Экологически чистый двигатель
Изобретение относится к области энергетики, а именно к преобразователям тепловой энергии, например водородно-кислородного химического взаимодействия, в энергию механическую и/или электрическую, преимущественно для разнообразных транспортных средств. Технической задачей является значительное повышение эффективности работы двигателя с электромагнитным преобразованием тепловой энергии в механическую и/или электрическую, а также обеспечение предельно возможной экологической чистоты. Сущность изобретения заключается в том, что экологически чистый двигатель содержит электрическую машину со статором и ротором и силовые приводы, выполненные в виде рабочих сильфонных элементов, связанных с подвижными полюсами статора. Согласно изобретению двигатель содержит систему внешнего сгорания и подачи первичного рабочего тела, например сжиженного воздуха, водяного пара, парокислорода, и/или инертного газа, и высокотемпературную систему внутреннего сгорания, например, водородно-кислородной смеси. Причем сгорание проводят в среде первичного рабочего тела. Рабочие сильфонные элементы своими неподвижными сторонами герметично закреплены на индивидуальных опорных платформах, в которых смонтированы непосредственно камеры системы внутреннего сгорания, а подвижными сторонами – также герметично закреплены на поршневых пластинах, которые через теплоизолирующие прокладки состыкованы с седловыми захватами, соединенными с силовыми штоками. Причем на подвижной части сильфонных элементов смонтированы ступенчатые захваты для поочередного вывода внутренних пластинчатых стяжек сильфонных гофр на заданные уровни, а сборка каждого сильфонного элемента с его опорной платформой и газовыми клапанами теплоизолирована и размешена в ограждающей вакуумной камере. 17 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области энергетики, а именно к преобразователям тепловой энергии, например, водородно-кислородного химического взаимодействия в энергию механическую и/или электрическую, преимущественно для разнообразных транспортных средств.
Наиболее близким техническим решением к заявленному является устройство по патентам СССР №№267521 и 335474, содержащее электрическую машину со статором и ротором и силовые приводы, выполненные в виде рабочих сильфонных элементов, связанных с подвижными полюсами статора.
Недостатком указанного технического решения является его заниженная эффективность.
Технической задачей данного изобретения является значительное повышение эффективности работы двигателя с электромагнитным преобразованием тепловой энергии в механическую и/или электрическую, а также обеспечение предельно возможной экологической чистоты.
Поставленная задача достигается тем, что двигатель, содержащий электрическую машину со статором и ротором и силовые приводы, выполненные в виде рабочих сильфонных элементов, связанных с подвижными полюсами статора, согласно изобретению, содержит систему внешнего сгорания и подачи первичного рабочего тела, например, сжиженного воздуха, водяного пара, парокислорода, и/или инертного газа и высокотемпературную систему внутреннего сгорания, например, водородно-кислородной смеси, причем сгорание проводят в среде первичного рабочего тела, а рабочие сильфонные элементы своими неподвижными сторонами герметично закреплены на индивидуальных опорных платформах, в которых смонтированы непосредственно камеры системы внутреннего сгорания, а подвижными сторонами - так же герметично закреплены на поршневых пластинах, которые через теплоизолирующие прокладки состыкованы с седловыми захватами, соединенными с силовыми штоками, причем на подвижной части сильфонных элементов смонтированы ступенчатые захваты для поочередного вывода внутренних пластинчатых стяжек сильфонных гофр на заданные уровни, а сборка каждого сильфонного элемента с его опорной платформой и газовыми клапанами теплоизолирована и размешена в ограждающей вакуумной камере.
Поставленная задача достигается также тем, что на подвижной части рабочих сильфонов могут быть смонтированы конусообразные ступенчатые захваты, а на опорной платформе рабочих сильфонов смонтированы неподвижные ограничительные захваты, но с обратным направлением конусности.
Поставленная задача достигается также тем, что между подвижными полюсами статора и его силовым поясом могут быть смонтированы компрессорные устройства, например, герметичного сильфонного типа с регулируемыми клапанами для соответствующей рециркуляции в созданном герметизированном контуре и/или сжатия воздуха для соответствующего обеспечения системы внешнего сгорания топлива.
Поставленная задача достигается также тем, что в дополнение к исходному разделению статора прототипа на внешнюю герметизированную и внутреннюю открытую полости, внутренняя полость статора двигателя может быть также герметизирована и подключена к устройству ее соответствующего вакуумирования, для чего с одного торца двигателя закреплен герметичный цилиндрический стакан-вставка, при этом на его внешней цилиндрической части со стороны созданной вакуумируемой камеры смонтировано статорное устройство электрогенератора и/или мотор-генератора в комплексе с тем, что на самом роторе двигателя соответственно установлены дополнительные внутренние магнитные полюса, а на клиновидных направляющих основного статора двигателя смонтированы электрические обмотки также для электрогенерации или в обратном режиме при подключении к ним внешнего электропитания для дополнительного увеличения вращающего момента двигателя.
Поставленная задача достигается также тем, что внутри установленного герметичного стакана-вставки, т.е. в созданной внутренней полости вдоль оси ротора может быть смонтирована комплексная система внешнего сгорания в составе, в частности, рекуперативных теплообменников и/или регенераторов, а также тепловых аккумуляторов и собственно самих камер сгорания, например, с использованием низкотемпературных каталитических процессов под повышенным давлением воздуха, при этом в завершающей части такого комплекса установлены устройства конденсации, в частности, углекислого газа, включая соответствующие устройства его сбора и частичного использования и/или вывода во внешнюю среду в сжиженном состоянии и/или в виде замороженных блоков, а также его возможного вывода в химически связанном состоянии, например в виде карбонатов.
Поставленная задача достигается также применением известного электродинамического взаимодействия между проводниками с током в качестве принципиальной основы построения электрических приводов, работающих в условиях высоких температур, в частности, для привода газовых клапанов, для чего привод клапанов может быть выполнен, например, в виде соленоида и (или) пакета последовательно скрепленных между собой Z-образных пластин, вдоль взаимно примыкающих поверхностей которых закреплены проводники с однонаправленным и/или противонаправленным движением электрических токов, подаваемых от электропитающей распределительной системы управляемого обеспечения перемещения жестко связанных с такими приводами собственно самих запорных элементов клапанов, например, типа шар-конус для периодической подачи первичного рабочего тела и (или) добавочной топливной смеси в рабочие сильфоны и последующего вывода отработанных газов через выхлопные клапаны с аналогичными электроприводами.
Поставленная задача достигается также тем, что в качестве привода газовых клапанов могут быть смонтированы микросильфоны с пневматическим (газовым) или внешним приводом.
Поставленная задача достигается также тем, что в качестве привода газовых клапанов, работающих в условиях особо высоких температур, могут быть смонтированы микросильфоны, совмещенные с электродинамическими приводами в единой конструктивной сборке.
Поставленная задача достигается также тем, что система качающихся рычагов может быть дополнительно оборудована устройствами фиксации крайних положений спаренных рычагами подвижных элементов (полюсов) статора и/или устройствами фиксации среднего (нейтрального) положения каждой такой пары, а также оборудована датчиками перемещения в качестве исходной основы применения соответствующих информационно-измерительных и управляющих микропроцессорных систем.
Поставленная задача достигается также тем, что между подвижными полюсами и силовым поясом статора, в двигателе могут быть установлены оппозитные упругие элементы, например регулируемые пружины и/или гидравлические накопители энергии, которые смонтированы между указанными подвижными полюсами и дополнительно установленными внутренними радиально-упорными кольцами статора.
Поставленная задача достигается также тем, что рабочие сильфонные элементы могут быть подключены к единой системе подачи первичного рабочего тела или разделены на группы так, что одна группа подключена к подаче в качестве рабочего тела, например сжиженного воздуха и/или водяного пара, из соответствующей системы внешнего сгорания топлива, а другая группа подключена к подаче, например, углекислого газа и/или азота из отдельной системы также внешнего сгорания топлива, при этом указанные системы объединены теплообменом по типу бинарных термодинамических циклов и/(или такие системы подключены к одновременной подаче соответствующих рабочих тел, например, к двум или более рассматриваемым двигателям, которые связаны между собой общим валом отбора мощности и/или через встроенные мотор-генераторы, но без разделения у таких двигателей рабочих сильфонов на группы.
Поставленная задача достигается также тем, что ротор может быть снабжен фиксаторами неподвижного положения с расположением его магнитных полюсов напротив разделительных границ между спаренными подвижными полюсами статора для обеспечения его работы, например, только в режиме электрогенерации.
Поставленная задача достигается также применением в составе общего комплекса экологически чистого энергообеспечения устройств по газификации кокса (углерода) в качестве источников получения, например, химически чистого метана для систем внешнего сгорания и/или чистого водорода для питания систем внутреннего сгорания водородно-кислородных топливных смесей.
Поставленная задача достигается также применением комплекса устройств криогенного хранения сжиженного воздуха (подаваемого, от внешней заправки) в совокупности с устройствами выделения из него чистого кислорода, например, под давлением и/или применением установок и устройств по выделению кислорода непосредственно из атмосферного воздуха, для соответствующего обеспечения экологически чистых систем как внешнего, так и внутреннего сгорания в предложенном двигателе.
Поставленная задача достигается также применением в составе общего технического комплекса энергообеспечения устройства интенсивного энерговыделения, например, от перекиси водорода и/или от специализированных экзотермических смесей, содержащих, в частности, карбонатообразующие вещества, для применения в качестве соответствующих устройств тепловых аккумуляторов, например, для обеспечения форсажного режима работы представленного двигателя.
Поставленная задача достигается также применением в составе общего технического комплекса энергообеспечения известных энергоаккумулирующих веществ, например перекиси водорода, (парокислорода) для соответствующей подачи получаемого пароводорода в качестве не только первичного рабочего тела, но и топлива для систем внутреннего сгорания представленного двигателя.
Поставленная задача достигается также применением в составе общего технического комплекса энергообеспечения устройств резервного хранения перекиси водорода и/или ее синтеза в транспортном варианте конструкции таких устройств и установок, включая управляемое каталитическое разложение перекиси водорода, имея в виду применение указанного специализированного комплекса для подачи парокислорода в качестве не только первичного рабочего тела, но и топлива для систем внутреннего сгорания представленного двигателя, в частности, для соответствующего обеспечения стартовых и/или других форсажных режимов его работы.
Поставленная задача достигается также применением электронагревателей, подключаемых к вышеуказанным электрогенераторным устройствам двигателя при его работе в тормозных режимах, в качестве источников энергии для соответствующих тепловых аккумуляторов системы рекуперативного энергообеспечения представленного двигателя, а также для осуществления вспомогательных эндотермических процессов, связанных с получением, водорода и/или кислорода.
Изобретение поясняется при помощи чертежей.
На фиг.1 представлен описываемый двигатель;
на фиг.2 - разрез В-В на фиг.1;
на фиг.3 - разрез С-С на фиг.2.
Сущность изобретения состоит в следующем. Прежде всего, ключевое авторское утверждение: обобщающий научно-технический анализ известного множества разнообразных попыток практического использования водородного топлива в традиционных двигательных системах приводит к окончательному выводу о том, что водород, несомненно, является перспективнейшим топливом, но самой своей физико-химической спецификой требует не продолжения затянувшегося поиска его буквально насильственного приспособления к традиционным двигателям, а наоборот - необходимы принципиально новые двигательные системы и устройства, адекватные специфике водорода, то есть способные в полной мере реализовать все открывающиеся новые возможности водорода как топлива, в том числе главнейшую - создание экологически чистых двигателей.
В целом авторская разработка новой базовой концепции водородно-кислородных двигателей объективно является многоплановой комплексной проблемой. Из всего множества составляющих ее основополагающих идей и их технических реализаций здесь частично излагаются лишь те наиболее главные, которые представляются минимально необходимыми для пояснения как самой принципиальной сущности предложенного двигателя, так и обоснования конкретно заявленного объема предмета изобретения.
С учетом отмеченного, сущность изобретения состоит в совокупности, как минимум, трех наиболее главных основополагающих идей:
- энергия расширяющихся газов преобразуется в механическую и (или) электрическую не через традиционный кривошипно-шатунный механизм, а на основе электромагнитного принципа преобразования малых возвратно-поступательных движений во вращательное;
- энергия от высокотемпературных газов воспринимается посредством рабочих сильфонных элементов специальной конструкции с использованием особо термостойких материалов, например металлокерамики;
- осуществлено последовательное соединение двух известных, но традиционно порознь применяемых систем внешнего и внутреннего сгорания топлива в созданном едином термодинамическом цикле.
Основные и наиболее технологически сложные элементы конструкции двигателя - рабочие сильфонные элементы смонтированы под внешним герметичным кожухом 1 и выполнены в виде унифицированных блоков 2. Конструктивно устройство каждого из них следующее.
Собственно сам раздвижной сильфон (4, 24) с продольными 30 и радиальными 36 гофрами своей неподвижной стороной герметично закреплен на продольной опорной платформе (3, 14), а подвижной стороной также герметично закреплен на продольной поршневой пластине 20, которая через теплоизолирующую прокладку 21 состыкована с продольным седловым захватом 16.
Опорная платформа 14 через теплоизолирующую прокладку 13 состыкована с пластиной 12, которая представляет собой распорное звено в составе общего силового пояса статора двигателя, в опорных платформах смонтированы непосредственно сами камеры внутреннего высокотемпературного сгорания водородно-кислородных смесей.
Указанные камеры выполнены, например, в виде ряда цилиндров, которые футерованы особо термостойкими, в частности, керамическими или металлокерамическими вставками 25, в комплексе с примененными короткоходовыми поршневыми устройствами с аналогичной футеровкой 19. При этом на внешней конической поверхности (32) футеровки 19 выполнены ступенчатые захваты (22) для перемещения внутренних пластинчатых стяжек (33) рабочих сильфонов. Аналогичные конические захваты малого сечения (11, 34, 35) закреплены непосредственно на самой поршневой пластине 20 такие же ступенчатые захваты (5, 16, 17, 31), но с обратным направлением конусности закреплены на опорной платформе.
В каждой опорной платформе выполнены продольные каналы (37) обшей системы газовой коммуникаций, в каналах установлены газовые клапаны (например, типа шар-конус) с приводами специального высокотемпературного исполнения. Выход линий внешней связи газовых каналов и привода клапанов осуществляется из каждого рабочего сильфонного элемента через корпусные вакуумные патрубки (6) с применением, например, экранно-вакуумной теплоизоляции 7 сборки условно показанных выходных коммуникационных линий 8. Экранно-вакуумной теплоизоляцией 23 ограждены также все высокотемпературные поверхности каждой сборки рабочего сильфона с его опорной платформой.
Продольный седловой захват 18 через ряд локальных проходов в пластине 12 присоединен к соответствующему количеству силовых штоков (48), вокруг штоков смонтированы герметизирующие сильфоны (28) с их внутренними конусными захватами 29 раздвижки внутренних стяжек гофр (аналогично указанной ступенчатой раздвижке рабочих сильфонов). В свою очередь каждый силовой шток (48) закреплен в продольной переходной пластине 50, которая непосредственно связана с соответствующим подвижным полюсом 49 магнитной системы статора двигателя. Наконец, между каждой переходной пластиной 50 и прилегающим к ней корпусом сборки блока рабочего сильфонного элемента смонтированы компрессорные устройства (10) также сильфонного типа (аналогичного рассмотренному выше) с регулируемыми газовыми клапанами.
Подвижные полюсы статора разделены клиновидными направляющими (51), конструктивно входящими в сборку упоминавшегося общего силового пояса статора, внутри таких направляющих размешены каналы, например, для газовой и (или) парожидкостной системы смазки контактных поверхностей зон скольжения подвижных полюсов (49), а по внешнему контуру направляющих (51) смонтированы вспомогательные электрические обмотки (54).
Через опорные шайбы (40) с двухсторонними призматическими опорами (41) подвижные полюса спарены посредством качающихся рычагов (39) с осевой также призматической опорой (38), при этом каждая рычажная пара оборудована фиксаторами (9, 42), например, поворотного типа (с электроприводами) для осуществления режимов временного удержания подвижных полюсов в их крайних положениях и (или) в среднем (нейтральном) положении. Кроме того, каждая рычажная пара снабжена отжимными регулируемыми пружинами (43) и (или) упругими гидравлическими накопителями энергии (используемое при этом радиально-упорное кольцо статора на чертеже не изображено).
Ротор 53 двигателя с условно изображенными его основными магнитными полюсами (52) дополнительно снабжен условно показанными внутренними полюсами 46, последние в комплекса с также условно изображенным магнитопроводом 45 и его электрообмотками 47, смонтированными на неподвижном цилиндрическом стакане-вставке 44, представляют собой по-существу известное устройство электрогенератора и (или) мотор-генератора.
Указанный стакан-вставка снабжен флянцевой торцевой частью (55), которая герметично состыкована с ответным торцевым флянцем кожуха 57 корпуса двигателя так, что в зоне вращения ротора создана автономная герметичная камера, которая подключена к соответствующему устройству ее вакуумирования (на прилагаемой схеме это устройство не изображено).
Принципиально работа двигателя представляет собой комплексное функционирование целого ряда взаимосвязанных систем и устройств, естественно, создающих в своем сочетании множество возможных вариантов рабочих режимов с их специфическими особенностями реализации, в данном изложении кратко рассматривается состав условно базового комплекса тех главных систем и устройств обеспечения работы двигателя, именно из конкретно выбранной комбинации которых и следуют соответствующие рабочие режимы. При этом дается указание лишь наиболее существенных особенностей и отличительных признаков в сопоставлении с прототипом.
1. Рабочее тело, например сжиженный воздух, водяной пар и/или инертный газ для привода двигателя, первоначально подается из системы, например, традиционного внешнего сгорания топлива, однако, в отличие от прототипа, такой системе придается особое продолжение, она последовательно (по ходу рабочего тела) соединяется с оборудованной уже в самом двигателе дополнительной системой внутреннего сгорания специально подаваемой в первичное рабочее тело добавочной, в частности, водородно-кислородной топливной смеси.
Таким образом, традиционно порознь применяемые две известные системы внешнего и внутреннего сгорания топлива в представленном двигателе функционально объединяются в создаваемом общем термодинамическом цикле.
При этом наиболее существенной особенностью является организация внутреннего сгорания водородно-кислородных топливных смесей именно в среде первичного рабочего тела. наделенного как определенными собственными антидетонационными свойствами, так и включая возможную добавку в него специальных антидетонаторов, именно эта особенность открывает путь осуществления термодинамически наиважнейших режимов - особо высокотемпературного внутреннего сгорания.
Водородно-кислородная топливная смесь подается в указанную систему внутреннего сгорания через газовые каналы (27) с электроклапанами специальной конструкции, техническим устройством газораспределения предусматривается возможность раздельной подачи топливных компонентов в камеры сгорания (26) и (или) с предварительным смешением части компонентов с конкретно применяемым первичным рабочим телом.
Организованное сгорание указанной добавочной топливной смеси и последующее расширение рабочего тела соответствующего комплексного состава сопровождается перемещением поршневой пластины 20 рабочих сильфонных элементов двигателя. Это перемещение через указанные механические связи приводит к последовательным перемещениям подвижных элементов (49) статора, что далее (по прототипу и аналогу) приводит к созданию определенного подобия бегущего магнитного поля, вращающего ротор двигателя и т.д.
2. Осуществление работы двигателя с дополнительной системой особо высокотемпературного внутреннего сгорания принципиально обуславливает существенную модернизацию прежде всего самих рабочих сильфонных элементов.
Так, в отличие от прототипа, процесс деформирования каждого из гофр сильфонов производится в строго ограниченных ресурсных пределах. Именно с этой целью на подвижной части рабочих сильфонов смонтированы конусообразные ступенчатые захваты (22, 32, 11), с помощью которых внутренние пластинчатые стяжки (33) сильфонных гофр принудительно поочередно выводятся на заданные уровни их предельно допустимого деформирования. Тем самым обеспечивается равномерное деформирование сильфона в целом, т.е. технически преодолевается физическое противодействие со стороны инерционных сил, особенно проявляющихся в режимах высокоскоростного расширения рабочих сильфонов при соответствующем внутреннем сгорании топливных смесей.
Аналогично, при обратных режимах сжатия рабочих сильфонов, с целью предотвращения инерционного выноса внутренних пластинчатых стяжек гофр также за установленные пределы их деформирования (т.е. выноса обусловленного именно сменой направления движения), на опорной платформе рабочих сильфонов смонтированы неподвижные ограничительные захваты (5, 16, 17), но с обратным направлением конусности.
Указанные конусные захваты как подвижные, так и неподвижные с соответствующим чередованием распределяются внутри сильфонов (31, 34, 35), при этом подвижные могут конструктивно выполняться с размещением своих дистанционирующих ступеней, например, на поршневых элементах (22, 32) камер внутреннего сгорания.
3. Работа двигателя осуществляется с реализацией замкнутого термодинамического цикла с принципиально любым, в частности, повышенным исходным давлением рабочего тела, имея при этом в виду использование в качестве рабочего тела (или его компонентов) неконденсируемых в таком цикле газов, например инертных газов.
С этой целью, в дополнение к упругим элементам, установленным (по прототипу) между подвижными полюсами статора и его силовым поясом, в представленном двигателе смонтированы компрессорные устройства (10), например, герметичного сильфонного типа (принципиально аналогичные рассмотренным рабочим сильфонам) с внешне регулируемыми клапанами.
Указанные компрессорные устройства используются для компримирования упомянутого газообразного рабочего тела и обеспечения его рециркуляции. Кроме того, в указанных устройствах возможно осуществление сжатия, в частности, воздуха для обеспечения систем внешнего сгорания топлива, работающих под соответствующим давлением.
4. Рабочий режим двигателя сопровождается генерацией электроэнергии или наоборот возможен режим ее потребления для соответствующего вращения ротора. Именно с этой целью с одного торца двигателя закреплен цилиндрический стакан-вставка (44), на котором смонтирован статорный магнитопровод (45) с электрообмотками (47) в комплексе с установленными дополнительными внутренними магнитными полюсами (46) на роторе, 53, что представляет известное принципиальное исполнение электрогенератора и (или) мотор-генератора. Также с целью электрогенератора или в обратном режиме (с подключением внешней электроэнергии) для усиления вращающего момента двигателя на клиновидных направляющих (51) основного статора смонтированы соответственно подключаемые электрические обмотки (54).
Одновременно с помощью указанного стакана-вставки (44) и его торцевого фланца (55) герметизируется зона размещения как самого ротора 53, так и подвижных элементов (49) статора. Эта зона подключается к устройству вакуумирования. В ней создается известная система, например, газовой и/или парожидкостной смазки поверхностей скольжения подвижных полюсов (49) статора.
5. Обеспечивающая работу двигателя система внешнего сгорания топлива конструктивно размешается, например, во внутренней полости указанного стакана-вставки (44). Принципиально это комплексная система, в состав которой входят, в частности, известные устройства рекуперативного теплообмена и (или) регенераторы, а также тепловые аккумуляторы и собственно сами камеры внешнего сгорания топлива. При этом в последних используются также известные каталитические процессы низкотемпературного сгорания топлива, в частности, в режимах практически исключающих образование окислов азота.
Осуществляя такие процессы сгорания под повышенный давлением воздуха, в рассматриваемой комплексной системы (в ее завершающей части) устанавливаются известные устройства конденсации, в частности. образующегося углекислого газа и его сбора в сжиженном состоянии. В последующем он может частично использоваться, например, в стартовых режимах работы двигателя (без включения системы внутреннего сгорания) и (или) направляться в также известные устройства для его периодического вывода во внешнюю среду в сжиженном состоянии и (или) в виде замороженных блоков, а также с возможным выводом в химически связанном состоянии, например, в виде карбонатов.
6. В двигателе реализуется принципиально отличительная от традиционной следующая концепция газовых клапанов: вместо традиционного использования охлаждаемых клапанов с конструктивно максимально возможным проходным сечением - используется ряд параллельно включаемых мини-клапанов и без какого-либо их охлаждения. По существу - это одна из основных базовых концепции всего решения рассматриваемых здесь проблем, в частности, осуществления особо высокотемпературного преобразования тепловой энергии в механическую и (или) электрическую.
Соответствующая установка неохлаждаемых газовых клапанов в высокотемпературных зонах, в частности внутри газовых разводных каналов в опорных платформах рабочих сильфонов, естественно, выдвигает особую техническую проблему обеспечения их дистанционно управляемого привода в указанных экстремальных зонах.
Одним из вариантов решения этой проблемы является применение известного эффекта электродинамического взаимодействия между проводниками с током в качестве принципиальной основы построения электрических приводов, способных работать в условиях высоких температур.
В этом варианте электрический привод клапанов (т.е. рабочий привод собственно самих запорных элементов клапанов, например, типа шар-конус) выполнен в виде соленоида и (или) пакета последовательно скрепленных между собой Z-образных пластин, вдоль взаимно примыкающих поверхностей которых закреплены проводники с однонаправленным и (или) противонаправленным движением электрических токов, подаваемых от соответствующей электропитающей распределительной системы.
7. Для двигателя с реализацией предельно высокотемпературных режимов внутреннего сгорания водородно-кислородных топливных смесей в качестве привода газовых клапанов, работающих в условиях соответственно особо высоких температур, смонтировано устройство микросильфонов (принципиально аналогичных вышерассмотренному устройству силовых рабочих сильфонов) с известным их пневматическим (газовым) внешним приводом.
Возможен также вариант совместного применения указанных микросильфонных приводов с электродинамическими в одной конструктивной сборке.
8. При некоторых рабочих режимах двигателя требуется кратковременно или на сравнительно длительный период времени фиксировать подвижные полюса (49) статора в их крайних положениях или в среднем (нейтральном) положении. С этой целью в конструкции двигателя система качающихся рычагов (39) оборудована (в дополнение к прототипу) фиксирующими устройствами (9, 42), например, поворотного типа с известными электроприводами для требуемой временной задержки подвижных полюсов статора (через указанные рычаги), кроме того, система качающихся рычагов также дополнительно оборудуется известными датчиками перемещения, которые служат исходной функциональной основой применения соответствующих информационно-измерительных микропроцессорных систем управления двигателем в целом.
9. Рабочие характеристики двигателя имеют выход в область повышенной эффективности, в частности, при режимах выхода на резонансную частоту осцилляции системы, состоящей из указанных качающихся рычагов и спаренных ими подвижных полюсов статора. Эта система как физический осциллятор, естественно, меняет свою собственную резонансную частоту, в частности, в зависимости от упругих характеристик входящих в ее состав компонентов.
С целью соответствующей настройки на единую резонансную частоту каждой пары подвижных полюсов статора, в дополнение к известной (по прототипу) установке упругих элементов между подвижными полюсами и силовым поясом статора, в двигателе установлены оппозитные упругие элементы, например регулируемые пружины (43) и (или) гидравлические упругие накопители энергий, которые смонтированы между указанными подвижными полюсами и дополнительно установленными внутренними радиально-упорными кольцами статора (последние на прилагаемой схеме не изображены).
10. Из множества возможных режимов работы двигателя заслуживает внимания техническая реализация по известному типу бинарных термодинамических циклов, в таком режиме рабочие сильфонные элементы двигателя отключаются от единой системы подачи первичного рабочего тела и разделяются на группы так, что одна группа подключается к подаче в качестве рабочего тела, например водяного пара из соответствующей системы внешнего сгорания топлива, а другая группа подключена к подаче, например, углекислого газа и (или) азота из отдельной системы также внешнего сгорания топлива. При этом именно указанные системы объединяются теплообменом по типу известных бинарных циклов.
Одновременно возможно подключение таких систем к подаче от них соответствующих рабочих тел, например, к двум или более двигателям рассматриваемого типа, в которых рабочие сильфоны на группы уже не разделяются, а сами двигатели связываются между собой общим валом отбора мощности и (или) через встроенные в них мотор-генераторы (по п.4).
11. Двигатель может быть установлен в особом режиме только электрогенерации, для этого ротор жестко фиксируется известными стопорными устройствами в положении, при котором его магнитные полюса располагаются напротив разделительных границ между спаренными подвижными полюсами статора. (На прилагаемой схеме условно изображено именно такое положение ротора, а сами стопорные устройства фиксации ротора не показаны).
12. В соответствии с исходной базовой концепцией создания экологически чистого двигателя в составе комплекса технического обеспечения работы представленного двигателя применяются устройства по газификации кокса (углерода) в качестве источников получения, например, химически чистого метана для систем внешнего сгорания и (или) чистого водорода для питания двигательных систем внутреннего сгорания водородно-кислородных топливных смесей. Это могут быть как известные устройства газификации, например, угля, но в данном случая с иной предназначенностью, так и специализированные, представляющие предмет самостоятельной патентной разработки.
13. Исходя из упомянутой экологической концепции в составе двигательного комплекса применяются устройства криогенного хранения сжиженного воздуха (например, подаваемого от внешней заправки) в совокупности с устройствами выделения из него чистого кислорода, в частности, под давлением. Одновременно возможно применение установок и устройств по выделению кислорода непосредственно из атмосферного воздуха. При этом имеется в виду применение указанного комплекса по новому предназначению - для соответствующего обеспечения экологически чистых систем как внешнего, так и внутреннего сгорания топлива в представленном двигателе.
14. В составе общего технического комплекса энергообеспечения двигателя применяются устройства интенсивного энерговыделения, например, от известных термитных смесей и/или от специализированных экзотермических смесей, содержащих в, частности, карбонатообразующие вещества.
При этом имеется в виду применение указанных устройств по новому их назначению в качестве соответствующего стартового энергообеспечения тепловых аккумуляторов, например, при форсированных запусках двигателей представленного типа.
15. В составе общего двигательного комплекса по энергообеспечению применяется специализированный комплекс устройств резервного хранения перекиси водорода и (или) ее синтеза в транспортном варианте конструкции таких устройств и установок, включая управляемое каталитическое разложение перекиси водорода.
При этом имеется в виду применение указанного комплекса по новому назначению для подачи получаемого парокислорода (пар + кислород) в качестве не только первичного рабочего тела, но и топлива для систем внутреннего сгорания представленного двигателя, в частности для соответствующего обеспечения стартовых и (или) других форсажных режимов его работы.
16. Предусматривается применение в общем техническом комплексе энергообеспечения двигателя известных энергоаккумулирующих веществ по новому их предназначению, имея в виду подачу получаемого с их помощью пароводорода (пар + водород) в качестве не только первичного рабочего тела, но и топлива для систем внутреннего сгорания представленного двигателя, учитывая общую балансировку требуемого стехиометрического кислород-водородного состава топливных смесей (с учетом п.15).
17. Предусматривается применение в составе общего энергокомплекса двигателя электронагревателей (подключаемых к вышеуказанным (по п.4) электрогенераторным устройствам двигателя при его работе в тормозных режимах) по новому их назначению. Имеется в виду их использование в качестве источников энергии для соответствующих тепловых аккумуляторов системы рекуперативного энергообеспечения представленного двигателя, а также для осуществления вспомогательных эндотермических процессов, связанных с получением водорода и (или) кислорода.
1. Экологически чистый двигатель, содержащий электрическую машину со статором и ротором и силовые приводы, выполненные в виде рабочих сильфонных элементов, связанных с подвижными полюсами статора, отличающийся тем, что он содержит систему внешнего сгорания и подачи первичного рабочего тела, например сжиженного воздуха, водяного пара, парокислорода и/или инертного газа, и высокотемпературную систему внутреннего сгорания, например, водородно-кислородной смеси, причем сгорание проводят в среде первичного рабочего тела, а рабочие сильфонные элементы своими неподвижными сторонами герметично закреплены на индивидуальных опорных платформах, в которых смонтированы непосредственно камеры системы внутреннего сгорания, а подвижными сторонами – также герметично закреплены на поршневых пластинах, которые через теплоизолирующие прокладки состыкованы с седловыми захватами, соединенными с силовыми штоками, причем на подвижной части сильфонных элементов смонтированы ступенчатые захваты для поочередного вывода внутренних пластинчатых стяжек сильфонных гофр на заданные уровни, а сборка каждого сильфонного элемента с его опорной платформой и газовыми клапанами теплоизолирована и размешена в ограждающей вакуумной камере.
2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что на подвижной части рабочих сильфонов смонтированы конусообразные ступенчатые захваты, а на опорной платформе рабочих сильфонов смонтированы неподвижные ограничительные захваты, но с обратным направлением конусности.
3. Двигатель по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что между подвижными полюсами статора и его силовым поясом смонтированы компрессорные устройства, например, герметичного сильфонного типа с регулируемыми клапанами для соответствующей рециркуляции в созданном герметизированном контуре и/или сжатия воздуха для соответствующего обеспечения системы внешнего сгорания топлива.
4. Двигатель по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что в дополнение к исходному разделению статора прототипа на внешнюю герметизированную и внутреннюю открытую полости внутренняя полость статора двигателя также герметизирована и подключена к устройству ее соответствующего вакуумирования, для чего с одного торца двигателя закреплен герметичный цилиндрический стакан-вставка, при этом на его внешней цилиндрической части со стороны созданной вакуумируемой камеры смонтировано статорное устройство электрогенератора и/или мотор-генератора в комплексе с тем, что на самом роторе двигателя соответственно установлены дополнительные внутренние магнитные полюса, а на клиновидных направляющих основного статора двигателя смонтированы электрические обмотки также для электрогенерации или в обратном режиме при подключении к ним внешнего электропитания для дополнительного увеличения вращающего момента двигателя.
5. Двигатель по п. 4, отличающийся тем, что внутри установленного герметичного стакана-вставки, т.е. в созданной внутренней полости, вдоль оси ротора смонтирована комплексная система внешнего сгорания в составе, в частности, рекуперативных теплообменников и/или регенераторов, а также тепловых аккумуляторов и собственно самих камер сгорания, например, с использованием низкотемпературных каталитических процессов под повышенным давлением воздуха, при этом в завершающей части такого комплекса установлены устройства конденсации, в частности, углекислого газа, включая соответствующие устройства его сбора и частичного использования и/или вывода во внешнюю среду в сжиженном состоянии и/или в виде замороженных блоков, а также его возможного вывода в химически связанном состоянии, например в виде карбонатов.
6. Двигатель по любому из пп. 1-5, отличающийся применением известного электродинамического взаимодействия между проводниками с током в качестве принципиальной основы построения электрических приводов, работающих в условиях высоких температур, в частности для привода газовых клапанов, для чего привод клапанов выполнен, например, в виде соленоида и (или) пакета последовательно скрепленных между собой Z-образных пластин, вдоль взаимно примыкающих поверхностей которых закреплены проводники с однонаправленным и/или противонаправленным движением электрических токов, подаваемых от электропитающей распределительной системы управляемого обеспечения перемещения жестко связанных с такими приводами собственно самих запорных элементов клапанов, например, типа шар - конус для периодической подачи первичного рабочего тела и (или) добавочной топливной смеси в рабочие сильфоны и последующего вывода отработанных газов через выхлопные клапаны с аналогичными электроприводами.
7. Двигатель по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что в качестве привода газовых клапанов смонтированы микросильфоны с пневматическим (газовым) или внешним приводом.
8. Двигатель по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что в качестве привода газовых клапанов, работающих в условиях особо высоких температур, смонтированы микросильфоны, совмещенные с электродинамическими приводами в единой конструктивной сборке.
9. Двигатель по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что система качающихся рычагов дополнительно оборудована устройствами фиксации крайних положений спаренных рычагами подвижных элементов (полюсов) статора и/или устройствами фиксации среднего (нейтрального) положения каждой такой пары, а также оборудована датчиками перемещения в качестве исходной основы применения соответствующих информационно-измерительных и управляющих микропроцессорных систем.
10. Двигатель по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что между подвижными полюсами и силовым поясом статора в двигателе установлены оппозитные упругие элементы, например регулируемые пружины, и/или гидравлические накопители энергии, которые смонтированы между указанными подвижными полюсами и дополнительно установленными внутренними радиально-упорными кольцами статора.
11. Двигатель по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что рабочие сильфонные элементы подключены к единой системе подачи первичного рабочего тела или разделены на группы так, что одна группа подключена к подаче в качестве рабочего тела, например сжиженного воздуха и/или водяного пара, из соответствующей системы внешнего сгорания топлива, а другая группа подключена к подаче, например, углекислого газа и/или азота из отдельной системы также внешнего сгорания топлива, при этом указанные системы объединены теплообменом по типу бинарных термодинамических циклов и/или такие системы подключены к одновременной подаче соответствующих рабочих тел, например к двум или более рассматриваемым двигателям, которые связаны между собой общим валом отбора мощности и/или через встроенные мотор-генераторы, но без разделения у таких двигателей рабочих сильфонов на группы.
12. Двигатель по любому из пп. 1-11, отличающийся тем, что ротор снабжен фиксаторами неподвижного положения с расположением его магнитных полюсов напротив разделительных границ между спаренными подвижными полюсами статора для обеспечения его работы, например, только в режиме электрогенерации.
13. Двигатель по любому из пп. 1-12, отличающийся применением в составе общего комплекса экологически чистого энергообеспечения устройств по газификации кокса (углерода) в качестве источников получения, например, химически чистого метана для систем внешнего сгорания и/или чистого водорода для питания систем внутреннего сгорания водородно-кислородных топливных смесей.
14. Двигатель по любому из пп. 1-13, отличающийся применением комплекса устройств криогенного хранения сжиженного воздуха (подаваемого от внешней заправки) в совокупности с устройствами выделения из него чистого кислорода, например, под давлением и/или применением установок и устройств по выделению кислорода непосредственно из атмосферного воздуха для соответствующего обеспечения экологически чистых систем как внешнего, так и внутреннего сгорания в предложенном двигателе.
15. Двигатель по любому из пп. 1-14, отличающийся применением в составе общего технического комплекса энергообеспечения устройства интенсивного энерговыделения, например, от перекиси водорода и/или от специализированных экзотермических смесей, содержащих, в частности, карбонатообразующие вещества, для применения в качестве соответствующих устройств тепловых аккумуляторов, например, для обеспечения форсажного режима работы представленного двигателя.
16. Двигатель по любому из пп.1-15, отличающийся применением в составе общего технического комплекса энергообеспечения известных энергоаккумулирующих веществ, например, перекиси водорода для соответствующей подачи получаемого пароводорода в качестве не только первичного рабочего тела, но и топлива для систем внутреннего сгорания представленного двигателя.
17. Двигатель по любому из пп. 1-16, отличающийся применением в составе общего технического комплекса энергообеспечения устройств резервного хранения перекиси водорода и/или ее синтеза в транспортном варианте конструкции таких устройств и установок, включая управляемое каталитическое разложение перекиси водорода, имея в виду применение указанного специализированного комплекса для подачи парокислорода в качестве не только первичного рабочего тела, но и топлива для систем внутреннего сгорания представленного двигателя, в частности для соответствующего обеспечения стартовых и/или других форсажных режимов его работы.
18. Двигатель по любому из пп. 1-17, отличающийся применением электронагревателей, подключаемых к вышеуказанным электрогенераторным устройствам двигателя при его работе в тормозных режимах, в качестве источников энергии для соответствующих тепловых аккумуляторов системы рекуперативного энергообеспечения представленного двигателя, а также для осуществления вспомогательных эндотермических процессов, связанных с получением водорода и/или кислорода.
