[发明专利]高效率的线性内燃机

说明书

本申请是名称为“高效率的线性内燃机”、国际申请日为2011年11月17日、国际申请号为PCT/US2011/061145、国家申请号为201180062604.3的发明专利申请的分案申请。

相关申请参考

本申请是2011年11月16日提交的13/298,206号美国专利申请的继续部分申请，13/298,206号申请是2011年5月6日提交的13/102,916号美国专利申请的继续部分申请，13/102,916号申请是2010年11月23日提交的12/953,277号和12/953,270号美国专利申请的继续部分申请，所有这些文献均全文并入以作为参考。

技术领域

本发明涉及高效率的线性内燃机，更具体地，一些实施例涉及通过利用与用于提取功的线性电磁电机结合的自由活塞发动机结构和一种创新的燃烧控制策略能够达到高的压缩/膨胀比的高效率的线性内燃机。

背景技术

发动机功率的密度及发射在过去30年中已得到改善；然而总效率仍保持相对不变。在发动机界公知的是，提高发动机的几何压缩比提高了发动机的理论效率极限。此外，提高发动机的几何膨胀比使得其大于压缩比更进一步地提高了它的理论效率极限。为了简洁起见，“压缩比”和“膨胀比”分别被用于指“几何压缩比”和“几何膨胀比”。

图1(现有技术)示出了内燃机中常用的两种循环-Otto和Atkinson-的理论效率极限。具体地，图1是随压缩比变化的、Otto和Atkinson循环的理想效率之间的比较。该模型的假设包括：(i)下止点(“BDC”)处的压力等于一个大气压；以及(ii)预混的、化学计算的、理想的气体甲烷和包括可变的性质的空气，离解的产物，并且在膨胀过程中均衡。

如图1所示，这两种循环的理论效率极限随着压缩比增大而显著提高。理想的Otto循环被分解为三个阶段：1)等熵压缩，2)绝热的等体积燃烧，以及3)等熵膨胀至BDC处的原始体积。Otto循环的膨胀比等于其压缩比。理想的Atkinson循环也被分解为三个阶段：1)等熵压缩，2)绝热的等体积燃烧，以及3)等熵膨胀至原始的BDC压力(在该实例中等于一个大气压)。Atkinson循环的膨胀比总是大于其压缩比，如图1所示。尽管在给定压缩比下，Atkinson循环的理论效率极限高于Otto循环，但是它具有明显较低的能量密度(单位质量的功率)。在实际应用中，在效率和能量密度之间存在折衷。

目前市场上设计/制造良好的发动机通常获得介于其理论效率极限的70-80％之间的制动效率。图2(现有技术)中示出了几种市场上可购得的发动机的效率。确切地说，图2为理想的Otto循环效率极限与目前市场上可购得的几种发动机之间的比较。模型假设包括预混的、化学计算的、理想的气体甲烷和包括可变的性质的空气，离解的产物，并且在膨胀过程中均衡。有效的压缩比被定义为上止点(”TDC”)处的气体密度与BDC处的气体密度之比。有效的压缩比提供了在公平竞争环境下将增压发动机与自然吸气式发动机机作比较的手段。为使具有类似的良好设计的发动机具有高于50％的制动效率(即其理论效率的至少70％)，按照Otto循环工作的发动机必须具有大于102的压缩比，按照Atkinson循环工作的发动机必须具有大于14的压缩比，其对应于54的膨胀比，如图1中所示。

在常规的曲柄滑块的往复式发动机(“常规发动机”)中，由于其内在结构，难以达到高的压缩/膨胀比(高于30)。图3(现有技术)中示出了一个示意图，其说明了常规发动机的结构以及限制它们达到高压缩比的问题。典型的内燃(“IC”)发动机具有0.5-1.2的缸径-行程比以及8-24的压缩比。(Heywood,J.(1988).InternalCombustionEngineFundamentals.McGraw-Hill)。在提高发动机的压缩比同时保持相同的缸径-行程比时，上止点(TDC)处的面容比增大，温度升高且压力变大。它具有三个主要后果：1)来自燃烧室的热传递增大，2)燃烧定相变得困难，以及3)摩擦和机械损耗变大。热传递增大的原因是热边界层在总体积中占据更大比例(即TDC处的高宽比变小)。高宽比被定义为缸径与燃烧室长度的比值。燃烧定相和实现完全燃烧比较困难的原因是在TDC处实现的体积小。增大的燃烧室压力直接转化成增大的力。这种大的力会使机械连杆和活塞环过载。