragem de ignição por faisca, portanto, reduzirá as emissões adversas e tem impacto de eficiência nesse erro.The target compression ratio will normally be a constant depending on the fuel 5a that is used. However, a compression ratio error can be derived from a variation of +/- 20% in the height of the
Adicionalmente, um meio de controle de injeção de combustível pode ser empregado para controlar a cronometragem 10 da injeção de combustível 5a, de modo que seja injetado em uma câmara de combustão 3, 4 imediatamente antes de a válvula de porta corrediça 6a fechar, para reduzir as emissões de hidrocarboneto durante o esgotamento.In addition, a fuel injection control means can be employed to control the
Além disso, um meio de controle de temperatura pode 15 ser provido, incluindo um ou mais sensores de temperatura posicionados na proximidade das bobinas 9a, dispositivos eletrônicos e outros elementos sensíveis a altas temperaturas, para controlar o fluxo do ar de resfriamento no sistema por meio do compressor 6e, em resposta às mudanças de 20 temperatura detectadas. O meio de controle de temperatura pode estar em comunicação com o meio de controle de válvula para limitar a saida de energia do motor, quando forem detectadas leituras de temperatura elevada, sustentadas para evitar dano do motor.In addition, a temperature control means can be provided, including one or more temperature sensors positioned in close proximity to the
Sensores adicionais que podem ser empregados pelo módulo de controle 9d preferencialmente incluem um sensor de gás de exaustão (Lambda) e um sensor de fluxo de ar para determinar a quantidade de combustível 5a a ser injetada em uma câmara, de acordo com a quantidade de ar adicionado, para 30 um determinado tipo de combustível. Da mesma forma, um sensor de combustível também pode ser empregado para determinar o tipo de combustível sendo utilizado. A Figura 5a apresenta uma seção perpendicular através de um dos elementos estatores magnetizáveis 9c, apresentado a disposição de bobinas 9a e estatores 9c um em relação ao outro. Uma realização alternativa é apresentada na Figura 5b, na qual um único estator 9c e bobina 9a são utilizados para induzir fluxo magnético em dois pistões adjacentes 2. Essa configuração tem uma vantagem de custo comparada à apresentada na Figura 5a, devido ao número reduzido de bobinas 9a necessárias. A Figura 6 é uma vista secional do cilindro 1, que é preferencialmente construído de um material de baixa permeabilidade magnética, como uma liga de aluminio. A superficie interna 1c do cilindro 1 tem um revestimento 1 e de um material duro, resistente ao desgaste, como carboneto de silicio e niquel, nitrato de silicio ligado por reação, deposição de cromo, ou outro revestimento metálico, cerâmico ou quimico. Na superficie externa ld, um revestimento isolante lf, como um óxido de zircônio ou outra cerâmica suficientemente isolante térmica é aplicada. Será aparente ao técnico no assunto que todo o cilindro tem uma construção idêntica à dessa vista secional da parte do cilindro, próximo à extremidade do cilindro lg. A Figura 7 apresenta os meios de ingestão 6 providos ao redor do cilindro 1, os meios de ingestão 6 compreendendo aberturas 6a, que têm um tamanho correspondente e alinhadas às aberturas la, 1b providas no cilindro 1, e uma ingestão de ar 6b. As aberturas 6a nos meios de ingestão 6 são conectadas por um canal 6h no qual uma válvula de gatilho de ingestão 6c é assentada. O canal 6h é de volume minimo, tendo uma extensão curta, área secional transversal pequena ou uma combinação de ambas, para minimizar as perdas de expansão descontroladas dentro do canal 6h durante a fase de expansão. A válvula de gatilho de ingestão 6c veda o canal 6h de uma tubulação de ingestão 6f provida adjacente ao cilindro 1 como parte da ingestão de ar 6b. A válvula de gatilho de ingestão 6c é operada por uma válvula de gatilho acionador 6d, que pode ser um meio solenoide operado eletricamente ou 5 outro meio elétrico ou mecânico.Additional sensors that can be used by the 9d control module preferably include an exhaust gas sensor (Lambda) and an airflow sensor to determine the amount of fuel 5a to be injected into a chamber, according to the amount of air added, for a certain type of fuel. Likewise, a fuel sensor can also be used to determine the type of fuel being used. Figure 5a shows a perpendicular section through one of the
Quando a válvula de ingestão de porta corrediça 6a e a válvula de gatilho de ingestão 6c estiverem, ambas, abertas em relação a uma dentre a primeira ou segunda câmaras 3, 4, a tubulação de ingestão 6f está em comunicação fluida 10 com aquela câmara por meio do canal 6h. O meio de ingestão 6 é preferencialmente provido de um recesso 6g disposto para receber a válvula de gatilho de ingestão 6c quando completamente aberta, para garantir que o fluido possa fluir livremente através do canal 6h.When the sliding gate inlet valve 6a and the inlet trigger valve 6c are both open in relation to one of the first or
A ingestão de ar 6b também inclui um compressor de carga de ingestão 6e que pode ser operado elétrica, mecanicamente ou sob a ação de ondas de pressão que originam da ingestão de ar 6b. O compressor de carga de ingestão 6e também pode ser operado sob a ação de ondas de pressão que se 20 originam de um meio de exaustão 7 provido em cada extremidade do cilindro 1, conforme descrito abaixo, ou por um dispositivo de carregador turbo de exaustão convencional. O compressor de carga de ingestão 6e pode ser um dispositivo de deslocamento positivo, dispositivo centrifugo, dispositivo de 25 fluxo axial, dispositivo de onda de pressão, ou qualquer dispositivo de compressão adequado. O compressor de carga de ingestão 6e eleva a pressão na tubulação de ingestão 6f, de modo que, quando a ingestão de ar 6b estiver aberta, a pressão na tubulação de ingestão 6f seja maior que a pressão da câmara 3, 4 conectada à tubulação de ingestão 6f, permitindo, com isso, um fluxo de fluido de carga de ingestão.The air intake 6b also includes a intake charge compressor 6e that can be operated electrically, mechanically or under the action of pressure waves that originate from the air intake 6b. The intake charge compressor 6e can also be operated under the action of pressure waves that originate from an exhaust medium 7 provided at each end of the
Meios de injeção de combustível 5 também são providos dentro dos meios de ingestão 6, como um injetor solenoide ou injetor piezo 5. Embora um único injetor de combustível centralmente localizado 5 possa ser adequado, há preferencialmente um injetor de combustível 5 provido em um 5 dos lados válvula de gatilho de ingestão 6c e disposto próximo às extremidades das válvulas de porta corrediça 6a. Os injetores de combustível 5 estão preferencialmente em recesso nos meios de ingestão 6, de modo que o pistão 2 possa passar para frente e para trás das válvulas de ingestão de 10 porta corrediça 6a e de ingestão de ar 6b sem obstrução. Os injetores de combustível 5 são configurados para injetar combustível nas respectivas câmaras 3, 4 através de cada uma das válvulas de ingestão de porta corrediça 6aFuel injection means 5 are also provided within the intake means 6, such as a solenoid injector or
Meios de lubrificação 10 também são providos, 15 preferencialmente, embutidos dentro dos meios de ingestão 6 e dispostos de modo que o pistão 2 possa passar para frente e para trás dos meios de ingestão 6 sem obstrução, com isso, o pistão pode ser lubrificado. A Figura 8 apresenta o meio de exaustão 7 provido 20 em cada extremidade do cilindro 1. O meio de exaustão 7 compreende um cabeçote do pistão 7a afixado de maneira removível, por meio de parafusagem ou similares, à extremidade do cilindro 1. Dentro de cada cabeçote do pistão 7a, está localizada uma válvula de gatilho de exaustão 7b, 25 alinhada coaxialmente ao eixo do cilindro 1. A válvula de gatilho de exaustão 7b é operada por uma válvula de gatilho de exaustão acionador 7c, que pode ser um meio solenoide operado eletricamente ou outro meio elétrico ou mecânico. Da mesma forma, quando a válvula de gatilho de ingestão 6c e a 30 válvula de gatilho de exaustão 7b dentro da primeira ou segunda câmara 3, 4, estiverem ambas fechadas, aquela câmara é efetivamente vedada e um fluido de funcionamento contido nela pode ser comprimido ou permitido a expandir. 0 meio de exaustão 7 também inclui um canal de tubulação de exaustão 7d provido dentro do cabeçote do pistão, no qual os gases de exaustão podem fluir, sob a ação de uma pressão diferencial entre a primeira ou segunda câmara 5 adjacente 3, 4 e o fluido dentro do canal de tubulação de exaustão 7d quando uma válvula de gatilho de exaustão 7b estiver aberta. 0 fluxo dos gases de exaustão pode ser mais bem visto na disposição dos cilindros ilustrada na Figura 20, que apresenta a direção do fluxo de gás de exaustão para ser 10 substancialmente perpendicular ao eixo do cilindro 1.Lubrication means 10 are also provided, preferably 15, embedded within the intake means 6 and arranged so that the
Os meios de ignição 8, como um plugue de faisca, também são providos em cada extremidade do cilindro 1, os meios de ignição 8 sendo localizados dentro do cabeçote do pistão 7a e, preferencialmente, retido de modo que não haja 15 obstrução do pistão 2 durante o ciclo de operação normal do motor.The ignition means 8, like a spark plug, are also provided at each end of the
A disposição preferencialmente coaxial da válvula de gatilho de exaustão 7b como eixo do cilindro 1 permite que o diâmetro da válvula de gatilho de exaustão 7b seja muito 20 maior em relação ao diâmetro das câmaras 3, 4 do que em um motor de combustão interna convencional.The preferably coaxial arrangement of the
Cada cabeçote do pistão 7a é construido de um material duro ao desgaste e de bom isolamento, como cerâmica, para minimizar a rejeição de calor e evitar a necessidade de 25 componentes de assento de válvula separados. A Figura 9 apresenta um gráfico de deslocamento por tempo de um motor, de acordo com a presente invenção, ilustrando o movimento do pistão 2 ao longo do curso de um ciclo de motor completo. Embora a operação do motor seja 30 descrita, aqui, com referência à primeira câmara 3, um técnico no assunto reconhecerá que a operação e sequência dos eventos da segunda câmara 4 são exatamente as mesmas que a da primeira câmara 3, mas 180 graus fora da fase - isso quer dizer, o ponto morto superior para a primeira câmara 3 ocorre ao mesmo tempo em que o ponto morto inferior para a segunda câmara 4. A Figura 9a é uma tabela que apresenta diversos 5 meios de controle de proporção de compressão diferentes que podem ser empregados para controlar a proporção de compressão em resposta às alterações nos sinais recebidos de diversas variáveis diferentes que podem afetar a proporção de compressão durante um ciclo do motor. A Figura 9b é um 10 fluxograma correspondente à Figura 9a. Os meios de controle de proporção de compressão podem compreender parte do módulo de controle 9d, discutido anteriormente.Each
Tanto a tabela como o fluxograma ilustram as variáveis principais que podem afetar a proporção de 15 compressão nos diferentes estágios (A a F) de um ciclo do motor, como os ilustrados na Figura 9. Essa variáveis incluem: demanda de energia do usuário, o tipo de combustível sendo utilizado, a proporção de compressão e status fora do ponto do ciclo do motor anterior, posição do pistão e a 20 energia cinética de um pistão. A tabela e o fluxograma ilustram os diferentes processos que ocorrem para controlar a proporção de compressão e como as diferentes variáveis afetam essa conclusão de um ciclo do motor e também o efeito subsequente de cada processo, o que pode ter um efeito em 25 mais de um dos processos de controle ao longo de todo o ciclo do motor. Pode ser visto que na última etapa da sequência, uma vez que a proporção de compressão esperada foi determinada, a cronometragem de ignição ideal é alcançada pelo meio de controle de cronometragem de ignição por faísca 30 que ajusta a cronometragem do evento de faísca.Both the table and the flowchart illustrate the main variables that can affect the compression ratio in the different stages (A to F) of an engine cycle, as shown in Figure 9. These variables include: user energy demand, the type of fuel being used, compression ratio and status outside the point of the previous engine cycle, piston position and the piston kinetic energy. The table and flowchart illustrate the different processes that take place to control the compression ratio and how the different variables affect this completion of an engine cycle and also the subsequent effect of each process, which can have an effect on more than one control processes throughout the engine cycle. It can be seen that in the last step of the sequence, once the expected compression ratio has been determined, the optimal ignition timing is achieved by the spark ignition timing control means 30 which adjusts the timing of the spark event.
Os eventos A a F, destacados ao longo de todo o ciclo do motor, correspondem aos eventos A a F ilustrados na Figura 10, em que apresenta um gráfico de pressão e volume típico para uma câmara de combustão 3, 4 ao longo do curso do mesmo ciclo do motor. Os eventos caracterizados nas Figuras 9 a 10 são relacionados na seguinte discussão das Figuras 11 a 19.Events A to F, highlighted throughout the engine cycle, correspond to events A to F illustrated in Figure 10, which presents a pressure and volume chart typical for a
Considerando, agora, um ciclo de motor completo, no início do ciclo do motor, a primeira câmara 3 contém uma mistura comprimida composta primeiramente de combustível e ar pré-misturados, com uma proporção de minoria de gases de exaustão residuais conservados do ciclo anterior. É bem 10 conhecido que a presença de uma quantidade controlada de gases de exaustão é vantajosa para a operação eficiente do motor, uma vez que isso pode reduzir ou eliminar a necessidade de regulação de carga de ingestão como um meio de modulação de energia de motor, o que é uma fonte significativa de perdas em motores de ignição por faísca convencionais. Além disso, a formação de gases poluentes de óxido nitroso é reduzida uma vez que as temperaturas de combustão de pico e as pressões são menores do que em um motor sem retenção de gás de exaustão. Essa é uma 20 consequência de a fração do gás de exaustão mão contribuir para a reação de combustão e devido à alta capacidade de calor do dióxido de carbono e água nos gases retidos. A Figura 11 apresenta a posição do pistão em relação ao cilindro 1, definindo a geometria da primeira 25 câmara 3 no ponto morto superior (A) . Isso também aproxima o ponto de início da fase de combustão AB. A distância entre o topo do pistão 2b e o fim da primeira câmara 3 é pelo menos a metade do diâmetro da primeira câmara 3, dando uma proporção de área de superfície para volume menor comparada às câmaras 30 de combustão nos motores de combustão interna convencionais, e reduzindo as perdas de calor da primeira câmara 3 durante a combustão. Os meios de ignição 8 são retidos dentro do cabeçote do pistão 7a, de modo que, no caso em que o pistão 2 se aproxima ao ponto morto superior de maneira descontrolada, não haja possibilidade de contato entre os meios de ignição 8 e a coroa do pistão 2d. Ao contrário, a compressão continuará até que o movimento do pistão 2 seja apreendido pela 5 incorporação continua de pressão devido à compressão aproximadamente adiabática na primeira câmara 3. Com referência à Figura 10, a fase de expansão de combustão AB é iniciada por um evento de ignição (A). A Figura 12 apresenta a posição do pistão 2 em 10 relação ao meio de gerador linear 9 no meio da fase de expansão (AB e BC). A primeira câmara 3 expande conforme o pistão 2 se move sob a ação da pressão diferencial entre a primeira câmara 3 e a segunda câmara 4. A pressão na segunda câmara 4, nesse ponto, é aproximadamente equivalente à 15 pressão na tubulação de ingestão 6f. A expansão da primeira câmara 3 é oposta pela ação do meio de gerador linear 9, que pode ser modulado a fim de alcançar uma taxa de expansão desejada, para atender aos objetivos de desempenho, eficiência e emissões do motor. A Figura 13 apresenta a posição do pistão 2 no ponto morto inferior em relação à primeira câmara 3. No fim da fase de expansão (C), o movimento do pistão 2 é detido sob a ação do meio de gerador linear 9 e a pressão diferencial entre a primeira câmara 3 e a segunda câmara 4. A pressão na 25 segunda câmara 4, nesse ponto, é aproximadamente igual à pressão alta na primeira câmara 3 em sua posição de ponto morto superior (A) . Preferencialmente, a proporção de expansão é pelo menos duas vezes a proporção de compressão, em que a proporção de compressão está na variação de 10:1 a 30 16:1. Isso dá uma eficiência térmica aprimorada comparada aos motores de combustão interna convencionais, em que a proporção de expansão é semelhante à proporção de compressão. A Figura 14 apresenta a disposição do pistão 2 e meios de ingestão 6 e o fluxo inicial de gás de ingestão no momento do ponto morto inferior durante a fase de equalização de ingestão (CD) . Essa disposição também pode ser vista na Figura 7. Nesse ponto, a válvula de ingestão de porta corrediça 6a é aberta devido ao pistão 2 deslizar para frente e para trás das aberturas la, lb providas ao longo da parede interna 1c do cilindro 1. A pressão na primeira câmara 3 é menor que a pressão na tubulação de ingestão 6f devido à sobre-expansão reduzir a pressão de fluido na primeira câmara 3 e devido ao compressor de ingestão 6e elevar a pressão na tubulação de ingestão 6e. Próximo a esse momento, a válvula de gatilho de ingestão 6c é aberta pela válvula de gatilho de ingestão acionador 6d permitindo que a carga de ingestão entre na primeira câmara 3 dentro cilindro 1 cuja pressão aproxima a equalização com a pressão na tubulação de ingestão 6f. Pouco tempo após a válvula de gatilho de ingestão 6c abrir, a válvula de gatilho de exaustão 7b também é aberta, permitindo que os gases de exaustão saiam da primeira câmara 3 sob a ação da pressão diferencial entre a primeira câmara 3 e o canal de tubulação de exaustão 7d, que permanece fechado à pressão atmosférica ambiente. A Figura 15 apresenta a posição do pistão 2 durante a fase de renovação de deslocamento de carga de ingestão (DE). A evacuação do Gás de exaustão é alcançada pelo deslocamento continuo do gás de exaustão na primeira câmara 3 para o canal de tubulação de exaustão 7d com carga de ingestão fresca introduzida na extremidade do pistão da primeira câmara 3. Uma vez que a quantidade desejada de carga de ingestão foi admitida à primeira câmara 3, a válvula de gatilho de ingestão 6c é fechada e a expulsão de gás de exaustão continua pelo movimento do pistão 2, conforme apresentado na Figura 17, explicada abaixo. A Figura 16 apresenta a disposição do pistão 2 e meios de ingestão 6 no ponto de injeção de combustível (E). O combustível 5a é introduzido diretamente na coroa do pistão de aproximação 2d que tem os efeitos de vaporização rápida de combustível, resfriamento da coroa do pistão 2d e minimização das perdas e emissões de combustível não queimais de uma película de umidade na parede internas 1c do cilindro 1, que poderia, de outra forma, vaporizar na segunda câmara 4 durante a fase de expansão. A Figura 17 apresenta a posição do pistão 2 durante a lubrificação (E) , com isso, uma pequena quantidade de lubrificante é periodicamente introduzida, pelos meios de lubrificação 10, diretamente à superfície externa do pistão 2a conforme ele passa a válvula de porta corrediça de ingestão 6a. Essa disposição minimiza as emissões de hidrocarboneto associadas à umidificação de lubrificante da parede interna do cilindro e também pode reduzir a medida de dissolução de combustível na película de óleo na parede interna no cilindro. Os aspectos de anel de central de óleo 2e são incluídos na coroa do pistão 2d e/ou elementos de sustentação 2i para reduzir mais a medida de umidificação de parede por lubrificante nas primeira e segunda câmaras 3, 4. A Figura 18 apresenta uma posição do pistão 2 durante a fase de evacuação de deslocamento do pistão EF. A válvula de gatilho de ingestão 6c está fechada e a expulsão do gás de exaustão continua pelo movimento do pistão 2. O pistão 2, nesse momento, está se movendo em direção ao meio de exaustão 7 e reduzindo o volume da primeira câmara 3 devido ao evento de combustão na segunda câmara 4.Now considering a complete engine cycle, at the beginning of the engine cycle, the
Como um resultado do diâmetro relativamente maior da válvula de gatilho de exaustão, conforme discutido acima, a área de limitação no fluxo de exaustão além da haste da válvula pode aproximar 40% da área de seção de perfuração interna do cilindro, resultando em perdas de pressão de retorno de exaustão baixas durante tanto a fase de renovação de deslocamento de carga de ingestão (DE) como a fase de evacuação de deslocamento do pistão (EF). A Figura 19 apresenta uma seção longitudinal de uma posição do pistão 2 em relação ao cilindro 1 no meio da fase de compressão (FA). Quando uma expulsão de gás de exaustão suficiente for alcançada, de modo que a proporção de gás de exaustão no fluido na primeira câmara 3 esteja próxima ao nivel desejado, a válvula de gatilho de exaustão 7b está fechada e a fase de compressão (FA) começa. A compressão continua em uma taxa de variação conforme o pistão 2 acelera e desacelera sob a ação da pressão diferencial entre a primeira câmara 3 e a segunda câmara 4. A pressão na segunda câmara 4 está nesse ponto que existe durante as fases de expansão (AB e BC) e pela ação do meio de gerador linear 9. A força do gerador linear pode ser modulada a fim de alcançar a taxa de compressão desejada para atender aos objetivos de desempenho, eficiência e emissões do motor. A taxa de compressão na primeira câmara 3 é substancialmente igual e oposta à taxa de expansão na câmara 4. As Figuras 20A e 20B, em particular, apresentam como o cilindro 1 está, preferencialmente, localizado de maneira coaxial dentro de um suporte de cilindro 11, o que provê suporte estrutural ao cilindro 1 e também pode ser disposto para prover o meio de resfriamento. O suporte de cilindro 11 pode ser discretamente menor que o cilindro 1 e os cabeçotes do pistão 7a podem ser afixados, por meio de fixações por parafuso ou qualquer outro meio adequado, ao suporte de cilindro 11 para manter a compressão entre cada cabeçote do pistão 7a e a superficie de cada extremidade do cilindro ld. A Figura 20C apresenta a seção do suporte de cilindro 11 tendo uma máquina elétrica 9e afixada. O suporte de cilindro 11 é, preferencialmente, formado por extrusão de um material dúctil, como liga de aluminio, e disposto para prover suporte estrutural e meio de resfriamento 12 enquanto permite que os componentes de geração de energia elétrica 9a-9e sejam integrados em proximidade estrita e precisamente definida ao pistão de movimento 1 dentro do cilindro 1.As a result of the relatively larger diameter of the exhaust trigger valve, as discussed above, the area of limitation in the exhaust flow beyond the valve stem can approach 40% of the internal drilling section area of the cylinder, resulting in pressure losses low exhaust return rates during both the intake charge displacement (DE) renewal phase and the piston displacement (EF) evacuation phase. Figure 19 shows a longitudinal section of a position of
A parede da extrusão do suporte de cilindro 11 é, idealmente, suficientemente espessa e/ou forte, isto é, que sustenta carga para permitir uma parede de cilindro 1 muito mais fina que projeta superficies de desgaste e vedação do que seria, de outra forma, desejado. Conforme mencionado acima, o gerador da presente invenção compreende uma pluralidade de bobinas magnéticas 9a dispostas no suporte de cilindro 11, uma pluralidade de estatores, na forma de elementos magnetizáveis 9c e o pistão 2, que age como o elemento móvel, nesse caso.The extrusion wall of the
O suporte de cilindro 11 tem preferencialmente seções de material removido ao longo da extensão do cilindro 1 para formar um ou mais recessos 15 que, idealmente, estendem-se através do suporte de cilindro 11 para expor a parede do cilindro 1 alojada dentro dele. Uma pluralidade de elementos magnetizáveis, idealmente, de sustentação de carga 9c pode ser posicionada em proximidade estrita ao cilindro 1 ao dispô-la em um ou mais recessos 15, cada elemento magnetizável 9c sendo preferencialmente fixo diretamente à parede do cilindro 1, o que os separa dos elementos magnéticos de circuito de movimentação 2f do pistão 2.The
No exemplo apresentado, somente um elemento magnetizável 9c é provido para um recesso. Entretanto, deve ser observado que dois ou mais recessos de elementos magnetizáveis 9c podem ser posicionados dentro de um único recesso 15, se desejado, dependendo das características de desempenho desejadas, e que nem todos os recessos 15 devem conter o mesmo número de elementos magnetizáveis 9c, se houver. As superficies interna e externa do cilindro 1 provêem substratos para revestimentos de desgaste e térmico, respectivamente. Um revestimento térmico pode ser aplicado à 5 superficie externa do cilindro 2 na forma de um material adesivo, por exemplo, para prover uma ligação segura, isolante de sustentação de carga entre o cilindro 1 e o suporte de cilindro 11. A Figura 21 apresenta uma disposição de motor 10 exemplar compreendendo quatro motores de pistão livre configurados para operar em ciclos que são sincronizados para criar um motor completamente balanceado. Nessa configuração, a extensão geral da geração de 50 kw do motor com uma eficiência térmica de cerca de 50% seja de aproximadamente 15 1400 mm. O suporte de cilindro 11 pode ser afixado, por meios de fixação por parafuso ou outro meio adequado, para um suporte estrutural 13 que provê a base para a fixação mecânica do motor para um veiculo ou outro dispositivo que extrai energia elétrica do meio de saida elétrica 9e, 20 conforme é apresentado na Figura 22. Um compartimento 14 provê um compartimento fisico para o motor, sistemas de tubulação e controle. As interfaces são providas ao longo do compartimento 14 para fluxos de ingestão e exaustão, admissão de combustível e lubrificante, rejeição de calor, saida de 25 energia elétrica e entrada de energia elétrica para iniciação e controle. A Figura 23 apresenta uma vista final de uma disposição na qual um cabeçote do pistão 7a suporta quatro motores, com isso, os gases de exaustão saem de uma câmara de 30 combustão do motor 3, 4 por meio da válvula de gatilho de exaustão 7b e flui substancialmente perpendicular aos eixos dos cilindros 1.In the example shown, only a
De maneira vantajosa, com a presente invenção, a geometria de perfuração interna estreita da primeira câmara 3, e as posições relativas dos meios de ingestão 6 e do meio de exaustão 7, que estão localizados nas extremidades opostas da primeira câmara 3, permitem um processo de evacuação efetivo e altamente eficiente com pequena mistura entre a carga de ingestão e os gases de exaustão. Esse esquema oferece diversas vantagens comparado à evacuação nos dois motores de curso convencionais ou em motores de dois cursos de pistão livre.Advantageously, with the present invention, the narrow internal perforation geometry of the
Primeiramente, a expulsão dos gases de exaustão pode ser precisamente controlada pela cronometragem do fechamento da válvula de exaustão, provisão de recirculação de gás de exaustão interna variável como um meio de controle de energia de motor sem a necessidade de um dispositivo de regulação e as perdas de bombeamento de motor associadas.Firstly, the exhaust gas expulsion can be precisely controlled by timing the closing of the exhaust valve, provision of variable internal exhaust gas recirculation as a means of controlling engine energy without the need for a regulation device and losses associated motor pumping.
Em segundo lugar, a mistura limitada entre o gás de exaustão retido e a carga de ingestão podem aprimorar a completude da combustão, uma vez que a chama dianteira da combustão dentro da carga fresca não é interrompida por fendas de gás de exaustão não combustível misturado à mistura de combustivel/ar.Second, the limited mixture between the trapped exhaust gas and the intake charge can improve the combustion completeness, since the front flame of combustion within the fresh charge is not interrupted by cracks in non-combustible exhaust gas mixed with the fuel / air mixture.
Em terceiro lugar, a introdução de combustível 5a pelo meio de injetor de combustível 5 brevemente antes do fechamento da válvula de porta de ingestão corrediça 6a, e também a introdução de lubrificante pelos meios de lubrificação 10 próxima a esse momento é improvável de resultar em reintegração de combustível ou lubrificante nos gases de exaustão e causar emissões de hidrocarboneto de escape.Thirdly, the introduction of fuel 5a through the fuel injector means 5 shortly before the closing of the sliding intake valve 6a, and also the introduction of lubricant through the lubrication means 10 near that time is unlikely to result in reintegration. of fuel or lubricant in the exhaust gases and cause exhaust hydrocarbon emissions.
Além disso, a geometria das câmaras 3, 4 é de modo que, no ponto morto superior, a distância entre o topo do pistão 2b e o fim das câmaras 3, 4 é pelo menos a metade do diâmetro da câmara 3, 4. A taxa de alteração da proporção de compressão com o deslocamento do pistão no ponto morto superior é, portanto, menor que um motor de pistão livre convencional de diâmetro semelhante, mas no qual a profundidade da câmara 3, 4 é menor. Como resultado, o impacto de pequenas variações na profundidade da primeira câmara 3 no ponto morto superior devido às variações de combustão na segunda câmara 4, as tolerâncias de sistema de controle ou outras fontes de variabilidade, são consideravelmente reduzidas. A estabilidade e controle do ciclo de operação do motor são consideravelmente aprimorados por esse aspecto.In addition, the geometry of
A detenção do movimento do pistão 2 no ponto morto superior (A) , uma proporção de compressão desejada pode ser alcançada. Uma proporção de compressão alvo pode estar na variação de 10:1 a 16:1, e proporções de compressão maiores, em geral, permitiriam maiores eficiências térmicas a serem alcançadas. Diferentes proporções de compressão alvo podem ser ajustadas para diferentes combustíveis, para obter vantagem das características de número octano do combustível ou mistura de combustíveis em particular em uso. Qualquer combinação de sinais de feedback de um sensor de fora de ponto, a partir do movimento do pistão, a partir a composição do gás de exaustão e a partir de outras características de operação do motor podem ser utilizadas como a entrada ao módulo de controle 9d, a fim de alcançar a taxa e proporção de compressão desejada.By detecting the movement of
Um benefício adicional dessa realização comparada a outros motores de combustão interna é que os níveis de ruído são reduzidos devido ao ciclo de sobre-expansão e que resulta em uma pressão diferencial baixa ao longo da válvula de exaustão imediatamente antes da abertura. Como resultado, as ondas de choque que se propagam através do sistema de exaustão e fazendo com que o ruído de exaustão em um motor de combustão interna ou motor de pistão livre convencional seja substancialmente evitado.An additional benefit of this achievement compared to other internal combustion engines is that noise levels are reduced due to the over-expansion cycle and that results in a low differential pressure across the exhaust valve just before opening. As a result, the shock waves that propagate through the exhaust system and cause the exhaust noise in an internal combustion engine or conventional free piston engine to be substantially avoided.
Se a presente invenção for incorporada em um veiculo de passageiro de baixo custo tendo uma configuração de trem de acionamento hibrido em série, os custos para o usuário do veiculo como um meio para geração de energia elétrica automotiva são reduzidos, comprados aos projetos existentes de motor de combustão interna. Essa redução no custo é um resultado de diversos fatores, incluindo o baixo custo de combustível por unidade de energia elétrica gerada devido à alta eficiência térmica. Outros fatores incluem o baixo custo de fabricação de componente devido ao número relativamente pequeno de dimensões de alta tolerância necessárias e, com isso, o baixo custo da montagem do componente. Também, o custo de manutenção é baixo devido ao pequeno número de componentes separados e partes de movimentação necessários.If the present invention is incorporated into a low-cost passenger vehicle having a series hybrid drive train configuration, costs for the vehicle user as a means for generating automotive electrical power are reduced, purchased from existing engine designs internal combustion. This cost reduction is a result of several factors, including the low fuel cost per unit of electricity generated due to the high thermal efficiency. Other factors include the low cost of component manufacturing due to the relatively small number of high tolerance dimensions required and, therefore, the low cost of component assembly. Also, the maintenance cost is low due to the small number of separate components and handling parts required.
Além disso, a anulação de sistemas auxiliares complexos e a eliminação de vias de transmissão de força complexas, incluindo, tencionar altamente a característica de sustentação de plano hidrodinâmico de motores de combustão interna convencionais e o baixo custo de materiais para o motor, devido à contagem de parte reduzida e o pequeno número de componentes tendo restrições de projeto funcionais que precisam do uso de materiais de alto custo, como ímãs permanentes ou ligas de alumínio ou aço especializadas são todos os fatores que ajudam a manter o custo baixo.In addition, the cancellation of complex auxiliary systems and the elimination of complex power transmission routes, including, highly stressing the hydrodynamic plan support characteristic of conventional internal combustion engines and the low cost of materials for the engine, due to the counting small parts and the small number of components having functional design restrictions that require the use of high-cost materials, such as permanent magnets or specialized aluminum or steel alloys are all factors that help to keep the cost low.
A eficiência térmica também é aprimorada comparada aos projetos de motor de combustão interna convencionais. Além dos fatores já discutidos, a eficiência aprimorada também é um resultado da boa troca de calor, transferência de uma proporção da exaustão, perdas de calor do gerador de motor e elétrico na carga de ingestão, perdas friccionais reduzidas devido à eliminação de cargas à parede do cilindro durante a conversão da carga de pressão de cilindro para o torque de eixo de manivela e a eliminação de perdas de regulação devido à modulação de energia do motor ser alcançada pela duração de fluxo de carga de ingestão variável em toda a pressão auxiliar de ingestão e recirculação de gás de exaustão interna, variável, e não pela regulação do fluxo de ar de ingestão, conforme é feito em um motor de ignição por faisca convencional.Thermal efficiency is also improved compared to conventional internal combustion engine designs. In addition to the factors already discussed, the improved efficiency is also a result of good heat exchange, transfer of a proportion of the exhaust, heat losses from the engine and electrical generator in the intake load, reduced frictional losses due to the elimination of loads to the wall of the cylinder during the conversion of the cylinder pressure load to the crankshaft torque and the elimination of regulation losses due to the motor energy modulation being achieved by the variable intake load flow duration at all auxiliary intake pressure and variable internal exhaust gas recirculation, not by regulating the intake air flow, as is done in a conventional spark ignition engine.
Além disso, as emissões de escapamento (incluindo emissões de NOx, hidrocarboneto e particulado) são reduzidas comparadas a outros projetos de motor de pistão livre conhecidos. Essa redução nas emissões de escapamento é um resultado de diversos fatores, incluindo: controle aprimorado da proporção de compressão em cada ciclo, devido à geometria de gerador elétrico alongada, o que resulta em uma autoridade de controle elétrico alta ao longo do movimento do durante o curso de compressão e, portanto, um erro de deslocamento do pistão menor no ponto morto superior; e a composição de gás de exaustão retida variável de carga comprimida para reduzir as temperaturas de combustão de pico e pressões que determinam a formação de NOx.In addition, exhaust emissions (including NOx, hydrocarbon and particulate emissions) are reduced compared to other known free-piston engine designs. This reduction in exhaust emissions is a result of several factors, including: improved control of the compression ratio in each cycle, due to the elongated electrical generator geometry, which results in a high electrical control authority throughout the movement of the during the compression stroke and, therefore, a minor piston displacement error in the upper dead center; and the compressed charge variable retained exhaust gas composition to reduce peak combustion temperatures and pressures that determine NOx formation.
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