JP6790027B2 - 高効率線形燃焼機関 - Google Patents
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Description
本願は、米国特許出願第13/298,206号(2011年11月16日出願)の一部継続出願であり、該出願は、米国特許出願第13/102,916号(2011年5月6日出願)の一部継続出願であり、該出願は、米国特許出願第12/953,277号および第12/953,270号(2010年11月23日出願)の一部継続出願である。これらの出願は、それらの全体が参照により本明細書に援用される。
本発明は、高効率線形燃焼機関に関し、より具体的には、いくつかの実施形態は、自由ピストン機関構造を仕事抽出のための線形電磁機械および革新的燃焼制御方式と共に使用することによって、高圧縮/膨張比に到達可能な高効率線形燃焼機関に関する。
本明細書は、例えば、以下の項目を提供する。
(項目1)
シリンダ壁および一対の端部を有するシリンダであって、上記シリンダは、上記シリンダの中央部分に配置されている燃焼区画を含む、シリンダと、
上記シリンダ内を線形に移動するように適合されている一対の対向ピストンアセンブリであって、各ピストンアセンブリは、他方のピストンアセンブリと反対の上記燃焼区画の片側に配置されている、ピストンアセンブリと、
一対の駆動区画であって、各駆動区画は、上記機関の圧縮ストローク中に少なくともいくらかの圧縮仕事を提供する圧縮機構を備えている、駆動区画と、
一対の線形電磁機械と
を備え、
上記一対の線形電磁機械は、上記ピストンアセンブリの運動エネルギーを電気エネルギーに直接変換するように適合され、かつ、上記圧縮ストローク中、電気エネルギーを上記ピストンアセンブリの運動エネルギーに直接変換することにより、圧縮仕事を提供するように適合され、各線形電磁機械は、上記シリンダの端部の遠位に位置している、
線形燃焼機関。
(項目2)
上記機関は、可変膨張比以下の可変圧縮比を含む、項目1に記載の線形燃焼機関。
(項目3)
上死点における上記燃焼区画の長さは、0.2インチから4インチである、項目1に記載の線形燃焼機関。
(項目4)
上記機関は、50:1を上回る可変膨張比を含む、項目1に記載の線形燃焼機関。
(項目5)
上記機関は、75:1を上回る可変膨張比を含む、項目1に記載の線形燃焼機関。
(項目6)
各ピストンアセンブリは、ピストン、ピストンシール、およびピストンロッドを備え、上記ピストンロッドは、軸受に沿って、上記シリンダの内部および外部を線形に移動し、上記シリンダに固定されているガスシールによって密閉されている、項目1に記載の線形燃焼機関。
(項目7)
各ピストンアセンブリは、2つのピストン、2つのピストンシール、および1つのピストンロッドを備え、
各ピストンアセンブリは、上記シリンダによって封入され、上記シリンダ内を線形に移動するように構成されている、項目1に記載の線形燃焼機関。
(項目8)
各線形電磁機械は、固定子と、ピストンアセンブリに取り付けられ、上記固定子内を線形に移動する変換器とを備えている、項目1に記載の線形燃焼機関。
(項目9)
各線形電磁機械は、永久磁石機械、誘導機械、スイッチドリラクタンス機械、またはそれらの組み合わせを備えている、項目1に記載の線形燃焼機関。
(項目10)
上記圧縮機構は、モータとして動作される線形交流発電機またはガススプリングを備え、上記ガススプリングは、上記ピストンアセンブリと連通する上記駆動区画内に位置するある容量のガスを備えている、項目1に記載の線形燃焼機関。
(項目11)
燃料は、燃料注入器を介して上記燃焼区画内に直接注入されるか、または、空気吸入の前または空気吸入中に空気と混合され、上記機関は、液体またはガス状燃料を使用して、希薄、化学量論的、または過濃燃焼による動作が可能である、項目1に記載の線形燃焼機関。
(項目12)
排出ガスおよび流体が上記シリンダに流入し、上記シリンダから流出することを可能にする1つ以上の排出/注入ポートと、
空気、空気/燃料混合物、または、空気/燃料/燃焼生成物混合物の吸入を可能にする1つ以上の吸入ポートと、
駆動ガスの除去を可能にする1つ以上の駆動ガス除去ポートと、
上記駆動区画のための補給ガスの吸収を可能にする1つ以上の駆動ガス補給ポートと
をさらに備えている、項目1に記載の線形燃焼機関。
(項目13)
上記機関は、出力ストロークおよび圧縮ストロークを含む2ストロークピストンサイクルを使用して動作する、項目1に記載の線形燃焼機関。
(項目14)
上記機関は、上記出力ストロークと上記圧縮ストロークとの間の下死点近傍において、燃焼生成物を排出し、空気、空気/燃料混合物、または、空気/燃料/燃焼生成物混合物を吸入する、項目11に記載の線形燃焼機関。
(項目15)
出力ストローク中、上記ピストンアセンブリの運動エネルギーの一部は、上記線形電磁機械によって電気エネルギーに変換され、上記運動エネルギーの別の部分は、上記駆動区画内のガスに対して圧縮仕事を行う、項目11に記載の線形燃焼機関。
(項目16)
上記機関は、吸入ストローク、圧縮ストローク、出力ストローク、および排出ストロークを含む4ストロークピストンサイクルを使用して動作する、項目1に記載の線形燃焼機関。
(項目17)
出力ストローク中、上記ピストンアセンブリの運動エネルギーの一部は、上記線形電磁機械によって電気エネルギーに変換され、上記運動エネルギーの別の部分は、上記駆動区画内のガスに対して圧縮仕事を行う、項目16に記載の線形燃焼機関。
(項目18)
排出ストロークは、全ての排出ポートが閉鎖し、上記ピストンの速度がゼロになるまで継続し、少なくともいくらかの燃焼生成物が上記燃焼区画内に残留する、項目16に記載の線形燃焼機関。
(項目19)
吸入ストロークは、上記ピストンの速度がゼロになり、全ての吸入ポートが閉鎖するまで継続する、項目16に記載の線形燃焼機関。
(項目20)
機関点火は、スパークまたは圧縮点火によって達成され、最適燃焼は、その最適容積において、その自動点火温度に到達するように、上記燃焼区画内のガス温度を適度にすることによって達成される、項目1に記載の線形燃焼機関。
(項目21)
上記シリンダは、上記燃焼区画と一対の外側シリンダ部分とを収容する主要シリンダ部分を備え、上記外側シリンダ部分は、上記主要シリンダのいずれの側にも位置し、各外側シリンダ部分は、駆動区画を収容する、項目1に記載の線形燃焼機関。
(項目22)
上記シリンダは、上記燃焼区画および上記駆動区画を収容する、項目1に記載の線形燃焼機関。
(項目23)
上記駆動区画は、圧縮ストローク中に少なくともいくらかの圧縮仕事を提供する、項目1に記載の線形燃焼機関。
(項目24)
シリンダ壁および一対の端部を有するシリンダであって、上記シリンダは、上記シリンダの中央部分に配置されている燃焼区画を含む、シリンダと、
上記シリンダ内を線形に移動するように適合されている一対の対向ピストンアセンブリであって、各ピストンアセンブリは、他方のピストンアセンブリと反対の上記燃焼区画の片側に配置され、各ピストンアセンブリは、スプリングロッドと、上記燃焼区画に隣接する中実正面区画および駆動区画を備えているピストンとを含む、ピストンアセンブリと、
一対の線形電磁機械と
を備え、
上記一対の線形電磁機械は、上記ピストンアセンブリの運動エネルギーを電気エネルギーに直接変換するように適合され、かつ、上記圧縮ストローク中、電気エネルギーを上記ピストンアセンブリの運動エネルギーに直接変換することにより、圧縮仕事を提供するように適合されている、
線形燃焼機関。
(項目25)
上記駆動区画は、上記機関の圧縮ストローク中に少なくともいくらかの圧縮仕事を直接提供するガススプリングを含む中空背面区画を備えている、項目24に記載の線形燃焼機関
(項目26)
上記ピストンアセンブリは、上記燃焼区画および上記線形電磁機械との間に位置する外部軸受と、上記ピストンの上記中空区画内に位置する内部軸受とをさらに備えている、項目25に記載の線形燃焼機関。
(項目27)
上記スプリングロッドの一端は、上記ガススプリングの1つの面を備えている、項目25に記載の線形燃焼機関。
(項目28)
上記ピストンアセンブリは、上記ピストンに取り付けられた磁石をさらに備え、上記磁石は、上記線形電磁機械の固定子内で上記ピストンとともに線形に移動する、項目24に記載の線形燃焼機関。
(項目29)
上記ピストンアセンブリは、その前端またはその近傍において上記ピストンに固定され、ガスが上記燃焼区画から移動されないようにする正面シールと、吸入ガスまたはブローバイガスが周囲に移動しないようにする背面シールとをさらに備えている、項目24に記載の線形燃焼機関。
(項目30)
上記スプリングロッドは、上記駆動区画から、周囲と連通しているリザーバ区画へと質量が移動されることを可能にする中心管腔を含む、項目25に記載の線形燃焼機関。
(項目31)
上死点における上記燃焼区画の長さは、0.2インチから4インチである、項目24に記載の線形燃焼機関。
(項目32)
上記機関は、可変膨張比以下の可変圧縮比を含む、項目24に記載の線形燃焼機関。
(項目33)
上記機関は、50:1を上回る可変膨張比を含む、項目24に記載の線形燃焼機関。
(項目34)
上記機関は、75:1を上回る可変膨張比を含む、項目24に記載の線形燃焼機関。
(項目35)
各線形電磁機械は、永久磁石機械、誘導機械、スイッチドリラクタンス機械、またはそれらの組み合わせを備えている、項目24に記載の線形燃焼機関。
(項目36)
燃料は、燃料注入器を介して上記燃焼区画内に直接注入されるか、または、空気吸入の前または空気吸入中に空気と混合され、上記機関は、液体またはガス状燃料を使用して、希薄、化学量論的、または過濃燃焼による動作が可能である、項目24に記載の線形燃焼機関。
(項目37)
排出ガスおよび流体が上記シリンダに流入し、上記シリンダから流出することを可能にする1つ以上の排出/注入ポートと、
空気、空気/燃料混合物、または、空気/燃料/燃焼生成物混合物の吸入を可能にする1つ以上の吸入ポートと、
駆動ガスの除去を可能にする1つ以上の駆動ガス除去ポートと、
上記駆動区画のための補給ガスの吸収を可能にする1つ以上の駆動ガス補給ポートと
をさらに備えている、項目24に記載の線形燃焼機関。
(項目38)
上記機関は、出力ストロークおよび圧縮ストロークを含む2ストロークピストンサイクルを使用して動作する、項目24に記載の線形燃焼機関。
(項目39)
上記機関は、上記出力ストロークと上記圧縮ストロークとの間の下死点近傍において、燃焼生成物を排出し、空気、空気/燃料混合物、または、空気/燃料/燃焼生成物混合物を吸入する、項目36に記載の線形燃焼機関。
(項目40)
出力ストローク中、上記ピストンアセンブリの運動エネルギーの一部は、上記線形電磁機械によって電気エネルギーに変換され、上記運動エネルギーの別の部分は、上記駆動区画内のガスに対して圧縮仕事を行う、項目36に記載の線形燃焼機関。
(項目41)
上記機関は、吸入ストローク、圧縮ストローク、出力ストローク、および排出ストロークを含む4ストロークピストンサイクルを使用して動作する、項目24に記載の線形燃焼機関。
(項目42)
出力ストローク中、上記ピストンアセンブリの運動エネルギーの一部は、上記線形電磁機械によって電気エネルギーに変換され、上記運動エネルギーの別の部分は、上記駆動区画内のガスに対して圧縮仕事を行う、項目41に記載の線形燃焼機関。
(項目43)
排出ストロークは、全ての排出ポートが閉鎖し、上記ピストンの速度がゼロになるまで継続し、少なくともいくらかの燃焼生成物が上記燃焼区画内に残留する、項目41に記載の線形燃焼機関。
(項目44)
吸入ストロークは、上記ピストンの速度がゼロになり、全ての吸入ポートが閉鎖するまで継続する、項目41に記載の線形燃焼機関。
(項目45)
機関点火は、スパークまたは圧縮点火によって達成され、最適燃焼は、その最適容積において、その自動点火温度に到達するように、上記燃焼区画内のガス温度を適度にすることによって達成される、項目24に記載の線形燃焼機関。
(統合された内部ガススプリング)
図18−20に図示され、表1に要約されるように、統合された内部ガススプリング(IIGS)構造は、図6−9および12−15に図示される分離されたLEM構造を伴う統合されたガススプリングに長さが類似する。しかしながら、IIGS構造は、完全統合されたガススプリングおよびLEM構造内でも生じる、ガススプリングに流入する燃焼区画からのブローバイガスに関する課題を排除する。
Claims (11)
- 自由ピストン燃焼機関であって、
前記自由ピストン燃焼機関は、
燃焼区画と、
ピストンアセンブリであって、
前記ピストンアセンブリは、
前記燃焼区画と接触している第1のピストンと、
第2のピストンと、
前記第1のピストンおよび前記第2のピストンを結合するピストンロッドと
を含む、ピストンアセンブリと、
ガス軸受であって、前記ピストンロッドは前記ガス軸受に沿って移動するように配置されている、ガス軸受と、
前記第2のピストンと接触している駆動区画であって、前記駆動区画は、前記ピストンアセンブリの圧縮ストロークのためのエネルギーを提供するように構成されている、駆動区画と、
前記ピストンアセンブリの運動エネルギーを電気エネルギーに直接変換するように構成されている線形電磁機械と
を含み、
前記ピストンアセンブリは、線形に移動するように構成されている、自由ピストン燃焼機関。 - 前記機関は、可変膨張比以下の可変圧縮比で動作するように構成されている、請求項1に記載の自由ピストン燃焼機関。
- 前記線形電磁機械は、
固定子と、
前記固定子内で線形に移動するように構成されている前記ピストンアセンブリに取り付けられた変換器と
を含む、請求項1に記載の自由ピストン燃焼機関。 - 前記駆動区画は、ガスの容積を含むガススプリングを含む、請求項1に記載の自由ピストン燃焼機関。
- 前記駆動区画へのガスおよび前記駆動区画からのガスの交換を可能にするように構成されている1つ以上の駆動ガス交換ポートをさらに含む、請求項4に記載の自由ピストン燃焼機関。
- 前記機関の膨張ストロークの間に、前記ピストンアセンブリの前記運動エネルギーの一部分は、前記線形電磁機械によって電気エネルギーに変換され、前記運動エネルギーの別の部分は、前記駆動区画上で圧縮仕事を行う、請求項1に記載の自由ピストン燃焼機関。
- 前記自由ピストン燃焼機関は、スパーク点火なしに動作するように構成されている、請求項1に記載の自由ピストン燃焼機関。
- 前記駆動区画は、第1の駆動区画であり、
前記ピストンアセンブリは、第1のピストンアセンブリであり、
前記線形電磁機械は、第1の線形電磁機械であり、
前記自由ピストン燃焼機関は、
前記機関の圧縮ストロークの間において第2のピストンアセンブリのための圧縮仕事を提供するように構成されている第2の駆動区画と、
前記第2のピストンアセンブリの運動エネルギーを電気エネルギーに直接変換するように配置され構成されている第2の線形電磁機械と
をさらに含み、
前記第2のピストンアセンブリは、前記燃焼区画に隣接し、前記第2の駆動区画は、線形に移動するように構成されている、請求項1に記載の自由ピストン燃焼機関。 - 前記駆動区画は、前記機関の圧縮比および前記機関の膨張比のうちの少なくとも1つを前記駆動ガスの量に基づいて変動させるように調節可能であるように構成されている、請求項1に記載の自由ピストン燃焼機関。
- 前記ピストンロッドは、前記第1のピストンおよび前記第2のピストンを強固に結合する、請求項1に記載の自由ピストン燃焼機関。
- 前記変換器は、前記ピストンアセンブリの前記ピストンロッドに取り付けられている、請求項3に記載の自由ピストン燃焼機関。
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