RU2491438C2 - Сильфонный двигатель внешнего сгорания - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям с деформируемыми стенками камер переменного объема. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что в качестве рабочих камер применяют мембранно-диафрагменные сильфоны поворотного типа. Сильфоны представляют собой набор радиально ориентированных продолговатых жестких поворотных диафрагм и располагаемых между ними газонепроницаемых эластичных мембран с центральными отверстиями в них для прохода рабочего газа внутрь герметизированных сильфонных сборок. В качестве рабочего газа используют продукты сгорания, поступающие из внешней камеры, в которую подают сжатый воздух и топливо. Возвратно-поворотное движение таких рабочих сильфонов (с общей их раздвижкой на угол α) преобразуется в результирующее однонаправленное вращательное движение выходного вала двигателя за счет применения обгонных муфт. Двигатель способен работать на любых горючих топливах, в частности на сжиженном воздухе и на коксе в качестве горючего топлива. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

1. Изобретение относится к области решения проблем существенного уменьшения уровня негативного экологического воздействия на окружающую среду со стороны широко применяемых двигателей внутреннего сгорания и прежде всего в транспортных средствах. Преимущественно изобретение относится к перспективной замене ныне используемых в автомобильном транспорте двигателей внутреннего сгорания на новые экологически наиболее чистые двигатели, принципиально работающие вообще на любых горючих топливах, в частности, работающие на сжиженном воздухе и на коксе, особенно включая торфяной кокс.

2. Из анализа современного уровня техники предлагаемое изобретение не имеет аналога (прототипа). Возможно лишь представление некоторого сборного прототипа.

3. Сущность изобретения выражается в предлагаемом принципиально новом объединении в целевом комплексе целого ряда порознь известных приемов и устройств. Наиболее важные из них, которые в данном случае не только впервые функционально объединяются, но и которые при этом сами становятся существенными отличительными признаками данного изобретения, характеризуются нижеследующими краткими пояснениями.

3.1. Основополагающей базовой концепцией предлагаемого изобретения является применение для восприятия энергии расширяющихся газов принципиально новых мембранно-диафрагменных сильфонов поворотного типа. Такие рабочие сильфоны представляют собой набор радиально ориентированных продолговатых жестких поворотных диафрагм и располагаемых между ними газонепроницаемых эластичных мембран с центральными отверстиями в них для последующего прохода рабочего газа внутрь создаваемых герметизированных сильфонных сборок.

Необходимая именно поворотная раздвижка жестких диафрагм таких сильфонов обеспечивается применением подвижных (поворотных) внешних и внутренних ступенчатых кондукторов. При этом, исходя из требуемой величины рабочего ресурса таким образом создаваемых специальных сильфонов, конструктивно задается ограничительная величина самих ступенек поворотных кондукторов для обеспечения в дальнейшем эксплуатационно-надежной раздвижки каждого звена (гофра) сильфонов такого типа.

3.2. Соответственно возникающее возвратно-поворотное движение таких рабочих сильфонов (с общей их раздвижкой на угол α) в дальнейшем преобразуется в результирующее однонаправленное вращательное движение выходного вала двигателя за счет известного применения роликовых обгонных муфт (муфт свободного хода).

3.3. В устройстве указанных поворотных сильфонов в качестве материалов для изготовления эластичных мембран впервые применяется аморфизированная металлическая фольга и (или) герметизированные ткани из высокомодульных волокон, в частности, углеродного волокна, кевлара и т.п. материалов.

3.4. Применяемая внешняя камера сгорания, которая подключена к рабочим сильфонам двигателя через управляемые клапаны, оснащена устройствами для возможной подачи в нее как жидких, так и твердых горючих топлив. При этом она также подключена к внешнему газовому аккумулятору, в частности, к применяемому газификатору жидкого воздуха, который используется не только для обеспечения немедленного запуска данного двигателя, но и для осуществления возможных в дальнейшем форсажных режимов его работы.

3.5. Применяются торцевые газовые уплотнения, в частности, с использованием известных магнитных уплотняющих жидкостей, для соответствующего создания газового разрежения в зонах работы поворотных сильфонов.

3.6. Применяются рекуперативные теплообменники с целью обеспечения утилизации тепла выхлопных газов для предварительного подогрева входного атмосферного воздуха, подаваемого затем во внешнюю камеру сгорания.

3.7. В наиболее завершенном варианте двигательного комплекса применяют соответствующие технические устройства для вымораживания образующейся в выхлопных газах углекислоты за счет ее охлаждения при осуществлении исходной газификации стартовых и форсажных запасов жидкого воздуха, используемого в качестве газового аккумулятора.

4. Сущность изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, на которых изображено:

Фиг.1 - принципиальная схема двигателя в положении завершения непосредственно самого рабочего хода с соответствующим расширением газа (первого рабочего такта) в энергоблоке 5;

Фиг.2 - то же в положении завершения выхлопа рабочего газа (второго такта двигателя) во втором энергоблоке (5);

Фиг.3 - сечения по А-А и В-В;

Фиг.4 - сечения по В′-В′ и А′-А′;

Фиг.5 - увеличенное изображение сечения В-В первого энергоблока 5;

Фиг.6 - то же по сечению В′-В′ второго энергоблока 5′;

На указанных чертежах представлено: 1 - вал отбора мощности; 2 - муфта свободного хода (обгонная муфта) для преобразования возникающего возвратно-поворотного движения во вращательное; 3 - вспомогательный блок нагнетания и подачи окружающего воздуха в камеру сгорания; 4 - условно обозначенный продолговатый контур рабочего мембранно-диафрагменного сильфона (МДС); 5 - первый рабочий энергоблок с использованием МДС; 6 - условно обозначенный продолговатый контур МДС; 7 - условно показанные проходные газовые каналы МДС; 8 - плоскость зеркальной симметрии всего двигателя, условно разделяемого на 1-ый и 2-ой энергоблоки, находящиеся в противофазном рабочем положении (соответственно: 7′, 6′, 5′, 4′, 3′, 2′, 1′ - те же обозначения для симметричного 2-го энергоблока двигателя); 9 -внешняя камера сгорания (ВКС); 10 - выходные клапаны камеры сгорания в открытом положении; 11 - всасывающий клапан вспомогательного блока 3 в закрытом положении; 11′ - то же в открытом положении; 12 - выходной клапан блока 3 в открытом положении; 12′ - то же в закрытом положении; 13 - выхлопной клапан энергоблока 5 в закрытом положении; 13′ - то же в открытом положении; 14 - входной клапан энергоблока 5 в открытом положении; 14′ - то же в закрытом положении; 15 - входной клапан энергоблока 5′ в закрытом положении; 15′ - то же в открытом положении; 16 - выхлопной клапан энергоблока 5′ в открытом положении; 16′ - то же в закрытом положении; 17 - выходной клапан вспомогательного блока 3′ в закрытом положении; 17′ - то же в открытом положении; 18 - всасывающий клапан вспомогательного блока 3′ в открытом положении; 18′ - то же в закрытом положении; 19 - вход внешнего воздуха; 20 - выхлоп рабочего газа в атмосферу; 21 - рекуперативный теплообменник; 22 - условная подача в ВКС жидкого топлива; 23 - подача в ВКС стартового сжатого воздуха из газового аккумулятора; 24 - условная подача в ВКС твердого топлива; 25 - момент завершения во вспомогательном блоке 3 цикла подачи сжатого воздуха в ВКС; 26 - завершение в энергоблоке 5 такта расширения рабочего газа; 27 - завершение в энергоблоке 5′ такта выхлопа рабочего газа 20; 28 - завершение во вспомогательном блоке 3′ такта всасывания атмосферного воздуха 19; 29 - подвижный внешний ступенчатый кондуктор МДС в раздвинутом положении; 30 - то же в положении сжатых МДС; 31 - внутренний выхлопной коллектор; 32 - электромагнитные клапаны внешнего управления двигателем; 33 - входной коллектор сжатого рабочего газа; 34 - радиальная статорная опора двигателя; 35 - условное изображение МДС в расширенном состоянии; 36 - МДС в сжатом состоянии; 37 - фрагмент увеличенного изображения; 38 - подвижная жесткая диафрагма МДС; 39 - подвижный внешний ступенчатый кондуктор МДС; 40 - эластичная мембрана; 41 - захватная ступенька подвижного кондуктора МДС; α - угол рабочего поворота сильфонных блоков.

5. Осуществление изобретения в соответствии с представленными чертежами поясняется нижеследующим кратким описанием конструкции предлагаемого двигателя и его работы.

Предлагаемый двигатель включает в себя выходной вал 1 (1′) внешнего отбора мощности, связанный с механизмом 2 (2′) преобразования исходного возвратно-поворотного движения (на угол α) в однонаправленное вращение на базе известных роликовых обгонных муфт (муфт свободного хода). Указанные муфты связаны с объединенными в двигателе двумя противофазно работающими сильфонными энергоблоками 5 и 5′, которые дополнительно оснащены также двумя вспомогательными сильфонными блоками 3 и 3′ для подачи атмосферного воздуха во внешнюю камеру сгорания 9.

В камере сгорания 9 осуществляется дистанционно управляемое (включая при этом каталитическое) сгорание принципиально любых горючих топлив, в частности, при соответствующей подаче 22 жидкого топлива, а также при подаче 24 твердого топлива преимущественно в виде кокса. Одновременно камера сгорания 9 подключена (23) к применяемому газовому аккумулятору для обеспечения немедленного запуска двигателя и для энергетического обеспечения возможных форсажных режимов его работы.

Через внешние клапаны 10 камера сгорания 9 подключена к напорным коллекторам 33 двигателя, из которых с помощью управляемых электромагнитных клапанов 32 она циклически подключается, например, через клапан 14 к рабочим сильфонам первого энергоблока 5 и тем самым совершается основной рабочий ход (такт) расширения газов с дальнейшим преобразованием этой механической энергии в муфтах 2 (2') в однонаправленное вращение выходного вала 1 (1′). Завершение этого рабочего такта указывается позицией 26 на фиг.3.

Одновременно с указанным основным рабочим тактом во вспомогательным сильфонном блоке 3 также завершается (25) такт нагнетания через клапан 12 в камеру сгорания 9 порции предварительно захваченного (в предыдущем такте) атмосферного воздуха. В итоге, за счет части энергии такого рабочего хода (такта) в двигателе во втором энергоблоке 5′ осуществляется такт выхлопа через клапан 16 отработавшего рабочего газа 20 в рекуператор 21 с одновременной утилизацией тепла этого выхлопа для подогрева исходного окружающего воздуха 19 поступившего через клапан 18 на вход во вспомогательный сильфонный блок 3′. Эти такты изображены на фиг.4 позициями 27 и 28 соответственно.

В дальнейшем аналогично осуществляется второй рабочий такт двигателя, но теперь уже с расширением рабочего газа в энергоблоке 5′ (см. фиг.2) и с соответственной подачи ранее запасенного атмосферного воздуха во вспомогательном блоке 3′ через клапан 17′ вновь в камеру сгорания 9.

Таким образом, при циклическом подключении внешней камеры сгорания 9 последовательно к сильфонным энергоблокам 5 и 5′ осуществляется итоговое преобразование энергии расширения (ранее подогреваемого в указанной камере сгорания 9) рабочего газа в механическую энергию однонаправленного вращения выходного вала 1 (1′) внешнего отбора мощности двигателя.

Исходный немедленный запуск такого двигателя и последующее регулирование выходной мощности осуществляется за счет подключения его внешней камеры сгорания к газовому аккумулятору с соответствующей управляемой установкой величины рабочего давления в указанной камере, а также регулируемой клапанной отсечкой расширения газа в рабочих сильфонах. В дальнейшем производится включение подогрева рабочего газа во внешней камере сгорания за счет соответствующего перехода на подачу в нее атмосферного воздуха с одновременным использованием энергии сгорания конкретно применяемого типа топлива.

В целом весь обширный комплекс вопросов более конкретного устройства и управления таким двигателем является предметом самостоятельных авторских заявок и(или) ноу-хау.

Claims (7)

1. Сильфонный двигатель внешнего сгорания, характеризующийся применением внешней камеры сгорания, из которой нагреваемый в ней рабочий газ поступает для преобразования энергии его расширения в энергию вращательного движения с помощью поворотных мембранно-диафрагменных сильфонов, снабженных каналами газового сообщения и управляемыми клапанами, а также соответствующими поворотными ступенчатыми (внешними и внутренними) кондукторами для обеспечения конструктивно заданного размера самой ступени предельного раскрытия каждого гофра таких рабочих сильфонов, при этом в составе общего комплекса применяются, как минимум, два взаимосвязанных сильфонных энергоблока, которые работают в противофазе по двухтактной схеме, т.е. при осуществлении в одном из энергоблоков рабочего такта расширения газа, в другом происходит обратный процесс выхлопа отработавшего рабочего газа в атмосферу и, наоборот, в последующем такте, и так циклически далее, при этом в дополнительно применяемых также двух вспомогательных сильфонных блоках в рассмотренном первом рабочем такте осуществляется нагнетание атмосферного воздуха в камеру сгорания, в то время как в другом вспомогательном блоке происходит противоположный рабочий такт всасывания атмосферного воздуха и в дальнейшем такие противофазные такты также циклически повторяются с результирующей подачей атмосферного воздуха в камеру сгорания одновременно с подачей туда конкретного горючего топлива и соответственно с внешним отбором мощности от данного двигателя.

2. Сильфонный двигатель внешнего сгорания по п.1, характеризующийся объединением на общем вале внешнего отбора мощности двух противофазно работающих сильфонных энергоблоков, циклически подключаемых с помощью управляемых клапанов к внешней камере сгорания и, соответственно, двух вспомогательных сильфонных блоков, также циклически подающих атмосферный воздух в камеру сгорания, а, соответственно, возникающее возвратно-поворотное движение таких энергоблоков преобразуется в результирующее однонаправленное вращательное движение выходного вала за счет соответствующего применения двух роликовых обгонных муфт (муфт свободного хода).

3. Сильфонный двигатель внешнего сгорания по п.1, характеризующийся тем, что внешняя камера сгорания связана с двигателем применением электромагнитных клапанов, оснащенных соответствующей системой их внешнего автоматического управления, и при этом сама камера внешнего сгорания подключена к возможной подаче в нее как жидких, так и твердых топлив, и одновременно она также подключена к внешнему газовому аккумулятору, в частности, к газификатору жидкого воздуха, применяемого для обеспечения пускового стартового привода, а также для осуществления в дальнейшем возможных форсажных режимов работы данного двигателя.

4. Сильфонный двигатель внешнего сгорания по п.1, характеризующийся применением рекуперативного теплообменника, обеспечивающего утилизацию тепла выхлопных газов для предварительного подогрева входного атмосферного воздуха, подаваемого во внешнюю камеру сгорания.

5. Сильфонный двигатель внешнего сгорания по п.1, характеризующийся применением торцевых газовых уплотнений для соответствующего создания газового разрежения в зонах работы поворотных мембранно-диафрагменных сильфонов.

6. Сильфонный двигатель внешнего сгорания по п.1, характеризующийся применением устройства для вымораживания образующейся в выхлопных газах углекислоты за счет ее охлаждения при соответствующем проведении исходной газификации жидкого воздуха, используемого в качестве газового аккумулятора к данному двигателю.

7. Сильфонный двигатель внешнего сгорания по п.1, характеризующийся применением в устройстве поворотных мембранно-диафрагменных сильфонов в качестве материалов для изготовления эластичных мембран аморфизированной металлической фольги и (или) герметизированных тканей из известных высокомодульных волокон, в частности углеродных волокон или кевлара.

Images