高效率的線性內(nèi)燃機(jī)的制作方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 本申請(qǐng)是名稱為"高效率的線性內(nèi)燃機(jī)"、國(guó)際申請(qǐng)日為2011年11月17日、國(guó)際 申請(qǐng)?zhí)枮镻CT/US2011/061145、國(guó)家申請(qǐng)?zhí)枮?01180062604. 3的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申 請(qǐng)。 陽(yáng)〇〇引相關(guān)申請(qǐng)參考
[0003] 本申請(qǐng)是2011年11月16日提交的13/298, 206號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)的繼續(xù)部分申 請(qǐng)，13/298, 206號(hào)申請(qǐng)是2011年5月6日提交的13/102, 916號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)的繼續(xù)部分 申請(qǐng)，13/102, 916號(hào)申請(qǐng)是2010年11月23日提交的12/953, 277號(hào)和12/953, 270號(hào)美國(guó) 專利申請(qǐng)的繼續(xù)部分申請(qǐng)，所有運(yùn)些文獻(xiàn)均全文并入W作為參考。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004] 本發(fā)明設(shè)及高效率的線性內(nèi)燃機(jī)，更具體地，一些實(shí)施例設(shè)及通過(guò)利用與用于提 取功的線性電磁電機(jī)結(jié)合的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和一種創(chuàng)新的燃燒控制策略能夠達(dá)到高 的壓縮/膨脹比的高效率的線性內(nèi)燃機(jī)。
【背景技術(shù)】 陽(yáng)0化]發(fā)動(dòng)機(jī)功率的密度及發(fā)射在過(guò)去30年中已得到改善；然而總效率仍保持相對(duì)不 變。在發(fā)動(dòng)機(jī)界公知的是，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何壓縮比提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的理論效率極限。此外， 提高發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何膨脹比使得其大于壓縮比更進(jìn)一步地提高了它的理論效率極限。為了簡(jiǎn) 潔起見(jiàn)，"壓縮比"和"膨脹比"分別被用于指"幾何壓縮比"和"幾何膨脹比"。
[0006] 圖1(現(xiàn)有技術(shù)）示出了內(nèi)燃機(jī)中常用的兩種循環(huán)-Otto和Atkinson-的理論效率 極限。具體地，圖1是隨壓縮比變化的、Otto和Atkinson循環(huán)的理想效率之間的比較。該 模型的假設(shè)包括：（i)下止點(diǎn)（"抓C")處的壓力等于一個(gè)大氣壓；W及（ii)預(yù)混的、化學(xué) 計(jì)算的、理想的氣體甲燒和包括可變的性質(zhì)的空氣，離解的產(chǎn)物，并且在膨脹過(guò)程中均衡。
[0007] 如圖1所示，運(yùn)兩種循環(huán)的理論效率極限隨著壓縮比增大而顯著提高。理想的 化to循環(huán)被分解為Ξ個(gè)階段：1)等賭壓縮，2)絕熱的等體積燃燒，W及3)等賭膨脹至抓C 處的原始體積。化to循環(huán)的膨脹比等于其壓縮比。理想的Atkinson循環(huán)也被分解為Ξ個(gè) 階段：1)等賭壓縮，2)絕熱的等體積燃燒，W及3)等賭膨脹至原始的抓C壓力（在該實(shí)例 中等于一個(gè)大氣壓）。Atkinson循環(huán)的膨脹比總是大于其壓縮比，如圖1所示。盡管在給 定壓縮比下，Atkinson循環(huán)的理論效率極限高于化to循環(huán)，但是它具有明顯較低的能量密 度（單位質(zhì)量的功率）。在實(shí)際應(yīng)用中，在效率和能量密度之間存在折衷。
[000引 目前市場(chǎng)上設(shè)計(jì)/制造良好的發(fā)動(dòng)機(jī)通常獲得介于其理論效率極限的70-80%之 間的制動(dòng)效率。圖2(現(xiàn)有技術(shù)）中示出了幾種市場(chǎng)上可購(gòu)得的發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。確切地說(shuō)， 圖2為理想的化to循環(huán)效率極限與目前市場(chǎng)上可購(gòu)得的幾種發(fā)動(dòng)機(jī)之間的比較。模型假 設(shè)包括預(yù)混的、化學(xué)計(jì)算的、理想的氣體甲燒和包括可變的性質(zhì)的空氣，離解的產(chǎn)物，并且 在膨脹過(guò)程中均衡。有效的壓縮比被定義為上止點(diǎn)（"TDC")處的氣體密度與抓C處的氣 體密度之比。有效的壓縮比提供了在公平競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下將增壓發(fā)動(dòng)機(jī)與自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī) 作比較的手段。為使具有類似的良好設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)具有高于50%的制動(dòng)效率（即其理論效 率的至少70% )，按照化to循環(huán)工作的發(fā)動(dòng)機(jī)必須具有大于102的壓縮比，按照Atkinson 循環(huán)工作的發(fā)動(dòng)機(jī)必須具有大于14的壓縮比，其對(duì)應(yīng)于54的膨脹比，如圖1中所示。
[0009] 在常規(guī)的曲柄滑塊的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)"）中，由于其內(nèi)在結(jié)構(gòu)，難W達(dá) 到高的壓縮/膨脹比（高于30)。圖3(現(xiàn)有技術(shù)）中示出了一個(gè)示意圖，其說(shuō)明了常規(guī)發(fā) 動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)W及限制它們達(dá)到高壓縮比的問(wèn)題。典型的內(nèi)燃（"1C")發(fā)動(dòng)機(jī)具有0.5-1. 2 的缸徑-行程比W及 8-24 的壓縮比。（Heywood,J. (1988).InternalCombustionlingine 化ndamentals.McGraw-Hill)。在提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比同時(shí)保持相同的缸徑-行程比時(shí)，上 止點(diǎn)（TDC)處的面容比增大，溫度升高且壓力變大。它具有Ξ個(gè)主要后果：1)來(lái)自燃燒室 的熱傳遞增大，2)燃燒定相變得困難，W及3)摩擦和機(jī)械損耗變大。熱傳遞增大的原因是 熱邊界層在總體積中占據(jù)更大比例（即TDC處的高寬比變?。?。高寬比被定義為缸徑與燃 燒室長(zhǎng)度的比值。燃燒定相和實(shí)現(xiàn)完全燃燒比較困難的原因是在TDC處實(shí)現(xiàn)的體積小。增 大的燃燒室壓力直接轉(zhuǎn)化成增大的力。運(yùn)種大的力會(huì)使機(jī)械連桿和活塞環(huán)過(guò)載。
[0010] 盡管自由活塞內(nèi)燃機(jī)并不是新穎的，但是除了Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的工作之外，它 們通常不被利用或研制W用于實(shí)現(xiàn)高于30:1的壓縮/膨脹比。參見(jiàn)第6, 199, 519號(hào)美國(guó)專 利。圍繞自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)具有大量的文獻(xiàn)和專利。然而，運(yùn)種文獻(xiàn)設(shè)及具有短行程長(zhǎng)度的 自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，因此在追求高的壓縮/膨脹比時(shí)具有與往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)類似的問(wèn)題一即燃 燒控制問(wèn)題和大的熱傳遞損耗。自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造可W分成Ξ類：1)兩個(gè)相對(duì)的活塞， 單個(gè)燃燒室，2)單個(gè)活塞，兩個(gè)燃燒室，W及3)單個(gè)活塞，單個(gè)燃燒室。圖4(現(xiàn)有技術(shù)）是 示出了Ξ種常見(jiàn)的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造的示意圖。單個(gè)活塞、雙燃燒室的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī) 構(gòu)造在壓縮比上受限，因?yàn)樵诟邏嚎s比下承受的大力不能被平衡，運(yùn)會(huì)導(dǎo)致機(jī)械不穩(wěn)定。
[0011] 如前面提及的那樣，在研究和專利文獻(xiàn)中已經(jīng)提出了幾種自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。在 所提出的大量自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中，（就我們所知）實(shí)際上只在物理上實(shí)現(xiàn)了幾種。在西 弗吉尼亞大學(xué)、Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和瑞典的皇家技術(shù)研究所，Mikalsen和Roskilly的 研究描述 了自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。M;LkalsenR.，RoskillyA.Previewoffree-piston enginehistoryandapplications.AppliedThermalEngineering, 2007 ;27 :2339 - 2352。據(jù)報(bào)導(dǎo)，在CzechTechnicalUniversity化ttp://www.Iceproject.org/en/)、荷 蘭的INNASBV(ht1:p: //www.innas.com/)和澳大利亞的化mpekSystems(ht1:p: //麗w. 化eepisto噸ower.com/)進(jìn)行著其它研究努力。所有已知的物理上實(shí)現(xiàn)的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī) 具有短的行程長(zhǎng)度，因此在追求高的壓縮/膨脹比時(shí)具有與往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)類似的問(wèn)題一即 燃燒控制問(wèn)題和大的熱傳遞損耗。此外，除了Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的原型機(jī)（Aichlmayr. Η.Τ. .VanBlarigan.P.ModelingandExperimentalCharacterizationofaPermanent MagnetLinearAlernatorforFree-PostonEngineApplicationsASMEEnergy Sustain油ilityConferenceSanRranciscoCA,July19-232009)和OPOC研制的原型機(jī) (InternationalPatentApplicationWO03/07883?5)之外，所有發(fā)動(dòng)機(jī)均具有單個(gè)活塞、 雙燃燒室構(gòu)造，且因而在壓縮比上受限，因?yàn)樵诟邏嚎s比下承受的大力不能被平衡，運(yùn)會(huì)導(dǎo) 致機(jī)械不穩(wěn)定。
[0012] 考慮到上述常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)限制，數(shù)個(gè)制造商已經(jīng)且繼續(xù)嘗試借助使用滿 輪增壓器或超級(jí)增壓器（super-charger)達(dá)到高的有效壓縮比來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。通過(guò)滿 輪增壓器超級(jí)增壓器給發(fā)動(dòng)機(jī)增壓提供了在保持幾何壓縮比不變的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高的有效壓 縮比的手段。給發(fā)動(dòng)機(jī)增壓不能避免因在TDC處和附近承受的高于正常值的壓力和力導(dǎo)致 的問(wèn)題。因此，運(yùn)些力會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的機(jī)械連桿（活塞銷、活塞桿和曲軸）過(guò)載，從而引發(fā) 機(jī)械故障，W及使壓力激勵(lì)的環(huán)過(guò)載，從而導(dǎo)致增大的摩擦、磨損或故障。給發(fā)動(dòng)機(jī)增壓還 通常導(dǎo)致更大的熱傳遞，因?yàn)樵赥DC處或附近（即溫度最高時(shí)）花費(fèi)的時(shí)間沒(méi)有被減少到 足W解釋TDC處或附近承受的高于正常值的溫度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例提供了高效率的線性內(nèi)燃機(jī)。運(yùn)些實(shí)施例通過(guò)利用與用于提 取功的線性電磁電機(jī)結(jié)合的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和一種創(chuàng)新的燃燒控制策略糾正了禁止 常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到高的壓縮/膨脹比的問(wèn)題。文中公開(kāi)的本發(fā)明提供了一種在適于分布式發(fā) 電和/或混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)巧kW-5MW)的規(guī)模下將內(nèi)燃機(jī)的熱效率提高至50%W上的手 段。
[0014] 本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例設(shè)及一種線性內(nèi)燃機(jī)，其包括：具有汽缸壁和一對(duì)末端的汽 缸，該汽缸包括設(shè)在汽缸中間部分的燃燒段；一對(duì)相對(duì)設(shè)置的活塞組件，其適于在汽缸內(nèi)線 性運(yùn)動(dòng)，各個(gè)活塞組件與另一活塞組件相對(duì)地設(shè)在燃燒段的一側(cè)上，每個(gè)活塞組件包括彈 黃桿和活塞，所述活塞包括位于燃燒段附近的實(shí)屯、前段W及中空后段，所述后段包括氣彈 黃，所述氣彈黃在發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮行程期間直接提供至少一些壓縮功；W及一對(duì)線性電磁電 機(jī)，其適于直接將活塞組件的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，并且適于直接將電能轉(zhuǎn)換成活塞組件的動(dòng) 能W在壓縮行程期間提供壓縮功，其中發(fā)動(dòng)機(jī)包括高于50:1的可變膨脹比。
[0015] 本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例設(shè)及一種線性內(nèi)燃機(jī)，其包括：汽缸，所述汽缸具有汽缸壁 及設(shè)在汽缸一端上的燃燒段；活塞組件，其適于在汽缸內(nèi)線性運(yùn)動(dòng)，所述活塞組件包括彈黃 桿和活塞，所述活塞包括位于燃燒段附近的實(shí)屯、前段W及中空后段，所述后段包括氣彈黃， 所述氣彈黃在發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮行程期間直接提供至少一些壓縮功；W及線性電磁電機(jī)，其適 于直接將活塞組件的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，并且適于直接將電能轉(zhuǎn)換成活塞組件的動(dòng)能W在壓 縮行程期間提供壓縮功；其中發(fā)動(dòng)機(jī)包括高于50:1的可變膨脹比。
[0016] 結(jié)合附圖，本發(fā)明的其它特征和方面將從下列具體說(shuō)明中變得顯而易見(jiàn)，其中所 述附圖是W舉例的方式說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的特征。運(yùn)種概括不期望限制本發(fā)明的范 圍，所述范圍僅由所附權(quán)利要求來(lái)限定。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 根據(jù)一個(gè)或多個(gè)各種實(shí)施例，參見(jiàn)附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)描述。運(yùn)些附圖只是 用于說(shuō)明目的，并且僅僅描述本發(fā)明的典型或示例實(shí)施例。提供運(yùn)些附圖是為了方便讀者 理解本發(fā)明，不應(yīng)被視為限制本發(fā)明的寬度、范圍或應(yīng)用。應(yīng)當(dāng)注意，出于簡(jiǎn)潔和方便圖示 的目的，運(yùn)些附圖不一定是成比例的。
[001引圖1(現(xiàn)有技術(shù)）是示出內(nèi)燃機(jī)中常用的兩種循環(huán)的理論效率極限的圖表；
[0019] 圖2 (現(xiàn)有技術(shù)）是將理想的化to循環(huán)效率極限與目前市場(chǎng)上可購(gòu)得的幾種發(fā)動(dòng) 機(jī)之間作比較的圖表；
[0020] 圖3 (現(xiàn)有技術(shù)