Свободнопоршневой двигатель

Свободнопоршневой двигатель

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к свободнопоршневому двигателю и, более конкретно, к свободнопоршневому двигателю в системе генерирования электроэнергии.

Известно применение двигателей внутреннего сгорания для генерирования электроэнергии. Кроме того, существует множество систем генерирования электроэнергии, в которых используется линейный генератор, соединенный со свободнопоршневым двигателем, в котором линейное возвратно-поступательное перемещение поршня через одну или более электрических катушек генерирует изменение магнитного потока, например, как описано в US-A-7318506.

Однако КПД таких систем генерирования электроэнергии сильно зависит от КПД свободнопоршневого двигателя, приводящего такую систему в действие, и, следовательно, имеется большая потребность в свободнопоршневом двигателе с хорошим КПД.

Ранее предлагались свободнопоршневые двигатели с впускным средством и выпускным клапаном в каждой камере сгорания в непосредственной близости от концов цилиндра, например, как описано в US-A-6199519. В результате того, что в камерах сгорания двигателя выпускное средство расположено рядом с выпускным клапаном, достигалась по существу петлевая продувка камеры сгорания. Это приводило к неполной продувке, и, кроме того, некоторая часть поступающей на впуск смеси могла захватываться выхлопными газами, что снижало показатели двигателя, относящиеся к выбросам углеводородов.

Ранее в двухтактных вариантах двигателей, применявшихся для небольших транспортных средств, достигалась степень сжатия, приблизительно равная степени расширения, чтобы добиться наибольшего количества наполняющей смеси и максимальной мощности на единицу массы двигателя. Следствием такой конструкции является то, что такт расширения заканчивался тем, что выпускной клапан открывался еще до полного расширения газов и в момент, когда еще сохранялся существенный перепад давления между камерой сгорания и выпускным коллектором. Это приводило к снижению КПД двигателя и повышению шума.

В настоящем изобретении степень расширения приблизительно в два раза превышает степень сжатия. При степени сжатия от 10:1 до 16:1 это позволяет поднять КПД на 10-20%. Потери удельной мощности, которые обычно сопутствуют циклу с перерасширением такого типа, снижаются за счет использования удлиненного отверстия цилиндра. Часть отверстия цилиндра, которая нужна для продолжения перерасширения поршня в одной камере, также служит как часть цилиндра, которая нужна для начального расширения во второй камере. Таким образом, достигается цикл перерасширения с очень малой дополнительной массой и без снижения объема наполняющей смеси.

Согласно настоящему изобретению предлагается свободнопоршневой двигатель, содержащий цилиндр двигателя и один элемент поршня, содержащий двухсторонний поршень, выполненный с возможностью перемещения внутри цилиндра, в котором элемент поршня делит цилиндр на две отдельные камеры сгорания, в каждую из которых подается сжимаемая рабочая текучая среда от одного или более впускного средства, при этом поршень выполнен с возможностью двигаться поверх впускного средства и за него на каждом такте так, что текучая среда поступает в одну камеру сгорания, когда поршень сжимает текучую среду, находящуюся в другой камере сгорания.

Благодаря тому, что поршень имеет возможность двигаться поверх впускного средства и за него, достигается перерасширение газов в камере сгорания без необходимости в существенном увеличении размеров или массы двигателя, поскольку отверстие цилиндра, используемое для движения перерасширения, используется совместно оппозитными камерами сгорания. Аналогично впускное средство используется совместно обеими камерами сгорания, что позволяет получить недорогой и компактный двигатель с высоким КПД.

Предпочтительно впускное средство расположено в центральном положении относительно длины цилиндра, что упрощает конструкцию двигателя, поскольку впуск в каждую камеру сгорания управляется положением поршня в цилиндре. Кроме того, устанавливая впускное средство в положении, удаленном от выпускного клапана, можно существенно улучшить продувку камеры сгорания, что в свою очередь приводит к повышению КПД и сокращению выбросов.

Предпочтительно впускное средство содержит и средство для впуска воздуха, и средство впрыска топлива, поэтому впрыск топлива в камеру сгорания может происходить во время впуска воздуха. Установка средства впуска воздуха и средства впрыска топлива в одном впускном средстве позволяет для обеих этих функций использовать общий золотниковый клапан, и оба эти средства утоплены в полости за этим золотниковым клапаном. Это позволяет получить более простую и, следовательно, более дешевую конструкцию.

Предпочтительно средство для впуска воздуха содержит золотниковый клапан и электромагнитный тарельчатый клапан, установленные последовательно. Тарельчатый клапан может открывать доступ воздуха в камеру в любое время, когда золотниковый клапан не закрыт поршнем, что обеспечивает возможность хорошего управления степенью расширения в ответ на событие сгорания, независимо от положения поршня в пределах, определенных положениями открывания и закрывания золотникового клапана.

Предпочтительно средство для впрыска топлива содержит две форсунки, расположенные на обеих сторонах от тарельчатого клапана, что позволяет впрыскивать топливо непосредственно в соответствующую камеру сгорания независимо от состояния тарельчатого клапана - открытого или закрытого. Эти две форсунки предпочтительно являются пьезоэлектрическими форсунками, допускающие точное, недорогое электронное включение и управление впрыском топлива.

Предпочтительно средство для впрыска топлива выполнено с возможностью впрыска топлива непосредственно перед закрытием золотникового клапана, чтобы впрыснутое топливо не уносилось в выпускной порт и из него при продувке воздухом перед закрытием выпускного клапана, что снижает выброс углеводородов (СН).

Предпочтительно в каждой камере имеется средство искрового зажигания для создания искры, инициирующей сгорание впрыснутой топливовоздушной смеси. Использование топлива, воспламеняющегося от искры и связанных с ним рабочих циклов, позволяет снизить выброс твердых частиц по сравнению с топливом, воспламеняющимся при сжатии, и связанных с ним циклов.

Предпочтительно в каждой камере сгорания имеется выпускное средство, позволяющее выпускать газы, образовавшиеся в результате сгорания, из камеры сгорания.

Предпочтительно выпускным средством является электромагнитный тарельчатый клапан, находящийся в каждой камере сгорания, при этом клапаны установлены соосно с цилиндром так, что ограничивающая площадь выпускного потока может достигать 40% площади сечения отверстия цилиндра, что снижает противодавление при выхлопе и продувке.

Предпочтительно цилиндр имеет длину, по меньшей мере в десять раз превышающую его диаметр, что позволяет снизить изменчивость степени сжатия на каждом цикле, что обусловлено низкой скоростью изменения степени сжатия, вызванного ошибкой из-за смещения поршня в верхней мертвой точке.

Предпочтительно поршень выполнен удлиненным, а размеры отверстия цилиндра таковы, чтобы можно было получить степень сжатия от 10:1 до 16:1. Эта степень сжатия выше, чем можно получить в обычном двигателе с искровым зажиганием, что объясняется детонацией. Предпочтительно двигатель является многотопливным, работающим на любой смеси бензина, безводного этанола и содержащего воду этанола. Степень сжатия можно оптимизировать под конкретную используемую смесь этанола/бензина/воды.

Кроме того, достигается степень расширения, больше чем вдвое превышающая степень сжатия. Длинный такт расширения позволяет передать на поршень больше энергии сгорания и, кроме того, дает больше времени для управления (т.е. для реагирования на измеренную изменчивость скорости поршня).

Предпочтительно впускное средство расположено на подходящем расстоянии от выпускного клапана, чтобы обеспечить возможность достижения степени сжатия от 10:1 до 16:1.

Согласно настоящему изобретению также предлагается транспортное средство, имеющее описанный выше свободнопоршневой двигатель.

Согласно настоящему изобретению также предлагается двигатель-генератор в форме линейной машины с регулируемым магнитным сопротивлением поперечного магнитного потока, содержащей двигатель внутреннего сгорания, описанный выше, и далее содержащей множество элементов катушек и статора, расположенных вдоль по меньшей мере части длины цилиндра, в котором движение поршня в цилиндре мимо катушек взаимодействует с регулируемым магнитным потоком в элементах статора для генерирования электроэнергии, которую можно использовать для выполнения полезной работы или накапливать для последующего использования.

Линейная машина с регулируемым магнитным сопротивлением поперечного магнитного потока особенно полезна для генерирования электроэнергии путем индуцирования магнитного потока, как описано выше.

Можно использовать альтернативный тип электрической машины, которая является линейной машиной с регулируемым поперечным магнитным потоком, в которой используются катушки постоянного тока или постоянные магниты, создающие магнитный поток в каждой магнитной цепи.

Согласно настоящему изобретению также предлагается транспортное средство, имеющее двигатель-генератор, описанный выше.

Двигатель по настоящему изобретению можно использовать с системой управления сгоранием для двигателя внутреннего сгорания, имеющего по меньшей мере один цилиндр с впускным средством, содержащим золотниковый клапан и впускной электромагнитный тарельчатый клапан, расположенные последовательно и находящиеся на расстоянии от концов цилиндра, а также выпускной электромагнитный тарельчатый клапан, расположенный на каждом из концов цилиндра. Пример такой системы управления сгоранием содержит:

средство управления клапаном для управления впускным электромагнитным тарельчатым клапаном и выпускным электромагнитным тарельчатым клапаном независимо от положения поршня, движущегося в цилиндре, для управления степенью сжатия и степенью расширения, где поршень на каждом такте движется поверх и мимо впускного средства.

Управляя синхронизацией открытия впускных клапанов и закрытия выпускных клапанов, можно регулировать степенью сжатия и степенью расширения для оптимизации КПД двигателя.

Предпочтительно, когда элемент поршня находится в крайнем положении своего хода внутри цилиндра, зазор между концом поршня и головкой цилиндра, установленной на конце цилиндра, превышает половину диаметра поршня для образования формы камеры сгорания с низким отношением площади к объему в верхней мертвой точке, что приводит к снижению тепловых потерь в верхней мертвой точке и позволяет получить приблизительно адиабатический цикл с минимальным отводом теплоты через выхлоп.

Дополнительно размер камеры сгорания эффективно работает как воздушная пружина для поглощения изменений в энергии приближающегося поршня, не допуская повреждения двигателя. Такие изменения могут возникать из-за изменчивости сгорания в оппозитной камере сгорания и из-за других источников изменчивости. Следствием таких изменений является более высокая или более низкая степень сжатия, чем задано средством управления степенью сжатия.

Предпочтительно имеется средство управления искровым зажиганием для регулировки синхронизации искрообразования, чтобы снизить вредное влияние изменчивости степени сжатия на выбросы двигателя и его КПД.

Предпочтительно средство управления клапаном выполнено с возможностью открывать впускной клапан и выпускной клапан независимо, что позволяет управлять рециркуляцией выхлопных газов (EGR), наполняющей смесью и степенью сжатия.

Предпочтительно впускным клапаном управляют независимо для его открытия в конце такта расширения, чтобы впустить требуемое количество наполняющей смеси для следующего события сгорания. Такое управление наполняющей смесью не требует отдельной дроссельной заслонки, и поэтому КПД двигателя повышается за счет снижения потерь на дросселирование.

Предпочтительно имеется датчик топлива для определения типа применяемого в двигателе топлива.

Предпочтительно имеется датчик расхода воздуха и датчик выхлопных газов для определения количества топлива, которое необходимо впрыснуть в каждую камеру сгорания в соответствии с количеством воздуха и типом используемого топлива.

Предпочтительно средство управления впрыском топлива выполнено с возможностью управления средством впрыска топлива для впрыска топлива в камеру сгорания непосредственно перед закрыванием золотникового клапана для снижения выброса углеводородов (СН) во время продувки.

Предпочтительно также имеется датчик детонации для вывода данных о детонации при сгорании и о самовоспламенении на средство управления степенью сжатия для получения оптимальной степени сжатия для используемого топлива путем регулирования по замкнутому циклу синхронизацией выпускного клапана.

Предпочтительно система также содержит множество катушек и элементов статора, расположенных вдоль цилиндра, в которой движение поршня в цилиндре мимо катушек взаимодействует с регулируемым магнитным потоком в элементах статора для генерирования электроэнергии, которую можно использовать для выполнения полезной работы или накапливать для последующего использования.

Предпочтительно положение поршня в цилиндре можно определить по выходу электроэнергии с катушек.

Предпочтительно средство управления степенью сжатия выполнено с возможностью управления катушками для ограничения диапазона движений поршня путем модулирования магнитной силы, прилагаемой к поршню, и, следовательно, регулирования кинетической энергии поршня рядом с моментом закрытия выпускного клапана и во время подхода поршня к верхней мертвой точке так, чтобы получить требуемую степень сжатия.

Предпочтительно рядом с катушками, электронными устройствами и другими компонентами, чувствительными к высокой температуре, имеется множество датчиков температуры, которые направляют данные о температуре на средство управления температурой.

Предпочтительно средство управления температурой увеличивает расход охлаждающего воздуха в охлаждающем средстве в ответ на полученные данные о температуре.

Предпочтительно средство управления температурой при существенном повышении температуры также подает сигнал на средство управления клапаном для снижения выходной мощности двигателя, чтобы не допустить его повреждения.

Настоящее изобретение может применяться для решения различных задач. Например, оно может быть интегрировано в последовательно гибридную силовую передачу электрического транспортного средства, содержащего переходный аккумулятор и один или несколько тяговых электродвигателей, пригодных для использования в качестве источника мощности автомобиля, в небольших пассажирских автомобилях, где электроэнергия, генерируемая свободнопоршневым двигателем, накапливается в аккумуляторе электроэнергии на борту автомобиля и подается на тяговые электродвигатели по мере необходимости.

В качестве источника мощности для небольшого пассажирского транспортного средства настоящее изобретение работает в двухтактном режиме с искровым зажиганием, и четыре цилиндра расположены в плоскости так, что двигатель может быть поперечно установлен под передними или задними сиденьями транспортного средства, что дает существенную свободу для конструкторов в компоновке пассажирского и багажного пространств по сравнению с обычным двигателем внутреннего сгорания.

Каждый цилиндр содержит свободный поршень, движение которого индуцирует электроэнергию в линейном генераторе, расположенном вокруг каждого цилиндра, и движением которого управляют различные средства, включая средства управления синхронизацией клапанов и зажиганием, при этом управление осуществляется также и модуляцией мощности, отбираемой от поршня или подаваемой на поршень при каждом такте. Движение поршней синхронизировано так, что двигатель является полностью сбалансированным.

Кроме того, топливовоздушная смесь подается в каждый цилиндр с помощью впускного механизма, который подает текучую среду в цилиндр в положении, удаленном от каждого конца цилиндра. Впускной механизм содержит тарельчатый клапан и золотниковый клапан, установленные последовательно так, чтобы синхронизацией впускного потока можно было управлять независимо от положений поршня относительно цилиндра. Выхлопные газы выходят из цилиндров через механизмы выпускных клапанов, расположенные на концах каждого цилиндра.

Геометрия цилиндра и расположение впускных и выпускных механизмов таковы, что продувка выхлопа завершается с ограниченным перемешиванием впускаемой текучей среды и выпускаемой текучей среды. Геометрия камеры сгорания имеет малое отношение площади к объему, а в головке поршня и в головке цилиндра используются материалы с низкой теплопроводностью, поэтому двигатель теряет минимум теплоты. Геометрия цилиндра и поршня позволяют получить степень расширения, которая по меньшей мере вдвое больше степени сжатия.

Однако расположение и количество используемых цилиндров зависят от решаемой задачи, и рабочий цикл двигателя также может меняться для адаптации к решению различных задач, например, можно использовать внутреннее сгорание с искровым зажиганием, внутреннее сгорание гомогенной смеси с зажиганием сжатием и внутреннее сгорание гетерогенной смеси с зажиганием сжатием. Некоторые признаки настоящего изобретения можно внедрить и в цикл внешнего сгорания, например цикл Стирлинга. В двигателе такого типа теплота от источника внешнего сгорания подается в камеру, содержащую сжатую рабочую среду, в верхнюю мертвую точку. После расширения выхлопные газы выбрасываются в замкнутую охлаждающую камеру, прежде чем вновь будут поданы в камеру через впускное средство в замкнутом контуре.

Топливом в различных альтернативных вариантах может быть содержащий воду этанол, смеси безводного этанола и бензина или бензин. Изобретение может быть адаптировано и к использованию дизельного топлива, биодизельного топлива, метана (сжатого природного газа, сжиженного природного газа или биогаза) или другого газообразного или жидкого топлива. В варианте двигателя внешнего сгорания можно использовать широкий ассортимент разных видов топлива.

Соответственно, в сочетании с системой хранения энергии для покрытия пиковой потребности в энергии настоящее изобретение предлагает недорогой, высокоэффективный источник питания для небольших пассажирских автомобилей и для решения многих других задач, в которых небольшие затраты и высокий КПД являются основными требованиями к конструкции, например, настоящее изобретение может использоваться в стационарном генераторе энергии для распределенного генерирования электроэнергии.

Далее следует описание примера настоящего изобретения со ссылками на чертежи, где:

фиг.1 - продольное сечение цилиндра, имеющего поршень по примеру настоящего изобретения.

Фиг.2 - продольное сечение поршня, иллюстрирующее конструкцию из планарных элементов.

Фиг.3 - поперечное сечение поршня, иллюстрирующее соосное расположение вала и планарных элементов.

Фиг.4 - сечение цилиндра по фиг.3, иллюстрирующее магнитный поток в регулируемых элементах статора, создаваемый движением поршня по настоящему изобретению.

Фиг.5а - поперечное сечение цилиндра, иллюстрирующее статор линейного генератора и магнитную цепь, сформированную проницаемым элементом в первом поршне.

Фиг.5b - поперечное сечение альтернативного статора линейного генератора для двух соседних цилиндров, где статор линейного генератора и магнитная цепь образованы проницаемым элементом в первом поршне.

Фиг.6 - частичное сечение цилиндра, иллюстрирующее его конструкцию.

Фиг.7 - более подробное продольное сечение впускного тарельчатого клапана, впускного золотникового клапана и топливной форсунки на такте продувки и наполнения цилиндра.

Фиг.8 - более подробное продольное сечение выпускного средства, включая выпускной тарельчатый клапан и привод на такте выхлопа.

Фиг.9 - график смещения во времени, иллюстрирующий изменение положения поршня в цилиндре на полном цикле двигателя и синхронизацию событий цикла двигателя, происходящих в этот период.

Фиг.9а - таблица, иллюстрирующая средство управления разной степенью сжатия, которое может применяться для управления степенью сжатия в типичном цикле двигателя.

Фиг 9b - диаграмма последовательности, иллюстрирующая типовую последовательность управления степенью сжатия.

Фиг.10 - график давления-объема, иллюстрирующий типичный график давления в цилиндре на полном цикле работы двигателя.

Фиг.11 - схематическое продольное сечение цилиндра в верхней мертвой точке в конце такта сжатия и приблизительно во время искрового зажигания и инициации события сгорания в первой камере.

Фиг.12 - схематическое продольное сечение цилиндра в середине такта сжатия в первой камере.

Фиг.13 - схематическое продольное сечение цилиндра в конце фазы расширения, но перед открытием впускного тарельчатого клапана.

Фиг.14 - схематическое продольное сечение цилиндра после открытия впускного тарельчатого клапана для наполнения камеры 1, что позволяет давлению наполняющей текучей среды уравняться с более низким давлением в цилиндре в первой камере.

Фиг.15 - схематическое продольное сечение цилиндра после открытия выпускного тарельчатого клапана, в то время как впускной тарельчатый клапан остается открытым, продувая первую камеру.

Фиг.16 - схематическое продольное сечение цилиндра на фазе впрыска топлива в первую камеру после того, как впускной тарельчатый клапан закроется.

Фиг.17 - схематическое продольное сечение цилиндра во время впрыска смазочного масла на внешнюю поверхность цилиндра.

Фиг.18 - схематическое продольное сечение цилиндра, когда выпускной тарельчатый клапан открыт и после того, как впускной тарельчатый клапан и золотниковый клапан закроются так, чтобы при движении поршня возникало продолжающееся вытеснение выхлопных газов из первой камеры.

Фиг.19 - схематическое продольное сечение цилиндра в середине такта сжатия в первой камере.

Фиг.20 - схематическое поперечное сечение четырехцилиндрового двигателя через впускное средство, включая электрический наполняющий компрессор.

Фиг.21 - схематическое поперечное сечение четырехцилиндрового двигателя через средство электрического генератора.

Фиг.22 - схематическое поперечное сечение четырехцилиндрового двигателя через выпускное средство.

На фиг.1 показан пример настоящего изобретения, содержащий пустотелый линейный цилиндр 1. Поршень 2 расположен внутри цилиндра 1, при этом поршень 2 имеет постоянный диаметр, который немного меньше внутреннего диаметра цилиндра 1, но меньше лишь настолько, чтобы поршень 2 мог свободно перемещаться вдоль длины цилиндра 1. Поршень 2 в остальном расположен соосно с цилиндром 1 так, чтобы по существу делить цилиндр 1 на первую камеру 3 сгорания и вторую камеру 4 сгорания, при этом каждая камера имеет переменный объем, зависящий от положения поршня 2 в цилиндре 1. Ни одна часть поршня 2 не выступает за пределы цилиндра 1. На примере камеры 3 каждая из камер 3, 4 имеет переменную высоту 3а и фиксированный диаметр 3b.

Цилиндр 1 предпочтительно является осесимметричным и симметричным относительно центральной плоскости, перпендикулярной его оси. Хотя настоящее изобретение потенциально может быть реализовано в других геометрических формах, например с квадратными или прямоугольными поршнями, конструкция, имеющая поршни круглого сечения, является предпочтительной. Цилиндр 1 имеет последовательность отверстий 1a, 1b, разнесенных по его длине и удаленных от концов, расположенных предпочтительно в его центральной части. При движении поршня 2 отверстия 1а, 1b образуют золотниковый клапан 6а, который выполнен с возможностью работать в сочетании с впускным механизмом 6b, расположенным по меньшей мере вокруг части цилиндра 1, как более подробно описано ниже.

На фиг.2 показан поршень 2, имеющий внешнюю поверхность 2а и содержащий центральный вал 2с, на котором установлена последовательность цилиндрических элементов. Эти цилиндрические элементы могут содержать головку 2d поршня на каждом конце центрального вала 2с, при этом каждая головка 2d поршня предпочтительно выполнена из жаропрочного и теплоизолирующего материала, например керамики. Торцевая поверхность 2b головки поршня предпочтительно выполнена слегка вогнутой, что уменьшает отношение площади поверхности к объему для первой и второй камер 3 и 4 в верхней мертвой точке, тем самым сокращая потери теплоты. Разумеется, если цилиндр имеет другую геометрию, конфигурация этих элементов будет соответственно адаптирована.

Головка 2b поршня может содержать смазочные приспособления 2е для управления степенью смачивания цилиндра 1 смазочным маслом во время работы двигателя. Эти смазочные приспособления могут содержать канавку и маслосъемное кольцо, которые обычно применяются в обычных двигателях внутреннего сгорания.

На валу 2с поршня также установлены пластинчатые элементы 2f сердечника. Каждый элемент 2f сердечника выполнен из пластин магнитопроницаемого материала, например феррита, чтобы уменьшить потери на вихревые токи при работе двигателя.

Кроме того, на валу 2с поршня установлены промежуточные элементы 2g. Каждый промежуточный элемент 2g идеально имеет низкую магнитную проницаемость и предпочтительно выполнен из легкого материала, например алюминиевого сплава, и имеет полость 2h, сформированную в нем для дополнительного снижения массы и, следовательно, уменьшения механических сил, воздействующих на двигатель, в котором он используется. Промежуточные элементы 2g установлены для фиксации относительного положения каждого элемента 2f сердечника и для ограничения потерь на "прорывающиеся" газы, вытекающие из каждой камеры 3, 4 через зазор между стенкой поршня и цилиндром, в то же время удерживая массу узла поршня 2 минимальной.

На валу 2с поршня также установлены несущие элементы 2i, расположенные приблизительно на 25% и 75% длины поршня 2 для уменьшения риска вызываемого нагревом отклонения оси поршня 2, приводящего к его блокированию в цилиндре 1 или к иному повреждению цилиндра 1. Каждый несущий элемент 2i имеет снижающую массу полость 2j и диаметр, немного превышающий диаметр элементов 2f сердечника и промежуточных элементов 2g. Несущие элементы 2i также имеют профилированную внешнюю поверхность 2k для того, чтобы нести массу поршня 2 и любые другие возникающие боковые нагрузки, в то же время сводя к минимуму потери на трение и износ. Несущие элементы 2i предпочтительно выполнены из твердого износостойкого материала, например керамики или углерода, а профилированная внешняя поверхность 2k может быть покрыта материалом с низким коэффициентом трения.

Несущий элемент 2i также может содержать смазочное приспособление для управления степенью смачивания цилиндра 1 смазкой, когда двигатель работает. Это приспособление может содержать канавку и маслосъемное кольцо, которые обычно применяются в обычных двигателях внутреннего сгорания.

Общая длина поршня предпочтительно равна по меньшей мере пяти его диаметрам и в любом случае достаточно велика, чтобы полностью закрыть золотниковый клапан так, чтобы золотниковый клапан ни при каких обстоятельствах не допускал сообщения между камерами 3 и 4.

На фиг.3 представлено сечение поршня 2, иллюстрирующее вал 2с, проходящий сквозь элемент 2f сердечника. Концы 2l вала механически деформированы или зафиксированы иным способом на головках 2d поршня, чтобы элементы 2f, 2g и 2i, установленные на валу 2с, прочно удерживались натяжением вала 2с поршня.

Чередующееся расположение элементов 2f сердечника и промежуточных элементов 2g позволяет установить пластины 2f сердечника с нужным шагом для эффективной работы, например, в качестве части линейного генератора с регулируемым магнитным сопротивлением, содержащего подвижный поршень 2 и средство линейного генератора, например, множество катушек, разнесенных вдоль длины цилиндра, в котором цилиндр совершает возвратно-поступательные перемещения.

На фиг.4 показан пример средства 9 линейного генератора, расположенного снаружи вокруг цилиндра 1 по меньшей мере на части его длины, для облегчения передачи энергии между поршнем 2 и средством 9е вывода электроэнергии. Средство 9 линейного генератора содержит множество катушек 9а и множество статоров 9с, чередующихся по длине средства 9 линейного генератора.

Средство 9 линейного генератора может быть одним из нескольких типов электрических машин, например линейным генератором с регулируемым магнитным сопротивлением. В показанной конструкции катушки 9а коммутируются коммутирующим устройством 9b так, чтобы наводить магнитные поля в статорах 9с и пластинах 2f сердечника поршня.

На фиг.4 также показан поперечный магнитный поток, возникающий в статорах 9с и пластинах 2f сердечника поршня под действием коммутируемых катушек 9а. Средство 9 линейного генератора работает как линейное устройство с регулируемым магнитным сопротивлением или как линейное устройство с регулируемым магнитным потоком. Энергия генерируется на средстве 9е вывода электроэнергии как цепи магнитного потока, возникающего в статорах 9с и наведенного в пластинах 2f сердечника поршня и прерываемого движением поршня 2. Это позволяет создать высокоэффективное средство электрического генератора без применения постоянных магнитов, которые могут размагничиваться под действием высокой температуры двигателя внутреннего сгорания и которые также могут значительно увеличить себестоимость двигателя, поскольку в них используются дорогие редкоземельные металлы.

Дополнительно можно использовать управляющий модуль 9d, содержащий несколько разных управляющих средств, описанных ниже. Различные управляющие средства предназначены для обеспечения требуемой скорости передачи энергии между поршнем 2 и средством 9е вывода электроэнергии для получения максимальной мощности на выходе, в то же время сохраняя требуемые характеристики движения поршня 2, включая скорость и степень сжатия, скорость и степень расширения и продолжительность выдержки поршня в верхней мертвой точке в каждой камере 3, 4.

Средство управления клапанами может использоваться для управления впускным клапаном 6с и выпускным клапаном 7b. Управляя закрытием выпускного клапана 7b, средство управления клапанами может управлять началом фазы сжатия. Таким же образом средство управления клапанами можно использовать для управления рециркуляцией выхлопных газов (EGR), наполняющей смесью и степенью сжатия.

Можно также использовать средство управления степенью сжатия, подходящее для электрической машины такого типа. Например, в случае машины с регулируемым магнитным сопротивлением управление степенью сжатия частично осуществляется путем изменения фазы, частоты и тока, приложенных к коммутируемым катушкам 9а. Это изменяет скорость, с которой наведенный поперечный магнитный поток прерывается движением поршня 2 и, следовательно, изменяет силу, приложенную к поршню 2. Соответственно катушки 9а можно использовать для управления кинетической энергией поршня 2 как при закрытии выпускного клапана 7b, так и во время последующего торможения поршня 2.

Затем можно использовать средство управления моментом зажигания, реагирующее на любую остаточную изменчивость степени сжатия между циклами для минимизации вредного влияния такой изменчивости на выбросы двигателя и его КПД. По существу, ожидаемая степень сжатия в конце каждой фазы сжатия является целевой степенью сжатия плюс ошибка, связанная с изменчивостью системы, например, когда в оппозитной камере сгорания 3, 4 происходит событие сгорания и с характеристиками системы управления. Средство управления моментом зажигания может регулировать момент события искрового зажигания в ответ на измеренную скорость и ускорение приближающегося поршня 2 для оптимизации события сгорания для ожидаемой степени сжатия в конце каждой фазы сжатия.

Целевая степень сжатия обычно является постоянной в зависимости от используемого топлива 5а. Однако ошибка степени сжатия может быть выведена из +/-20% изменения высоты 3а камеры сгорания. Следовательно, если целевая степень сжатия равна 12:1, фактическая степень сжатия может составлять от 10:1 до 15:1. Опережение или запаздывание момента искрового зажигания, инициируемого средством управления моментом искрового зажигания, таким образом, снижает вредное влияние такой ошибки на выбросы и КПД.

Дополнительно можно использовать средство управления впрыском топлива для управления моментом впрыска топлива 5а так, чтобы оно впрыскивалось в камеру 3, 4 сгорания непосредственно перед закрыванием золотникового клапана 6а для уменьшения выбросов СН во время продувки.

Кроме того, можно использовать средство управления температурой, содержащее один или более датчиков температуры, расположенных рядом с катушками 9а, электронными устройствами и другими элементами, чувствительными к высокой температуре, чтобы управлять потоком охлаждающего воздуха в системе через компрессор 6е в ответ на обнаруженные изменения температуры. Средство управления температурой может поддерживать связь со средством управления клапанами для ограничения выходной мощности двигателя при обнаружении устойчивой повышенной температуры, чтобы не допустить повреждения двигателя.

В управляющем модуле 9d могут использоваться дополнительные датчики, предпочтительно датчик выхлопных газов (лямбда-зонд) и датчик расхода воздуха для определения количества топлива, которое следует впрыскивать в камеру в соответствии с количеством воздуха для данного типа топлива. Соответственно можно также использовать датчик топлива для определения типа используемого топлива.

На фиг.5а показано поперечное сечение одного из элементов 9с статора, иллюстрирующее расположение катушек 9а и статора 9с относительно друг друга. На фиг.5b показан альтернативный вариант, где один статор и одна катушка используются для наведения магнитного потока в двух соседних поршнях 2. Такая конфигурация имеет преимущество в себестоимости по сравнению с показанной на фиг.5а, поскольку имеет меньшее количество катушек 9а.

На фиг.6 показано сечение цилиндра 1, который предпочтительно выполнен из материала с низкой магнитной проницаемостью, такого как алюминиевый сплав. Внутренняя поверхность 1с цилиндра 1 имеет покрытие 1е из твердого износостойкого материала, например никеля и карбида кремния, реакционно-связанного нитрида кремния, хрома, нанесенного электролитическим способом, или другого металлического, керамического или другого химического покрытия. На внешней поверхности 1d нанесено изолирующее покрытие 1f, например, из оксида циркония или другой достаточно теплоизолирующей керамики. Специалистам понятно, что весь цилиндр имеет конструкцию идентичную этому сечению части цилиндра, расположенной рядом с концом 1g цилиндра.

На фиг.7 показано впускное средство 6, расположенное вокруг цилиндра 1 и содержащее отверстия 6а, имеющие соответствующий размер и совмещенные с отверстиями 1а, 1b в цилиндре 1, и воздухозаборник 6b. Отверстия 6а во впускном средстве 6 соединены каналом 6h, в котором посажен впускной тарельчатый клапан 6с. Канал 6h имеет минимальный объем либо за счет небольшой длины, либо за счет небольшой площади сечения, либо за счет комбинации этих параметров, чтобы минимизировать потери на неуправляемое расширение в канале 6h на фазе расширения.

Впускной тарельчатый клапан 6с уплотняет канал 6h от впускного коллектора 6f, примыкающего к цилиндру 1 как часть воздухозаборника 6b. Впускной тарельчатый клапан 6с приводится в действие приводом 6d, который может бы