СИЛЬФОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ
BELLOWS-TYPE EXTERNAL COMBUSTION ENGINE

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.