自由活塞式發(fā)動機驅動型發(fā)電機的活塞的制作方法
【專利摘要】一種用于自由活塞式發(fā)動機驅動型發(fā)電機的活塞，包括沿活塞軸同軸布置的一個或更多元件，其中所述活塞的長度至少為其最大直徑的五倍，其中所述元件中的至少一個由導磁復合材料形成，該導磁材料具有比電工鋼的各向同性電阻率的兩倍大的各向同性電阻率，這種布置提供改進的自由活塞位置控制、更一致的燃燒和改進的電轉換效率。
【專利說明】自由活塞式發(fā)動機驅動型發(fā)電機的活塞
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種活塞，特別地，涉及一種用于自由活塞式發(fā)動機驅動型發(fā)電機的活塞。
【背景技術】
[0002]在常規(guī)的內燃機中，活塞由于被連接至曲軸而被機械地限制在其汽缸中，曲軸由于活塞在汽缸中的往復線性移動而被旋轉性地驅動。然而，在自由活塞式發(fā)動機中，活塞不與曲軸連接，盡管活塞可以被提供在具有例如在US-A-7383796中教導的外部機械聯接的這種類型的發(fā)電機中。
[0003]進一步地，已知可通過在自由活塞式發(fā)動機中的往復活塞通過一個或更多電線圈的移動產生磁通變化來發(fā)電，例如US-A-7318506。在這種布置中，活塞攜帶第一線圈且隨著其在汽缸中的往復運動其在環(huán)繞該汽缸的第二線圈中產生電流。然而，活塞由可滲透磁通的固體材料制成，且必須相對于汽缸的長度非常短，以使其在穿過第二線圈時可以感應磁通變化。
[0004]在現有的自由活塞式發(fā)動機中，活塞的長度通常小于燃燒室的汽缸孔的直徑的五倍。自由活塞式發(fā)動機中的電機的輸出功率由氣隙的面積決定，為了實現由直徑和工作容積確定的用于給定燃燒室的幾何形狀的足夠的氣隙面積，電機的直徑通常大于燃燒室的直徑。這種直徑的變化需要復雜和昂貴的機械方法來密封每個燃燒室，并確保它們彼此同軸對準，且與中間的電機的軸同軸對準。
[0005]自由活塞式發(fā)動機驅動型發(fā)電機的三個主要的設計挑戰(zhàn)為:
[0006]第一，要實現尺寸適于發(fā)動機的燃燒功率輸出的電機的高電機效率；
[0007]第二，要實現活塞運動控制和燃燒室設計的良好度，以使能夠確保燃燒過程效率和完全性；
[0008]第三，以盡可能最低的成本解決以上兩種挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內容】

[0009]本發(fā)明提供一種與活塞、燃燒室和電機的設計有關的部件的有利組合，這些部件共同提供一種高效率的燃燒過程，允許燃燒功率輸出的高效率的電功率轉換，提供作用于低活塞質量的高電機控制力用于更一致的燃燒過程控制，并且避免在活塞中使用昂貴的稀土磁性材料和發(fā)動機中燃燒機構和發(fā)電機構之間復雜的設計接口。因此，本發(fā)明處理了每個指明的設計挑戰(zhàn)。
[0010]根據本發(fā)明，提供一種用于發(fā)動機驅動型發(fā)電機的活塞，包括一個或更多導磁元件，該一個或更多導磁元件具有各向同性的導磁率和電阻率，沿活塞軸布置并通過夾緊裝置或其它裝置固定，以使相鄰元件之間保持接觸，其中該活塞的長度至少為其最大直徑的五倍。
[0011]活塞長度與活塞直徑的比率提供燃燒室的功率輸出和具有與細長活塞的圓柱形表面相同的面積的氣隙的功率容量之間更好的匹配。因此，氣隙直徑和燃燒室直徑可以相等，且位于活塞的相對端部的燃燒室之間不需要直徑的變化，因此，這種活塞使得自由活塞式發(fā)動機能夠以比現有類型的自由活塞式發(fā)動機更低的成本構造。
[0012]進一步地，本發(fā)明提供一種活塞，該活塞在發(fā)動機驅動型發(fā)電機中特別有效，具有沿活塞在其中往復移動的汽缸隔開的多個線圈，其線圈提供軸向磁通電機結構，其中環(huán)形磁通回路與活塞的行進方向同軸?；钊母飨蛲缘拇艑屎碗娮杪试试S此軸向磁通結構具有在活塞中的最小渦流損耗，提供比其它自由活塞式發(fā)動機電機構思更高的效率和控制力。進一步地，在該軸向磁通構造中的移動活塞質量低于在等效橫向磁通構造中的可能的移動活塞質量，改進了由線圈施加的電磁力的控制權，并允許與橫向磁通構造相比改進的活塞運動控制。
[0013]優(yōu)選地，活塞頂被提供在活塞的每個端部，以保護鐵芯和隔離元件免受燃燒的影響?？商娲兀總€活塞可具有面向燃燒室的單個活塞頂，活塞的相對端面向用作在每個動力沖程結束時反轉活塞的方向的緩沖室。可替代地，每個活塞可具有面向兩個對置的活塞之間的中心燃燒室的單個活塞頂，該兩個對置的活塞以彼此相反的相位移動以實現充分平衡的發(fā)電機單元。
[0014]優(yōu)選地，活塞頂由諸如陶瓷或鈦的輕質、耐高溫和絕緣的材料制成，和/或具有凹面以減少在上止點時的熱損失。優(yōu)選地，活塞頂涂覆氧化催化劑材料或由氧化催化劑材料制成，該氧化催化劑材料提高燃燒室中的燃燒的一致性和完全性。優(yōu)選地，活塞頂的暴露的表面面積至少為活塞的截面面積的兩倍，從而提高燃燒催化劑的效力。
[0015]優(yōu)選地，活塞軸為中空的，以減小活塞質量，并且同軸布置在活塞軸上的一個或更多導磁元件形成為具有相同外徑的環(huán)形圈。優(yōu)選地，汽缸的圓周表面的一部分涂覆減阻和耐磨材料。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]現在將參照附圖描述本發(fā)明的示例，其中:
[0017]圖1示出具有根據本發(fā)明示例的活塞的自由活塞式發(fā)動機驅動型發(fā)電機的汽缸的縱剖面，該活塞在兩個端部均具有活塞頂；
[0018]圖2為圖1中的活塞的縱剖面，示出同軸布置在中空活塞軸上的元件的構造；
[0019]圖3為活塞的垂直剖面，示出軸和環(huán)形元件的同心布置；
[0020]圖4為活塞的替代實施例的縱剖面，其只在一個端部具有活塞頂；
[0021]圖5為圖1中的活塞和汽缸的剖視圖，例示由線圈和根據本發(fā)明的活塞的移動在開關定子元件中引起的磁通；
[0022]圖6為活塞和汽缸的垂直剖面，示出極為接近地布置在活塞中的線性發(fā)電機定子和導磁元件；
[0023]圖7為在充氣位移掃氣階段期間進氣閥、進氣滑動口閥開口和燃料噴射器的布置的更詳細的縱剖面；
[0024]圖8為在排氣階段期間包括排氣閥和致動器的排氣裝置的更詳細的縱剖面；
[0025]圖9為示出在完整的發(fā)動機循環(huán)期間汽缸內的變化的活塞位置和在該期間發(fā)動機循環(huán)事件定時的時間-位移圖；[0026]圖10為示出在完整的發(fā)動機循環(huán)期間典型的汽缸壓力圖的壓力-容積圖；
[0027]圖11為在壓縮階段終點并大約在第一室內燃燒事件的火花點火和啟動時在上止點的汽缸的示意縱剖面；
[0028]圖12為第一室的膨脹階段中途的汽缸的示意縱剖面；
[0029]圖13為在膨脹階段終點并在進氣和排氣閥打開之前的汽缸的示意縱剖面；
[0030]圖14為在進氣閥打開以充滿室I后的汽缸的示意縱剖面，允許充氣流體壓力等于第一室中的較低汽缸壓力；
[0031]圖15為在排氣閥打開并且同時進氣閥仍然打開以對第一室掃氣后的汽缸的示意縱剖面；
[0032]圖16為在進氣閥已關閉后在燃料噴射到第一室期間的汽缸的示意縱剖面；
[0033]圖17為在潤滑劑和/或冷卻劑噴射到活塞外表面上期間的汽缸的示意縱剖面；
[0034]圖18為排氣閥打開并且進氣閥和滑動口閥關閉后以使通過活塞位移實現從第一室繼續(xù)排出廢氣的汽缸的示意縱剖面；
[0035]圖19為第一室中的壓縮階段中途的汽缸的示意縱剖面；
[0036]在這些附圖和說明書中，使用以下標記:
[0037]1-汽缸
[0038]Ia-第一進氣口開口
[0039]Ib-第二進氣口開口
[0040]2-活塞
[0041]2a_活塞外表面
[0042]2b-活塞端面
[0043]2c-活塞軸
[0044]2d-活塞頂
[0045]2e-潤滑控制部件
[0046]2f-導磁活塞磁心元件
[0047]2g-非導磁活塞隔離元件
[0048]2h-活塞軸端部
[0049]21-活塞軸蓋
[0050]3-第一燃燒室
[0051]3a_第一燃燒室高度
[0052]3b-第一燃燒室直徑
[0053]4-第二燃燒室
[0054]5-燃料噴射裝置
[0055]5a-燃料
[0056]6-進氣裝置
[0057]6a_進氣滑動口閥開口
[0058]6b-進氣 口
[0059]6c-進氣閥
[0060]6d-進氣閥致動器[0061]6e_充氣壓縮機
[0062]6f-進氣歧管
[0063]6g_進氣閥凹部
[0064]6h-進氣通道
[0065]7-排氣裝置
[0066]7a-汽缸蓋
[0067]7b_排氣閥
[0068]7c-排氣閥致動器
[0069]7d-排氣歧管通道
[0070]8-點火裝置
[0071]9-線性發(fā)電機裝置
[0072]9a_ 線圈
[0073]9b-開關裝置
[0074]9c-導磁定子元件
[0075]9d-控制模塊
[0076]9e-電輸出裝置
[0077]10-潤滑劑和冷卻劑施加裝置
[0078]Tl、T2、T3和T4-定子和活塞元件中的環(huán)形磁通路線
【具體實施方式】
[0079]圖1示出提供在自由活塞式發(fā)動機驅動型發(fā)電系統(tǒng)中的本發(fā)明的示例?？梢娀钊?沿汽缸I的長度自由移動，活塞被約束為與汽缸I同軸對準，從而將汽缸I有效地分隔成第一燃燒室3和第二燃燒室4，每個室根據活塞2在汽缸I內的位置而具有可變容積?；钊?的任何部分都不伸出汽缸I。使用第一室3作為示例,室3、4中的每個均具有可變高度3a和固定直徑3b。
[0080]優(yōu)選地，汽缸I圍繞其軸線旋轉對稱，并相對于垂直于其軸線的中心平面對稱。盡管其它幾何形狀可能被用于實施本發(fā)明，例如具有正方形或矩形截面的活塞，但是具有圓形截面活塞的布置是優(yōu)選的。汽缸I具有沿其長度并遠離端部提供的、優(yōu)選在中心位置的一連串開口 la、lb。通過活塞2的運動，與對應的開口 6a對準的開口 la、lb形成滑動口進氣閥，滑動口進氣閥被布置為結合圍繞汽缸I的至少一部分提供的進氣口 6b操作，如下面詳細描述的那樣。
[0081]圖2示出具有外表面2a并包括中心軸2c的活塞2, —連串柱形元件被安裝在中心軸2c上。這些柱形元件可包括在中心軸2c的每個端部處的活塞頂2d，每個活塞頂2d優(yōu)選由諸如陶瓷的耐高溫和絕緣的材料構成。活塞頂端面2b優(yōu)選為微凹的，以減小在上止點時第一室3和第二室4的表面積與容積的比，從而減少熱損失?？商娲?，活塞頂2d可由用作氧化催化劑的材料制成或涂覆該材料，以確保燃燒的完全性，在這種情況下，優(yōu)選的是活塞頂2b的暴露端面的面積基本上大于活塞的截面面積，從而作用于燃燒室容積內容物上的催化劑表面效應被提高。當然，如果汽缸具有不同的幾何形狀，那么這些元件的構造將被相應地調整。[0082]活塞外表面2a的一部分可涂覆減阻和耐磨材料?；钊?d可包括潤滑控制部件2e，以在發(fā)動機操作期間控制汽缸I的潤滑潤濕程度。這些潤滑控制部件可包括傳統(tǒng)內燃機中常用的槽和控油環(huán)。
[0083]一個或更多導磁鐵芯元件2f被安裝在活塞軸2c上。每個鐵芯元件2f由具有各向同性磁導率和各向同性電阻率的導磁材料構成，以減少發(fā)動機操作期間的渦流損失。
[0084]隔離元件2g也被安裝在活塞軸2c上。每個隔離元件2g理想上具有低磁導率并優(yōu)選由諸如鋁合金的輕質材料構成。
[0085]優(yōu)選地，導磁鐵芯元件由諸如軟磁復合材料(SMC)的電滲透(electricallypermeable)復合材料形成，該電滲透復合材料在所有方向上均具有比電工鋼的各向同性電阻率的兩倍大且大于5.0Χ10_6Ω.πι的各向同性電阻率。這種各向同性的特性允許使用諸如圖5中所示并在下面描述的非平面磁通回路，這些回路不會引起由于感應渦流而產生的高鐵損。這種渦流將引起非常大的電損耗，使用傳統(tǒng)的鋼疊片來施加這種非平面磁回路結構，因為疊片平面中的電阻率通常非常低。
[0086]導磁鐵芯元件2f和非導磁隔離元件2g的設計使鐵芯元件2f以正確的節(jié)距定位，以如同例如線性開關磁阻或開關磁通發(fā)電機的一部分那樣高效操作，該開關磁阻或開關磁通發(fā)電機包括移動活塞2和例如沿活塞在其中往復運動的汽缸的長度隔開的多個線圈的線性發(fā)電機裝置。
[0087]活塞的總長度優(yōu)選是其直徑的至少五倍，并且在任何情況下至少足夠長以完全關閉滑動口閥，從而進氣通道6h決不允許燃燒室3和4連通。
[0088]活塞軸端部2h被機械變形或用另外的方式固定到活塞頂2d，從而安裝至活塞軸2c的元件2f和2g在活塞軸2c中所保持的張力的作用下被牢固地保持。
[0089]圖3為活塞2的剖視圖，示出活塞軸2c穿過鐵芯元件2f。
[0090]圖4示出了本發(fā)明的替代實施例，其中活塞2只在一個端部具有活塞頂2d，另一端用輕質活塞軸蓋元件2i密封。此實施例適于使用在對置活塞自由活塞式發(fā)動機中，或者適于使用在這樣的自由活塞式發(fā)動機中:在該自由活塞式發(fā)動機中，每個汽缸在其一個端部具有單個燃燒室，另一端具有用作在每個動力沖程結束時反轉活塞的方向的緩沖室。
[0091]圖5示出圍繞汽缸I的外側并沿其長度的至少一部分提供的便于活塞2與電輸出裝置9e之間的能量傳遞以及用于施加控制活塞的位置和移動的力的線性發(fā)電機裝置9的示例。線性發(fā)電機裝置9包括沿著線性發(fā)電機裝置9的長度的多個線圈9a和多個定子9c。
[0092]線性發(fā)電機裝置9可為多個不同的電機類型，例如線性開關磁阻發(fā)電機或線性開關磁通發(fā)電機。在所示的布置中，線圈9a通過開關設備9b被開關，以在可定子9c和活塞鐵芯元件2f內感應磁場。在此實施例中，開關設備9b以至少IOOHz的頻率改變線圈9a中的電流。該開關相對于活塞的移動被精確定時，從而活塞的移動切割由線圈中的電流產生的磁通，在活塞上施加力且將來自活塞的動能轉化為線圈中的電力。
[0093]在圖5所示的布置中，環(huán)形磁通回路T1-T4在線圈9a中的開關電流的作用下產生在定子9c和活塞鐵芯元件2f中。線性發(fā)電機裝置9用作線性開關磁阻設備或線性開關磁通設備。由于磁通回路T1-T4被活塞2的運動切割并由此在線圈9a中感應電流，從而在電輸出裝置9e處產生電力。磁通回路的環(huán)形結構提供異常高的磁通密度和每單位質量導磁元件2f的磁通切割率，從而增加作用在每單位質量活塞上的控制力，并提高電機對于活塞的位置和移動的控制權。另外，這種布置在活塞中不使用永磁體的情況下使高效發(fā)電裝置成為可能，永磁體可能在內燃機內的高溫條件下消磁，并且由于昂貴的稀土金屬的使用而可能以另外方式顯著增加成本。
[0094]另外，可使用包括如下所述的若干不同的控制裝置的控制模塊9d。不同的控制裝置被提供以實現活塞2和電輸出裝置9e之間的期望的能量傳遞率，以便輸送最大的電輸出，同時滿足活塞2的期望的運動特性，包括壓縮率和壓縮比、膨脹率和膨脹比以及在每個室3、4的上止點的活塞停留時間。
[0095]閥控制裝置可用于控制進氣閥6c和排氣閥7b。通過控制排氣閥7b的關閉，閥控制裝置能夠控制壓縮階段的啟動。以類似的方式，閥控制裝置也可以用于控制廢氣再循環(huán)(EGR)、充氣和壓縮比。
[0096]適于電機類型的壓縮比控制裝置也可被使用。例如，就開關磁阻機而言，壓縮比控制通過改變施加到開關線圈9a的相位、頻率和電流而被部分實現。這改變感應橫向磁通被活塞2的運動切割的速率，并因此改變施加到活塞2的力。相應地，線圈9a在排氣閥7b關閉時和在活塞2隨后減速期間均可被用于控制活塞2的動能。
[0097]隨后，火花點火定時控制裝置可被用于響應壓縮比的任何殘余的循環(huán)到循環(huán)的變化(cycle-to-cycle variability),以確保該殘余變化對發(fā)動機排放物和效率的不利影響被減至最低，如下那樣。通常，在每個壓縮階段結束時的預期壓縮比為目標壓縮比加上與系統(tǒng)變化相關的誤差，諸如發(fā)生在相對的燃燒室3、4內的燃燒事件以及控制系統(tǒng)特性?；鸹c火定時控制裝置可響應接近的活塞2的實測速度和加速度來調整火花點火事件的定時，從而優(yōu)化燃燒事件以在每個壓縮階段結束時獲得預期壓縮比。
[0098]通常，目標壓縮比將為取決于所使用的燃料5a的常數。然而，壓縮比誤差可源于在上止點時燃燒室高度3a的任何變化。因此，如果±20%的室高度變化出現，且目標壓縮比為12:1，則實際壓縮比可在10:1到15:1的范圍內。因此，通過火花點火定時控制裝置來提前或延遲火花點火事件將減少有害排放物和該誤差的效率影響。
[0099]另外，燃料噴射裝置可用于控制燃料5a的噴射定時，以使其在滑動口閥開口 6a即將關閉之前被噴射進燃燒室3、4，以減少掃氣期間碳氫化合物(HC)排放物。
[0100]進一步地，溫度控制裝置可被提供，其包括定位在線圈9a、電子器件和對高溫敏感的其它元件附近的一個或更多溫度傳感器，以響應檢測的溫度變化來控制由冷卻劑施加裝置10施加的冷卻液的流動和由壓縮機6e提供的冷卻空氣的流動。溫度控制裝置可與閥控制裝置通信，以在檢測到持續(xù)的高溫讀數時限制發(fā)動機功率輸出，以避免發(fā)動機損壞。
[0101]可由控制模塊9d使用的另外的傳感器優(yōu)選包括廢氣(λ )傳感器和氣流傳感器，以對于給定的燃料類型根據添加的空氣的量確定要噴射到室內的燃料5a的量。相應地，燃料傳感器還可用于確定所使用的燃料的類型。
[0102]圖6示出一個定子元件9c的垂直剖面，示出了由汽缸I的壁厚隔開的定子元件9c和導磁活塞元件2f的極為接近。另外，圖6示出導磁元件2f與中空的活塞軸2c的同軸布置。
[0103]圖7示出圍繞汽缸I提供的進氣裝置6，進氣裝置6包括滑動口閥開口 6a以及進氣口 6b，滑動口閥開口 6a與提供在汽缸I中的開口 la、Ib尺寸對應并對準。進氣裝置6中的開口 6a通過通道6h而被連接，進氣閥6c位于通道6h中。通道6h容積最小，或者具有短的長度、小的橫截面面積或兩者的結合，以使在膨脹階段期間通道6h內的不受控制的膨脹損失最小。
[0104]進氣閥6c將通道6h與作為進氣口 6b —部分的鄰近汽缸I提供的進氣歧管6f密封分開。進氣閥6c通過進氣閥致動器6d操作，進氣閥致動器6d可為電控電磁裝置或其它適合的電氣或機械裝置。
[0105]當滑動口進氣閥開口 6a和進氣閥6c均相對于第一室3或第二室4中之一打開時，進氣歧管6f經由通道6h與該室流體連通。進氣裝置6優(yōu)選被提供有凹部6g，凹部6g被布置為在進氣閥6c完全打開時容納進氣閥6c，以確保流體可以自由地流動通過通道6h。
[0106]進氣口 6b還包括充氣壓縮機6e，其可被電動地、機械地或在源于進氣口 6b的壓力波的作用下操作。充氣壓縮機6e還可在源于提供在汽缸I的每個端部處的排氣裝置7的壓力或壓力波作用下被操作，如下面描述的那樣。充氣壓縮機6e可為容積式設備、離心設備、軸流式設備、壓力波設備或任何適合的壓縮設備。充氣壓縮機6e提聞進氣歧管6f內的壓力，以使當進氣口 6b打開時，進氣歧管6f內的壓力高于連接到進氣歧管6f的室3、4內的壓力，從而允許充氣流體的流動。
[0107]在進氣裝置6中還提供燃料噴射裝置5，諸如電磁噴射器或壓電噴射器5。盡管中部定位的單個燃料噴射器5可能是足夠的，但是優(yōu)選將燃料噴射器5提供在進氣閥6c的任一側并布置在緊鄰滑動口閥開口 6a的端部。燃料噴射器5優(yōu)選被凹入到進氣裝置6內，從而活塞2可以在沒有障礙的情況下經過并通過滑動口進氣閥開口 6a和進氣口 6b。燃料噴射器5被構造為通過滑動口進氣閥開口 6a中的每個將燃料噴射到對應的室3、4中。
[0108]潤滑劑和冷卻劑施加裝置10被提供，優(yōu)選凹入到進氣裝置6內并被布置為使得活塞2可以在沒有障礙的情況下經過并通過進氣裝置6，由此活塞可以通過一種或更多流體的施加而被潤滑和冷卻。施加的流體可包括傳統(tǒng)的潤滑油。另外，該液體可包括水或具有高蒸發(fā)熱的揮發(fā)性液體。隨著這種冷卻劑流體的蒸發(fā)，活塞中的熱量轉移至流體中和產生的氣體中，且隨著活塞的行進而排放在燃燒室中，或者在燃燒室膨脹時阻止燃燒竄氣的泄漏。排出的冷卻氣體增加膨脹的燃燒室中的氣量，從而逐漸地增加燃燒室的壓力。通過這種方式，由于變化的磁通引起的渦流和來自燃燒室的傳導而在活塞中積聚的熱可作為由膨脹的燃燒室容積施加至活塞的有用功被收回(re cup er at e )。另外,排出的氣體可作為氣體軸承，從而減小對活塞2a的外表面的摩擦和磨損。
[0109]圖8示出提供在汽缸I的每個端部處的排氣裝置7。排氣裝置7包括通過螺釘裝置或類似物而被能移除地附接到汽缸I的端部的汽缸蓋7a。與汽缸I的軸線同軸對準的排氣閥7b位于每個汽缸蓋7a內。排氣閥7b通過排氣閥致動器7c操作，排氣閥致動器7c可為電控電磁裝置或其它電氣或機械裝置。相應地，當第一燃燒室3或第二燃燒室4內的進氣閥6c和排氣閥7b均被關閉時，該室被有效地密封，并且包含在其內的工作流體可被壓縮或被允許膨脹。
[0110]排氣裝置7還包括提供在汽缸蓋內的排氣歧管通道7d,當排氣閥7b打開時，在鄰近的第一室3或第二室4與排氣歧管通道7d內的流體之間的壓力差的作用下，廢氣可流入排氣歧管通道7d中。可在圖20中例示的汽缸的布置中較好地看到廢氣的流動，其示出了廢氣流動的方向為基本垂直于汽缸I的軸線。
[0111]諸如火花塞的點火裝置8也被提供在汽缸I的每個端部，點火裝置8位于汽缸蓋7a內并優(yōu)選是凹入的，以使活塞2在發(fā)動機的正常操作周期期間沒有障礙。
[0112]排氣閥7b與汽缸I的軸線的優(yōu)選同軸布置允許排氣閥7b的直徑比在傳統(tǒng)的內燃機中相對于室3、4的直徑大得多。
[0113]每個汽缸蓋7a是由諸如陶瓷的硬質耐磨的和良好絕緣的材料構成，以使熱損耗最小并避免對單獨的閥座部件的需要。
[0114]圖9示出根據本發(fā)明的發(fā)動機的時間位移圖，例示活塞2在完整的發(fā)動機循環(huán)過程的移動。盡管這里參照第一室3描述發(fā)動機的操作，但是技術人員將認識到，第二室4的操作和事件的順序與第一室3完全相同，不過相位相差180度。換言之，活塞2在其到達在第二室4中的下止點的同時到達第一室3中的上止點。
[0115]在整個發(fā)動機循環(huán)中強調的事件A到F對應于圖10中例示的事件A到F，圖10示出燃燒室3、4在相同的發(fā)動機循環(huán)過程中的典型的壓力-容積圖。在圖11至19的以下討論中參考圖9到10中突出的事件。
[0116]現在考慮完整的發(fā)動機循環(huán)，在發(fā)動機循環(huán)開始時，第一室3包含主要由預混合燃料和空氣構成的壓縮混合物，以及少部分從先前循環(huán)保留的殘余廢氣。眾所周知，可控量的廢氣的存在對于發(fā)動機的有效操作是有利的，由于這可以減少或消除對于作為發(fā)動機功率調節(jié)裝置的充氣節(jié)流閥的需要，充氣節(jié)流閥是常規(guī)火花點火發(fā)動機中主要的損失源。另夕卜，由于峰值燃燒溫度和壓力小于沒有廢氣保留的發(fā)動機，所以減少氧化亞氮污染氣體的形成。這是廢氣部分沒有促進燃燒反應的結果，而且是由于保留氣體中的二氧化碳和水的高熱容量。
[0117]圖11示出活塞相對于汽缸I的位置，限定在上止點(A)時第一室3的幾何形狀。這也在燃燒階段AB的開始點附近。活塞的頂部2b與第一室3的端部之間的距離至少為第一室3的直徑的一半，從而與常規(guī)內燃機中的燃燒室相比提供更低的表面積容積比，并且減少燃燒過程中第一室3的熱損失。點火裝置8被凹入到汽缸蓋7a內，從而在活塞2以不可控的方式接近上止點的情況下，點火裝置8和活塞頂2d之間不可能有接觸。而是，壓縮將會繼續(xù)，直到活塞2的運動被第一室3中由于近似的絕熱壓縮引起的繼續(xù)增加的壓力阻止。參照圖10，燃燒膨脹階段AB開始于點火事件(A)。
[0118]圖12示出活塞2在膨脹階段(AB和BC)的中途相對于線性發(fā)電機裝置9的位置。第一室3隨著活塞2在第一室3與第二室4之間的壓力差的作用下移動而膨脹。第二室4內的壓力此時大約等于進氣歧管6f內的壓力。第一室3的膨脹通過線性發(fā)電機裝置9的作用而被阻止，這可被調整以實現期望的膨脹率，從而滿足發(fā)動機性能、效率和排放目標。
[0119]圖13示出在下止點時活塞2相對于第一室3的位置。在膨脹階段的終點(C)，活塞2的運動在線性發(fā)電機裝置9以及第一室3和第二室4之間的壓力差的作用下被阻止。第二室4中的壓力此時大約等于在第一室3的上止點位置(A)的第一室3內的高壓。優(yōu)選地，膨脹比至少為壓縮比的兩倍，其中壓縮比在10:1到16:1的范圍內。相比于膨脹比與壓縮比相似的常規(guī)內燃機，這提供了改進的熱效率。
[0120]圖14示出活塞2和進氣裝置6的布置以及在進氣均衡階段(⑶)期間在下止點時進氣的初始流動。這種布置也可在圖7中看到。此時，由于活塞2滑動通過并經過沿汽缸I的內壁Ic提供的開口 la、lb，故滑動口進氣閥6a是打開的。由于過度膨脹降低第一室3中的流體壓力，并且由于進氣壓縮機6e提高進氣歧管6h中的壓力，所以第一室3中的壓力低于進氣歧管6f內的壓力。大約在此時，進氣閥6c被進氣閥致動器6d打開，以允許充氣進入汽缸I內的第一室3，第一室3內的壓力與進氣歧管6f處的壓力達到均衡。進氣閥6c打開后的短時間內，排氣閥7b也被打開，以允許廢氣在第一室3和排氣歧管通道7d之間的壓力差的作用下離開第一室3，排氣歧管通道7d內的壓力仍然接近環(huán)境大氣壓力。
[0121]圖15示出在充氣位移掃氣階段(DE)期間活塞2的位置。廢氣掃氣通過第一室3內的廢氣持續(xù)移位進入排氣歧管通道7d同時在第一室3的活塞端部的引入新鮮充氣而被實現。一旦指定量的充氣已進入第一室3，則進氣閥6c被關閉并且廢氣通過活塞2的移動繼續(xù)排出，如圖17所示，如同下面解釋的那樣。
[0122]圖16示出在燃料噴射時刻(E)活塞2和進氣裝置6的布置。如果使用液體燃料，這種燃料5a可被直接引入到接近的活塞頂2d上，其具有迅速汽化燃料、冷卻活塞頂2d和使如汽缸I的內壁Ic上的濕膜那樣的未燃燒燃料的損失和排放最小化的效果，未燃燒燃料還可能在膨脹階段在第二室4內汽化。
[0123]圖17示出潤滑(E)期間活塞2的位置，少量的潤滑劑和/或冷卻劑通過潤滑劑和冷卻劑施加裝置10在活塞外表面2a通過進氣滑動口閥6a時被周期性地直接引入到活塞外表面2a。這種布置使與潤濕汽缸內壁的潤滑劑關聯的碳氫化合物排放物最少，而且還可減少燃料在汽缸內壁油膜內的溶解程度。潤滑控制環(huán)部件2e被包括在活塞頂2d中，以進一步減少第一和第二室3、4內潤滑劑壁潤濕的程度。
[0124]圖18示出在活塞位移掃氣階段EF期間活塞2的位置。進氣閥6c被關閉，并且廢氣通過活塞2的移動繼續(xù)排出。此時，由于第二室4內的燃燒事件，活塞2正朝向排氣裝置7移動，并減少第一室3的容積。
[0125]由于排氣閥相對于燃燒室直徑3b較大的直徑，通過閥桿的排氣流的極限面積可接近汽缸孔截面積的40%，在充氣位移掃氣階段(DE)以及在活塞位移掃氣階段(EF)期間均導致低的排氣背壓損失。
[0126]圖19示出在壓縮階段(FA)中途活塞2相對于汽缸I的位置的縱剖面。當已實現使第一室3內的流體中的廢氣比例接近指定水平的充足的廢氣排出時，排氣閥7b被關閉，壓縮階段(FA)開始。隨著活塞2在第一室3和第二室4之間的壓力差的作用下以及線性發(fā)電機裝置9的作用下加速和減速，壓縮以可變速率繼續(xù)。在膨脹階段(AB和BC)期間，第二室4內的壓力此時正在下降。線性發(fā)電機的力可被調整，從而實現期望的壓縮率，以滿足發(fā)動機性能、效率和排放目標。第一室3內的容積壓縮率基本上等于室4內的容積膨脹率并與之相反。
【權利要求】
1.一種用于自由活塞式發(fā)動機驅動型發(fā)電機的活塞，包括沿活塞軸同軸布置的一個或更多元件，其中所述活塞的長度至少為其最大直徑的五倍，其中所述元件中的至少一個由導磁材料形成，該導磁材料具有比電工鋼的各向同性電阻率的兩倍大的各向同性電阻率。
2.根據權利要求1所述的活塞，其中所述元件由電滲透復合材料形成，該電滲透復合材料在所有方向上均具有大于5.0Χ10_6Ω.m的各向同性電阻率。
3.根據權利要求1或2所述的活塞，被布置在包括多個線圈和定子元件的磁通產生裝置中，該多個線圈和定子元件被布置為極為接近所述活塞，以使所述活塞的移動引起由該磁通產生裝置施加的磁通的變化。
4.根據權利要求3所述的活塞和磁通產生裝置，還具有開關裝置，所述磁通能通過該開關裝置以至少IOOHz的頻率變化。
5.根據前述權利要求中任一項所述的活塞，被布置在具有液體噴射裝置的自由活塞式發(fā)動機中，該液體噴射裝置允許冷卻劑和/或潤滑液直接噴射到所述活塞的表面上。
6.根據前述權利要求中任一項所述的活塞，其中所述元件中的至少一個由非磁性材料形成，并且每個元件被固定為使得相鄰元件之間保持接觸。
7.根據前述權利要求中任一項所述的活塞，進一步包括提供在所述活塞的一個或兩個端部的活塞頂。
8.根據權利要求7所述的活塞，其中所述活塞頂為陶瓷的。
9.根據權利要求7或8所述的活塞，其中所述活塞頂為凹形的。
10.根據權利要求7至9所述的活塞，其中所述活塞頂的暴露的表面面積至少為所述活塞的截面面積的兩倍，并且所述活塞頂的暴露的表面材料用作促進燃燒室內容物氧化的催化劑。
11.根據權利要求7至10所述的活塞，其中所述活塞軸為中空的。
12.根據前述權利要求中任一項所述的活塞，其中同軸布置在所述活塞軸上的所述元件被形成為具有相同外徑的環(huán)形圈。
13.根據前述權利要求中任一項所述的活塞，其中所述汽缸的圓周表面的一部分被涂覆有減阻和耐磨材料。
14.一種方法，通過使用外部電磁裝置感應與根據權利要求1至13所述的活塞的軸線同軸的多個環(huán)形磁通回路而將力施加在移動的活塞上，以使所述活塞中的峰值磁通密度大于在沒有外部產生的環(huán)形磁通回路時存在的最大剩余磁通密度。
15.根據權利要求14所述的方法，其中所述環(huán)形磁通通過以至少IOOHz的頻率開關電磁磁通產生裝置而被控制。
16.根據權利要求14或15所述的方法，其中液體被噴射到所述活塞上，以使由于變化的磁通和燃燒過程在活塞中產生的熱隨著該液體蒸發(fā)而被收回，從而提供用于所述活塞的氣體軸承并提高所述發(fā)動機的效率。
【文檔編號】F02B63/04GK103827465SQ201280039039
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年7月31日 優(yōu)先權日:2011年8月10日
【發(fā)明者】塞繆爾·愛德華·科克里爾 申請人:自由活塞式發(fā)動機有限公司