BR112014002816B1 - Pistão e meio de geração de fluxo magnético para um gerador de motor de pistão livre e método para aplicar uma força sobre o pistão móvel - Google Patents

Abstract

pistão para um gerador de motor de pistão livre, pistão e meio de geração de fluxo magnético e método para aplicar uma força sobre o pistão móvel. um pistão para um gerador de motor de pistão livre, compreendendo um ou mais elementos dispostos coaxialmente ao longo de um eixo de pistão, em que o comprimento do pistão é pelo menos cinco vezes seu diâmetro máximo, em que pelo menos um dos elementos é feito de um material compósito magneticamente permeável possuindo resistividade elétrica isotrópica pelo menos duas vezes a do aço elétrico, esta disposição provendo maior controle da posição do pistão livre, combustão mais consistente e maior eficiência de conversão elétrica.

Description

[001] A presente invenção refere-se a um pistão e, em particular, a um pistão para um gerador de energia de pistão livre.

[002] Em motores a combustão padrão, os pistões são contidos mecanicamente dentro de seus cilindros, como resultado de estarem conectados a um virabrequim, o qual é acionado rotativamente como resultado do movimento alternado do pistão dentro do cilindro. Em um motor de pistão livre, entretanto, o pistão não é conectado a um virabrequim, embora pistões possam ser providos dentro de um motor deste tipo, os quais tenham acoplamentos mecânicos externos, tal como ensinado no documento US-A-7383796.

[003] Além disso, sabe-se que a energia elétrica pode ser gerada pelo movimento alternado de um pistão em um motor de pistão livre através de uma ou mais bobinas elétricas para gerar uma mudança de fluxo magnético, por exemplo, US-A-7318506. Nesta disposição, o pistão porta uma primeira bobina e, à medida que se move dentro do cilindro, ele gera uma corrente elétrica em uma segunda bobina que envolve o cilindro. Entretanto, o pistão é feito de um pedaço de material sólido que é permeável ao fluxo magnético e é necessariamente muito curto em relação ao comprimento do cilindro, de modo que possa induzir as mudanças de fluxo à medida que passa através da segunda bobina.

[004] Em motores de pistão livre existentes, o comprimento do pistão é tipicamente menor que cinco vezes o diâmetro do orifício do cilindro da câmara de combustão. A saída de potência da máquina elétrica em um motor de pistão livre é determinada pela área do entreferro, e, para atingir uma área de entreferro suficiente para uma determinada geometria de câmara de combustão, a qual é determinada pelo diâmetro e o volume deslocado, o diâmetro da máquina elétrica é geralmente maior que o diâmetro da câmara de combustão. Esta mudança em diâmetro precisa de soluções mecânicas complexas e caras para vedar cada câmara de combustão, e para garantir que estas estejam alinhadas coaxialmente entre si e com o eixo da máquina elétrica interveniente.

[005] Três desafios de projeto fundamentais para geradores de motor de pistão livre incluem:

[006] - em primeiro lugar, atingir alta eficiência elétrica em uma máquina elétrica, dimensionada apropriadamente para a saída de energia de combustão do motor

[007] - em segundo lugar, atingir um bom grau de controle de movimento do pistão e projeto da câmara de combustão de modo que a eficiência e a integridade do processo de combustão possam ser garantidas

[008] - em terceiro lugar, resolver os primeiros dois desafios no menor custo possível

[009] A presente invenção provê uma combinação vantajosa de características referentes ao projeto do pistão, da câmara de combustão e da máquina elétrica, as quais, juntas, provêm um processo de combustão altamente eficiente, permitem conversão de energia elétrica altamente eficiente da saída de energia de combustão, provêm uma alta força de controle da máquina elétrica atuando em baixa massa de pistão para um controle de processo de combustão mais consistente, e evitam o uso de materiais magnéticos de terras raras caros no pistão e interfaces de projeto complexo entre os mecanismos de combustão e geração de energia elétrica na máquina. A presente invenção, portanto, aborda cada um dos desafios de projeto identificados.

[010] De acordo com a presente invenção, é provido um pistão para um gerador de motor, compreendendo um ou mais elementos magneticamente permeáveis, possuindo permeabilidade magnética isotrópica e resistividade elétrica dispostos ao longo de um eixo de pistão e presos por fixação ou outro meio, de modo que o contato seja mantido entre elementos vizinhos, em que o comprimento do pistão é pelo menos cinco vezes seu diâmetro máximo.

[011] Esta relação de comprimento de pistão para diâmetro de pistão provê uma melhor adequação entre a saída de energia da câmara de combustão e a capacidade de energia do entreferro possuindo uma área igual à superfície cilíndrica do pistão alongado. Como resultado, os diâmetros de entreferro e da câmara de combustão podem ser equivalentes, e nenhuma mudança no diâmetro é necessária entre as câmaras de combustão em extremidades opostas do pistão. Como resultado, este pistão permite que um motor de pistão livre seja construído em menor custo que tipos existentes de motor de pistão livre.

[012] Além disso, a presente invenção provê um pistão que é particularmente eficaz em um gerador de motor, possuindo uma pluralidade de bobinas espaçadas ao longo de um cilindro no qual o pistão se move, e cujas bobinas provêm uma topologia de máquina elétrica de fluxo axial na qual os circuitos de fluxo magnético toroidais são coaxiais com a direção do deslocamento do pistão. A permeabilidade magnética isotrópica e a resistividade elétrica dos elementos de pistão permitem esta topologia de fluxo axial com mínimas perdas por correntes parasitas no pistão, oferecendo maior força de eficiência e de controle do que outros conceitos de máquina elétrica de Motor de Pistão Livre. Além disso, a massa do pistão móvel nesta configuração de fluxo axial é menor do que é possível em configurações de fluxo transversal equivalentes, melhorando a autoridade de controle da força eletromagnética exercida pelas bobinas, e permitindo maior controle de movimento do pistão em comparação com configurações de fluxo transversal.

[013] Preferivelmente, uma coroa de pistão é provida em cada extremidade do pistão para proteger o núcleo e os elementos espaçadores dos efeitos da combustão. Alternativamente, cada pistão pode ter uma única coroa de pistão voltada para a câmara de combustão, a extremidade oposta do pistão voltada para uma câmara de ressalto que serve para reverter a direção do pistão na extremidade de cada curso de energia. Alternativamente, cada pistão pode ter uma única coroa de pistão voltada para uma câmara de combustão central entre dois pistões opostos se movendo em anti-fase um com o outro para atingir uma unidade de motor completamente equilibrada.

[014] Preferivelmente, a coroa de pistão é feita de um material leve, resistente à temperatura e isolante, tal como cerâmica ou titânio, e/ou possui uma superfície côncava para reduzir a perda de calor no ponto morto superior. Preferivelmente, a coroa de pistão é revestida com, ou feita de um material catalisador de oxidação que melhora a consistência e a integridade da combustão na câmara de combustão. Preferivelmente, a área de superfície da coroa de pistão é pelo menos duas vezes a área de seção do pistão, aumentando a eficácia do catalisador de combustão.

[015] Preferivelmente, o eixo do pistão é oco para reduzir a massa do pistão, e o elemento ou os elementos permeáveis coaxialmente disposto(s) no eixo do pistão é(são) formado(s) como anéis anelares possuindo os mesmos diâmetros externos. Preferivelmente, parte da superfície da circunferência do cilindro é revestida em um material redutor de atrito e resistente a desgaste.

[016] Um exemplo da presente invenção será agora descrito em referência às seguintes figuras, nas quais:

[017] A Figura 1 mostra um corte longitudinal através de um cilindro de gerador de motor de pistão livre possuindo um pistão de acordo com um exemplo da presente invenção, o pistão possuindo uma coroa de pistão em ambas as extremidades;

[018] A Figura 2 é um corte longitudinal através do pistão da figura 1, mostrando a construção dos elementos coaxialmente dispostos em um eixo de pistão oco;

[019] A Figura 3 é um corte perpendicular através do pistão, mostrando a disposição concêntrica do eixo e elementos circulares;

[020] A Figura 4 é um corte longitudinal através de uma realização alternativa do pistão, possuindo uma coroa de pistão apenas em uma extremidade;

[021] A Figura 5 é uma vista em corte do pistão e cilindro da Figura 1 ilustrando o fluxo magnético em elementos de estator chaveados causados pelas bobinas e pelo movimento do pistão de acordo com a presente invenção;

[022] A Figura 6 é um corte perpendicular através de um pistão e um cilindro mostrando o estator de gerador linear e o elemento magneticamente permeável no pistão disposto em estreita proximidade;

[023] A Figura 7 é um corte longitudinal detalhado da válvula de admissão, aberturas da válvula de porta deslizante de admissão, e disposição de injetor de combustível durante a fase de exaustão por deslocamento de carga de admissão;

[024] A Figura 8 é um corte longitudinal mais detalhado dos meios de escape incluindo a válvula de escape e o atuador durante a fase de escape;

[025] A Figura 9 é um gráfico de tempo- deslocamento mostrando a posição do pistão alternada dentro de um cilindro durante um ciclo de motor completo, e a temporização dos eventos de ciclo do motor durante este período;

[026] A Figura 10 é um gráfico de pressão- volume mostrando um gráfico de pressão de cilindro típico durante um ciclo de motor completo;

[027] A Figura 11 é um corte longitudinal esquemático através de um cilindro em um ponto morto superior, no final da fase de compressão e em torno do tempo da ignição da centelha e início do evento de combustão na primeira câmara;

[028] A Figura 12 é um corte longitudinal esquemático através de um cilindro em meados da fase de expansão da primeira câmara;

[029] A Figura 13 é um corte longitudinal esquemático através de um cilindro no final da fase de expansão, mas antes das válvulas de admissão e escape serem abertas;

[030] A Figura 14 é um corte longitudinal esquemático através de um cilindro após a abertura da válvula de admissão para carregar a câmara 1, permitindo que a pressão de fluido de carga de entrada equilibre a pressão do cilindro na primeira câmara;

[031] A Figura 15 é um corte longitudinal esquemático através de um cilindro após a abertura da válvula de escape, e enquanto a válvula de admissão permanece aberta, esvaziando a primeira câmara;

[032] A Figura 16 é um corte longitudinal esquemático através de um cilindro durante a injeção de combustível na primeira câmara após a válvula de admissão ter sido fechada;

[033] A Figura 17 é um corte longitudinal esquemático através de um cilindro durante a aplicação de lubrificante e/ou refrigerante sobre a superfície externa do pistão;

[034] A Figura 18 é um corte longitudinal esquemático através de um cilindro enquanto a válvula de escape está aberta, e após a válvula de admissão e a válvula de porta deslizante terem se fechado, de modo que a expulsão contínua dos gases de escape da primeira câmara seja atingida pelo deslocamento do pistão;

[035] A Figura 19 é um corte longitudinal através de um cilindro em meados da fase de compressão na primeira câmara;

[036] Nestas Figuras e no relatório descritivo, os seguintes rótulos são utilizados:

[037] 1 - Cilindro

[038] 1a - Primeira abertura de porta de entrada

[039] 1a - Segunda abertura de porta de entrada

[040] 2 - Pistão

[041] 2a - Superfície externa do pistão

[042] 2a - Superfície de extremidade do pistão

[043] 2c - Eixo do pistão

[044] 2d - Coroa do pistão

[045] 2e - Funcionalidade de controle de lubrificação

[046] 2f - Elemento de núcleo de pistão magneticamente permeável

[047] 2g - Elemento espaçador de pistão impermeável

[048] 2h - Extremidade do eixo do pistão

[049] 2i - Tampa do eixo do pistão

[050] 3 - Primeira câmara de combustão

[051] 3a - Altura da primeira câmara de combustão

[052] 3a - Diâmetro da primeira câmara de combustão

[053] 4 - Segunda câmara de combustão

[054] 5 - Meios de injeção de combustível

[055] 5a - Combustível

[056] 6 - Meios de admissão

[057] 6a - Aberturas de válvula de porta deslizante de admissão

[058] 6b - Admissão de ar

[059] 6c - Válvula de admissão

[060] 6d - Atuador de válvula de admissão

[061] 6e - Compressor de carga de admissão

[062] 6f - Coletor de admissão

[063] 6g - Recesso de válvula de admissão

[064] 6h - Canal de admissão

[065] 7 - Meios de escape

[066] 7a - Cabeça do cilindro

[067] 7b - Válvula de escape

[068] 7c - Atuador de válvula de escape

[069] 7d - Canal de coletor de escape

[070] 8 - Meios de ignição

[071] 9 - Meios de gerador linear

[072] 9a - Bobinas

[073] 9b - Dispositivo de comutação

[074] 9c - Elementos de estator magneticamente permeáveis

[075] 9d - Módulo de controle

[076] 9e - Meios de saída elétrica

[077] 10 - Meios de aplicação de lubrificante e refrigerante

[078] T1, T2, T3 & T4 - Caminhos de fluxo toroidais no estator e em elementos de pistão

[079] A Figura 1 mostra um exemplo da presente invenção provido dentro de um cilindro de um sistema de geração de energia elétrica de motor de pistão livre. Pode ser visto que o pistão 2 está livre para se mover ao longo do comprimento do cilindro 1, o pistão sendo retido em alinhamento coaxial com o cilindro 1, assim, particionando de maneira eficaz 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 peça do pistão 2 se estende para fora do cilindro 1. Utilizando a primeira câmara 3 como um exemplo, cada uma das câmaras 3, 4 possui uma altura variável 3a e um diâmetro fixo 3b.

[080] O cilindro 1 é, preferivelmente, rotativamente simétrico em torno de seu eixo e é simétrico em torno de um plano central perpendicular a seu eixo. Embora outras formas geométricas possam potencialmente ser utilizadas para realizar a invenção, por exemplo, tendo pistões de seção quadrada ou retangular, a disposição possuindo pistões de seção circular é preferida. O cilindro 1 possui uma série de aberturas 1a, 1b providas ao longo de seu comprimento e distais das extremidades, preferivelmente em um local central. Através do movimento do pistão 2, as aberturas 1a, 1b que são alinhadas às aberturas correspondentes 6a, formam uma válvula de admissão de porta deslizante, a qual é disposta para operar em conjunto com uma admissão de ar provida ao redor de pelo menos uma porção do cilindro 1, conforme é descrito em detalhes abaixo.

[081] A Figura 2 mostra um pistão 2 possuindo uma superfície externa 2a e compreendendo um eixo central 2c sobre o qual é montada uma série de elementos cilíndricos. Estes elementos cilíndricos podem incluir uma coroa de pistão 2d em cada extremidade do eixo central 2c, cada coroa de pistão 2d preferivelmente feita de um material resistente à temperatura e isolante, tal como cerâmica. A superfície de extremidade da coroa de pistão 2b é, preferivelmente, ligeiramente côncava, reduzindo as relações de área-para- volume das primeira e segunda câmaras 3, 4 no ponto morto superior e, assim, reduzindo perdas de calor. Alternativamente, a coroa de pistão 2d pode ser feita de, ou revestida com um material que atue como um catalisador de oxidação para garantir a integridade da combustão, em cujo caso é preferível que a superfície de extremidade exposta da coroa de pistão 2b possua uma área que seja substancialmente maior que a área de seção do pistão, de modo que a ação da superfície catalisadora no conteúdo do volume da câmara de combustão seja maior. Obviamente, se o cilindro for de geometria diferente, então, a configuração destes elementos seria adaptada em conformidade.

[082] Parte da superfície externa do pistão 2a pode ser revestida em um material redutor de atrito e resistente a desgaste. A coroa de pistão 2d pode incluir funcionalidades de controle de lubrificação 2e para controlar o grau de umedecimento de lubrificação do cilindro 1 durante a operação do motor. Estas funcionalidades de controle de lubrificação podem compreender uma ranhura e um anel de controle de óleo conforme são comumente empregados em motores de combustão interna convencionais.

[083] Um ou mais elementos de núcleo magneticamente permeáveis 2f são montados no eixo do pistão 2c. Cada elemento de núcleo 2f é feito de um material magneticamente permeável possuindo permeabilidade magnética isotrópica e resistividade elétrica isotrópica para reduzir perdas por correntes parasitas durante a operação do motor.

[084] Os elementos espaçadores 2g são também montados sobre o eixo do pistão 2c. Cada elemento espaçador 2g idealmente possui baixa permeabilidade magnética e é preferivelmente feito de um material leve, tal como liga de alumínio.

[085] Preferivelmente, os elementos de núcleo magneticamente permeáveis são feitos de material compósito eletricamente permeável, tal como Compósito Magnético Mole (SMC - ““Soft Magnetic Composite”) possuindo uma resistividade elétrica isotrópica maior que duas vezes a do aço elétrico e maior que 5,0 x 10-6 Q.m em todas as direções. Esta característica isotrópica permite o uso de circuitos de fluxo magnético não planares, tais como os mostrados na Figura 5 e descritos abaixo, sem estes circuitos de fluxo causarem altas perdas no ferro como resultado de correntes parasitas induzidas. Tais correntes parasitas causariam perdas elétricas significativas. Esta topologia de circuito magnético não planar foi aplicada utilizando laminações de aço convencionais, uma vez que a resistividade elétrica no plano das laminações é tipicamente muito baixa.

[086] O projeto dos elementos de núcleo magneticamente permeáveis 2f e elementos espaçadores não permeáveis 2g posiciona os elementos de núcleo 2f na inclinação correta para operação eficiente como, por exemplo, parte de uma máquina de gerador elétrico de relutância comutada linear ou de fluxo comutado compreendendo o pistão móvel 2 e um meio de gerador linear, por exemplo, uma pluralidade de bobinas espaçadas ao longo do comprimento do cilindro dentro do qual o pistão se move.

[087] O comprimento total do pistão é preferivelmente pelo menos cinco vezes seu diâmetro e, em qualquer caso, é pelo menos longo o suficiente para fechar completamente a válvula de porta deslizante, de modo que em nenhum momento o canal de admissão 6h permita que as câmaras de combustão 3 e 4 se comuniquem.

[088] As extremidades de eixo do pistão 2h são mecanicamente deformadas ou fixadas de outra forma às coroas de pistão 2d, de modo que os elementos 2f e 2g que são montados no eixo do pistão 2c sejam bem retidos sob a ação de tensão mantida no eixo do pistão 2c.

[089] A Figura 3 é uma vista em corte do pistão 2, mostrando o eixo do pistão 2c passando através de um elemento de núcleo 2f.

[090] A Figura 4 mostra uma realização alternativa da presente invenção na qual o pistão 2 possui uma coroa de pistão 2d apenas em uma extremidade, a outra extremidade sendo vedada com um elemento de tampa de pistão leve 2i. Esta realização é adequada para uso em um motor de pistão livre de pistão oposto, ou um motor de pistão livre no qual cada cilindro possua uma única câmara de combustão em uma extremidade, a outra extremidade possuindo uma câmara de ressalto que serve para inverter a direção da posição na extremidade de cada curso de energia.

[091] A Figura 5 mostra um exemplo de meio de gerador linear 9 provido ao redor do lado de fora do cilindro 1 e ao longo de pelo menos uma porção de seu comprimento, para facilitar a transferência de energia entre o pistão 2 e meios de saída elétrica 9e e para aplicar uma força para controlar a posição e o movimento do pistão. Os meios de gerador linear 9 incluem uma série de bobinas 9a e uma série de estatores 9c ao longo do comprimento do meio de gerador linear 9.

[092] Os meios de gerador linear 9 podem ser de uma série de tipos de máquinas elétricas diferentes, por exemplo, uma máquina geradora de relutância comutada linear ou uma máquina geradora de fluxo comutado linear. Na disposição mostrada, as bobinas 9a são comutadas ao comutar o dispositivo 9b de modo a induzir campos magnéticos dentro de estatores 9c e dos elementos de núcleo do pistão 2f. Nesta realização, o dispositivo de comutação 9b varia a corrente nas bobinas 9a com uma frequência de pelo menos 100 Hz. Esta comutação é temporizada precisamente em relação ao movimento do pistão, de modo que o movimento do pistão corte o fluxo gerado pela corrente nas bobinas, aplicando uma força no pistão e transferindo energia cinética do pistão para a energia elétrica nas bobinas.

[093] Na disposição mostrada na Figura 5, os circuitos de fluxo magnético toroidais T1 a T4 são criados nos estatores 9c e elementos de núcleo do pistão 2f sob a ação da corrente comutada nas bobinas 9a. Os meios de gerador linear 9 funcionam como um dispositivo de relutância comutada linear, ou como um dispositivo de fluxo comutado linear. A energia é gerada nos meios de saída elétrica 9e como uma consequência dos circuitos de fluxo magnético T1 a T4 serem cortados pelo movimento do pistão 2 e, assim, induzindo corrente nas bobinas 9a. A topologia toroidal dos circuitos de fluxo magnético provê uma densidade de fluxo e corte de fluxo por unidade de massa dos elementos magneticamente permeáveis 2f excepcionalmente altos, aumentando, assim, a força de controle atuando sobre cada unidade de massa do pistão e, dessa forma, melhorando a autoridade do controle da máquina elétrica sobre a posição e o movimento do pistão. Além disso, esta disposição permite um meio de geração elétrica altamente eficiente sem o uso de ímãs permanentes no pistão, os quais podem desmagnetizar sob as condições de alta temperatura dentro de um motor de combustão interna, e que poderiam, caso contrário, adicionar custos significativos ao motor devido ao uso de metais de terras raras caros.

[094] Além disso, um módulo de controle 9d pode ser empregado, compreendendo diversos meios de controle diferentes, conforme descrito abaixo. Os diferentes meios de controle são providos para atingir a taxa de transferência de energia desejada entre o pistão 2 e meios de saída elétrica 9e para produzir uma saída elétrica máxima enquanto se satisfaz das características de movimento desejadas do pistão 2, incluindo taxa e relação de compressão, taxa e relação de expansão, e tempo de permanência do pistão no ponto morto superior de cada câmara 3, 4.

[095] Um meio de controle de válvula pode ser utilizado para controlar a válvula de admissão 6c e a válvula de escape 7b. Ao controlar o fechamento da válvula de escape 7b, o meio de controle de válvula é capaz de controlar o início da fase de compressão. De maneira similar, o meio de controle de válvula pode também ser utilizado para controle a recirculação do gás de escape (EGR), carga de admissão e relação de compressão.

[096] Um meio de controle de relação de compressão que é apropriado ao tipo de máquina elétrica pode também ser empregado. Por exemplo, no caso de uma máquina de relutância comutada, o controle de relação é parcialmente atingido ao variar a fase, a frequência e a corrente aplicadas às bobinas comutadas 9a. Isto muda a velocidade na qual o fluxo transversal induzido é cortado pelo movimento do pistão 2, e, portanto, muda a força que é aplicada ao pistão 2. Portanto, as bobinas 9a podem ser utilizadas para controlar a energia cinética do pistão 2, tanto no ponto do fechamento da válvula de escape 7b quanto durante uma desaceleração do pistão 2.

[097] Um meio de controle de temporização de ignição de centelha pode, então, ser empregado para responder a qualquer variabilidade de ciclo-a-ciclo residual na relação de compressão para garantir que o impacto adverso desta variabilidade nas emissões e na eficiência do motor seja minimizado, conforme a seguir. Em geral, a relação de compressão esperada no final de cada fase de compressão é a relação de compressão alvo mais um erro que é relacionado à variabilidade do sistema, tal 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 temporização de ignição de centelha pode ajustar a temporização do evento de ignição de centelha em resposta à velocidade medida e à aceleração do pistão que se aproxima 2 para otimizar o evento de combustão para a relação de compressão esperada no final de cada fase de compressão.

[098] A relação de compressão alvo será normalmente uma constante, dependendo do combustível 5a que é utilizado. Entretanto, um erro de relação de compressão pode ser derivado a partir de qualquer variação na altura da câmara de combustão 3a no ponto morto superior. Assim, se uma variação de altura de câmara de +/- 20% surgir, e a relação de compressão alvo é 12:1, a relação de compressão real pode estar na faixa de 10:1 a 15:1. O avanço ou o atraso do evento de ignição de centelha pelo meio de controle de temporização de ignição de centelha, portanto, reduzirá as emissões adversas e o impacto na eficiência deste erro.

[099] Além disso, um meio de controle de injeção de combustível pode ser empregado para controlar a temporização da injeção de combustível 5a, de modo que seja injetado em uma câmara de combustão 3, 4 imediatamente antes do fechamento da válvula de porta deslizante 6a para reduzir emissões de hidrocarbonetos (HC) durante a exaustão.

[100] Além disso, um meio de controle de temperatura pode ser provido, incluindo um ou mais sensores de temperatura posicionados em proximidade às bobinas 9a, dispositivos eletrônicos e outros elementos sensíveis a altas temperaturas, para controlar o fluxo de fluido refrigerante aplicado pelo meio de aplicação de refrigerante 10, e o fluxo de ar refrigerante provido pelo compressor 6e em resposta a mudanças de temperatura detectadas. O meio de controle de temperatura pode estar em comunicação com o meio de controle de válvula para limitar a saída de energia do motor quando leituras de temperaturas elevadas contínuas forem detectadas para evitar danos ao motor.

[101] Sensores adicionais que possam ser empregados pelo módulo de controle 9d preferivelmente incluem um sensor de gás de escape (Lambda) e um sensor de fluxo de ar para determinar a quantidade de combustível 5a a ser injetado em uma câmara de acordo com a quantidade de ar adicionado, para um determinado tipo de combustível. Portanto, um sensor de combustível pode também ser empregado para determinar o tipo de combustível sendo utilizado.

[102] A Figura 6 mostra um corte perpendicular através de um dos elementos do estator 9c, mostrando a estreita proximidade dos elementos do estator 9c e os elementos do pistão magneticamente permeáveis 2f, separados pela espessura da parede do cilindro 1. Além disso, a figura 6 mostra a disposição coaxial de elementos magneticamente permeáveis 2f com o eixo de pistão oco 2c.

[103] A Figura 7 mostra o meio de admissão 6 provido ao redor do cilindro 1, o meio de admissão 6 compreendendo aberturas de válvula de porta deslizante 6a, as quais são de tamanho correspondente e se alinham com as aberturas 1a, 1b providas no cilindro 1, e uma admissão de ar 6b. As aberturas 6a no meio de admissão 6 são conectadas por um canal 6h no qual uma válvula de admissão 6c é assentada. O canal 6h é de volume mínimo, possuindo um comprimento pequeno, uma área de seção transversal pequena ou uma combinação de ambos, para minimizar perdas por expansão descontrolada dentro do canal 6h durante a fase de expansão.

[104] A válvula de admissão 6c veda o canal 6h de um coletor de admissão 6f provido adjacente ao cilindro 1 como parte da admissão de ar 6b. A válvula de admissão 6c é operada por um atuador de válvula de admissão 6d, o qual pode ser um meio de solenoide operado eletricamente ou outros meios elétricos ou mecânicos adequados.

[105] Quando a abertura da válvula de admissão de porta deslizante 6a e a válvula de admissão 6c estiverem ambas abertas em relação a uma dentre a primeira ou a segunda câmaras 3, 4, o coletor de admissão 6f está em comunicação fluida com essa câmara através do canal 6h. O meio de admissão 6 é preferivelmente provido de um recesso 6g disposto para receber a válvula de admissão 6c quando completamente aberta para garantir que o fluido possa fluir livremente através do canal 6h.

[106] A admissão de ar 6b também inclui um compressor de carga de admissão 6e que pode ser operado eletricamente, mecanicamente, ou sob a ação de ondas de pressão originárias da admissão de ar 6b. O compressor de carga de admissão 6e pode também ser operado sob a ação de pressão ou ondas de pressão originárias de um meio de escape 7 provido em cada extremidade do cilindro 1, conforme descrito abaixo. O compressor de carga de admissão 6e pode ser um dispositivo de deslocamento positivo, dispositivo centrífugo, dispositivo de fluxo axial, dispositivo de onda de pressão, ou qualquer dispositivo de compressão adequado. O compressor de carga de admissão 6e eleva a pressão no coletor de admissão 6f de modo que, quando a admissão 6f de ar 6b é aberta, a pressão no coletor de admissão é maior que a pressão na câmara 3, 4 conectada ao coletor de admissão 6f, assim, permitindo um fluxo de fluido de carga de admissão.

[107] Os meios de injeção de combustível 5 são também providos dentro dos meios de admissão 6, tal como um injetor solenoide ou piezo-injetor 5. Embora um único injetor de combustível posicionado centralmente 5 possa ser adequado, preferivelmente há um injetor de combustível 5 provido em cada lado da válvula de admissão 6c e dispostos próximos das extremidades das aberturas de válvula de porta deslizante 6a. Os injetores de combustível 5 são preferivelmente rebaixados no meio de admissão 6, de modo que o pistão 2 possa passar sobre e além das aberturas de válvula de admissão de porta deslizante 6a e admissão 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 aberturas de válvula de admissão de porta deslizante 6a.

[108] Meios de aplicação de lubrificante e refrigerante 10 são providos, preferivelmente rebaixados dentro do meio de admissão 6 e dispostos de modo que o pistão 2 possa passar sobre e além do meio de admissão 6 sem obstrução, em que o pistão pode ser lubrificado e refrigerado pela aplicação de um ou mais fluidos. Os fluidos aplicados podem incluir óleo de lubrificação convencional. Além disso, os fluidos podem incluir água ou outro líquido volátil tendo um alto calor de vaporização. À medida que este fluido refrigerante evapora, o calor no pistão é transferido ao fluido, e o gás resultante é ventilado na câmara de combustão à medida que o pistão se desloca, ou resiste ao vazamento de gases de fuga da combustão à medida que a câmara de combustão se expande. O gás de refrigerante ventilado aumenta a quantidade de gás na câmara de combustão em expansão e, assim, aumenta gradualmente a pressão na câmara de combustão. Deste modo, o acúmulo de calor no pistão devido a correntes parasitas causadas pelo fluxo magnético alternado e pela condução das câmaras de combustão pode ser recuperado como trabalho útil aplicado ao pistão pelo volume de câmara da combustão em expansão. Além disso, o gás ventilado pode atuar como um mancal de gás, reduzindo o atrito e o desgaste na superfície externa do pistão 2a.

[109] A Figura 8 mostra o meio de escape 7 provido em cada extremidade do cilindro 1. O meio de escape 7 compreende uma cabeça de cilindro 7a fixada de maneira removível, por meio de parafuso ou similar, à extremidade do cilindro 1. Dentro de cada cabeça de cilindro 7a, está localizada uma válvula de escape 7b alinhada coaxialmente com o eixo do cilindro 1. A válvula de escape 7b é operada por um atuador de válvula de escape 7c, o qual pode ser um meio solenoide operado eletricamente ou outro meio elétrico ou mecânico. Portanto, quando a válvula de admissão 6c e a válvula de escape 7b dentro das primeira e segunda câmaras de combustão 3, 4 estiverem ambas fechadas, essa câmara está efetivamente vedada, e um fluido de trabalho contido dentro da mesma pode ser comprimido ou autorizado a se expandir.

[110] O meio de escape 7 também inclui um canal de coletor de escape 7d provido dentro da cabeça de cilindro, no qual gases de escape podem fluir, sob a ação de um diferencial de pressão entre a primeira ou segunda câmara adjacente 3, 4 e o fluido dentro do canal de coletor de escape 7d quando a válvula de escape 7b estiver aberta. O fluxo dos gases de escape pode ser mais bem visto na disposição de cilindros ilustrada na Figura 20, a qual mostra que a direção do fluxo de gás de escape é substancialmente perpendicular ao eixo do cilindro 1.

[111] Meios de ignição 8, tal como uma vela de ignição, são também providos em cada extremidade do cilindro 1, os meios de ignição 8 sendo localizados dentro da cabeça de cilindro 7a e, preferivelmente, rebaixados, de modo que não exista obstrução do pistão 2 durante o ciclo de operação normal do motor.

[112] A disposição preferivelmente coaxial da válvula de escape 7b com o eixo do cilindro 1 permite que o diâmetro da válvula de escape 7b seja muito maior em relação ao diâmetro das câmaras 3, 4 do que em um motor de combustão interna convencional.

[113] Cada cabeça de cilindro 7a é feita de um material resistente e de bom isolamento, tal como cerâmica, para minimizar rejeição de calor e evitar a necessidade de componentes de assento de válvula separados.

[114] A Figura 9 mostra um gráfico de tempo- deslocamento de um motor de acordo com a presente invenção, ilustrando o movimento do pistão 2 ao longo de um ciclo de motor completo. Embora a operação do motor seja descrita aqui em referência à primeira câmara 3, um técnico no assunto reconhecerá que a operação e a sequência de eventos da segunda câmara 4 é exatamente a mesma que a da primeira câmara 3, mas defasadas em 180 graus. Em outras palavras, o pistão 2 atinge o ponto morto superior na primeira câmara 3 ao mesmo tempo que atinge o ponto morto inferior na segunda câmara 4.

[115] Os eventos de A a F, destacados em todo o ciclo do motor, correspondem aos eventos A a F ilustrados na Figura 10, a qual mostra um gráfico de pressão-volume típico para uma câmara de combustão 3, 4 ao longo do curso do mesmo ciclo de motor. Os eventos apresentados nas Figuras 9 a 10 são referenciados na seguinte discussão das Figuras 11 a 19.

[116] Considerando agora um ciclo de motor completo, no início do ciclo do motor, a primeira câmara 3 contém uma mistura comprimida composta principalmente por combustível pré-misturado e ar, com uma proporção minoritária de gases de escape residuais retidos do ciclo anterior. Sabe- se bem que a presença de uma quantidade controlada de gases de escape é vantajosa para a operação eficiente do motor, uma vez que isto pode reduzir ou eliminar a necessidade de estrangulamento da carga de admissão como um meio de modulação da potência do motor, o que é uma fonte significativa de perdas em motores de ignição por centelha convencionais. Além disso, a formação de gases poluentes de óxido nitroso é reduzida, uma vez que as temperaturas e pressões de combustão de pico são menores que em um motor sem retenção de gás de escape. Esta é uma consequência da fração de gás de escape não contribuir para a reação de combustão, e devido à alta capacidade de calor do dióxido de carbono e da água nos gases retidos.

[117] A Figura 11 mostra a posição do pistão em relação ao cilindro 1, definindo a geometria da primeira câmara 3 no ponto morto superior (A) . Isto também está em torno do ponto de início da fase de combustão AB. A distância entre o topo do pistão 2b e a extremidade da primeira câmara 3 é pelo menos metade do diâmetro da primeira câmara 3, fornecendo uma menor relação de área de superfície para volume em comparação com câmaras de combustão em motores de combustão interna convencionais, e reduzindo as perdas de calor da primeira câmara 3 durante a combustão. Os meios de ignição 8 são rebaixados dentro da cabeça do cilindro 7a, de modo que, no caso do pistão 2 se aproximar do ponto morto de maneira descontrolada, não há possibilidade de contato entre os meios de ignição 8 e a coroa de pistão 2d. Em vez disso, a compressão continuará até que o movimento do pistão 2 seja contido pelo acúmulo contínuo de pressão devido à compressão aproximadamente adiabática na primeira câmara 3. Em referência à Figura 10, a fase de expansão de combustão AB é iniciada por um evento de ignição (A).

[118] A Figura 12 mostra a posição do pistão 2 em relação ao meio de gerador linear 9 em meados da fase de expansão (AB e BC) . A primeira câmara 3 se expande à medida que o pistão 2 se move sob a ação do diferencial de pressão entre a primeira câmara 3 a segunda câmara 4. A pressão na segunda câmara 4 neste ponto é aproximadamente equivalente à pressão no coletor de admissão 6f. A expansão da primeira câmara 3 é oposta pela ação do meio de gerador linear 9, o qual pode ser modulado para atingir uma taxa de expansão desejada, para atender aos objetivos de desempenho, eficiência e emissões do motor.

[119] A Figura 13 mostra a posição do pistão 2 no ponto morto inferior relativa à primeira câmara 3. No final da fase de expansão (C) , o movimento do pistão 2 é contido sob a ação do meio de gerador linear 9 e o diferencial de pressão entre a primeira câmara 3 e a segunda câmara 4. A pressão na segunda câmara 4 neste ponto é aproximadamente igual à alta pressão na primeira câmara 3 nesta posição de ponto morto superior (A). Preferivelmente, a relação de expansão é pelo menos duas vezes a relação de compressão, em que a relação de compressão está na faixa de 10:1 a 16:1. Isto fornece uma maior eficiência térmica comparada com motores de combustão interna convencionais, em que a relação de expansão é similar à relação de compressão.

[120] A Figura 14 mostra a disposição do pistão 2 e meio de admissão 6 e o fluxo inicial de gás de admissão no momento do ponto morto inferior durante a fase de equalização de admissão (CD). Esta disposição pode também ser vista na Figura 7. Neste ponto, a válvula de admissão de porta deslizante 6a está aberta devido ao pistão 2 deslizar através e além das aberturas 1a, 1b, providas ao longo da parede interna 1c do cilindro 1. A pressão na primeira câmara 3 é menor que a pressão no coletor de admissão 6f devido à sobre-expansão, reduzindo a pressão do fluido na primeira câmara 3, e devido ao compressor de admissão 6e elevar a pressão no coletor de admissão 6h. Em torno deste momento, a válvula de admissão 6c é aberta pelo atuador de válvula de admissão 6d, permitindo que a carga de admissão entre na primeira câmara 3 dentro do cilindro 1, cuja pressão se aproxima da equalização com a pressão no coletor de admissão 6f. Um tempo curto após a válvula de admissão 6c se abrir, a válvula de escape 7b é também aberta, permitindo que os gases de escape saiam da primeira câmara 3 sob a ação do diferencial de pressão entre a primeira câmara 3 e o canal de coletor de escape 7d, o qual permanece próximo da pressão atmosférica ambiente.

[121] A Figura 15 mostra a posição do pistão 2 durante a fase de exaustão por deslocamento de carga de entrada (DE) . A exaustão do gás de escape é atingida pelo deslocamento contínuo do gás de escape na primeira câmara 3 no canal de coletor de escape 7d, com carga de admissão nova introduzida na extremidade de pistão da primeira câmara 3. Uma vez que a quantidade pretendida de carga de admissão foi admitida à primeira câmara 3, a válvula de admissão 6c é fechada, e a expulsão de gás de escape continua pelo movimento do pistão 2, conforme mostrado na Figura 17, explicada abaixo.

[122] A Figura 16 mostra a disposição do pistão 2 e do meio de admissão 6 no ponto da injeção de combustível (E). Se um combustível líquido for utilizado, este 5a combustível pode ser introduzido diretamente na coroa de pistão que se aproxima 2d, o que tem os efeitos do combustível evaporar rapidamente, resfriamento da coroa de pistão 2d e minimização das perdas e emissões de combustível não queimado como uma película úmida na parede interna 1c do cilindro 1, o qual pode evaporar de outra forma na segunda câmara 4 durante a fase de expansão.

[123] A Figura 17 mostra a posição do pistão 2 durante a lubrificação (E), em que uma pequena quantidade de lubrificante e/ou refrigerante é periodicamente introduzida pelo meio de aplicação de lubrificante e refrigerante 10 diretamente à superfície externa do pistão 2a à medida que passa pela válvula de porta deslizante de admissão 6a. Esta disposição minimiza emissões de hidrocarbonetos associadas ao umedecimento da parede interna do cilindro, e pode também reduzir o grau de dissolução de combustível na película de óleo da parede interna do cilindro. As funcionalidades de anel de controle de lubrificação 2e são incluídas na coroa de pistão 2d para melhor reduzir o grau de umedecimento da parede com lubrificante nas primeira e segunda câmaras 3, 4.

[124] A Figura 18 mostra a posição do pistão 2 durante a fase de exaustão por deslocamento de pistão EF. A válvula de admissão 6c está fechada, e a expulsão do gás de escape continua pelo movimento do pistão 2. O pistão 2, neste momento, está se movendo em direção ao meio de escape 7 e reduzindo o volume da primeira câmara 3 devido ao evento de combustão na segunda câmara 4.

[125] Como resultado do maior diâmetro da válvula de escape em relação ao diâmetro da câmara de combustão 3b, a área limitativa no fluxo de escape além da haste da válvula pode se aproximar de 40% da área de seção do orifício do cilindro, resultando em baixas perdas de contrapressão de escape durante tanto a fase de exaustão por deslocamento de carga de admissão (DE) quanto à fase de exaustão por deslocamento de pistão (EF).

[126] A Figura 19 mostra um corte longitudinal da posição do pistão 2 relativa ao cilindro 1 em meados da fase de compressão (FA). Quando uma expulsão de gás de escape suficiente for atingida, de modo que a proporção de gás de escape no fluido na primeira câmara 3 seja próxima do nível pretendido, a válvula de escape 7b é fechada e a fase de compressão (FA) começa. A compressão continua em uma taxa variável à medida que o pistão 2 acelera e desacelera sob a ação do diferencial de pressão entre a primeira câmara 3 a segunda câmara 4 e pela ação dos meios de gerador linear 9. A pressão na segunda câmara 4 está, neste ponto, caindo durante as fases de expansão (AB e BC) . A força de gerador linear pode ser modulada para atingir a taxa de compressão desejada para atender aos objetivos de desempenho, eficiência e emissões do motor. A taxa de compressão volumétrica na primeira câmara 3 é substancialmente igual e oposta à taxa de expansão volumétrica na câmara 4.

Claims (15)

1. PISTÃO E MEIO DE GERAÇÃO DE FLUXO MAGNÉTICO PARA UM GERADOR DE MOTOR DE PISTÃO LIVRE, caracterizado por compreender um ou mais elementos dispostos coaxialmente ao longo de um eixo de pistão, em que o comprimento do pistão é pelo menos cinco vezes seu diâmetro máximo, pelo menos um dos elementos é feito de um material magneticamente permeável possuindo resistividade elétrica isotrópica maior que duas vezes a do aço elétrico, o pistão é disposto dentro de um meio de geração de fluxo magnético para induzir uma pluralidade de circuitos de fluxo magnético coaxiais com o eixo do pistão, o meio de geração de fluxo magnético compreende uma pluralidade de bobinas coaxiais e elementos de estator, dispostos em estreita proximidade ao pistão, de modo que o movimento do pistão corte os circuitos de fluxo toroidal e assim cause variação no fluxo magnético aplicado pelos meios de geração de fluxo magnético.

2. PISTÃO E MEIO DE GERAÇÃO DE FLUXO MAGNÉTICO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos elementos serem feitos de um material compósito eletricamente permeável possuindo uma resistividade elétrica isotrópica maior que 5,0 x 10-6 Q-m em todas as direções.

3. PISTÃO E MEIO DE GERAÇÃO DE FLUXO MAGNÉTICO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por possuir ainda meios de comutação pelos quais o fluxo magnético possa ser variado com uma frequência de pelo menos 100 Hz.

4. PISTÃO E MEIO DE GERAÇÃO DE FLUXO MAGNÉTICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por ser disposto dentro de um motor de pistão livre possuindo um meio de pulverização de líquido que permita que um líquido refrigerante e/ou lubrificante seja pulverizado diretamente sobre a superfície do pistão.

5. PISTÃO E MEIO DE GERAÇÃO DE FLUXO MAGNÉTICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por pelo menos um dos elementos ser feito de um material não magnetizante e cada elemento ser preso de modo que o contato seja mantido entre elementos vizinhos.

6. PISTÃO E MEIO DE GERAÇÃO DE FLUXO MAGNÉTICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por compreender adicionalmente uma coroa de pistão provida em uma ou ambas as extremidades do pistão.

7. PISTÃO E MEIO DE GERAÇÃO DE FLUXO MAGNÉTICO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pela coroa de pistão ser de cerâmica.

8. PISTÃO E MEIO DE GERAÇÃO DE FLUXO MAGNÉTICO, de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pela coroa de pistão ser côncava.

9. PISTÃO E MEIO DE GERAÇÃO DE FLUXO MAGNÉTICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 8, caracterizado pela área de superfície exposta da coroa de pistão ser pelo menos duas vezes a área de seção do pistão, e cujo material de superfície exposto atua como um catalisador para promover a oxidação do conteúdo da câmara de combustão.

10. PISTÃO E MEIO DE GERAÇÃO DE FLUXO MAGNÉTICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 9, caracterizado pelo eixo do pistão ser oco.

11. PISTÃO E MEIO DE GERAÇÃO DE FLUXO MAGNÉTICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelos elementos coaxialmente dispostos no eixo do pistão serem formados como anéis anelares possuindo os mesmos diâmetros externos.

12. PISTÃO E MEIO DE GERAÇÃO DE FLUXO MAGNÉTICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por parte da superfície da circunferência do cilindro ser revestida em um material redutor de atrito e resistente a desgaste.

13. . MÉTODO PARA APLICAR UMA FORÇA SOBRE O PISTÃO MÓVEL, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado por induzir uma pluralidade de circuitos de fluxo magnético toroidais coaxiais com o eixo do pistão, utilizando meios eletromagnéticos externos, de modo que a densidade de fluxo de pico no pistão seja maior que a densidade de fluxo residual máxima presente quando os circuitos de fluxo magnético toroidais gerados externamente estão ausentes.

14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fluxo toroidal ser controlado pela comutação do meio de geração de fluxo eletromagnético em uma frequência de pelo menos 100 Hz.

15. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 13 ou 14, caracterizado por um líquido ser pulverizado sobre o pistão, de modo que o calor gerado no pistão pela variação do fluxo magnético e pelos processos de combustão seja recuperado à medida que o líquido evapora, provendo um mancal de gás para o pistão e aumentando a eficiência do motor.

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