线性发电的制造方法

线性发电的制造方法
【专利摘要】一种线性发电机，包括：可移动活塞；轴向分段气缸，具有至少一个导磁分段和膛孔，所述膛孔配置为允许所述活塞在所述气缸内移动；气缸壳体，具有用于接纳所述分段气缸的膛孔；和用于将所述分段气缸紧固就位的装置。这种布置允许自由活塞式发动机驱动型线性发电机具有提高的活塞位置控制、更连续的燃烧和提高的电转换效率。
【专利说明】线性发电机

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种线性发电机，特别设计一种用于自由活塞式发动机驱动型发电机 的线性发电机。

【背景技术】
[0002] 在标准的内燃机中，活塞由于被连接至曲轴因而被机械地限制在其气缸内，由 于活塞在气缸内的往复线性移动，曲轴被旋转驱动。但是，在自由活塞式发动机中，活 塞不与曲轴连接，尽管活塞可被提供在此类型的发动机中，此类型的发动机具有诸如 US-A-7383796中示教的外部机械联动装置。
[0003] 进一步，已知电力可由自由活塞式发动机中的往复活塞通过一个或多个电线圈的 移动以产生磁通量改变而产生，例如US-A-7318506。在该装置中，活塞携带第一线圈，并且 随着其在气缸内往复运动活塞在环绕气缸的第二线圈中产生电流。但是，活塞由磁通可透 过的一块固体材料构造，且相对于气缸的长度必须非常短，这样其可随着活塞穿过第二线 圈时导致通量改变。
[0004] 在现存的自由活塞式发动机中，活塞的长度典型地小于燃烧室的气缸膛孔的直径 的五倍。自由活塞式发动机中的发电机的功率输出由空气帽的面积确定，且为了实现对于 由直径和工作容积确定的给定燃烧室几何形状而言充足的空气帽面积，发电机的直径通常 大于燃烧室的直径。这种直径的改变需要复杂和昂贵的机械解决方法以密封每个燃烧室， 并确保燃烧室相互同轴对准且与介于中间的发电机的轴线同轴对准。
[0005] 对于自由活塞式发动机驱动型发电机的三个主要的设计挑战为：
[0006] -第一，在尺寸适合发动机的燃烧功率输出的发电机中实现高电机效率。
[0007] -第二，实现良好程度的活塞运动控制和燃烧室设计，使得燃烧过程的有效性和完 全性能够确保。
[0008] -第三，以最尽能低的成本解决以上两个挑战。


【发明内容】

[0009] 本发明提供涉及线性发电机、活塞和燃烧室的设计的特征的有利组合，这些特征 一起提供高效燃烧过程，允许燃烧功率输出的高效电力转换，为更恒定的燃烧过程控制提 供作用在低活塞质量上的高发电机控制力，且避免在活塞中使用昂贵的稀土磁性材料和发 动机中的燃烧与电力产生机构之间的接口的复杂设计。因此本发明致力于每个指出的设计 挑战。
[0010] 根据本发明，提供了一种线性发电机，包括：可移动活塞转换器；轴向分段圆柱形 定子，限定穿过该轴向分段圆柱形定子的膛孔，并包括至少一个导磁分段，且配置为允许活 塞在膛孔内移动；气缸壳体，具有用于容纳分段气缸的膛孔；和用于将分段气缸紧固就位 的装置。
[0011] 优选地，一个或多个轴向分段由各向共性的导磁材料制成，诸如软磁复合材料 (SMC)，具有在所有方向上大于5. ΟΧ 10_6 Ω · m的各向同性的电阻率。
[0012] 优选地，圆柱形定子通过夹紧、附着粘合、过盈配合或者其他固定装置被紧固在气 缸内。气缸壳体为圆柱形定子提供冷却装置和结构支撑，且具有与定子的外径类似尺寸的 内膛孔，使得气缸壳体还提供圆柱形定子的分段元件的同轴对准。
[0013] 优选地，紧固在气缸壳体内的定子元件中的至少一个具有不大于 10GPa(10X10 9N/m2)的低的杨氏模量（弹性模量），使得圆柱形定子元件外径和气缸壳体膛 孔之间的任何间隙通过定子元件在轴向夹紧负载的作用下的径向膨胀被减小。
[0014] 优选地，气缸壳体具有沿其长度的至少一部分的均一的截面，典型地沿其长度的 至少三分之一，使得冷却通道和冷却片特征可被提供以提高来自气缸壳体内的圆柱形定子 元件的热传递。
[0015] 优选地，每个分段定子元件的圆柱形内膛孔被涂覆耐磨材料，诸如氮化硅、碳化硅 或其他陶瓷、或者类似的硬材料，使得一旦分段定子元件通过夹紧或其他装置在气缸壳体 内被紧固就位时该圆柱形内膛孔可被珩磨或者被抛光。
[0016] 线性发电机的活塞转换器优选包括一个或多个导磁元件，一个或多个导磁元件具 有各向同性的导磁率和电阻率，沿活塞轴布置且通过夹紧或其他装置紧固，使得相邻元件 之间保持接触，其中活塞的长度为其最大直径的至少五倍。
[0017] 活塞长度与活塞直径的比例提供燃烧室的功率输出和空气帽的功率容量之间更 好的匹配，空气帽具有与长形活塞的圆柱形表面相等的面积。结果，空气帽和燃烧室直径可 以相等，且活塞的相反端的燃烧室之间不需要直径的改变。结果，此线性发电机使得自由活 塞式发动机能够比现存类型的自由活塞式发动机以更低的成本构造。
[0018] 进一步，本发明提供了一种在发动机驱动型发电机中特别有效的线性发电机，发 动机驱动型发电机具有容纳在若干个圆柱形定子元件内或者邻近若干个圆柱形定子元件 提供的多个线圈，活塞在若干个圆柱形定子元件中往复运动，线圈提供轴向磁通发电机拓 扑，其中环形磁通回路与活塞的行进方向同轴。活塞和定子元件的各向同性的导磁率和电 阻率允许此轴向磁通拓扑具有活塞中最小的涡流损耗，提供比其他自由活塞式发动机驱动 型发电机概念更高的效率和控制力。进一步，在此轴向磁通构造中的移动活塞质量低于在 等价的横向磁通构造中可能的移动活塞质量，提高了由线圈施加的电磁力的控制权，且与 横向磁通构造相比允许提高的活塞运动控制。
[0019] 优选，活塞顶被提供在活塞的每个末端，以保护芯和间隔元件免受燃烧的影响。替 代地，每个活塞可具有面向燃烧室的单个活塞顶，面向反弹室的活塞的相反端作用为在每 个动力冲程的结束反转活塞的方向。替代地，每个活塞可具有面向中心燃烧室的单个活塞 顶以实现完全平衡的发动机单元，中心燃烧室在彼此反相移动的两个相对的活塞之间。
[0020] 优选,活塞顶由诸如，陶瓷、钛的轻量、耐高温和绝缘材料构造，和/或具有凹进表 面以减小在上死点的热量损耗。优选，活塞顶被涂覆氧化催化材料或由氧化催化材料构造， 氧化催化材料提高燃烧室中燃烧的一致性和完全性。优选，活塞顶的裸露表面面积为活塞 的截面面积的至少两倍，以提高燃烧催化剂的效能。
[0021] 优选，活塞轴为中空的，以减小活塞质量，且同轴地布置在活塞轴上的一个或多个 导磁元件形成为具有相同外径的环形圈。优选，气缸的圆周表面的一部分被涂覆降低摩擦 且耐磨的材料。

【专利附图】

【附图说明】
[0022] 现在本发明的示例将参照以下附图描述，其中：
[0023] 图1示出自由活塞式发动机驱动型发电机中的纵向截面，该自由活塞式发动机驱 动型发电机具有两个根据本发明的示例的线性发电机，活塞在其两端均具有活塞顶；
[0024] 图2为图1的活塞中的纵向截面，示出同轴设置在中空活塞轴上的元件的结构；
[0025] 图3为所述活塞中的垂直截面，示出所述轴和环形元件的同心布局；
[0026] 图4为活塞的替代实施例中的纵向截面，其中只在一端具有活塞顶；
[0027] 图5为根据本发明的图1的线性发电机之一的截面图，图示在切换定子元件中的 由线圈和由活塞的移动引起的磁通；
[0028] 图6为线性发电机中的垂直截面，示出在活塞中紧密设置的线性发电机定子和导 磁元件；
[0029] 图7为进气充气位移清除相期间，进气阀、进气滑动端口阀孔口和燃料喷射器布 局的更详细的纵向截面；
[0030] 图8为排气相期间包括排气阀和致动器的排气装置的更详细的纵向截面；
[0031] 图9为时间-位移图表，示出完整发动机周期期间自由活塞式发动机气缸内的变 化活塞位置，以及在此阶段期间发动机周期事件的时间；
[0032] 图10为压力-容积图表，示出完整发动机周期期间典型的自由活塞式发动机气缸 压力图表；
[0033] 图11为自由活塞式发动机气缸中在第一室中的上死点、压缩相的结束、火花点火 和燃烧事件的开始的时间附近的示意纵向截面；
[0034] 图12为第一室的膨胀相中途自由活塞式发动机气缸中的不意纵向截面气缸；
[0035] 图13为自由活塞式发动机气缸中在膨胀相的结束，但是在进气阀和出气阀已经 打开之前的示意纵向截面气缸；
[0036] 图14为自由活塞式发动机气缸中在进气阀打开以对室1充气以后的气缸示意纵 向截面，允许进气充气流体压力与第一室中的低气缸压力平衡；
[0037] 图15为自由活塞式发动机气缸中在排气阀打开以后、同时进气阀保持打开从而 清除第一室的气缸示意纵向截面；
[0038] 图16为自由活塞式发动机气缸中在进气阀已经关闭后燃料喷射至第一室内期间 气缸的示意纵向截面；
[0039] 图17为自由活塞式发动机气缸中在润滑剂和/或冷却液应用在活塞外表面期间 的气缸示意纵向截面；
[0040] 图18为气缸中，排气阀打开的同时，且在进气阀和滑动端口阀已经关闭以后，使 得通过活塞位移实现废气从第一室的连续排出的示意纵向截面；
[0041] 图19为自由活塞式发动机气缸中在第一室中的压缩相的中途的示意纵向截面气 缸；
[0042] 图20为由通过两个夹紧板装置而紧固在气缸壳体内的气缸组件构造的自由活塞 式发动机中气缸的不意纵向截面气缸气缸气缸；
[0043] 图21为由紧固在气缸壳体内的气缸组件构造的自由活塞式发动机气缸中的示意 垂直截面，气缸气缸气缸图示包含在气缸壳体部分中的冷却特征。
[0044] 在这些附图和说明书中，使用如下图标：
[0045] 1-气缸膛孔表面层
[0046] la-第一进气端口孔口
[0047] lb-第二进气端口孔口
[0048] lc-气缸膛孔
[0049] 2-活塞
[0050] 2a_活塞外表面
[0051] 2b_活塞端部表面
[0052] 2c-活塞轴
[0053] 2d-活塞顶
[0054] 2e_润滑控制特征
[0055] 2f_导磁活塞芯元件
[0056] 2g_非磁性活塞间隔元件
[0057] 2h_活塞轴端部
[0058] 2i-活塞轴帽
[0059] 3-第一燃烧室
[0060] 3a-第一燃烧室高度
[0061] 4-第二燃烧室
[0062] 5-燃料喷射装置
[0063] 5a_ 燃料
[0064] 6-进气装置
[0065] 6a_进气滑动端口阀孔口
[0066] 6b_空气进气
[0067] 6c-进气阀
[0068] 6d_进气阀致动器
[0069] 6e_进气充气压缩机
[0070] 6f_进气歧管
[0071] 6g_进气阀凹进
[0072] 6h_进气通道
[0073] 7-排气装置
[0074] 7a_气缸头
[0075] 7b_排气阀
[0076] 7c-排气阀致动器
[0077] 7d_排气歧管通道
[0078] 8-点火装置
[0079] 9-分段圆柱形定子
[0080] 9a_ 线圈
[0081] 9b_切换设备
[0082] 9c_导磁定子元件
[0083] 9d_控制模块
[0084] 9e_电输出装置
[0085] 10-润滑剂和冷却液应用装置
[0086] 1卜气缸壳体
[0087] 11a-形成在气缸壳体内的冷却通道
[0088] 1 lb-形成在气缸壳体内的冷却片
[0089] 12-夹紧板
[0090] ΤΙ、T2、T3和T4-定子和活塞元件中的环形磁通回路

【具体实施方式】
[0091] 图1示出了提供在自由活塞式发动机驱动型电力产生系统的单个气缸内的本发 明的示例。可看到，活塞2沿气缸的长度自由移动，活塞被限制为与气缸膛孔lc同轴对准， 因此有效地将气缸容积隔断为第一燃烧室3和第二燃烧室4,每个燃烧室具有可变的容积， 取决于活塞2在气缸内的位置。活塞2没有延伸至气缸膛孔lc外侧的部分。以第一室3 为例，室3、4中的每一个具有可变的高度3a和根据气缸膛孔lc的直径的固定直径。在实 施例中，分段圆柱形定子9和进气装置6的内膛孔表面均涂覆有耐磨层。这些元件上的内 膛孔涂层一起形成连续的气缸膛孔表面层1。尽管在附图中示出气缸的内表面上的薄的表 面层1，本发明也覆盖一实施例，其中气缸的内表面层1不是由单独的耐磨层提供，而是由 可磁化材料和非可磁化材料本身的轴向分段提供。
[0092] 气缸膛孔lc优选绕其轴线旋转对称，且关于垂直于其轴线的中心平面对称。尽管 其他的几何形状能够可用于执行本发明，例如具有正方形或长方形截面活塞，具有圆形截 面活塞的布置是优选的。气缸膛孔1C具有一系列孔口 la、lb，沿其长度提供且远离端部，优 选提供在中心位置。通过活塞2的移动，孔口 la、lb形成滑动端口进气阀孔口 6a，如以下详 细描述的，滑动端口进气阀孔口 6a被设置为与环绕气缸膛孔lc的至少一部分提供的空气 进气口 6b联合操作。
[0093] 图2示出具有外表面2a且包括中心轴2c的活塞2, 一系列圆柱形元件安装在中心 轴2c上。这些圆柱形元件可包括在中心轴2c的每个端部的活塞顶2d,每个活塞顶2d优选 地由耐热且绝缘的材料构造，诸如陶瓷、钛或者钛复合物。活塞顶端部表面2b优选地为稍 微凹进，减小第一室和第二室3、4在上死点的表面面积与容积的比率，并由此减小热量损 耗。替代地，活塞顶2d可由作用为氧化催化剂的材料形成或者涂覆作用为氧化催化剂的材 料，以确保燃烧的完全性，在该情况下优选活塞顶的裸露的端部表面2b具有大体上大于活 塞的截面面积的面积，这样在燃烧室容积内容物上的催化剂表面作用被加强。当然，如果气 缸为不同的几何形状，则这些元件的构造将相应地适应调整。
[0094] 活塞外表面2a的部分可被涂覆减小摩擦和耐磨的材料。活塞顶2d可包括润滑控 制特征2e，以控制在发动机工作期间气缸膛孔lc的润滑润湿的程度。这些润滑控制特征可 包括槽和油控制环，如传统的内燃机中一般使用的。
[0095] -个或多个导磁芯元件2f被安装在活塞轴2c上。每个芯元件2f由导磁材料构 造，该导磁材料具有各向同性导磁率和各向同性电阻率，以减小在发动机工作期间的涡流 损耗。
[0096] 间隔元件2g也被安装在活塞轴2c上。每个间隔元件2g理想地具有低导磁率，且 优选地由轻量材料构造，诸如错合金或陶瓷。
[0097] 优选地，导磁芯元件由导电复合材料制成，诸如软磁复合材料（SMC)，具有大于电 工钢两倍的各向同性电阻率，且在所有方向上大于5.0Χ1(Γ6Ω ·πι。此各向同性特性允许 非平面磁通回路的使用，诸如那些在图5中示出和以下描述的，这些磁通回路不会导致由 于感应涡流造成的高铁耗。如果此非平面磁回路拓扑使用传统的钢叠片应用，这种涡流将 导致显著的电损耗，因为叠片的平面中的电阻率典型地非常低。
[0098] 导磁芯元件2f和非磁性间隔元件2g的设计将芯元件2f定位在正确的节距，用于 作为例如线性切换磁阻的一部分或者包括移动活塞2和分段圆柱形定子9的切换磁通发电 机的一部分的有效操作。这种机器可包括沿活塞在其内往复运动的气缸的长度间隔的多个 线圈气缸。
[0099] 活塞的总长度优选为其直径的至少五倍，且在任何情况下活塞至少足够长以完全 并同时覆盖进气端口孔口 la和lb，这样在完整循环期间进气通道6h绝不允许燃烧室3和 4连通。
[0100] 活塞轴端部2h被机械变形或者用其他方式固定至活塞顶2d，使得安装至活塞轴 2c的元件2f和2g在维持在活塞轴2c中的张力作用下被紧固地保持。
[0101] 图3是活塞2的截面图，示出穿过芯元件2f的活塞轴2c。
[0102] 图4示出本发明的替代实施例，其中活塞2只在一个端部具有活塞顶2d，另一端被 轻量活塞轴帽元件2i密封。此实施例适于在对冲活塞自由活塞式发动机中使用，或者在其 中每个气缸在一个端部具有单个燃烧室，另一端部具有用于在每个做功冲程的结束反转活 塞的方向的反弹室的自由活塞式发动机中使用。
[0103] 图5示出线性发电机的示例，该线性发电机包括轴向分段圆柱形定子9,轴向分段 圆柱形定子9具有导磁定子元件9c和线圈9a。分段圆柱形定子9被构造为提供共用气缸 膛孔lc，活塞2在共用气缸膛孔lc内自由移动。此设置有助于能量在活塞2和电输出装置 9e之间的传递，且提供力来控制活塞的位置和移动。分段圆柱形定子9包括沿其长度分布 的若干个线圈9a和若干个定子元件9c。
[0104] 分段圆柱形定子9可被构造为与活塞2联合作用，作为若干个不同的发电机类型， 例如线性切换磁阻发电机或者线性切换磁通发电机。在示出的设置中，线圈9a由切换设备 9b切换，从而在定子9c和活塞芯元件2f内感应磁场。在此实施例中，切换设备9b以至少 100Hz的频率变化线圈9a中的电流。切换与活塞的移动精确同步，这样活塞的移动切割由 线圈中的电流产生的磁通，在活塞上施加力，并将来自活塞的动能转化为线圈中的电能。
[0105] 在图5所示的设置中，环形磁通回路T1-T4在线圈9a中的切换电流的作用下在定 子9c和活塞芯元件2f中生成。分段圆柱形定子9和活塞2 -起作用为线性切换磁阻设备， 或者线性切换磁通设备。作为磁通回路T1-T4被活塞2的运动切割并因此在线圈9a中感 应电流的结果，电力在电输出装置9e产生。磁通回路的环形拓扑提供异常高的磁通密度和 每单元质量的导磁转化元件2f的磁通切割率，因此提高作用在每单元质量的活塞转换器 上的控制力，并从而提高在活塞2的位置和移动上的发电机的控制权。另外，此设置许可在 活塞中不使用永久磁铁的高效发电装置，永久磁铁在内燃机内的高温条件下可能消磁，由 于使用昂贵的稀土金属，永久磁铁会增加发动机的显著的成本。
[0106] 另外，可使用控制模块9d，控制模块9d如下所述包括几个不同的控制装置。不同 的控制装置被提供为实现能量活塞2和电输出装置9e之间的期望传输率，以便在满足活塞 2的期望运动特性的同时传送最大的电力输出，活塞2的期望运动特性包括压缩速率和压 缩比，膨胀速率和膨胀比，以及在每个室3、4的上死点的活塞停留时间。
[0107] 阀控制装置可被用于控制进气阀6c和排气阀7b。通过控制排气阀7b的关闭， 阀控制装置能够控制压缩相的开始。以类似的方式，阀控制装置也可用于控制排气再循环 (EGR)、进气充气和压缩比。
[0108] 也可使用适于发电机类型的压缩比控制装置。例如，在切换磁阻发电机中，压缩比 控制通过变化施加于切换线圈9a的相、频率和电流而部分地实现。这改变了活塞2的运动 切割的感应横向磁通的速率，并因此改变了施加至活塞2的力。相应地，线圈9a可用于排 气阀7b关闭的点和活塞2随后的减速期间均控制活塞2的动能。
[0109] 然后，火花点火正时控制装置可用于响应压缩比中的任何剩余的周期至周期的变 异，以确保如以下的此剩余变异在发动机排放和效率上的不利影响被最小化。通常，在每个 压缩相的结束的预期压缩比为目标压缩比加上与系统变异和控制系统特性相关的误差，系 统变异诸如为在相对的燃烧室3, 4中发生的燃烧事件。火花点火正时控制装置可以调整响 应接近的活塞2的测量速度和加速度的火花点火事件的时间，以优化用于在每个压缩相的 结束的预期压缩比的燃烧事件。
[0110]目标压缩比将通常为取决于使用的燃料5a的常数。但是，压缩比误差可来源于在 上死点的最后燃烧室高度3a的任何变化。因此，如果室高度变化发生±20%，，目标压缩 比为12:1，则实际压缩比可在10:1至15:1的范围内。通过火花点火正时控制装置的火花 点火事件的提前或延迟将因此减小不利排放和此误差的效率影响。
[0111] 另外，燃料喷射控制系统可被用于控制燃料5a的喷射时间，这样在清除期间，在 滑动端口阀孔口 6a关闭减少碳氢化合物（HC)排放之前，燃料5a被立即喷射至燃烧室3, 4 中。
[0112] 进一步地，可提供温度控制装置，包括定位在线圈9a、电子设备或对高温敏感的其 他元件附近的一个或多个温度传感器，以控制由冷却液应用装置10施加的冷却流体的流 动，以及响应检测的温度改变由压缩机6e提供到冷却通道11a中的冷却空气的流动。温度 控制装置可与阀控制装置通信，以在检测到维持的提升温度读数时限制发动机动力输出， 以避免发动机破坏。
[0113] 可由控制模块9d使用的另外的传感器优选包括对于给定的燃料类型、根据所添 加的空气的量来确定燃料5a将被喷射至室内的量的排气（Lambda)传感器和气流传感器。 相应地，燃料传感器也可用于确定使用的燃料类型。
[0114] 图6示出一个定子元件9c中的垂直截面，示出了由气缸膛孔表面层1的厚度分开 的定子元件9c和导磁活塞元件2f的接近度。另外，图6示出导磁元件2f与中空活塞轴2c 的同轴布置。
[0115] 图7示出进气装置6,包括滑动端口阀孔口 6a和空气进气口 6b。进气装置6中的 滑动端口阀孔口 6a由通道6h连接，进气阀6c坐落在通道6h中。通道6h具有最小的容积， 具有短的长度、小的截面面积或者两者的结合，以使膨胀相期间通道6h内的未受控膨胀损 耗最小化。替代地，分离的进气阀6c可被提供为紧邻每个滑动端口阀孔口 6a，此替代设置 也防止进入通道6h中的未受控膨胀损耗。
[0116] 进气阀6c从作为空气进气口 6b的一部分的进气歧管6f密封通道6h。进气阀6c 由进气阀致动器6d操作，进气阀致动器6d可为电动电磁装置或者其他适合的电子装置或 机械装置。
[0117] 在滑动端口阀孔口 6a和进气阀6c均关于第一室3或第二室4中的一个打开时， 进气歧管6f与该室经由通道6h流体连通。优选地，进气装置6被提供凹进6g，凹进6g设 置为在完全打开时接收进气阀6c，以确保液流体能够自由地流动通过通道6h。
[0118] 空气进气口 6b也包括进气充气压缩机6e，进气充气压缩机6e可为电子操作、机械 操作、或者在来自空气进气口 6b的压力波的作用下被操作。进气充气压缩机6e也可在来自 排气装置7的压力或压力波的作用下被操作，如下所述，排气装置7提供在气缸膛孔lc的 每个端部。进气充气压缩机6e可为正位移设备、离心设备、轴流设备、压力波设备、或者任 意合适的压缩设备。进气充气压缩机6e提升进气歧管6f中的压力，这样当空气进气口 6b 打开时，进气歧管6f中的压力大于与进气歧管6f相连的室3或4中的压力，因此许可进气 充气流体的流动。
[0119] 燃料喷射装置5也被提供在进气装置6内，诸如电磁喷射器或者压电式喷射器。尽 管中心定位的单个燃料喷射器5可足够，优选地提供邻近每个滑动端口阀孔口 6a的燃料喷 射器5。燃料喷射器5优选凹进在进气装置6中，这样活塞2可无障碍地通过和穿过滑动端 口阀孔口 6a和空气进气口 6b。燃料喷射器5可被构造为通过每个滑动端口阀孔口 6a将燃 料喷射至各自的室3、4中。
[0120] 润滑剂和冷却液应用装置10优选地被提供为凹进在进气装置6内，且被设置为使 得活塞2可无障碍的通过和穿过进气装置6,由此活塞可通过一种或多种流体的应用而被 润滑和冷却。施加的流体可包括传统的润滑油。另外，流体可包括水或另一具有高汽化热 的挥发性液体。随着这种冷却流体的蒸发，活塞中的热量被传递至流体中，并随着活塞行进 造成气体排放在燃烧室中，或者随着燃烧室膨胀阻止燃烧漏气的泄露。排放的冷却气体增 加了膨胀的燃烧室中的气体量，因此逐渐地增加了燃烧室压力。以此方式，由于改变的磁通 导致的涡流和来自燃烧室的热传导在活塞中积累的热量通过膨胀的燃烧室容积可被恢复 为施加至活塞的有用功。另外，排放气体可作用为气体轴承，减小活塞的外表面2a上的摩 擦和磨损。
[0121] 图8示出提供在气缸腔lc的每个端部的排气装置7。排气装置7包括气缸头7a， 气缸头7a由螺钉装置或类似物可移除地附接至气缸壳体11的端部。在每个气缸头7a内 放置排气阀7b，排气阀7b与气缸膛孔lc的轴线同轴对准。排气阀7b由排气阀致动器7c 操作，排气阀致动器7c可为电动电磁装置或者其他电子装置或机械装置。相应地，当第一 燃烧室3或者第二燃烧室4内的进气阀6c或者滑动端口阀孔口 6a以及排气阀7b均关闭 时，该燃烧室被有效地密封，且容纳在其中的工作流体可被压缩或者被允许膨胀。
[0122] 排气装置7也包括提供在气缸头内的排气歧管通道7d，当排气阀7b打开时，在邻 近的第一燃烧室3或者第二燃烧室4与排气歧管通道7d内的流体之间的压力差的作用下， 排气可流入排气歧管通道7d。
[0123] 诸如火花塞的点火装置8也提供在气缸膛孔lc的每个端部，点火装置8被放置在 气缸头7a内，且优选凹进在气缸头7a内，使得在发动机的正常工作周期期间活塞2无障 碍。
[0124] 优选地，排气阀7b与气缸膛孔lc的轴线的同轴布置允许排气阀7b的直径相对于 室3, 4的直径比传统的内燃机中更大。
[0125] 每个气缸头7a由诸如陶瓷的耐磨和高隔热材料构造，以将排热最小化并避免对 于单独的阀座组件的需求。
[0126] 图9示出根据本发明的发动机的时间位移图表，图示在完整发动机周期的一个过 程中活塞2的移动。尽管这里参照第一室3描述发动机的工作，技术人员将认识到，第二室 4的事件的操作和顺序与第一室3的完全相同，但是相移180度。换言之，活塞2到达第一 室3中的上死点，与此同时，其达到第二室4中的下死点。
[0127] 在发动机周期始终突出表示的事件A至F对应于图10中图示的事件A至F，图10 示出在相同的发动机周期的过程中对于燃烧室3、4的典型压力-容积图表。在图9至10 描述的事件参照图11至19的以下讨论。
[0128] 现在考虑完整的发动机周期，在发动机周期的开始，第一室3容纳压缩混合物，压 缩混合物主要由预先混合的燃料和空气构成，具有少部分的从前一周期余留的剩余排气。 众所周知，受控量的排气的存在对于发动机的有效工作是有利的，因为这可减小或排除对 于作为发动机功率调制装置的进气充气节流器的需要，这在传统的火花点火发动机中是损 耗的显著源头。另外，氧化亚氮污染气体的形成被减小，因为峰值燃烧温度和压力低于没有 排气保留的发动机中的峰值燃烧温度和压力。这是排气分量没有促进燃烧反应的结果，且 由于余留气体中的二氧化碳和水的高热容量。
[0129] 图11示出活塞相对于气缸膛孔lc的位置，限定在上死点（A)的第一室3的几何形 状。这也在燃烧相AB的开始点附近。活塞2b的顶部和第一室3的端部之间的距离至少为 第一室3的直径的一半，与传统的内燃机中的燃烧室相比，给出更低的表面面积与容积比， 且降低在燃烧期间从第一室3的热损耗。点火装置8被凹进在气缸头7a内，使得在活塞2 以非受控的方式接近上死点的事件中，点火装置8和活塞顶2d之间不可能接触。相反地， 压缩将持续直到活塞2的运动被由于第一室3中的近似绝热压缩而持续积累的压力制止。 参照图10,燃烧膨胀相AB由点火事件（A)开始。
[0130] 图12示出活塞2在膨胀相（AB和BC)中途的位置。随着活塞2在第一室3和第 二室4之间的压力差的作用下移动，第一室3膨胀。第二室4中的压力在此点近似等于进 气歧管6f中的压力。通过由分段圆柱形定子9施加的电磁力的作用，第一室3的膨胀被反 抗，电磁力可被调制从而实现期望的膨胀速率，以满足发动机性能、效率和排放目标。
[0131] 图13示出活塞2在下死点相对于第一室3的位置。在膨胀相（C)的结束，在由分 段圆柱形定子9施加的电磁力、以及第一室3和第二室4之间的压力差的作用下，活塞2的 运动被制止。第二室4中的压力在此点近似等于第一室3在其上死点位置（A)的高压。优 选地，膨胀比至少为压缩比的两倍，其中压缩比在10:1至16:1的范围内。这给出与其中膨 胀比近似于压缩比的传统的内燃机相比提高的热效率。
[0132] 图14示出在进气平衡相（CD)期间在下死点的时间处活塞2和进气装置6的布置 以及进气的初始流动。此布置也可见图7。在此点，由于活塞2活动通过并穿过沿气缸膛 孔lc提供的孔口 la、lb，滑动端口进气阀孔口 6a打开。由于第一室3中过膨胀减小的流体 压力且由于进气压缩机6e提升进气歧管6h中的压力，第一室3中的压力低于进气歧管6f 中的压力。在此时间附近，进气阀6c由进气阀致动器6d打开，允许进气充气进入气缸膛孔 lc内的第一室3,第一室3的压力接近与进气歧管6f处的压力平衡。在进气阀6c打开后 短时间，排气阀7b也打开，允许排气在第一室3和排气歧管通道7d之间的压力差的作用下 排出第一室3,排气歧管通道7d保持接近于环境大气压力。
[0133] 图15示出在进气充气位移清除相（DE)期间活塞2的位置。排气清除通过第一室 3中的排气连续位移至排气歧管通道7d中同时在第一室3的活塞端部引入新鲜进气充气而 实现。如图17所示，在以下解释的，一旦进气充气的预定量已经被许可进入第一室3,进气 阀6c关闭并且通过活塞2的移动持续进行排气的排出。
[0134] 图16示出在燃料喷射点（E)的活塞2和进气装置6的布置。如果使用液体燃料， 此燃料5a可被直接引入至接近的活塞顶2d上，这具有迅速蒸发燃料、冷却活塞顶2d并最 小化作为气缸膛孔lc上的湿膜的未燃烧燃料的损耗和排放的效果，否则作为气缸膛孔lc 上的湿膜的未燃烧燃料在膨胀相期间可能在第二室4中蒸发。
[0135] 图17示出在润滑（E)期间活塞2的位置，在活塞2穿过进气滑动端口阀6a时，小 量的润滑剂和/或冷却液由润滑剂和冷却液应用装置10周期性地直接引入至活塞外表面 2a。此设置将与气缸内壁的润滑润湿相关联的碳氢化合物排放最小化，也可减小气缸内壁 油膜中的燃料溶解程度。润滑控制环特征2e被包括在活塞顶2d中，以进一步减小第一室 3和第二室4中的润滑壁润湿的程度。
[0136] 图18示出在活塞位移清除相EF期间活塞2的位置。进气阀6c关且通过活塞2 的移动持续进行排气的排出。此时，由于第二室4中的燃烧事件，活塞2朝向排气装置7移 动并减小第一室3的容积。
[0137] 作为相对于燃烧室直径排气阀的更大直径的结果，穿过阀杆的排气流中的限制 面积可接近气缸膛孔截面面积的40%，导致进气充气位移清除相（DE)和活塞位移清除相 (EF)期间均低排气背压损耗。
[0138] 图19示出压缩相（FA)中途活塞2相对于气缸膛孔lc的位置的纵向截面。在足 够的排气排出已经实现，使得第一室3中的流体中的排气比例接近预定水平时，排气阀7b 被关闭且压缩相（FA)开始。随着活塞2在第一室3与第二室4之间的压力差的作用下、以 及由分段圆柱形定子9施加的电磁力的作用而加速和减速，压缩以变化的速率持续。在膨 胀相（AB和BC)期间，第二室4中的压力在此点下降。线性发电机的力可被调制，从而实现 期望的压缩率以满足发动机性能、效率和排放目标。第一室3中的容积压缩率大体上等于 和相反于室4中的容积膨胀率。
[0139] 图20示出自由活塞式发动机中的纵向截面，自由活塞式发动机由两个分段圆柱 形定子9和进气装置6构造，两个分段气圆柱形定子9和进气装置6通过两个夹紧板12被 紧固在气缸壳体11内。夹紧板12被紧固至气缸壳体11，以向容纳在气缸壳体11内的兀件 施加轴向挤压负载。
[0140] 气缸壳体提供冷却通道11a以为分段圆柱形定子9提供冷却装置，气体或其他冷 却流体可穿过冷却通道11a。气缸壳体具有与分段圆柱形定子9的外径类似尺寸的内膛孔， 使得气缸壳体还提供圆柱形定子9的分段元件的轴向对准。
[0141] 图21示出具有紧固在气缸壳体11内的轴向分段圆柱形定子9的自由活塞式发动 机中的垂直截面。如在其他附图中的任一个中一样，在此图中的气缸壳体11可具有沿其长 度的至少一部分的共同截面，其长度的至少一部分典型地至少为气缸壳体11的整个长度 的三分之一。通过这样，我们意味着截面的轮廓是一致的，诸如可通过挤压形成。值得注意 的是，开口或其他特征可被形成在壳体中，而不改变共同的截面。另外，冷却通道11a和冷 却片特征lib可被提供，以提高从封装在其中的圆柱形定子元件的热传递。每个分段定子 元件9c的气缸膛孔lc被涂覆硬质材料，诸如氮化硅、碳化硅、或者其他陶瓷，以提供用于活 塞2的耐磨轴承表面（见图5)。
[0142] 优选地，涂覆的材料具有大于软钢的硬度值。例如，常用的软（低碳）钢级别ASTM A36显示硬度测量典型地在布氏硬度表上不大于180,在洛氏硬度表上近似为20。
[0143] 这些分段定子元件上的内膛孔涂层一起形成连续的气缸膛孔表面层1。一旦定子 元件9c通过夹紧或其他装置在气缸壳体11内被紧固就位时此表面层可被珩磨或者被抛 光。夹紧装置可通过附接至气缸壳体11的每个端部的夹紧板12提供。替代地，夹紧可通 过附接至气缸壳体11的一个端部的单个夹紧板12、并通过分段圆柱形定子9施加压力负载 而提供，分段圆柱形定子9通过气缸壳体特征或者诸如附着粘合、压合接头或者螺纹紧固 件的其他固定装置被轴向约束。替代地，分段圆柱形定子9可不使用夹紧板12在气缸壳体 11内被紧固就位，通过诸如附着粘合、压合接头或者螺纹紧固件的其他装置。
【权利要求】
1. 一种线性发电机，包括： 可移动活塞； 轴向分段气缸，限定穿过该轴向分段气缸的膛孔，且包括至少一个导磁分段，所述分段 同轴配置以允许所述活塞在所述膛孔内移动； 气缸壳体，具有用于接纳所述分段气缸的膛孔；和 用于将所述分段气缸紧固就位的装置。
2. 如权利要求1所述的线性发电器，其中，所述用于紧固的装置包括附接于所述气缸 壳体的至少一个夹紧板，在使用中，通过所述夹紧板能够对所述轴向分段气缸施加轴向挤 压。
3. 如权利要求1或2所述的线性发电机，其中，所述气缸膛孔被涂覆有具有大于软钢的 硬度值的材料，或者由具有大于软钢的硬度值的材料制成。
4. 如前述任一权利要求所述的线性发电机，其中，所述气缸壳体具有共同的截面。
5. 如权利要求4所述的线性发电器，其中，所述气缸壳体包含冷却片，该冷却片沿所述 气缸壳体的长度的至少一部分形成在所述共同的截面中。
6. 如前述任一权利要求所述的线性发电机，其中，至少一个气缸分段具有小于 10GPa(10X109N/m 2)的弹性模量。
7. 如前述任一权利要求所述的线性发电机，其中，至少一个所述分段气缸元件由导磁 材料制成，该导磁材料具有大于电工钢两倍的各向同性的电阻率。
8. 如前述任一权利要求所述的线性发电机，其中，所述活塞包括沿活塞轴同轴布置的 一个或多个元件，其中所述活塞的长度至少为其最大直径的五倍，其中至少一个所述元件 由导磁材料制成，该导磁材料具有大于电工钢两倍的各向同性的电阻率。
9. 如权利要求7或8所述的线性发电机，其中，所述气缸和活塞元件由导电复合材料制 成，该导电复合材料具有在所有方向上大于5. ΟΧ 1(Γ6Ω · m的各向同性的电阻率。
10. 如前述任一权利要求所述的线性发电机，包括多个线圈元件和定子元件，布置为紧 邻所述活塞，使得所述活塞的移动导致所述线圈内的磁通变化。
11. 如权利要求10所述的线性发电机，还具有切换装置，通过所述切换装置，由所述线 圈施加的所述磁通能以至少100Hz的频率变化。
12. 如前述任一权利要求所述的线性发电机，布置在自由活塞式发动机内，所述自由活 塞式发动机具有允许冷却液和/或润滑液被直接喷射在所述活塞的表面上的液体喷射装 置。
13. 如前述任一权利要求所述的线性发电机，其中，至少一个所述活塞元件由非磁性材 料制成，且每个元件被紧固使得相邻的元件之间保持接触。
14. 如前述任一权利要求所述的线性发电机，进一步包括活塞顶，所述活塞顶提供在所 述活塞的一个或两个末端。
15. 如权利要求14所述的线性发电机，其中，所述活塞顶为陶瓷。
16. 如权利要求14或15所述的线性发电机，其中，所述活塞顶为凹面的。
17. 如权利要求14至16中任一权利要求所述的线性发电机，其中，所述活塞顶的裸露 表面面积为所述活塞的截面面积的至少两倍，并且所述活塞顶的裸露表面材料用作促进燃 烧室内容物的氧化的催化剂。
18. 如权利要求14至17中任一权利要求所述的线性发电机，其中，所述活塞轴为中空 的。
19. 如权利要求14至18中任一权利要求所述的线性发电机，其中，同轴布置在所述活 塞轴上的所述元件形成为具有相同外径的圆环。
20. -种制造如前述任一权利要求所述的线性发电机的方法，其中，所述轴向分段圆柱 形定子的内膛孔在所述轴向分段气缸被紧固就位后被珩磨或者被抛光。
21. 如权利要求20所述的方法，其中，所述轴向分段气缸在轴向挤压负载下被紧固就 位，所述轴向挤压负载由施加至所述气缸壳体的轴向张力负载产生。
22. -种向如前述任一权利要求所述的移动活塞上施加力的方法，包括使用外部电磁 装置来感应与所述活塞的轴线同轴的多个环形磁通回路，使得所述活塞中的峰值磁通密度 大于当没有外部产生的环形磁通回路时存在的最大剩余磁通密度。
23. 如权利要求22所述的方法，其中，所述环形磁通通过以至少100Hz的频率切换电磁 通量产生装置而控制。
24. 如权利要求22或23所述的方法，其中，液体被喷射至所述活塞上，使得通过变化磁 通和燃烧过程在活塞中产生的热量随着液体蒸发而恢复，提供用于所述活塞的气体轴承并 提高发动机效率。
【文档编号】H02K5/04GK104115377SQ201380005960
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年1月18日 优先权日:2012年1月19日
【发明者】萨姆·科克里尔 申请人:自由活塞式发动机有限公司