ES2939241T3

ES2939241T3 - Motor de combustión lineal de alta eficiencia

Info

Publication number: ES2939241T3
Application number: ES11843714T
Authority: ES
Inventors: Adam Simpson; Shannon Miller; Matt Svrcek
Original assignee: Mainspring Energy Inc
Current assignee: Mainspring Energy Inc
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2023-04-20
Anticipated expiration: 2031-11-17
Also published as: CN103299046B; HUE060964T2; RU2013127022A; BR112013012536B1; US9567898B2; US20190178157A1; US20170241331A1; US20230101969A1; JP2013543084A; US10221759B2; JP6790027B2; PT2643573T; JP2016138559A; BR112013012536B8; WO2012071239A1; EP2643573A4; FI2643573T3; US20160090908A1; CA3076927C; US11525391B2

Abstract

Diversas realizaciones de la presente invención están dirigidas a un motor de combustión lineal, que comprende: un cilindro que tiene una pared de cilindro y un par de extremos, incluyendo el cilindro una sección de combustión dispuesta en una parte central del cilindro; un par de conjuntos de pistones opuestos adaptados para moverse linealmente dentro del cilindro, cada conjunto de pistones dispuesto en un lado de la sección de combustión opuesto al otro conjunto de pistones, cada conjunto de pistones incluye una varilla de resorte y un pistón que comprende una sección frontal sólida adyacente a la sección de combustión y una sección de gas; y un par de máquinas electromagnéticas lineales adaptadas para convertir directamente la energía cinética del conjunto del pistón en energía eléctrica, (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Motor de combustión lineal de alta eficiencia

Campo de la invención

La presente invención se refiere a motores de combustión lineal de alta eficiencia y, más particularmente, algunas realizaciones se refieren a motores de combustión lineal de alta eficiencia capaces de alcanzar altas relaciones de compresión/expansión utilizando una arquitectura de motor de pistón libre junto con una máquina electromagnética lineal para la extracción de trabajo y una innovadora estrategia de control de la combustión.

Descripción de la técnica relacionada

La densidad de potencia y las emisiones del motor han mejorado en los últimos 30 años; sin embargo, la eficiencia general se ha mantenido relativamente constante. En la comunidad de motores se sabe bien que aumentar la relación de compresión geométrica de un motor aumenta el límite de eficiencia teórico del motor. Además, aumentar la relación de expansión geométrica de un motor de modo que sea mayor que su relación de compresión aumenta aún más su límite de eficiencia teórica. En aras de la brevedad, "relación de compresión" y "relación de expansión" se utilizan para referirse a "relación de compresión geométrica" y "relación de expansión geométrica", respectivamente.

La Figura 1 (técnica anterior) muestra los límites de eficiencia teóricos de dos ciclos comúnmente utilizados en motores de combustión interna: Otto y Atkinson. En particular, la Figura 1 es una comparación entre las eficiencias ideales de los ciclos Otto y Atkinson como funciones de la relación de compresión. Los supuestos de modelo incluyen: (i) la presión en el punto muerto inferior ("PMI") es igual a una atmósfera: y (ii) metano gaseoso ideal y aire, estequiométrico, premisas, incluidas propiedades variables, productos disociados y equilibrio durante expansión.

Como se muestra en la Figura 1, los límites de eficiencia teóricos para ambos ciclos aumentan significativamente con el aumento de la relación de compresión. El ciclo de Otto ideal se divide en tres etapas: 1) compresión isentrópica, 2) combustión adiabática a volumen constante y 3) expansión isentrópica al volumen original en el PMI. La relación de expansión para el ciclo Otto es igual a su relación de compresión. El ciclo de Atkinson ideal también se divide en tres etapas: 1) compresión isentrópica, 2) combustión adiabática a volumen constante y 3) expansión isentrópica a la presión del PMI original (igual a una atmósfera en este ejemplo). La relación de expansión para el ciclo Atkinson siempre es mayor que su relación de compresión, como se muestra en la Figura 1. Aunque el ciclo Atkinson tiene un límite de eficiencia teórico más alto que el ciclo Otto para una relación de compresión dada, tiene una densidad de energía significativamente menor (potencia por masa). En las aplicaciones reales, existe un equilibrio entre la eficiencia y la densidad de energía.

Los motores bien diseñado/ideados en el mercado hoy en día generalmente logran eficiencias de frenado entre el 70 y el 80 % de sus límites de eficiencia teóricos. Las eficiencias de varios motores disponibles comercialmente se muestran en la Figura 2 (técnica anterior). Específicamente, la Figura 2 es una comparación entre el límite de eficiencia ideal del ciclo Otto y varios motores disponibles comercialmente en el mercado actual. Los supuestos de modelo incluyen propano gaseoso ideal y aire premezclados, estequiométricos, incluidas propiedades variables, productos disociados y equilibrio durante la expansión. La relación de compresión efectiva se define como la relación entre la densidad del gas en el punto muerto superior ("PMS") y la densidad del gas en PMI. La relación de compresión efectiva proporciona un medio para comparar motores reforzados con motores de aspiración natural en igualdad de condiciones. Para que un motor similarmente bien diseñado tenga una eficiencia de frenado superior al 50 % (es decir, al menos el 70 % de su eficiencia teórica), un motor que funcione con el ciclo Otto debe tener una compresión superior a 102 y un motor que funcione con el ciclo Atkinson debe tener una relación de compresión superior a 14, lo que corresponde a una relación de expansión de 54, como se ilustra en la Figura 1.

Es difícil alcanzar altas relaciones de compresión/expansión (superiores a 30) en motores alternativos convencionales de manivela deslizante ("motores convencionales") debido a la arquitectura inherente de dichos motores. Un diagrama que ilustra la arquitectura de los motores convencionales y los problemas que les impiden pasar a relaciones de compresión altas se muestra en la Figura 3 (técnica anterior). Los motores típicos de combustión interna ("CI") tienen relaciones de diámetro a carrera entre 0,5 y 1,2 y relaciones de compresión entre 8-24. (Heywood, J. (1988). Fundamentos del motor de combustión interna. McGraw-Hill). A medida que aumenta la relación de compresión de un motor mientras se mantiene la misma relación entre diámetro y carrera, aumenta la relación superficie-volumen en el punto muerto superior (PMS), la temperatura aumenta y la presión aumenta. Esto tiene tres consecuencias principales: 1) aumenta la transferencia de calor desde la cámara de combustión, 2) se dificulta la fase de combustión y 3) aumentan las pérdidas por fricción y las mecánicas. La transferencia de calor aumenta porque la capa límite térmica se convierte en una fracción más grande del volumen total (es decir, la relación de aspecto en el PMS se vuelve más pequeña). La relación de aspecto se define como la relación entre el diámetro interior y la longitud de la cámara de combustión. La fase de combustión y lograr una combustión completa es difícil debido al pequeño volumen realizado en el PMS. El aumento de la presión en la cámara de combustión se traduce directamente en un aumento de las fuerzas. Estas grandes fuerzas pueden sobrecargar tanto los enlaces mecánicos como los segmentos de pistón.

Si bien los motores de combustión interna de pistón libre no son nuevos, por lo general no se han utilizado ni desarrollado para lograr compresión/expansión proporciones mayores que 30:1, con la excepción del trabajo en el Laboratorio Nacional Sandia. Véase, Patente de EE.UU. N.° 6,199,519. Existe una cantidad significativa de literatura y patentes en torno a los motores de pistón libre. Sin embargo, la literatura se dirige a los motores de pistón libre que tienen longitudes de carrera cortas y, por lo tanto, tienen problemas similares a los motores alternativos cuando van a alta velocidad. relaciones de compresión/expansión, es decir, problemas de control de combustión y grandes pérdidas por transferencia de calor. Las configuraciones de motores de pistón libre se pueden dividir en tres categorías: 1) dos pistones opuestos, cámara de combustión única, 2) único pistón, cámaras de combustión dobles y 3) único pistón, cámara de combustión única. En la Figura 4 (técnica anterior) se muestra un diagrama de las tres configuraciones comunes de motor de pistón libre. Las configuraciones de motor de único pistón, cámara de combustión doble y pistón libre tienen una relación de compresión limitada porque las altas fuerzas experimentadas en relaciones de compresión altas no están equilibradas, lo que puede causar inestabilidades mecánicas.

Como se ha indicado anteriormente, se han propuesto varios motores de pistón libre en la literatura de investigación y patente, véase por ejemplo el documento US3297007 que describe un motor lineal de pistón libre con dispositivo de arranque. De los muchos motores de pistón libre propuestos, solo hay varios que se han implementado físicamente (hasta donde sabemos). La investigación de Mikalsen y Roskilly describe los motores de pistón libre en la Universidad de West Virginia, el Laboratorio Nacional Sandia y el Instituto Real de Tecnología en Suecia. Mikalsen R., Roskilly AP Una revisión de la historia y las aplicaciones del motor de pistón libre. Ingeniería Térmica Aplicada. 2007; 27:2339-2352. Según se informa, otros esfuerzos de investigación están en curso en la Universidad Técnica Checa (http://www.lceproject.org/en/) INNAS BV en los Países Bajos (http://www.innas.com/) y Pempek Systems en Australia (http://www.freepistonpower.com/). Todos los motores de pistón libre conocidos e implementados físicamente tienen longitudes de carrera cortas y, por lo tanto, tienen problemas similares a los motores alternativos cuando van a altas relaciones de compresión/expansión, es decir, problemas de control de combustión y grandes pérdidas por transferencia de calor. Además, todos los motores excepto el prototipo en el Laboratorio Nacional Sandia (Aichlmayr, HT, Van Blarigan. P. Modelado y Caracterización Experimental de un Alternador Lineal de Imán Permanente para Aplicaciones de Motores de Pistón Libre ASME Energy Sustainability Conference San Francisco CA. 19-23 de julio de 2009) y el prototipo desarrollado por OPOC (Solicitud de Patente Internacional WO 03/078835) tienen configuraciones de único pistón y cámara de combustión doble y, por lo tanto, tienen una relación de compresión limitada porque las altas fuerzas que se experimentan con relaciones de compresión altas no están equilibradas, lo que provoca inestabilidades mecánicas.

Dadas las limitaciones inherentes a la arquitectura de los motores convencionales descritos anteriormente, varios fabricantes han intentado, y siguen intentando, aumentar la eficiencia del motor mediante el uso de relaciones de compresión efectivas altas mediante el uso de turbocompresores o sobrealimentadores. Potenciar un motor a través de un turbocompresor o supercargador proporciona un medio para lograr una alta relación de compresión efectiva mientras se mantiene la misma relación de compresión geométrica. Potenciar un motor no evita los problemas causados por las presiones y fuerzas más altas de lo normal experimentadas en y cerca del PMS. Por lo tanto, las fuerzas pueden sobrecargar tanto los enlaces mecánicos dentro del motor (pasador de pistón, varilla de pistón y cigüeñal) causando fallos mecánicos como segmentos energizados por presión causando mayor fricción, desgaste o fallos. Potenciar un motor también suele generar mayores pérdidas por transferencia de calor porque el tiempo que se pasa en el PMS o cerca de él (es decir, cuando las temperaturas son más altas) no se reduce lo suficiente como para tener en cuenta las temperaturas más altas de lo normal que se experimentan en el PMS o cerca de él.

Breve compendio de realizaciones de la invención

Según un aspecto, se proporciona un motor de combustión lineal según la reivindicación 1. Diversas realizaciones de la presente invención proporcionan motores de combustión lineal de alta eficiencia. Tales realizaciones solucionan los problemas que impiden que los motores convencionales alcancen altas relaciones de compresión/expansión al utilizar una arquitectura de motor de pistón libre junto con una máquina electromagnética lineal para la extracción de trabajo y una innovadora estrategia de control de combustión. La invención descrita en esta memoria proporciona un medio para aumentar la eficiencia térmica de los motores de combustión interna por encima del 50 % a escalas adecuadas para la generación distribuida y/o vehículos híbridos-eléctricos (5 kW-5 MW).

Una realización de la invención se dirige a un motor de combustión lineal, que comprende: un cilindro que tiene una pared de cilindro y un par de extremos, el cilindro incluye una sección de combustión dispuesta en una parte central del cilindro, un par de conjuntos de pistón opuestos adaptados para moverse linealmente dentro del cilindro, cada conjunto de pistón dispuesto en un lado de la sección de combustión opuesto al otro conjunto de pistón, cada conjunto de pistón incluye una varilla de resorte y un pistón que comprende una sección delantera sólida adyacente a la sección de combustión y una sección trasera hueca que comprende un resorte de gas que proporciona directamente al menos algo de trabajo de compresión durante una carrera de compresión del motor; y un par de máquinas electromagnéticas lineales adaptadas para convertir directamente la energía cinética del conjunto de pistón en energía eléctrica, y adaptadas para convertir directamente la energía eléctrica en energía cinética del conjunto de pistón para proporcionar trabajo de compresión durante la carrera de compresión; en donde el motor incluye una relación de expansión variable mayor que 50:1.

Otra realización de la invención se dirige a un motor de combustión lineal, que comprende: un cilindro que tiene una pared de cilindro y una sección de combustión dispuesta en un extremo del cilindro; un conjunto de pistón adaptado para moverse linealmente dentro del cilindro que incluye una varilla de resorte y un pistón que comprende una sección delantera sólida adyacente a la sección de combustión y una sección trasera hueca que comprende un resorte de gas que proporciona directamente al menos algo de trabajo de compresión durante una carrera de compresión del motor; y una máquina electromagnética lineal adaptada para convertir directamente la energía cinética del conjunto de pistón en energía eléctrica, y adaptada para convertir directamente la energía eléctrica en energía cinética del conjunto de pistón para proporcionar trabajo de compresión durante la carrera de compresión; en donde el motor incluye una relación de expansión variable mayor a 50:1.

Otras características y aspectos de la invención resultarán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada, tomada junto con los dibujos adjuntos, que ilustran, a modo de ejemplo, las características según realizaciones de la invención. El compendio no pretende limitar el alcance de la invención, que se define únicamente por las reivindicaciones adjuntas.

Breve descripción de los dibujos

La presente invención, según una o más diversas realizaciones, se describe en detalle con referencia a las siguientes figuras. Los dibujos se proporcionan solo con fines ilustrativos y simplemente representan realizaciones de ejemplo de la invención. Estos dibujos se proporcionan para facilitar la comprensión del lector de invención y no se deben considerar limitantes de la amplitud, el alcance o la aplicabilidad de la invención. Cabe señalar que, para una mayor claridad y facilidad de ilustración, estos dibujos no están necesariamente hechos a escala.

La Figura 1 (técnica anterior) es un gráfico que ilustra los límites de eficiencia teóricos de dos ciclos comúnmente usados en motores de combustión interna.

La Figura 2 (técnica anterior) es un gráfico que compara el límite de eficiencia ideal del ciclo Otto y varios motores disponibles comercialmente en el mercado actual.

La Figura 3 (técnica anterior) es un diagrama que ilustra la arquitectura de los motores convencionales y los problemas que los limitan para pasar a altas relaciones de compresión.

La Figura 4 (técnica anterior) es un diagrama de las tres configuraciones comunes de motor de pistón libre.

La Figura 5 es un gráfico que ilustra una comparación entre los datos experimentales del prototipo en la Universidad de Stanford y el límite de eficiencia ideal del ciclo Otto.

La Figura 6 es un dibujo en sección transversal que ilustra una realización de resortes de gas integrados de dos pistones y dos tiempos de un motor de combustión interna, fuera del alcance de las reivindicaciones.

La Figura 7 es un diagrama que ilustra el ciclo de pistón de dos tiempos del motor de resortes de gas integrados de dos pistones de la Figura 6.

La Figura 8 es un dibujo en sección transversal que ilustra una realización de resortes de gas integrados de dos pistones y cuatro tiempos de un motor de combustión interna, fuera del alcance de las reivindicaciones.

La Figura 9 es un diagrama que ilustra el ciclo de pistón de cuatro tiempos del motor de resortes de gas integrados de dos pistones de la Figura 8.

La Figura 10 es un dibujo en sección transversal que ilustra una sección alternativa de dos pistones, dos tiempos, combustión simple, resortes de gas completamente integrados y motor de máquina electromagnético lineal, fuera del alcance de las reivindicaciones.

La Figura 11 es un dibujo en sección transversal que ilustra un motor alternativo de dos pistones, dos tiempos, sección de combustión simple, resortes de gas separados, fuera del alcance de las reivindicaciones.

La Figura 12 es un dibujo en sección transversal que ilustra un motor de resortes de gas integrados de dos tiempos y único pistón, fuera del alcance de las reivindicaciones.

La Figura 13 es un diagrama que ilustra el ciclo de pistón de dos tiempos del motor de resortes de gas integrados de dos tiempos y único pistón de la Figura 12.

La Figura 14 es un dibujo en sección transversal que ilustra una realización de un motor de resortes de gas integrados de un pistón y cuatro tiempos, fuera del alcance de las reivindicaciones.

La Figura 15 es un diagrama que ilustra el ciclo de pistón de cuatro tiempos del motor de resortes de gas integrados de dos tiempos y un pistón de la Figura 14.

La Figura 16 es un dibujo en sección transversal que ilustra otro motor de máquina electromagnético lineal de resortes de gas completamente integrados, de sección de combustión simple, dos pistones, dos tiempos, fuera del alcance de las reivindicaciones.

La Figura 17 es un dibujo en sección transversal que ilustra otro motor de resortes de gas separados, sección de combustión simple, dos tiempos, un pistón, fuera del alcance de las reivindicaciones.

La Figura 18 es una vista en sección transversal que ilustra una versión de dos tiempos y único pistón de la arquitectura IIGS según una realización de la invención.

La Figura 19 es una vista en sección transversal que ilustra una realización de una varilla de resorte de gas según los principios de la invención.

La Figura 20 es una vista en sección transversal que ilustra una versión de dos tiempos y dos pistones del motor IIGS según una realización de la invención.

Las figuras no pretenden ser exhaustivas o limitar la invención a la forma exacta descrita. Debe entenderse que la invención puede practicarse con modificaciones y alteraciones, y que la invención está limitada únicamente por las reivindicaciones y los equivalentes de las mismas.

Descripción detallada de las realizaciones de la invención

La presente invención se dirige generalmente a motores de combustión lineal de alta eficiencia capaces de alcanzar altas relaciones de compresión/expansión utilizando una arquitectura de motor de pistón libre junto con una máquina electromagnética lineal para la extracción de trabajo y una innovadora estrategia de control de combustión.

Un prototipo de un solo disparo y único pistón ha sido construido y operado en la Universidad de Stanford. Este prototipo demuestra la viabilidad del concepto y logra eficiencias de trabajo indicadas del 60 %. En la Figura 5 se muestra un trazado de ciertos resultados experimentales. En particular, la Figura 5 es un gráfico que ilustra una comparación entre los datos experimentales del prototipo en la Universidad de Stanford y el límite de eficiencia ideal del ciclo Otto. Los supuestos de modelo son los siguientes: relación de equivalencia de 0,3, diesel #2 y aire que incluye propiedades variables, productos disociados y equilibrio durante la expansión.

Diversas realizaciones de la invención se dirigen a un motor de combustión lineal de pistón libre caracterizado por una eficiencia térmica mayor el 50 %. En al menos una realización, el motor comprende: (i) al menos un cilindro principal, (ii) al menos un conjunto de pistón por cilindro dispuesto para desplazamiento lineal dentro del cilindro principal, (iii) al menos una máquina electromagnética lineal que convierte directamente la energía cinética del conjunto de pistón en energía eléctrica, y (iv) al menos una sección de gas que proporciona al menos parte del trabajo de compresión durante una carrera de compresión. Adicionalmente, en algunas configuraciones, el motor de combustión interna tiene las siguientes características físicas: (i) una relación de expansión variable mayor de 50:1, (ii) una relación de compresión variable igual o menor que la relación de expansión, y (iii) una longitud de la sección de combustión en el PMS entre 0,5 y 10 cm (0,2 y 4 pulgadas). Cabe señalar, sin embargo, que otras realizaciones pueden incluir diversas combinaciones de las características físicas y los rasgos identificados anteriormente.

La Figura 6 es un dibujo en sección transversal que ilustra un motor de combustión interna de resortes de gas integrados de dos pistones y dos tiempos 100, fuera del alcance de las reivindicaciones. Este motor de combustión interna de pistón libre 100convierte directamente la energía química de un combustible en energía eléctrica a través de un par de máquinas electromagnéticas lineales 200. Como se usa en esta memoria, el término "combustible" se refiere a la materia que reacciona con un oxidante. Dichos combustibles incluyen, pero sin limitación a estos: (i) combustibles de hidrocarburos tales como gas natural, biogás, gasolina, diésel y biodiésel; (ii) combustibles alcohólicos como etanol, metanol y butanol; y (iii) mezclas de cualquiera de los anteriores. Los motores descritos en esta memoria son adecuados tanto para la generación de energía estacionaria como para la generación de energía portátil (por ejemplo, para uso en vehículos).

La Figura 6 ilustra un motor de resortes de gas integrados de dos tiempos y dos pistones 100. En particular, el motor 100 comprende un cilindro 105 con dos conjuntos de pistón opuestos 120 que se encuentran en una sección de combustión 130 (o cámara de combustión) en el centro del cilindro 105. La colocación de la sección de combustión 130 en el centro del motor 100 equilibra las fuerzas de combustión. Cada conjunto de pistón 120 comprende un pistón 125, retenes de pistón 135 y una varilla de pistón 145. Los conjuntos de pistón 120 tienen libertad para moverse linealmente dentro del cilindro 15. Las varillas de pistón 145 se mueven a lo largo de cojinetes y se sellan por retenes de gas 150 que se fijan al cilindro 105. En el motor 100 mostrado en la Figura 6, los retenes de gas 150 son retenes de varillas de pistón. Como se usa en esta memoria, el término "cojinete" se refiere a cualquier parte de una máquina en la que otra parte se mueve, desliza o rota, incluidos, pero sin limitación a estos: cojinetes deslizantes, cojinetes de flexión, cojinetes de bolas, cojinetes de rodillos, cojinetes de gas y/o cojinetes magnéticos. Además, el término "entorno" se refiere al área fuera del cilindro 105, que incluye, entre otros: el entorno inmediato, las tuberías auxiliares y/o equipo auxiliar.

Con referencia adicional a la Figura 6, el volumen entre el lado posterior del pistón 125, la varilla de pistón 145 y el cilindro 105 se denomina en esta memoria sección impulsora 160. La sección impulsora 160 también puede denominarse en esta memoria "sección de gas", "resortes de gas" o "sección de resortes de gas". Cada sección impulsora 10 se sella del entorno y la sección de combustión 130 por el retén de varilla de pistón 150 y los asientos de pistón 135. En el motor ilustrado 100, el gas en la sección impulsora 160 actúa como un volante (es decir, un resorte de gas) durante un ciclo para proporcionar al menos parte del trabajo de compresión durante una carrera de compresión. En consecuencia, algunas realizaciones de la invención presentan resortes de gas para proporcionar trabajo. Otras realizaciones incluyen un alternador lineal altamente eficiente operado como un motor y no requieren resortes de gas para generar trabajo de compresión.

Para obtener altas eficiencias térmicas, el motor 100 tiene una relación de expansión variable mayor de 50:1. La relación de expansión variable puede ser mayor de 75:1. La relación de expansión variable puede ser superior a 100:1. Además, el motor 100 puede presentar una relación de compresión igual o menor que la relación de expansión y una longitud de sección de combustión en el PMS entre 0,5 y 10 cm (0,2 y 4 pulgadas). Como se usa en esta memoria, "longitud de sección de combustión en el PMS" es la distancia entre las caras delanteras de los dos pistones 125 en el PMS.

Las especificaciones anteriores dictan que el motor 100 tiene una longitud de carrera que es significativamente más larga que en los motores convencionales, en donde el término "longitud de carrera" se refiere a la distancia recorrida por cada pistón 125 entre el PMS y el PMI. La ignición por combustión se puede lograr a través de la ignición por compresión y/o chispa de ignición. El combustible se puede inyectar directamente en la cámara de combustión 130 a través de inyectores de combustible ("inyección directa") y/o mezclarse con aire antes y/o durante la admisión de aire ("inyección premezclada"). El motor 100 puede operar con combustión pobre, estequiométrica o rica utilizando líquido y/o combustibles gaseosos.

Continuando con la referencia a la Figura 6, el cilindro 105 incluye lumbreras de escape/inyector 170, lumbreras de admisión 180, lumbreras de eliminación de gas impulsor 185 y lumbreras de reposición de gas impulsor 190, para intercambiar materia (sólida, líquida, gas o plasma) con el entorno. Como se usa en esta memoria, el término "lumbrera”: incluye cualquier abertura o conjunto de aberturas (por ejemplo, un material poroso) que permite el intercambio de materia entre el interior del cilindro 105 y su entorno. Algunas realizaciones no requieren todas las lumbreras representadas en la Figura 6. El número y tipo de lumbreras depende de la configuración del motor, la estrategia de inyección y el ciclo de pistón (por ejemplo, ciclos de pistón de dos o cuatro tiempos). Para este motor de dos pistones y dos tiempos 100, las lumbreras de escape/inyector 170 permiten que los gases de escape y los fluidos entren y salgan del cilindro, las lumbreras de admisión 180 son para la admisión de aire y/o mezclas aire/combustible, las lumbreras de eliminación de gas impulsor 185 son para la eliminación de gas impulsor, y las lumbreras de reposición de gas impulsor 190 son para la entrada de gas de reposición para la sección impulsora 160. La ubicación de las distintas lumbreras no es necesariamente fija. Por ejemplo, en el motor ilustrado 100, las lumbreras de escape/inyector 170 se ubican sustancialmente en el punto medio del cilindro. Sin embargo, estas lumbreras pueden ubicarse alternativamente lejos del punto medio adyacente a las lumbreras de admisión 180.

Las lumbreras descritas anteriormente pueden o no abrirse y cerrarse a través de válvulas. El término "válvula" puede referirse a cualquier controlador de flujo accionado u otro mecanismo accionado para pasar materia de forma selectiva a través de una abertura, incluidas, entre otras: válvulas de bola, válvulas de tapón, válvulas de mariposa, válvulas de estrangulamiento, válvulas de retención, válvulas de compuerta, válvulas de hoja, válvulas de pistón, válvulas de asiento, válvulas rotativas, válvulas de corredera, válvulas de solenoide, válvulas de 2 vías o válvulas de 3 vías. Las válvulas se pueden accionar por cualquier medio, incluidos, entre otros: medios mecánicos, eléctricos, magnéticos, accionados por árbol de levas, hidráulicos o neumáticos. En la mayoría de los casos, se requieren lumbreras para el escape, la eliminación de gas impulsor y la reposición de gas impulsor. Donde la inyección directa es la estrategia de ignición deseada, también se requieren lumbreras de inyector y lumbreras de admisión de aire. En realizaciones donde la ignición por compresión premezclada o la ignición por chispa premezclada es la estrategia de combustión deseada, también se pueden requerir lumbreras de admisión de aire/combustible. En realizaciones donde una estrategia de inyección híbrida premezclada/directa con ignición por compresión y/o ignición por chispa es la estrategia de combustión deseada, también se pueden requerir lumbreras de inyector y lumbreras de admisión aire/combustible. En todas las configuraciones de motor, los gases de escape de un ciclo anterior se pueden mezclar con el aire de admisión o mezcla aire/combustible para un ciclo anterior. Este proceso se denomina recirculación de gases de escape (EGR) y se puede utilizar para moderar el tiempo de combustión y las temperaturas máximas.

Con referencia adicional a la Figura 6, el motor 100 comprende además un par de máquinas electromagnéticas lineales (LEM) 200 para convertir directamente la energía cinética de los conjuntos de pistón 120 en energía eléctrica. Cada LEM 200 también es capaz de convertir directamente energía eléctrica en energía cinética del conjunto de pistón 120 para proporcionar trabajo de compresión durante una carrera de compresión. Como se ilustra, la LEM 200 comprende un estator 210 y un traductor 220. Específicamente, el traductor 220 se une a la varilla de pistón 145 y se mueve linealmente dentro del estator 210, que es estacionario. El volumen entre el traductor 220 y el estator 210 se denomina entrehierro. La LEM 200 puede incluir cualquier número de configuraciones. La Figura 6 muestra una configuración en la que el traductor 220 es más corto que el estator 210. Sin embargo, el traductor 220 podría ser más largo que el estator 210, o podrían tener sustancialmente la misma longitud. Además, la LEM 200 puede ser una máquina de imanes permanentes, una máquina de inducción, una máquina de reluctancia conmutada o una combinación de las tres. El estator 210 y el traductor 220 pueden incluir cada uno imanes, bobinas, hierro o alguna combinación de los mismos. Dado que la LEM 200 transforma directamente la energía cinética de los pistones en energía eléctrica (es decir, no hay enlaces mecánicos), las pérdidas mecánicas y por fricción son mínimas en comparación con configuraciones convencionales de motor-generador.

El motor 100 mostrado en la Figura 6 funciona usando un ciclo de pistón de dos tiempos. Un diagrama que ilustra el ciclo de pistón de dos tiempos 250 del motor de resortes de gas integrados de dos pistones 100 de la Figura 6 se ilustra en la Figura 7. Como se usa en esta memoria, el término "ciclo de pistón" se refiere a cualquier serie de movimientos de pistón que comienzan y terminan con el pistón 125 sustancialmente en la misma configuración. Un ejemplo común es un ciclo de pistón de cuatro tiempos, que comprende una carrera de admisión, una carrera de compresión, una carrera de potencia (expansión) y una carrera de escape. Carreras alternas adicionales pueden formar parte de un ciclo de pistón como se describe a lo largo de esta divulgación. Un ciclo de pistón de dos tiempos se caracteriza por tener una carrera de potencia (expansión) y una carrera de compresión.

Como se ilustra en la Figura 7, el motor expulsa los productos de la combustión (a través de las lumbreras de escape 170) y toma aire o una mezcla de aire/combustible o una mezcla de aire/combustible/productos de combustión (a través de las lumbreras de admisión 180) cerca del PMI entre las carreras de potencia y compresión. Este proceso puede denominarse en esta memoria "respiración" o "respiración en o cerca del PMI". Los expertos en la técnica apreciarán que son posibles muchos otros tipos de lumbreras y configuraciones de respiración. Cuando está en o cerca del PMI, y si la sección impulsora se va a usar para proporcionar trabajo de compresión, la presión del gas dentro de la sección impulsora 160 es mayor que la presión de la sección de combustión 130, lo que fuerza a los pistones 125 hacia dentro uno hacia el otro. El gas en la sección impulsora 160 se puede usar para proporcionar al menos parte de la energía requerida para realizar una carrera de compresión. La LEM 200 también puede proporcionar parte de la energía necesaria para realizar una carrera de compresión.

La cantidad de energía necesaria para realizar una carrera de compresión depende de la relación de compresión deseada, la presión de la sección de combustión 130 al comienzo de la carrera de compresión y la masa del conjunto de pistón 120. Una carrera de compresión continúa hasta que se produce la combustión, que es en un momento en el que la velocidad del pistón 125 es cero o cercana a cero. El punto en el que las velocidades de los pistones 125 son iguales a cero marca sus posiciones de PMS para ese ciclo. La combustión provoca un aumento en la temperatura y la presión dentro de la sección de combustión 130, lo que fuerza al pistón 125 hacia la LEM 200. Durante una carrera de potencia, la LEM 200 convierte una parte de la energía cinética del conjunto de pistón 120 en energía eléctrica y otra parte de la energía cinética realiza un trabajo de compresión sobre el gas en la sección impulsora 160. Una carrera de potencia continúa hasta que las velocidades de los pistones 125 son cero, lo que marca sus posiciones de PMI para ese ciclo.

La Figura 7 ilustra una configuración de lumbrera para respirar en la que las lumbreras de admisión 180 están frente a ambos pistones cerca del PMI y las lumbreras de escape 170 están cerca del PMS. Hay diversas configuraciones alternativas posibles de lumbreras, tales como, entre otros, ubicar las lumbreras de escape 170 frente a un pistón 125 cerca del PMI y ubicar las lumbreras de admisión 180 frente al otro pistón 125 cerca del PMI, lo que permite lo que es llamado barrido de flujo único o respiración de flujo único. La apertura y el cierre de las lumbreras de escape 170 y las lumbreras de admisión 180 se controlan de forma independiente. La ubicación de las lumbreras de escape 170 y las lumbreras de admisión 180 se puede elegir de tal manera que es posible un intervalo de relaciones de compresión y/o relaciones de expansión. Los tiempos en un ciclo cuando las lumbreras de escape 170 y las lumbreras de admisión 180 están activadas (abiertas y cerradas) se pueden ajustar durante y/o entre ciclos para variar la relación de compresión y/o relación de expansión y/o la cantidad de producto de combustión retenido en la sección de combustión 130 al comienzo de una carrera de compresión. La retención de gases de combustión en la sección de combustión 130 se denomina captura de gas residual (RGT) y se puede utilizar para moderar el tiempo de combustión y las temperaturas máximas.

Durante el ciclo de pistón, el gas podría transferirse potencialmente a través de los retenes de pistón 135 entre la sección de combustión 130 y la sección impulsora 160. Esta transferencia de gas se denomina "gases escapados al cárter". Los gases escapados al cárter podrían contener aire y/o combustible y/o productos de combustión. El motor 100 se diseña para gestionar los gases escapados al cárter al tener al menos dos lumbreras en cada sección impulsora 160: una lumbrera 185 para eliminar el gas impulsor y otra lumbrera 190 para proporcionar gas impulsor adicional. La eliminación de gas impulsor y la admisión de gas impulsor de reposición se controlan de forma independiente y se producen de tal forma que se minimizan las pérdidas y se maximiza la eficiencia.

La Figura 7 muestra una estrategia para intercambiar gas impulsor en la que la eliminación de gas impulsor ocurre en algún punto durante la carrera de expansión y la admisión de gas impulsor de reposición ocurre en algún punto durante la carrera de compresión. La eliminación y admisión del gas impulsor también podría ocurrir en el orden inverso de las carreras o durante la misma carrera. El gas impulsor eliminado se puede utilizar como parte de la admisión para la sección de combustión 130 durante un ciclo de combustión en curso. La cantidad de gas en la sección impulsora 160 se puede ajustar para variar la relación de compresión y/o la relación de expansión. La relación de expansión se define como la relación del volumen de la sección de combustión 130 cuando los pistones 125 tienen velocidad cero después de la carrera de potencia al volumen de la sección de combustión 130 cuando los pistones 125 tienen velocidad cero después de la carrera de compresión. La relación de compresión se define como la relación del volumen de la sección de combustión 130 cuando la presión dentro de la sección de combustión 130 comienza a aumentar debido al movimiento hacia dentro de los pistones 125 a la relación del volumen de la sección de combustión 130 cuando los pistones 125 tienen velocidad cero después de la carrera de compresión.

La combustión se controla de manera óptima al moderar (por ejemplo, enfriar) la temperatura del gas dentro de la sección de combustión 130 antes de la combustión. El control de temperatura se puede lograr enfriando previamente el gas de admisión de la sección de combustión y/o enfriar el gas dentro de la sección de combustión 130 durante la carrera de compresión. La combustión óptima se produce cuando la sección de combustión 130 alcanza el volumen en el que se maximiza la eficiencia térmica del motor 100. Este volumen se denomina volumen óptimo y puede ocurrir antes o después del PMS. Dependiendo de la estrategia de combustión (estrategia de ignición e inyección), el gas de admisión de la sección de combustión puede ser aire, una mezcla de aire/combustible, o una mezcla de aire/combustible/productos de combustión (donde los productos de combustión son de EGR y/o gas impulsor reciclado), y el gas dentro de la sección de combustión 130 podría ser aire, una mezcla de aire/combustible, o una mezcla de aire/combustible/productos de combustión (donde los productos de combustión son de EGR y/o RGT y/o gas impulsor reciclado).

Cuando la ignición por compresión es la estrategia de ignición deseada, la combustión óptima se logra moderando la temperatura del gas dentro de la sección de combustión 130 de modo que alcance su temperatura de autoignición en el volumen óptimo. Cuando la ignición por compresión es la estrategia de ignición deseada, la combustión óptima se logra moderando la temperatura del gas dentro de la sección de combustión 130 de modo que alcance su temperatura de autoignición en el volumen óptimo. Cuando la ignición por chispa es la estrategia de ignición deseada, la combustión óptima se logra al moderar la temperatura del gas dentro de la sección de combustión 130 de modo que permanezca por debajo de su temperatura de autoignición antes de que una chispa se encienda en el volumen óptimo. La chispa se controla externamente para encender al volumen óptimo. El gas de admisión de sección de combustión se puede preenfriar mediante un ciclo de refrigeración. El gas dentro de la sección de combustión 130 se puede enfriar durante una carrera de compresión inyectando un líquido en la sección de combustión 130 que luego se vaporiza. El líquido puede ser agua y/u otro líquido tal como, pero sin limitación a esto, un combustible o un refrigerante. El líquido se puede enfriar antes de la inyección en la sección de combustión 130.

Para una geometría de motor dada y ubicaciones de lumbreras de admisión y escape, la potencia de salida del motor 100 se puede variar de un ciclo a otro variando la relación aire/combustible y/o la cantidad de productos de combustión en la sección de combustión 130 antes de la combustión y/o la relación de compresión y/o la relación de expansión. Para una relación aire/combustible dada en un ciclo, la temperatura máxima de combustión se puede controlar variando la cantidad de productos de combustión de un ciclo anterior que están presentes en el gas de la sección de combustión antes de la combustión. Los productos de combustión en el gas de sección de combustión antes de la combustión pueden provenir de EGR y/o RGT y/o reciclaje de gas impulsor. La sincronización de pistones se logra a través de una estrategia de control que utiliza información sobre las posiciones de los pistones, las velocidades de los pistones, la composición de sección de combustión y las presiones de los cilindros para ajustar las características operativas de las LEM y las secciones del motor.

La configuración de las Figuras 6 y 7 incluye una sola unidad denominada motor 100 y definida por el cilindro 105, los conjuntos de pistón 120 y las LEM 200. Sin embargo, muchas unidades se pueden colocar en paralelo, lo que en conjunto podría denominarse "el motor". Algunos motores son modulares, de modo que pueden disponerse para funcionar en paralelo para permitir que la escala del motor se incremente según lo necesite el usuario final. Además, no es necesario que todas las unidades sean del mismo tamaño ni funcionen en las mismas condiciones (p. ej., frecuencia, estequiometría o respiración). Cuando las unidades funcionan en paralelo, existe la posibilidad de integración entre los motores, como por ejemplo. pero sin limitación a esto, intercambio de gases entre las unidades y/o retroalimentación entre las LEM 200 de las unidades.

La arquitectura de pistón libre permite relaciones de compresión y expansión grandes y variables mientras mantiene un volumen suficientemente grande en el PMS para minimizar la transferencia de calor y lograr una combustión adecuada. Además, los pistones pasan menos tiempo en y cerca del PMS que si estuvieran unidos mecánicamente a un cigüeñal. Esto ayuda a minimizar la transferencia de calor (y maximizar la eficiencia) porque se pasa menos tiempo a las temperaturas más altas. Además, dado que la arquitectura de pistón libre no tiene conexiones mecánicas, las pérdidas mecánicas y por fricción son mínimas en comparación con los motores convencionales. Juntos, las relaciones de compresión y expansión grandes y variables, el volumen suficientemente grande en el PMS, la conversión directa de energía cinética en energía eléctrica por parte de la LEM 200, el tiempo intrínsecamente corto que se pasa en y cerca del PMS y la capacidad de controlar la combustión, permiten al motor 100 lograr eficiencias térmicas mayores del 50 %.

Durante el funcionamiento, las pérdidas dentro del motor 100 incluyen: pérdidas por combustión, pérdidas por transferencia de calor, pérdidas por conversión de electricidad, pérdidas por fricción y pérdidas por gases escapados al cárter. En algunas realizaciones de la invención, las pérdidas por combustión se minimizan al realizar la combustión en estados de alta energía interna, lo que se logra teniendo la capacidad de alcanzar altas relaciones de compresión mientras se moderan las temperaturas de la sección de combustión. Las pérdidas por transferencia de calor se minimizan al tener un volumen suficientemente grande en y cerca del momento en que ocurre la combustión, de modo que la capa límite térmica sea una pequeña fracción del volumen. Las pérdidas por transferencia de calor también se minimizan al pasar menos tiempo a alta temperatura utilizando un perfil de pistón libre en lugar de un perfil de manivela deslizante. Las pérdidas por fricción se minimizan porque no hay enlaces mecánicos. Las pérdidas por gases escapados al cárter se minimizan al tener retenes de pistón bien diseñados y usar gas impulsor que contiene combustible sin quemar como parte de la admisión para el siguiente ciclo de combustión.

Como se ha indicado, el motor 100 descrito anteriormente con respecto a las Figuras 6 y 7 comprende un motor 100 de combustión interna de dos tiempos, sección de combustión simple y dos pistones. A continuación se describen, e ilustran en las figuras correspondientes, varios motores alternativos. Cuando estos motores son realizaciones, no pretenden ser limitativos. Como apreciarán los expertos en la técnica, se pueden utilizar diversas modificaciones y configuraciones alternativas, y se pueden realizar otros cambios, sin apartarse del alcance de las reivindicaciones. A menos que se indique lo contrario, las características físicas y operativas de los motores que se describen a continuación son similares a las descritas en la realización de las Figuras 6 y 7, y los elementos similares se han etiquetado en consecuencia. Además, todas las realizaciones pueden configurarse en paralelo (es decir, en configuraciones de unidades múltiples para aumentar la escala) como se establece anteriormente.

La Figura 8 ilustra una disposición de cuatro tiempos fuera del alcance de las reivindicaciones, que comprende un motor de resortes de gas integrados de cuatro tiempos y dos pistones 300. La principal diferencia física entre el motor de cuatro tiempos 300 de la Figura 8 y el motor de dos tiempos 100 de la Figura 6 implica la ubicación de las lumbreras. En particular, en el motor de cuatro tiempos 300, las lumbreras de escape, inyector y admisión 370 se ubican en y/o cerca del punto medio del cilindro 105 entre los dos pistones 125.

La Figura 9 ilustra el ciclo de pistón de cuatro tiempos 400 para el motor de resortes de gas integrados de dos pistones 300 de la Figura 8. Un ciclo de pistón de cuatro tiempos se caracteriza por tener una carrera de potencia (expansión), una carrera de escape, una carrera de admisión y una carrera de compresión. Una carrera de potencia comienza después de la combustión, que se produce al volumen óptimo, y continúa hasta que las velocidades de los pistones 125 son cero, lo que marca sus posiciones de PMI de carrera de potencia para ese ciclo.

Durante una carrera de potencia, la LEM 200 convierte una parte de la energía cinética de los conjuntos de pistón 120 en energía eléctrica y otra parte de la energía cinética realiza un trabajo de compresión sobre el gas en la sección impulsora 130. Cuando está en y cerca del PMI de la carrera de potencia, y si la sección impulsora debe proporcionar al menos parte del trabajo de compresión, la presión del gas en la sección impulsora 160 es mayor que la presión del gas en la sección de combustión 130, que fuerza los pistones 125 hacia dentro hacia el punto medio del cilindro 105. En el motor ilustrado 300, el gas en la sección impulsora 160 se puede usar para proporcionar al menos parte de la energía requerida para realizar una carrera de escape. En algunos casos, la L^eM 200 también puede proporcionar parte de la energía necesaria para funcionar en la carrera de escape. Las lumbreras de escape 370 se abren en algún punto en o cerca del PMI de carrera de potencia, que puede ser antes o después de que comience una carrera de escape. Una carrera de escape continúa hasta que las velocidades de los pistones 125 son cero, lo que marca sus posiciones de PMS de carrera de escape para ese ciclo. Las lumbreras de escape 370 se cierran en algún punto antes de que los pistones 125 alcancen sus posiciones de PMS de carrera de escape. Por lo tanto, al menos algunos productos de combustión permanecen en la sección de combustión 130. Este proceso se conoce como captura de gas residual.

Con referencia adicional a la Figura 9, en y cerca del PMS de carrera de escape, la presión de la sección de combustión 130 es mayor que la presión de la sección impulsora 160, que fuerza los pistones 125 hacia fuera. El gas residual atrapado actúa como resorte de gas para proporcionar al menos parte de la energía requerida para realizar una carrera de admisión. La LEM 200 también puede proporcionar parte de la energía necesaria para realizar una carrera de admisión. Las lumbreras de admisión 370 se abren en algún punto durante la carrera de admisión después de que la presión dentro de la sección de combustión 130 esté por debajo de la presión del gas de admisión. Una carrera de admisión continúa hasta que las velocidades de los pistones 125 son cero, lo que marca sus posiciones de PMI para ese ciclo. Las posiciones de PMI de carrera de admisión para un ciclo dado no necesariamente tienen que ser las mismas que las posiciones de PMI de carrera de potencia. Las lumbreras de admisión 370 se cierran en algún punto en o cerca del PMI de carrera de admisión. Una carrera de compresión continúa hasta que se produce la combustión, que es en un momento en el que las velocidades de los pistones 125 son cero o cercana a cero. Las posiciones de los pistones 125 en las que sus velocidades son iguales a cero marcan sus posiciones de PMS de carrera de compresión para ese ciclo. En y cerca del PMS de carrera de compresión, la presión del gas en la sección impulsora 160 es mayor que la presión del gas en la sección de combustión 130, lo que fuerza a los pistones 125 hacia dentro. El gas en la sección impulsora 160 se usa para proporcionar al menos parte de la energía requerida para realizar una carrera de compresión. La LEM 200 también puede proporcionar parte de la energía necesaria para realizar una carrera de compresión.

La Figura 9 muestra una estrategia para intercambiar gas impulsor en la que la eliminación de gas impulsor se produce en algún punto durante la carrera de expansión y la admisión de gas impulsor de reposición se produce en algún punto durante la carrera de compresión. Como en el motor de dos tiempos descrito anteriormente, la eliminación y admisión de gas impulsor también podría ocurrir en el orden inverso de las carreras o durante la misma carrera. Sin embargo, dado que la realización de cuatro tiempos tiene una carrera de escape separada, que requiere menos energía para funcionar que una carrera de compresión, la regulación de la cantidad de aire en la sección impulsora 160 puede requerir un enfoque diferente, dependiendo de cuánto se use la LEM 200 para proporcionar y extraer energía durante los cuatro tiempos.

La Figura 10 ilustra una segunda disposición de máquina electromagnética lineal integrada con resortes de gas de dos tiempos y dos pistones de un motor de combustión interna 500. Similar al motor 100 de la Figura 10, el motor 500 comprende un cilindro 105, dos conjuntos de pistón opuestos 520 y una sección de combustión 130 ubicada en el centro del cilindro 105. En la configuración ilustrada, cada conjunto de pistón 520 comprende dos pistones 525, retenes de pistón 535 y una varilla de pistón 545. A diferencia de los motores 100, 300 descritos anteriormente, los conjuntos de pistón 520 y los traductores 620 se ubican completamente dentro del cilindro, y la LEM 600 (incluido el estator 610) se dispone alrededor del perímetro exterior del cilindro 105. Los conjuntos de pistón 520 pueden moverse linealmente dentro del cilindro 105. El cilindro 105 incluye además lumbreras de escape/inyector 170, lumbreras de admisión 180, lumbreras de eliminación de gas impulsor 185 y lumbreras de reposición de gas impulsor 190. Con referencia adicional a la Figura 10, este motor 500 puede funcionar usando un ciclo de pistón de dos o cuatro tiempos usando la misma metodología expuesta anteriormente con respecto a las Figuras 7 y 9.

La Figura 11 ilustra un ejemplo de dos pistones, dos tiempos, sección de combustión simple, resortes de gas separados de un motor de combustión interna 700 fuera del alcance de las reivindicaciones. Similar al motor 100 de la Figura 6, el motor 700 comprende un cilindro 105, dos conjuntos de pistón opuestos 120 y una sección de combustión 130 ubicada en el centro del cilindro 705. Sin embargo, el motor ilustrado 700 tiene ciertas diferencias físicas cuando se compara con el motor 100. Específicamente, el motor 700 incluye un par de cilindros exteriores 705 que contienen pistones adicionales 135, y las LEM 200 se disponen entre el cilindro principal 105 y los cilindros exteriores 705. Cada cilindro exterior 705 incluye una sección impulsora 710 ubicada entre el pistón 125 y el extremo distal del cilindro 705 y una sección impulsora trasera 720 dispuesta entre el pistón 125 y el extremo proximal del cilindro 705. Además, el cilindro 105 incluye un par de secciones traseras de combustión 730 dispuestas entre los pistones 125 y los extremos distales del cilindro 105. La sección posterior impulsora 720 y la sección posterior de combustión 730 se mantienen a la presión atmosférica o cerca de ella. Como tal, la sección posterior impulsora 720 no se sella (es decir, el cojinete lineal 740 no tiene un retén de gas), mientras que la sección posterior de combustión 730 se sella (es decir, a través del retén 150), pero tiene lumbreras para eliminar los gases de escape (es decir, lumbrera de eliminación de gases escapados al cárter 750) y para gas de reposición (es decir, lumbrera de aire de reposición 760). En la configuración ilustrada, cada conjunto de pistón 120 comprende dos pistones 125, retenes de pistón 135 y una varilla de pistón 145. Los conjuntos de pistón 120 pueden moverse libremente entre el cilindro principal 105 y los cilindros exteriores 705, como se representa en la Figura 11. Las varillas de pistón 145 se mueven a lo largo de cojinetes y se sellan por retenes de gas 150 que se fijan al cilindro principal 105. El cilindro 105 incluye además lumbreras de escape/inyector 170 y lumbreras de admisión 180. Sin embargo, las lumbreras de eliminación de gas impulsor 185 y las lumbreras de reposición de gas impulsor 190 se ubican en un par de cilindros exteriores 705 que contienen uno de los dos pistones 125 de cada conjunto de pistón 120. Con referencia adicional a la Figura 11, esta realización puede funcionar usando un ciclo de pistón de dos o cuatro tiempos usando la misma metodología expuesta anteriormente con respecto a las Figuras 7 y 9.

La Figura 12 ilustra un motor 1000 de resortes de gas integrados de dos tiempos y único pistón fuera del alcance de las reivindicaciones. En particular, el motor 1000 comprende un cilindro 105 dispuesto verticalmente con un conjunto de pistón 120 dimensionado para moverse dentro del cilindro 105 en respuesta a reacciones dentro de la sección de combustión 130 (o cámara de combustión) cerca del extremo inferior del cilindro 105. Se proporciona una placa de impacto 230 en el extremo inferior del cilindro dispuesto verticalmente para proporcionar estabilidad y resistencia al impacto durante la combustión. El conjunto de pistón 120 comprende un pistón 125, retenes de pistón 135 y una varilla de pistón 145. El conjunto de pistón 120 puede moverse linealmente dentro del cilindro 105. Lo varilla de pistón 145 se mueve a lo largo de cojinetes y se sella por retenes de gas 150 que se fijan al cilindro 105. En el motor ilustrado 1000, los retenes de gas 150 son retenes de varilla de pistón.

Con referencia adicional a la Figura 12, el volumen entre el lado posterior del pistón 125, la varilla de pistón 145 y el cilindro 105 se denomina en esta memoria sección impulsora 160. La sección impulsora 160 también puede denominarse en esta memoria "resortes de gas" o "sección de resortes de gas". La sección impulsora 160 se sella del entorno y la sección de combustión 130 por el retén de varilla de pistón 150 y los retenes de pistón 135. En el motor ilustrado 1000, el gas en la sección impulsora 160 actúa como un volante de inercia (es decir, un resorte de gas) durante un ciclo para proporcionar al menos parte del trabajo de compresión durante una carrera de compresión. En consecuencia, algunas realizaciones de la invención presentan resortes de gas para proporcionar trabajo.

Para obtener altas eficiencias térmicas, el motor 1000 tiene una relación de expansión variable mayor que.

50:1. La relación de expansión variable puede ser mayor que 75:1. La relación de expansión variable puede ser mayor que 100:1. Además, algunas realizaciones presentan una relación de compresión igual o menor que la relación de expansión y una longitud de la sección de combustión en el PMS entre 0,25 y 5 cm (0,1 y 2 pulgadas). Como se usa en esta memoria, "longitud de la sección de combustión en el PMS" es la distancia entre la cabeza de la sección de combustión y la cara delantera del pistón 125.

Las especificaciones anteriores dictan que el motor 1000 tiene una longitud de carrera que es significativamente más larga que en los motores convencionales, en donde el término "longitud de carrera" se refiere a la distancia recorrida por cada pistón 125 entre el PMS y el PMI. La carrera es la distancia recorrida por el pistón entre el PMS y el PMI. La ignición por combustión se puede lograr a través de la ignición por compresión y/o chispa de ignición. El combustible se puede inyectar directamente en la cámara de combustión 130 a través de inyectores de combustible ("inyección directa") y/o mezclarse con aire antes y/o durante la admisión de aire ("inyección premezclada"). El motor 1000 puede funcionar con combustión pobre, estequiométrica o rica utilizando líquido y/o combustibles gaseosos.

Continuando con la referencia a la Figura 12, el cilindro 105 incluye lumbreras de escape/inyector 170, lumbreras de admisión 180, lumbrera de eliminación de gas impulsor 185 y lumbrera de reposición de gas impulsor 190, para intercambiar materia (sólido, líquido, gas o plasma) con el entorno. Como se usa en esta memoria, el término "lumbrera: incluye cualquier abertura o conjunto de aberturas (por ejemplo, un material poroso) que permite el intercambio de materia entre el interior del cilindro 105 y su entorno. Algunas realizaciones no requieren todas las lumbreras representadas en la Figura 12. La cantidad y los tipos de lumbreras dependen de la configuración de motor, la estrategia de inyección y el ciclo de pistón (p. ej., ciclos de pistón de dos o cuatro tiempos). Para esta realización de único pistón y dos tiempos, las lumbreras de escape/inyector 170 permiten que los gases de escape y los fluidos entren y salgan del cilindro, las lumbreras de admisión 180 son para la admisión de aire y/o mezclas de aire/combustible, la lumbrera de eliminación de gas impulsor 185 es para la eliminación de gas impulsor, y las lumbreras de reposición de gas impulsor 190 son para la admisión de gas de reposición para la sección impulsora 160. La ubicación de las distintas lumbreras no es necesariamente fija. Por ejemplo, en la realización ilustrada, las lumbreras de escape/inyector 170 se ubican sustancialmente en el punto medio del cilindro. Sin embargo, estas lumbreras pueden ubicarse alternativamente lejos del punto medio adyacente a las lumbreras de admisión 180.

Con referencia adicional a la Figura 12, el motor 1000 comprende además una máquina electromagnética lineal (LEM) 200 para convertir directamente la energía cinética del conjunto de pistón 120 en energía eléctrica. La LEM 200 también es capaz de convertir directamente energía eléctrica en energía cinética del conjunto de pistón 120 para proporcionar trabajo de compresión durante una carrera de compresión. Como se ilustra, la LEM 200 comprende un estator 210 y un traductor 220. Específicamente, el traductor 220 se une a la varilla de pistón 145 y se mueve linealmente dentro del estator 210, que es estacionario. El volumen entre el traductor 220 y el estator 210 se denomina entrehierro. La LEM 200 puede incluir cualquier número de configuraciones. La Figura 6 muestra una configuración en la que el traductor 220 es más corto que el estator 210. Sin embargo, el traductor 220 podría ser más largo que el estator 210, o podrían tener sustancialmente la misma longitud.

Además, la LEM 200 puede ser una máquina de imanes permanentes, una máquina de inducción, una máquina de reluctancia conmutada o una combinación de las tres. El estator 210 y el traductor 220 pueden incluir cada uno imanes, bobinas, hierro o alguna combinación de los mismos. Dado que la LEM 200 transforma directamente la energía cinética de los pistones en energía eléctrica (es decir, no hay enlaces mecánicos), las pérdidas mecánicas y por fricción son mínimas en comparación con las configuraciones convencionales de motor-generador.

El motor 1000 mostrado en la Figura 12 funciona usando un ciclo de pistón de dos tiempos. Un diagrama que ilustra el ciclo de pistón de dos tiempos 1250 del motor de resortes de gas integrados de único pistón 1000 de la Figura 12 se ilustra en la Figura 13. El motor expulsa productos de combustión (a través de las lumbreras de escape 170) y toma aire o una mezcla de aire/combustible o una mezcla de aire/combustible/productos de combustión (a través de las lumbreras de admisión 180) cerca del PMI entre las carreras de potencia y compresión. Este proceso puede denominarse en esta memoria "respiración" o "respiración en o cerca del PMI". Los expertos en la técnica apreciarán que son posibles muchos otros tipos de lumbreras y configuraciones de respiración. Cuando está en o cerca del PMI, y si la sección impulsora se va a usar para proporcionar trabajo de compresión, la presión del gas dentro de la sección impulsora 160 es mayor que la presión de la sección de combustión 130, lo que fuerza a los pistones 125 hacia dentro uno hacia el otro. El gas en la sección impulsora 160 se puede usar para proporcionar al menos parte de la energía requerida para realizar una carrera de compresión. La LEM 200 también puede proporcionar parte de la energía necesaria para realizar una carrera de compresión.

La cantidad de energía necesaria para realizar una carrera de compresión depende de la relación de compresión deseada, la presión de la sección de combustión 130 al comienzo de la carrera de compresión y la masa del conjunto de pistón 120. Una carrera de compresión continúa hasta que se produce la combustión, que es en un momento en el que la velocidad del pistón 125 es cero o cercana a cero. El punto en el que las velocidades del pistón 125 son iguales a cero marca sus posiciones de PMS para ese ciclo. La combustión provoca un aumento en la temperatura y la presión dentro de la sección de combustión 130, lo que fuerza al pistón 125 hacia la LEM 200. Durante una carrera de potencia, la LEM 200 convierte una parte de la energía cinética del conjunto de pistón 120 en energía eléctrica y otra parte de la energía cinética realiza un trabajo de compresión sobre el gas en la sección impulsora 160. Una carrera de potencia continúa hasta que las velocidades del pistón 125 son cero, lo que marca sus posiciones de PMI para ese ciclo.

La Figura 13 ilustra una configuración de lumbrera 1300 para respirar en la que las lumbreras de admisión 180 están frente al pistón cerca del PMI y las lumbreras de escape 170 están cerca del PMS. La apertura y el cierre de las lumbreras de escape 170 y las lumbreras de admisión 180 se controlan de forma independiente. La ubicación de las lumbreras de escape 170 y las lumbreras de admisión 180 se puede elegir de tal manera que es posible un intervalo de relaciones de compresión y/o relaciones de expansión. Los tiempos en un ciclo cuando las lumbreras de escape 170 y las lumbreras de admisión 180 están activadas (abiertas y cerradas) se pueden ajustar durante y/o entre ciclos para variar la relación de compresión y/o relación de expansión y/o la cantidad de producto de combustión retenido en la sección de combustión 130 al comienzo de una carrera de compresión. La retención de gases de combustión en la sección de combustión 130 se denomina captura de gas residual (RGT) y se puede utilizar para moderar el tiempo de combustión y las temperaturas máximas.

Durante el ciclo de pistón, el gas podría transferirse potencialmente a través de los retenes de pistón 135 entre la sección de combustión 130 y la sección impulsora 160. Esta transferencia de gas se denomina "gases escapados al cárter". Los gases escapados al cárter podrían contener aire y/o combustible y/o productos de combustión. El motor 1000 se diseña para gestionar los gases escapados al cárter al tener al menos dos lumbreras en cada sección impulsora 160, una lumbrera 185 para eliminar el gas impulsor y otra lumbrera 190 para proporcionar gas impulsor de reposición. La eliminación de gas impulsor y la admisión de gas impulsor de reposición se controlan de forma independiente y se producen de tal forma que se minimizan las pérdidas y se maximiza la eficiencia.

La Figura 13 muestra una estrategia para intercambiar gas impulsor en la que la eliminación de gas impulsor se produce en algún punto durante la carrera de expansión y la admisión de gas impulsor de reposición se produce en algún punto durante la carrera de compresión. La eliminación y admisión del gas impulsor también podría ocurrir en el orden inverso de las carreras o durante la misma carrera. El gas impulsor eliminado se puede utilizar como parte de la admisión para la sección de combustión 130 durante un ciclo de combustión en curso. La cantidad de gas en la sección impulsora 10 se puede ajustar para variar la relación de compresión y/o la relación de expansión. La relación de expansión se define como la relación del volumen de la sección de combustión 130 cuando el pistón 125 tienen velocidad cero después de la carrera de potencia al volumen de la sección de combustión 130 cuando el pistón 125 tiene velocidad cero después de la carrera de compresión. La relación de compresión se define como la relación del volumen de la sección de combustión 130 cuando la presión dentro de la sección de combustión 130 comienza a aumentar debido al movimiento hacia dentro del pistón 125 a la relación del volumen de la sección de combustión 130 cuando el pistón 125 tiene velocidad cero después de la carrera de compresión.

La configuración de las Figuras 12 y 13 incluye una sola unidad denominada motor 1000 y definida por el cilindro 105, el conjunto de pistón 120 y las LEM 200. Sin embargo, muchas unidades se pueden colocar en paralelo, lo que en conjunto podría denominarse "el motor". Algunos motores son modulares, de modo que pueden disponerse para funcionar en paralelo para permitir que la escala del motor se incremente según lo necesite el usuario final. Además, no es necesario que todas las unidades sean del mismo tamaño ni funcionen en las mismas condiciones (p. ej., frecuencia, estequiometría o respiración). Cuando las unidades funcionan en paralelo, existe la posibilidad de integración entre los motores, como por ejemplo. pero sin limitación a esto, intercambio de gases entre las unidades y/o retroalimentación entre las LEM 200 de las unidades.

Como se ha indicado, el motor 1000 descrito anteriormente con respecto a las Figuras 12 y 13 comprende un motor 1000 de combustión interna de dos tiempos, sección de combustión simple y único pistón. A continuación se describen, e ilustran en las figuras correspondientes, varios motores y realizaciones. Estas realizaciones no pretenden ser limitantes. Como apreciarán los expertos en la técnica, se pueden utilizar diversas modificaciones y configuraciones alternativas, y se pueden realizar otros cambios, sin apartarse del alcance de las reivindicaciones. A menos que se indique lo contrario, las características físicas y operativas de los motores y realizaciones que se describen a continuación son similares a las descritas en el motor 1000 de las Figuras 12 y 13, y los elementos similares se han etiquetado en consecuencia. Además, todos los motores y realizaciones pueden configurarse en paralelo (es decir, en configuraciones de unidades múltiples para aumentar la escala) como se establece anteriormente.

La Figura 14 ilustra un motor 1400 de resortes de gas integrados de cuatro tiempos y único pistón fuera del alcance de las reivindicaciones. La principal diferencia física entre el motor de cuatro tiempos 1400 de la Figura 14 y el motor de dos tiempos 1000 de la Figura 12 implica la ubicación de las lumbreras. En particular, en el motor de cuatro tiempos 1400, las lumbreras de escape, inyector y admisión 370 se ubican en y/o cerca de la parte inferior del cilindro 105 adyacente a la placa de impacto 230.

La Figura 15 ilustra el ciclo de pistón de cuatro tiempos 1500 para el motor de resortes de gas integrados de único pistón 1400 de la Figura 14. Un ciclo de pistón de cuatro tiempos se caracteriza por tener una carrera de potencia (expansión), una carrera de escape, una carrera de admisión y una carrera de compresión. Una carrera de potencia comienza después de la combustión, que se produce al volumen óptimo, y continúa hasta que la velocidad del pistón 125 se cero, lo que marca su posición de PMI de carrera de potencia para ese ciclo.

Durante una carrera de potencia, la LEM 200 convierte una parte de la energía cinética del conjunto de pistón 120 en energía eléctrica y otra parte de la energía cinética realiza un trabajo de compresión sobre el gas en la sección impulsora 160. Cuando está en y cerca del PMI de carrera de potencia, y si la sección impulsora debe proporcionar al menos parte del trabajo de compresión, la presión del gas en la sección impulsora 160 es mayor que la presión del gas en la sección de combustión 130, que fuerza al pistón 125 hacia dentro hacia el punto medio del cilindro 105. En el motor ilustrado 1400, el gas en la sección impulsora 160 se puede usar para proporcionar al menos parte de la energía requerida para realizar una carrera de escape. En algunos casos, la LEM 200 también puede proporcionar parte de la energía necesaria para realizar una carrera de escape. Las lumbreras de escape 370 se abren en algún punto en o cerca del PMI de carrera de potencia, que puede ser antes o después de que comience una carrera de escape. Una carrera de escape continúa hasta que la velocidad del pistón 125 es cero, lo que marca la posición de PMS de carrera de escape para ese ciclo. Las lumbreras de escape 370 se cierran en algún punto antes de que el pistón 125 alcance su posición de PMS de carrera de escape. Por lo tanto, al menos algunos productos de combustión permanecen en la sección de combustión 130. Este proceso se conoce como captura de gas residual.

Con referencia adicional a la Figura 15, en y cerca del PMS de carrera de escape, la presión de la sección de combustión 130 es mayor que la presión de la sección impulsora 160, que fuerza el pistón 125 hacia arriba. El gas residual atrapado actúa como resorte de gas para proporcionar al menos parte de la energía requerida para realizar una carrera de admisión. La LEM 200 también puede proporcionar parte de la energía necesaria para realizar una carrera de admisión. Las lumbreras de admisión 370 se abren en algún punto durante la carrera de admisión después de que la presión dentro de la sección de combustión 130 esté por debajo de la presión del gas de admisión. Una carrera de admisión continúa hasta que la velocidad del pistón 125 es cero, lo que marca la posición de PMI de carrera de admisión para ese ciclo. La posición de PMI de carrera de admisión para un ciclo dado no necesariamente tiene que ser la misma que la posición de PMI de carrera de potencia. Las lumbreras de admisión 370 se cierran en algún punto en o cerca del PMI de carrera de admisión. Una carrera de compresión continúa hasta que se produce la combustión, que es en un momento en el que la velocidad del pistón 125 es cero o cercana a cero. La posición del pistón 125 en la que su velocidad es igual a cero marca su posición PMS de carrera de compresión para ese ciclo. En y cerca del PMS de carrera de compresión, la presión del gas en la sección impulsora 160 es mayor que la presión del gas en la sección de combustión 130, lo que fuerza al pistón 125 hacia dentro. El gas en la sección impulsora 160 se usa para proporcionar al menos parte de la energía requerida para realizar una carrera de compresión. La LEM 200 también puede proporcionar parte de la energía necesaria para realizar una carrera de compresión.

La Figura 15 muestra una estrategia para intercambiar gas impulsor en la que la eliminación de gas impulsor se produce en algún punto durante la carrera de expansión y la admisión de gas impulsor de reposición se produce en algún punto durante la carrera de compresión. Como en la disposición de dos tiempos, la eliminación y admisión de gas impulsor también podría ocurrir en el orden inverso de las carreras o durante la misma carrera. Sin embargo, dado que la disposición de cuatro tiempos tiene una carrera de escape separada, que requiere menos energía para funcionar que una carrera de compresión, la regulación de la cantidad de aire en la sección impulsora 160 puede requerir un enfoque diferente, dependiendo de cuánto se use la LEM 200 para proporcionar y extraer energía durante los cuatro tiempos.

La Figura 16 ilustra una segunda realización de máquina electromagnética lineal integrada y resortes de gas, de único pistón, de dos tiempos, de un motor de combustión interna 100. El motor 1600 comprende un cilindro 105, un conjunto de pistón 520 y una sección de combustión 130. En la configuración ilustrada, el conjunto de pistón 520 comprende dos pistones 525, retenes de pistón 535 y una varilla de pistón 545. A diferencia de los motores descritos anteriormente, el conjunto de pistón 120 y los traductores 620 se ubican completamente dentro del cilindro, y la LEM 600 (incluido el estator 610) se dispone alrededor del perímetro exterior del cilindro 105. El conjunto de pistón 520 puede moverse linealmente dentro del cilindro 105. El cilindro 105 incluye además lumbreras de escape/inyector 170, lumbreras de admisión 180, lumbreras de eliminación de gas impulsor 185 y lumbreras de reposición de gas impulsor 190. Con referencia adicional a la Figura 16, este motor 1600 puede funcionar usando un ciclo de pistón de dos o cuatro tiempos usando la misma metodología expuesta anteriormente.

La Figura 17 ilustra otro ejemplo de dos pistones, dos tiempos, sección de combustión simple, resortes de gas separados de un motor de combustión interna 1700 fuera del alcance de las reivindicaciones. Similar al motor 1000, el motor 1700 comprende un cilindro principal 105, un conjunto de pistón 120 y una sección de combustión 130. Sin embargo, el motor ilustrado 1700 tiene ciertas diferencias físicas cuando se compara con el motor 1000. Específicamente, el motor 1700 incluye un cilindros exteriores 705 que contienen un pistón adicional 125, y la LEM 200 se dispone entre el cilindro principal 105 y los cilindros exteriores 705. Cada cilindro exterior 705 incluye una sección impulsora 710 ubicada entre el pistón 125 y el extremo distal del cilindro 705 y una sección impulsora trasera 720 dispuesta entre el pistón 135 y el extremo proximal del cilindro 705. Además, el cilindro 105 incluye una sección posterior de combustión 730 dispuestas entre el pistón 135 y el extremo distal del cilindro 105. La sección posterior impulsora 720 y la sección posterior de combustión 730 se mantienen a la presión atmosférica o cerca de ella. Como tal, la sección posterior impulsora 720 no se sella (es decir, el cojinete lineal 740 no tiene un retén de gas), mientras que la sección posterior de combustión 730 se sella (es decir, a través del retén 150), pero tiene lumbreras para eliminar los gases de escape (es decir, lumbrera de eliminación de gases escapados al cárter 750) y para gas de reposición (es decir, lumbrera de aire de reposición 760). En la configuración ilustrada, el conjunto de pistón 120 comprende dos pistones 125, retenes de pistón 135 y una varilla de pistón 145. El conjunto de pistón 120 tiene libertad para moverse linealmente entre el cilindro principal 105 y el cilindro exterior 705. La varilla de pistón 145 se mueve a lo largo de cojinetes y se sella por retenes de gas 150 que se fijan al cilindro 105. El cilindro 105 incluye además lumbreras de escape/inyector 170 y lumbreras de admisión 180. Sin embargo, las lumbreras de eliminación de gas impulsor 185 y las lumbreras de reposición de gas impulsor 190 se ubican en un cilindro exterior 705 que contiene uno de los dos pistones 125 del conjunto de pistón 120. Esta realización puede funcionar usando un ciclo de pistón de dos o cuatro tiempos usando la misma metodología expuesta anteriormente.

Los motores descritos anteriormente comprenden configuraciones de único pistón y de dos pistones, que incluyen: (i) un resorte de gas integrado con una máquina electromagnética lineal separada (Figuras 6-9 y 12 15), (ii) un resorte de gas completamente integrado y una máquina electromagnética lineal (Figuras 10 y 16), y (iii) un resorte de gas separado y una máquina electromagnética lineal (Figuras 11 y 17). Las Figuras 18-20 ilustran disposiciones adicionales que presentan resortes de gas internos integrados en los que el resorte de gas se integra dentro del pistón y el electromagnético lineal (LEM) se separa del cilindro de combustor. La Tabla 1 resume las distinciones clave entre las cuatro arquitecturas descritas aquí, incluyendo.

Tabla 1. Resumen de las distinciones clave entre las cuatro arquitecturas

Resorte de gas interno integrado

Como se ilustra en las Figuras 18-20 y se resume en la Tabla 1, la arquitectura del resorte de gas interno integrado (IIGS) es similar en longitud al resorte de gas integrado con arquitectura LEM separada, ilustrado en las Figuras 6-9 y 12-15. Sin embargo, la arquitectura IIGS elimina los problemas con respecto a los gases escapados al cárter de la sección de combustión que entran al resorte de gas, lo que también ocurre en la arquitectura de LEM y resorte de gas totalmente integrado.

La Figura 18 es una vista en sección transversal que ilustra una versión de dos tiempos y único pistón de la arquitectura IIGS según una realización de la invención. Muchos componentes, como la sección de combustión 130, son similares a los componentes de los motores descritos anteriormente (por ejemplo, la Figura 12), y se etiquetan en consecuencia. El motor 1800 comprende un cilindro dispuesto verticalmente 105 con un conjunto de pistón 1820 dimensionado para moverse dentro del cilindro 105 en respuesta a reacciones dentro de la sección de combustión 130 (o cámara de combustión) cerca del extremo inferior del cilindro 105. Se puede proporcionar una placa de impacto en el extremo inferior del cilindro dispuesta verticalmente para proporcionar estabilidad y resistencia al impacto durante la combustión. El conjunto de pistón 1820 comprende un pistón 1830, retenes de pistón 1835 y una varilla de resorte 1845. El conjunto de pistón 1820 puede moverse linealmente dentro del cilindro 105. Lo varilla de pistón 1845 se mueve a lo largo de cojinetes y se sella por retenes de gas 150 que se fijan al cilindro 105. En la realización ilustrada, los retenes de gas 150 son retenes de varilla de pistón. El cilindro 105 incluye lumbreras de escape/inyector 1870, 1880 para admisión de aire, combustible, gases de escape, mezcla de aire/combustibles, y/o mezclas de aire/gases de escape/combustible, escape de productos de combustión, y/o inyectores. Algunas realizaciones no requieren todas las lumbreras representadas en la Figura 18. La cantidad y los tipos de lumbreras dependen de la configuración de motor, la estrategia de inyección y el ciclo de pistón (p. ej., ciclos de pistón de dos o cuatro tiempos).

En la realización ilustrada, el motor 1800 comprende además una LEM 1850 (que incluye el estator 210 y los imanes 1825) para convertir directamente la energía cinética del conjunto de pistón 1820 en energía eléctrica. La LEM 1850 también es capaz de convertir directamente energía eléctrica en energía cinética del conjunto de pistón 1820 para proporcionar trabajo de compresión durante una carrera de compresión. Además, la LEM 1850 puede ser una máquina de imanes permanentes, una máquina de inducción, una máquina de reluctancia conmutada o una combinación de las tres. El estator 210 puede incluir imanes, bobinas, hierro o alguna combinación de los mismos. Dado que la LEM 1850 transforma directamente la energía cinética de los pistones en energía eléctrica (es decir, no hay enlaces mecánicos), las pérdidas mecánicas y por fricción son mínimas en comparación con las configuraciones convencionales de motor-generador.

Con referencia adicional a la Figura 18, el pistón 1830 comprende una sección delantera sólida (lado del combustor) y una sección posterior hueca (lado del resorte de gas). El área interior de la sección hueca del pistón 1830, entre la cara delantera del pistón y la varilla de resorte 1845, comprende un gas que sirve como resorte de gas 160, que proporciona al menos parte del trabajo requerido para realizar una carrera de compresión. El pistón 1830 se mueve linealmente dentro de la sección de combustor 130 y el estator 210 de la ^lE^m1850. El movimiento del pistón es guiado por cojinetes 1860, 1865, que pueden ser cojinetes sólidos, cojinetes hidráulicos y/o cojinetes de aire. En la realización ilustrada, el motor 1800 incluye cojinetes externos 1860 y cojinetes internos 1865. En particular, los cojinetes externos 1860 se ubican entre la sección de combustión 130 y la LEM 1850, y los cojinetes internos 1865 se ubican en el interior de la sección hueca del pistón 1830. Los cojinetes externos 1860 se fijan externamente y no se mueven con el pistón 1830. Los cojinetes internos 1865 se fijan al pistón 1830 y se mueven con el pistón 1830 contra la varilla de resorte 1845.

Continuando con la referencia a la Figura 18, la varilla de resorte 1845 sirve como una cara para el resorte de gas 160 y se fija externamente. La varilla de resorte 1845 tiene al menos un retén 1885 ubicado en su extremo o cerca de él, que sirve para mantener el gas dentro de la sección de resorte de gas 160. Los imanes 1825 se unen a la parte posterior del pistón 1830 y se mueven linealmente con el pistón 1830 dentro del estator 210 de la LEM 1850. El pistón 1830 tiene retenes 1835 para mantener los gases en las secciones respectivas. La realización ilustrada incluye (i) retenes delanteros que se fijan al pistón 1830 en o cerca de su extremo delantero para evitar que los gases se transfieran desde la sección de combustión 130, y (ii) retenes posteriores que se fijan al cilindro 105 y mantienen los gases de admisión y/o los gases escapados al cárter para que no transfieran al entorno.

La Figura 19 es una vista en sección transversal que ilustra una realización 1900 de una varilla de resorte de gas 1845 según los principios de la invención. Específicamente, la varilla de resorte 1845 incluye una luz central 1910 que permite transferir masa entre la sección de resorte de gas 160 a una sección de depósito 1920 que está en comunicación con el entorno. La comunicación con el entorno se controla a través de una válvula 1930. La cantidad de masa en el resorte de gas 1845 se regula para controlar la presión dentro del resorte de gas 1845 de modo que haya suficiente trabajo de compresión disponible para el siguiente ciclo del pistón.

La Figura 20 es una vista en sección transversal que ilustra una versión de dos tiempos y dos pistones del motor IIGS 2000 según una realización de la invención. La mayoría de los elementos de la realización de dos pistones son similares a aquellos de la realización de único pistón de la Figura 18, y los elementos similares se etiquetan en consecuencia. Además, las características operativas de las realizaciones de uno y dos pistones son similares a las descritas en las realizaciones y otros motores descritos anteriormente, incluidos todos los aspectos del alternador lineal, la respiración, las estrategias de combustión, etc.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un motor de combustión lineal que comprende:

un cilindro principal (105) que comprende una sección de combustión (130);

un cilindro exterior (705), separado del cilindro principal (105), que comprende una sección impulsora (710) configurada para proporcionar al menos algo de trabajo de compresión durante una carrera de compresión del motor de combustión lineal, la sección impulsora (710) comprende un resorte de gas, en donde el cilindro principal (105) y el cilindro exterior (705) se configuran de manera que los gases escapados al cárter de la sección de combustión (130) no fluyan hacia la sección impulsora (710);

un cojinete de gas (1860, 1865);

un conjunto de pistón (120) configurado para desplazarse linealmente, comprendiendo el conjunto de pistón (120):

un primer pistón dentro del cilindro principal entre una posición de punto muerto superior y una posición de punto muerto inferior,

un segundo pistón dentro del cilindro exterior, y

una varilla de pistón (145) acoplada al primer pistón y al segundo pistón, y configurada para moverse a lo largo del cojinete de gas (1860, 1865);

un traductor (220) configurado para moverse con el conjunto de pistón; y

un estator (210) configurado para:

convertir la energía cinética del conjunto de pistón (120) en energía eléctrica en función del movimiento relativo del traductor (220), y

convertir la energía eléctrica en energía cinética del conjunto del pistón,

en donde el motor de combustión lineal se configura para funcionar usando ignición por compresión.

2. El motor de combustión lineal de la reivindicación 1, en donde el motor de combustión lineal se configura para lograr una relación de compresión variable menor o igual que una relación de expansión variable.

3. El motor de combustión lineal de la reivindicación 1, en donde:

el estator se dispone entre el cilindro principal y el cilindro exterior; y

la varilla de pistón se extiende dentro del cilindro principal y dentro del cilindro exterior.

4. El motor de combustión lineal de la reivindicación 3, en donde el cilindro principal comprende un retén de gas alrededor de la varilla de pistón configurado para sellar el interior del cilindro principal del exterior del cilindro principal.

5. El motor de combustión lineal de la reivindicación 1, en donde el traductor y el estator forman una máquina electromagnética lineal seleccionada del grupo que consiste en una máquina de imán permanente, una máquina de inducción, una máquina de reluctancia conmutada y una combinación de las mismas.

6. El motor de combustión lineal de la reivindicación 1, que comprende además una o más lumbreras configuradas para permitir el intercambio de materia entre el interior del cilindro principal y el exterior del cilindro principal.

7. El motor de combustión lineal de la reivindicación 1, en donde:

el cilindro exterior es un primer cilindro exterior;

el conjunto de pistón es un primer conjunto de pistón;

la varilla de pistón es una primera varilla de pistón;

la posición del punto muerto superior es una primera posición de punto muerto superior; y

la posición del punto muerto inferior es una primera posición de punto muerto inferior, comprendiendo además el motor de combustión lineal:

un segundo cilindro exterior que comprende una segunda sección impulsora;

un segundo conjunto de pistón configurado para desplazarse linealmente y opuesto al primer conjunto de pistón, comprendiendo el segundo conjunto de pistón:

un tercer pistón dentro del cilindro principal entre una segunda posición de punto muerto superior y una segunda posición de punto muerto inferior,

un cuarto pistón dentro del cilindro exterior, y

una segunda varilla de pistón acoplada al tercer pistón y al cuarto pistón;

un segundo traductor acoplado al segundo conjunto de pistón, y

un segundo estator configurado para convertir la energía cinética del segundo conjunto de pistón en energía eléctrica en función del movimiento relativo del segundo traductor.

8. El motor de combustión lineal de la reivindicación 7, en donde:

el primer conjunto de pistón es un primer conjunto de pistón libre; y

el segundo conjunto de pistón es un segundo conjunto de pistón libre.

9. El motor de combustión lineal de la reivindicación 7, en donde:

el primer conjunto de pistón comprende además uno o más primeros retenes de pistón; y

el segundo conjunto de pistón comprende además uno o más segundos retenes de pistón.

10. El motor de combustión lineal de la reivindicación 7, en donde el motor funciona utilizando un ciclo de pistón de dos tiempos que incluye una carrera de potencia y una carrera de compresión.

11. El motor de combustión lineal de la reivindicación 7, en donde el motor funciona usando un ciclo de pistón de cuatro tiempos que incluye una carrera de admisión, la carrera de compresión, una carrera de potencia y una carrera de escape.

12. El motor de combustión lineal de la reivindicación 1, en donde el conjunto de pistón es un conjunto de pistón libre.

13. El motor de combustión lineal de la reivindicación 1, en donde el conjunto de pistón comprende además; uno o más primeros retenes de pistón acoplados al primer pistón; y

uno o más segundos retenes de pistón acoplados al segundo pistón.

14. El motor de combustión lineal de la reivindicación 1, en donde el motor funciona utilizando un ciclo de pistón de dos tiempos que incluye una carrera de potencia y la carrera de compresión.

15. El motor de combustión lineal de la reivindicación 1, en donde el motor funciona usando un ciclo de pistón de cuatro tiempos que incluye una carrera de admisión, la carrera de compresión, una carrera de potencia y una carrera de escape.