ДВИГАТЕЛЬ С ВЫСОКИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ, ПРИВОДИМЫЙ В ДЕЙСТВИЕ СЖАТЫМ ВОЗДУХОМ ИЛИ ДРУГИМИ ПОДДАЮЩИМИСЯ СЖАТИЮ ГАЗАМИ Российский патент 2014 года по МПК F01B17/02 

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к поршневому или роторно-поршневому двигателю с высоким коэффициентом полезного действия и с отрицательными выбросами в окружающую среду, рассматриваемому индивидуально или как часть комплексной системы.

Очень важной проблемой, связанной с влиянием выбросов загрязняющих веществ на климат и здоровье людей, является проблема обеспечения получения двигателей с высокими рабочими коэффициентами полезного действия и незагрязняющими выбросами в окружающую среду.

Поскольку двигатель или движущее устройство должно всегда рассматриваться в качестве энергетического применения, а не энергетического вектора, было бы очень желательно обеспечить такой двигатель, имеющий как можно более высокий коэффициент полезного действия, сберегающий в соответствии с этим природные и промышленные ресурсы и препятствующий генерированию загрязняющих выбросов, рассматривая также тот факт, что загрязняющие окружающую среду автомобили и неподвижные приводы концентрируются также в городах и подобных окружающих средах.

В настоящее время не существует конкретного решения вышеуказанных проблем, за исключением использования гибридных транспортных средств, которые приводятся в действие смешанными системами, основанными на использовании электроэнергии и углеводородного топлива, или только системами, основанными на использовании электрических батарей, однако такие транспортные средства имеют как небольшой коэффициент полезного действия и высоко вредоносные выбросы, так и дополнительную проблему правильного избавления от высоко загрязняющих использованных батарей.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Соответственно, задачей настоящего изобретения является обеспечение получения нового поршневого приводного устройства или двигателя с отрицательными выбросами загрязняющих веществ в окружающую среду, приводимого в действие сжатым воздухом или другим поддающимся сжатию газом, имеющего коэффициент полезного действия, намного превышающий коэффициент полезного действия стандартных пневматических устройств пневмоцилиндров, помимо небольшого потребления горючего.

В пределах объема вышеупомянутой цели основным объектом настоящего изобретения является обеспечение получения такого поршневого двигателя с отрицательными выбросами загрязняющих веществ в окружающую среду, приводимого в действие сжатым воздухом или другим поддающимся сжатию газом, имеющего рабочие характеристики, подобные рабочим характеристикам двигателя внутреннего сгорания, во время работы, основанной на специально разработанном движущем или приводящем в действие рабочем цикле, обеспечивающем возможность фильтрования и очистки в конкретных условиях наружного воздуха.

Другим объектом настоящего изобретения является обеспечение получения такого приводимого в движение воздухом, незагрязняющего внешнюю окружающую среду поршневого двигателя с высоким коэффициентом полезного действия, имеющего характеристику отрицательного выброса загрязняющих окружающую среду веществ.

Другим объектом настоящего изобретения является обеспечение получения такого приводимого в движение воздухом, незагрязняющего внешнюю окружающую среду поршневого двигателя с высоким коэффициентом полезного действия, который адаптирован для работы в «режиме работы с отрицательным выбросом», который должен всасывать воздух окружающей среды и после использования вышеупомянутого воздуха выпускать его в очищенном и профильтрованном состоянии.

Еще одним другим объектом настоящего изобретения является обеспечение получения такого гибко работающего приводимого в действие воздухом поршневого двигателя для использования в очень широком диапазоне промышленных и персональных тяговых автомобилей, катеров, самолетов и других или неподвижных или непромышленных и персональных применений приводов.

Другим объектом настоящего изобретения является обеспечение получения такого двигателя с высоким коэффициентом полезного действия, который вследствие специально разработанной конструкции является очень надежным и безопасным в работе.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения вышеупомянутые цель и объекты, а также еще другие объекты, которые станут более очевидными ниже, достигнуты посредством двигателя с высоким коэффициентом полезного действия, приводимого в действие сжатым воздухом или другим поддающимся сжатию газом, причем вышеупомянутый двигатель содержит, по меньшей мере, цилиндр и, по меньшей мере, поршень, подвижный в вышеупомянутом цилиндре, камеру повышенного давления головки блока цилиндров двигателя, образующую форкамеру (предкамеру), имеющую размер, пропорциональный рабочему объему цилиндров вышеупомянутого двигателя и мощности, достигаемой в соответствии с этим, при этом в вышеупомянутую форкамеру непрерывно подается сжатый воздух или другой поддающийся сжатию газ из внешнего баллона сжатого воздуха или поддающегося сжатию газа, при переменном давлении, достигаемом, по меньшей мере, посредством двух регулировок; вышеупомянутый двигатель, кроме того, отличается тем, что содержит однонаправленные клапаны, применяемые с одним или более каналами всасывания, образованными в вышеупомянутой головке, обеспечивая в соответствии с этим возможность выполнения вышеупомянутому поршню, во время его механической работы, движения вниз (хода от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке) для всасывания, благодаря отрицательному давлению, наружного воздуха для транспортирования его к вышеупомянутой расширительной камере. Вышеупомянутые клапаны работают для преодоления сопротивления (противодействия) вакуума цилиндра в пассивном рабочем режиме работы.

В частности, специально разработанные фильтры, кроме того, расположены в вышеупомянутых каналах всасывания головки двигателя для фильтрования наружного воздуха, всасываемого посредством вышеупомянутого поршня во время его движения вниз (от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке), причем воздух после всасывания и фильтрования и после выполнения его механической работы выпускается в окружающую среду, при движении поршня вверх (от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке), через выпускные клапаны и каналы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СОПРОВОДИТЕЛЬНЫХ ЧЕРТЕЖЕЙ

Дополнительные характеристики и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из следующего детального описания предпочтительного, хотя и не исключительного, варианта осуществления настоящего изобретения, который иллюстрируется посредством характерного, но не ограничительного примера со ссылкой на сопроводительные чертежи, где

фиг.1 - разрез вида сбоку прототипа поршневого двигателя, приводимого в действие сжатым воздухом или другим поддающимся сжатию газом;

фиг.2 - вид спереди, частично увеличенный относительно изображения, приведенного фиг.1, двигателя, соответствующего настоящему изобретению, иллюстрирующий его выпускной клапан;

фиг.3 - дополнительный вид спереди, выполненный с частичным поперечным сечением и увеличенным относительно изображения, приведенного на фиг.1, двигателя, соответствующего настоящему изобретению, и специально иллюстрирующий его инжекторный или впускной клапан;

фиг. 4, 5, 6 и 7 - дополнительные виды спереди, выполненные с частичным поперечным сечением и увеличенными, иллюстрирующие инжекторный клапан в работе;

фиг.8 - график, иллюстрирующий изменение давления во время хода поршня;

фиг.9 - иллюстрация примера использования двигателя, соответствующего настоящему изобретению, со ссылкой на измерение размеров поверхности данного поршня двигателя (диаметр 10 см), размера соответствующего цилиндра, хода в вышеупомянутом цилиндре (8 см), количества воздуха для достижения данного среднего давления для нормальной пневматической эффективности в цилиндре и подобного количества воздуха, в идентичном цилиндре с идентичным диаметром поршня, обеспечивающим среднее давление, которое, в показанном расчете, увеличено в 4,2 раза;

фиг.10 - увеличенный частичный вид спереди, подобный виду, приведенному на фиг.2, иллюстрирующий каналы всасывания двигателя, однонаправленные клапаны и фильтры наружного воздуха, соответствующие настоящему изобретению;

фиг.11 - дополнительный схематический вид, полученный при большем увеличении, чем вид, приведенный на фиг.10, иллюстрирующий головку блока цилиндров двигателя, включающую в себя каналы 102 и 103 двигателя, однонаправленные клапаны 112 и 113 и фильтры 114 и 115 для них;

фиг.12 - вид сверху головки блока цилиндров двигателя, в которой размещены однонаправленные клапаны, соответствующие настоящему изобретению;

фиг.13 - поперечное сечение вида спереди, выполненное с дополнительным увеличением, головки блока цилиндров двигателя, соответствующей настоящему изобретению;

фиг.14 - вид сбоку, выполненный с частичным поперечным сечением, автомобиля с установленным на нем роторно-поршневым двигателем, составляющим интегрирующую часть настоящего изобретения, приводимым в действие сжатым воздухом или другим поддающимся сжатию газом,

фиг.15 - дополнительное поперечное сечение вида сбоку поршневого двигателя, соответствующего настоящему изобретению;

фиг.16 - иллюстрация роторно-поршневого двигателя, питаемого сжатым воздухом;

фиг.17 - иллюстрация роторно-поршневого двигателя, приводимого в действие сжатым воздухом, и пневмоцепей, соединенных с ним;

фиг.18 - иллюстрация наиболее предпочтительного варианта осуществления усовершенствованного двигателя, соответствующего настоящему изобретению, смонтированного на схематически показанном автомобиле.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Со ссылкой на ссылочные номера вышеупомянутых сопроводительных чертежей поршневой двигатель с отрицательным выбросом, обладающий высоким коэффициентом полезного действия, указанный ссылочным номером 101, содержит в качестве основных его компонентов блок 2 двигателя, с которым связаны один или более цилиндров 3, каждый из которых включает в себя головку 4 цилиндра.

Головка 4 каждого вышеупомянутого цилиндра содержит, по меньшей мере, выпускной клапан 5 и, по меньшей мере, инжекторный или впускной клапан 6, который может сообщаться с пространством 7, ограниченным между верхней поверхностью поршня или плунжера 9 и нижней поверхностью 10 головки 4.

Вышеупомянутая головка 4 содержит, кроме того, по меньшей мере, канал 102-103 всасывания, по меньшей мере, однонаправленный или однопутевой клапан 112-113 и, по меньшей мере, фильтр 114-115. Вышеупомянутые каналы расположены в вышеупомянутой головке для обеспечения возможности подачи воздуха из наружной окружающей среды в цилиндр, но вследствие обеспечения однонаправленного или однопутевого клапана, не наоборот, во время хода поршня вниз, причем вышеупомянутый воздух всасывается отрицательным давлением поршня в движении поршня вниз (от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке), приводимого в движение сжатым воздухом в форкамере, и поступает из воздушного баллона в начале увеличивающегося хода поршня после начала инжекции воздуха на головку поршня.

Как показано на фиг.4, 5, 6 и 7, поршневой двигатель, соответствующий настоящему изобретению, работает следующим образом

Сжатый воздух инжектируется при данном давлении (X) в пространство между частью головки выше цилиндра и поршнем.

Такую инжекцию сжатого воздуха выполняют в этом неисключительном варианте осуществления настоящего изобретения автоматически вследствие движения головки поршня, которое во время такта выпуска перед достижением верхней мертвой точки открывает, благодаря давлению, инжекторный клапан, в соответствии с этим сообщаясь с камерой головки (имеющей переменное давление X, в зависимости от требуемой мощности) и цилиндром, с головкой поршня, достигающей вышеупомянутой верхней мертвой точки.

Когда инжекторный клапан поднимается от поршня, он позволяет сжатому воздуху или другому поддающемуся сжатию газу проходить с высокой скоростью из форкамеры к головке поршня, разграничивая расширительную камеру.

Более конкретно, в начале хода или этапа расширения инжекторный клапан будет еще расположен в его открытом положении, чтобы, в конечном счете, закрыться при приведении в движение головки поршня, во время хода вниз, для переменного пространства после верхней мертвой точки, создаваемого, в зависимости от режима работы двигателя, соответствующего настоящему изобретению (а в этом неограничивающем варианте осуществления в зависимости от длины штока клапана), в примере иллюстрируемом здесь.

Баллон 11 высокого давления подает сжатый воздух к поршневому двигателю 101 по цепи 12 питания, содержащей редукционный блок 13, причем система подачи сжатого воздуха к двигателю имеет переменное давление, например от 20 до 40 бар, в зависимости от рабочего объема цилиндров двигателя и максимальной мощности, обеспечиваемой в соответствии с этим (фиг.14).

Через электромагнитный клапан 14 указанный баллон сжатого воздуха непрерывно питает через посредство соответствующего регулировочного средства форкамеру произвольной головки цилиндра.

В альтернативном варианте воздух может подаваться к цилиндру посредством системы прямого впрыска.

В этом неисключительном варианте осуществления настоящего изобретения первое регулировочное средство управляет режимом работы холостого хода двигателя, во второе регулировочное средство обеспечивает переменную регулировку, обходя первое регулировочное средство, для управления ускорением двигателя.

Между баллоном высокого давления и двигателем относительно потока газа и/или цепи может быть продольно или поперечно расположен (или в любом другом положении) турбогенератор 15 переменного тока (фиг.14), обеспечивая в соответствии с этим эффективную работу, причем вышеупомянутый турбогенератор переменного тока включает в себя на его передней части уплотненную турбину 15А, имеющую вал турбины, соединенный с валом генератора 15В переменного тока или составляющий вал генератора 15В переменного тока, расположенного в задней части транспортного средства, для генерирования электрической мощности, причем указанный турбогенератор переменного тока генерирует электрическую мощность из сжатого воздуха высокого давления, падающего на лопатки турбины (которые могут иметь переменную геометрию, в зависимости от давления потока) и подаваемого из баллона сжатого воздуха к двигателю, при этом указанная мощность используется, например, для работы факультативных электрических устройств и устройств для кондиционирования потока, для нагрева расширяющегося воздуха во всей воздушной цепи от баллона до двигателя посредством нагревателей 16 и/или резисторов 17 (фиг.14) и, кроме того, для нагрева цилиндра/цилиндров двигателя и/или головки блока цилиндров двигателя (фиг.15) и/или нагрузки дополнительных факультативных воздушных баллонов для подачи воздуха к вышеупомянутой форкамере головки блока цилиндров двигателя, для уменьшения и/или исключения, в зависимости от генерируемой температуры, любых потерь энергии воздуха, вызываемых, когда вышеупомянутый воздух охлаждается при его расширении.

Двигатель, иллюстрируемый на фиг.1-7 и 10-13, который в общем указан ссылочным номером 101, по существу подобен вышеупомянутому описанному двигателю.

Теперь со ссылкой на фиг.16 ниже будет описан дополнительный неисключительный вариант осуществления настоящего изобретения.

В соответствии с настоящим изобретением вышеупомянутая головка 104 блока цилиндров двигателя может содержать каналы всасывания отрицательного давления, соответственно, указанные ссылочными номерами 102 и 103, позволяющие поршню 9 всасывать во время его движения вниз через однонаправленные клапаны 112 и 113, позволяющие воздуху проходить извне к внутренней окружающей среде, но не наоборот, для подачи вышеупомянутого воздуха к вышеупомянутому цилиндру, где поверхность поршня разграничивает расширительную камеру 7, преодолевая в соответствии с этим любые пассивные противодействия от вакуума цилиндра, генерируемого на этапе пассивной работы.

В вышеупомянутых каналах 102 и 103 могут быть расположены фильтры 114 и 115 для фильтрации воздуха, транспортируемого через вышеупомянутые каналы, который после использования в рабочем цикле двигателя снова выпускается в окружающую среду, при движении поршня вверх, через выпускной клапан и канал.

Вышеупомянутые однонаправленные клапаны предпочтительно содержат лопастные элементы 112 и 113, например, полученные из графита, или кевлара, или из любого другого пригодного материала, имеющего достаточную гибкость, обладающего термостойкостью и сопротивлением механическим напряжениям, которые могут также быть получены из любого требуемого материала и могут работать в любом режиме работы для преодоления любых пассивных сопротивлений вакуума в вышеупомянутом цилиндре в пассивном режиме работы (например, игольчатые, шаровые, конусные клапаны или любые другие типы клапанов дополнительно разработаны на известном уровне техники).

Дополнительный неэксклюзивный вариант осуществления настоящего изобретения иллюстрируется на фиг.16.

Настоящее изобретение может быть реализовано в роторно-поршневом двигателе 1001, включающем в себя все основные элементы и компоненты поршневого двигателя, с преимуществом работы с увеличенным коэффициентом полезного действия вследствие отсутствия потерь возвратно-поступательного движения, помимо возможности соответствующей синхронизации впуска сжатого воздуха ротационной лопасти 18 через инжекторы 20 либо одновременно, или в чередующихся последовательностях.

В этом роторно-поршневом двигателе цилиндрический обод 24, полученный из материала, адаптированного для противостояния давлению и работе ротационных лопастей 18, жесткий и вращаемый на оси 19 вращения, может скользить в уплотненном круговом кольцевом приспособлении.

Когда ротационные лопасти 18 проходят фотоэлемент 21, электромагнитный клапан в цепи 11 включается так, чтобы позволять сжатому воздуху, хранимому в вышеупомянутом баллоне 11, питать инжекторы 20 в зависимости от требуемой мощности, и как соответственно синхронизированный инжектировать сжатый воздух в вогнутую часть ротационной лопасти 18, которая может под действием сжатого воздуха с возможностью скольжения приводиться в движение вместе с ободом, чтобы аккумулировать максимальную энергию при получаемом давлении.

Таким образом, ротационная лопасть, благодаря ускорению ее движения и поскольку внутренняя среда кругового кольцевого элемента уплотнена, откроет под отрицательным давлением каналы 102 для преодоления противодействия пассивной работы ротационной лопасти.

Указанные однонаправленные клапаны 112 канала, подающие дополнительный воздух к круговому кольцевому элементу, преодолевают в соответствии с этим любое противодействие, генерируемое в режиме пассивной работы.

Фильтры 114 могут соответственно фильтровать приточный воздух из каналов отрицательного давления, причем вышеупомянутый воздух впрыскивается, когда ротационные лопасти дополнительно приводятся в движение под давлением, через впускные клапаны 22, расположенные в направлении вращения перед фотоэлементами для обеспечения дополнительного рабочего цикла посредством дополнительно впрыскиваемого воздуха.

Движущая сила, генерируемая двигателем, будет прикладываться к центральной оси 19 вращения, чтобы, в свою очередь, приводить во вращение карданный вал.

Было установлено, что настоящее изобретение в его двух вышеописанных неограничительных вариантах осуществления полностью решает поставленные задачи.

Фактически роторно-поршневой двигатель с высоким коэффициентом полезного действия и с незагрязняющими выбросами, который при данных условиях использования пассивной работы (вследствие обеспечения соответственно расположенных фильтров) обеспечивает отрицательные выбросы и в котором, вследствие обеспечения каналов всасывания и однонаправленных клапанов, представляется возможным, помимо фильтрования наружного воздуха и повторного ввода профильтрованного воздуха в атмосферу, дополнительная оптимизация коэффициента полезного действия двигателя, минимизируя, в то же самое время, количество сжатого воздуха, хранимое в баллоне сжатого воздуха, необходимое для работы двигателя, исключая, в то же самое время, любое противодействие от вакуума, генерируемого поршнем (или ротационной лопастью) во время этапа пассивной работы, в соответствии с этим роторно-поршневой двигатель, соответствующий настоящему изобретению, обеспечивает, помимо других описанных преимуществ, дополнительное преимущество отсутствия противодействий на карданный вал и цилиндр вследствие возвратно-поступательного движения.

Преимущества, обеспечиваемые двигателем, соответствующим настоящему изобретению, могут быть дополнительно усилены со ссылкой на фиг.9, благодаря использованию, для более хорошего понимания, индикативных значений в следующем практическом примере с поршнем диаметром 10 см и ходом 8 см, постоянным давлением 1 бар, генерируемым в цилиндре, в соответствии с этим прикладывающим силу сжатия к головке поршня, от начала до конца его хода, 78,5 кг, причем цилиндр имеет конечное давление 1 бар, а потребление сжатого воздуха соответствует 0,628 л для каждого хода поршня.

Если подобное количество (0,628 л) сжатого воздуха будет подано к первому ходу подобного поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, то в этом пространстве, например, после хода приблизительно 5 мм, будет достигнуто давление, соответствующее давлению 16 бар, при исходном давлении на головку поршня приблизительно 1,256 кг, причем как конечная сила сжатия, так и потребление сжатого воздуха для каждого хода (0,628 л) поддерживается постоянным относительно первого примера.

Таким образом, в первом примере мы будет иметь эффективное среднее давление (Рте) относительно хода поршня, соответствующее 1 бар, а во втором примере - расчетное эффективное среднее давление (Рте), соответствующее приблизительно 4,2 бар.

Поскольку параметр Рте является очень важным параметром для расчета мощности двигателя, огромное преимущество настоящего изобретения будет само собой разумеющимся (не требующим доказательств).

Вышеупомянутый пример может также быть применен к роторно-поршневому двигателю во время рассмотрения соответствующих измерений для его поверхностей также правомерных для вогнутой части ротационной лопасти, плотно скользящей в круговом кольцевом элементе.

Со ссылкой на фиг.17 и фиг.18 сопроводительных чертежей иллюстрируются дополнительные предпочтительные варианты осуществления двигателя с высоким коэффициентом полезного действия, соответствующего настоящему изобретению, имеющего дополнительно улучшенный коэффициент полезного действия и выход.

Вышеупомянутый вариант осуществления двигателя был специально разработан для использования и в этом случае перепада давления, существующего между первичным баллоном 11 и двигателем 101, а с другой стороны, - для использования инертной массы системы подвижного транспортного средства для автоматического переключения движущего устройства в режим работы компрессора, используя в то же самое время его для торможения трансмиссии и/или несущих элементов конструкции механической работы, как ясно показано на фиг.17.

Кроме того, вышеупомянутый вариант осуществления был дополнительно специально разработан для оптимизации системы с точки зрения температуры расширения воздуха на нижней стороне турбогенератора 15 переменного тока путем использования одного или более теплообменников воздух/воздух, расположенных в системе или транспортном средстве так, чтобы позволять воздуху нагреваться перед входом воздуха в нагреватель 16 текучей среды.

Что касается первого элемента новизны, настоящее изобретение может обеспечивать одну или более вторичных турбин 15С, жестко закрепленных на одной оси, что и первичная турбина 15А турбогенератора 15 переменного тока, или, возможно, параллельно ей, и лопасти турбин которых могут иметь переменную геометрию, в зависимости от состояния уровня техники.

Вышеупомянутая вторичная турбина 15С, приводимая в действие потоком воздуха, проходящего к первичной турбине 15А, может принимать дополнительное количество наружного воздуха помимо воздуха в первичном воздушном баллоне 11 во всасывающем корпусе 31.

В этой связи должно быть очевидным, что это дополнительное количество воздуха будет всасываться в систему из наружной окружающей среды, поскольку обеспечивается поток воздуха из первичного баллона к двигателю.

Вышеупомянутое дополнительное количество воздуха, принимаемое вторичной турбиной 15С, подается в компенсационную и смесительную камеру 32, в которую также подается воздух из турбогенератора 15 переменного тока.

Помимо преимущества использования в системе количества воздуха сверх того, что хранится исходно, обеспечивая в соответствии с этим большее количество энергии к двигателю в течение всей длительности потока, необходимо, кроме того, отметить, что воздух, который охлаждается ниже по технологической цепочке от расширения в первичной турбине 15А, будет иметь его температуру увеличенной вследствие смешивания в компенсационной камере 32, в которую подается воздух, принятый извне вторичной турбиной 15С.

Кроме того, следует отметить, что даже если давления работы первичной и вторичной турбин отличаются, компенсационная камера 32 всегда позволит принимать в ней соответствующие воздушные потоки, поскольку конечное рабочее давление двигателя 101, куда будет транспортироваться смешанный поток системы, всегда будет меньше давления обоих компонентов.

Вышеупомянутые потоки, имеющие теперь оптимизированную температуру, будут дренироваться, под перепадом давлений, из компенсационной и смесительной камеры 32 к теплообменнику 33 воздух/воздух, где они будут дополнительно оптимизироваться вследствие увеличения температуры текучей среды из-за пересечения теплообменника.

В этом случае необходимо дополнительно отметить, что возможная потеря давления может быть просто преодолена, поскольку перепад давлений между давлением (например, 350 бар или более) воздуха, исходно содержащегося в первичном баллоне 11 предварительной нагрузки, и рабочим давлением двигателя 101 (например, 30 бар или более) также может быть больше чем 300 бар.

После пересечения теплообменника 33 воздух/воздух поток воздуха, предварительно нагретый смешиванием с наружным воздухом, принятым вторичной турбиной 15С, будет направлен к вспомогательному баллону 34 каналам питающей линии 12, вспомогательный баллон 34 которой может факультативно содержать дополнительные нагреватели 16, включающие в себя нагревательные резисторы 17, питаемые электрической энергией, генерируемой турбогенератором 15 переменного тока, для обеспечения возможности дополнительного нагрева воздуха.

Как показано, к вышеупомянутому вспомогательному баллону 34 подсоединены три дополнительных канала: питающий канал 35А для питания двигателя сжатым воздухом, нагреваемым на предыдущих этапах работы; коллекторный канал 35В для сбора сжатого воздуха, поступающего из двигателя, когда он находится в работе, и на этапе освобождения работает в качестве тормозного компрессора; редукционный канал 35С для уменьшения пассивного противодействия (сопротивления), генерируемого воздухом всасывания из наружной окружающей среды через антивакуумные клапаны отрицательного давления во время режима пассивной работы поршня: фактически, через такой канал 35С сжатый воздух будет подаваться в расширительную камеру 7, через антивакуумные клапаны 112 и 113, из вспомогательного баллона 34, где, как это будет описано ниже, будет собираться также сжатый воздух, генерируемый благодаря работе движущего устройства в режиме работы сжатия торможения.

Каналы 35А и 35В могут содержать соответствующие электроклапаны, то есть первый электроклапан или электромагнитный клапан 14А для регулирования потока сжатого воздуха или управления потоком сжатого воздуха из вторичного баллона к двигателю, и второй электроклапан 14В для регулировки, в три или более регулировочных этапов, прогрессивной нагрузки воздуха, возвращающегося из двигателя 101, когда последний работает в режиме работы компрессора торможения, а на этапе освобождения он посылает воздух к вторичному баллону 34.

Фактически двигатель 101 во время режима работы его освобождения, то есть когда он работает на основе инерциальных масс, когда подача сжатого воздуха выключается, когда регулирующий клапан ускорительного устройства перекрыт, адаптирован для автоматической работы в качестве компрессора вследствие ротационного движения поршня 9 из верхней мертвой точки к нижней мертвой точке посредством первого всасываемого воздуха в его внутренней стороне через каналы 102 и 103 всасывания и антивакуумные однонаправленные клапаны 112 и 113, сообщающиеся с расширительной камерой 7 двигателя 101 во внешней окружающей среде. Затем, вследствие ротационного движения поршня 9 из нижней мертвой точки в верхнюю мертвую точку, движущее устройство 101 будет сжимать воздух через канал 35В во вторичном баллоне 34 через автоматически приводимый в действие шиберный вентиль 36 или любые другие подобные регулировочные клапаны, расположенные в выпускном клапане 5, который при приведении в действие для соединения с освобождением ускорителя перекроет вход в выпускной канал воздуха, всасываемого из наружной окружающей среды и/или вспомогательного баллона в расширительную камеру через антивакуумные клапаны 112 и 113.

В таком режиме работы двигатель 101, находящийся на этапе освобождения, поскольку такой этап работы автоматически приводит в действие режим работы компрессора, будет генерировать эффект торможения на узел трансмиссии и, следовательно, на элементы передачи механической работы, позволяя в то же самое время хранить сжатый воздух во вторичном баллоне 34, немедленно используемый, когда ускоритель двигателя включается снова, с очевидным дополнительным увеличением выхода системы по мощности.

Все эти подобные эффекты, увеличивающие коэффициент полезного действия системы, также могут быть использованы с роторно-поршневым вариантом осуществления 1001 двигателя, соответствующего настоящему изобретению, как показано на фиг.18, где

воздухозабор двигателя через антивакуумные клапаны каналов 35С обеспечивается посредством каналов 37;

оптимизированный и подогретый воздухозабор к двигателю через инжекторы 20, поступающий из вспомогательного баллона 34, гарантируется посредством каналов 38;

впуск воздуха во вспомогательный баллон 34 через однонаправленные антивакуумные клапаны 112, когда двигатель работает в режиме работы компрессора торможения, через выпускные клапаны, работающие синхронно с шиберным электромагнитным вентилем 36, гарантируется посредством каналов 39.

Используемые материалы и контингентный размер могут быть любьми в зависимости от требований.

Кроме того, тип системы подачи и выпуска, канал всасывания при отрицательном давлении, типы однонаправленных клапанов и фильтров канала всасывания, а также их размер, могут быть любыми в зависимости от требований и статуса техники.

Кроме того, двигатель, соответствующий настоящему изобретению, может быть дополнительно усовершенствован как в отношении принципов его работы, так и в отношении каждой из его частей в соответствии с материалами и статусом техники.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателям объемного вытеснения. Поршневой или роторно-поршневой двигатель с высоким коэффициентом полезного действия и с отрицательными выбросами, приводимый в действие сжатым воздухом или другим поддающимся сжатию газом, рассматриваемый как автономное устройство или часть комплексной системы, содержит, по меньшей мере, баллон, по меньшей мере, турбогенератор переменного тока и один или более нагревателей текучей среды. Обеспечивается получение высокопроизводительного двигателя, не загрязняющего выбросами окружающую среду. 2 н. и 26 з.п. ф-лы, 18 ил.

1. Двигатель поршневой с высоким коэффициентом полезного действия, приводимый в действие посредством сжатого воздуха или других поддающихся сжатию газов, содержащий, по меньшей мере, цилиндр с расположенным в нем поршнем, форкамеру головки блока цилиндров двигателя, образующую камеру повышенного давления, имеющую размер, пропорциональный рабочему объему цилиндров двигателя и достигаемой в соответствии с этим мощности, по меньшей мере, баллон и турбогенератор переменного тока, отличающийся тем, что двигатель содержит один или более нагревателей текучей среды и однонаправленные клапаны в одном или более каналах всасывания, образованных в головке блока цилиндров двигателя, благодаря чему поршень, во время его хода от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, способен втягивать дополнительный воздух из наружной окружающей среды для подачи вышеупомянутого воздуха в камеру, при этом клапаны приспособлены для любого сопротивления, генерируемого вакуумом в цилиндре в пассивном режиме работы двигателя, также двигатель содержит фильтрующие элементы, расположенные в каналах всасывания головки блока цилиндров двигателя с возможностью обеспечения фильтрации дополнительного воздуха из наружной окружающей среды к вышеупомянутым баллону и двигателю, причем воздух, будучи всасываемым или втягиваемым посредством поршня во время хода поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, и после его втягивания и фильтрации, под механическим действием, посредством которого вышеупомянутый воздух оперативно посылается к рабочему циклу двигателя, снова выводится, в профильтрованном состоянии, в наружную окружающую среду во время хода поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке через выпускной клапан и канал, что позволяет двигателю снижать до минимума любые потери в работе двигателя, возникающие в случае, если объем закачиваемого воздуха является недостаточным для заполнения камеры воздухом, по меньшей мере, при атмосферном давлении, до максимального объема, и когда выпускное отверстие открыто до небольшого объема, в мертвой точке указанного поршня, независимо от вводимого количества воздуха.

2. Двигатель с высоким коэффициентом полезного действия по п.1, отличающийся тем, что один или более вакуумных каналов всасывания, образованных в головке блока цилиндров двигателя, для обеспечения возможности втягивания дополнительного воздуха из наружной окружающей среды в цилиндр, и однонаправленные или обратные клапаны, для предотвращения прохождения потока дополнительного воздуха по обратному пути, во время хода поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, выполнены таким образом, что поток наружного воздуха генерируется благодаря всасыванию этого потока воздуха во время хода поршня к его нижней мертвой точке под давлением воздуха в форкамере, и подается указанным баллоном в ходе расширения после первого впрыска воздуха на его поверхность.

3. Двигатель с высоким коэффициентом полезного действия по п.1, отличающийся тем, что однонаправленные клапаны являются игольчатыми клапанами, шаровыми клапанами, коническими клапанами или другими клапанами, разработанными на известном уровне техники, из любых материалов и структур, в частности из графита или другого материала, обеспечивающего достаточную гибкость и стойкость к нагреву и механическим напряжениям в головной части, что позволяет потоку воздуха из наружной окружающей среды проходить внутрь, а не наоборот, через каналы всасывания к вышеупомянутой головке, поступать в цилиндр, обеспечивая обнуление в соответствии с этим любого пассивного противодействия, генерируемого вакуумом цилиндра, возникающего в пассивном режиме работы.

4. Двигатель с высоким коэффициентом полезного действия по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что имеет расширительную камеру, ограниченную внутренней частью головки блока цилиндров двигателя, цилиндром и верхней поверхностью поршня и сообщенную с каналами всасывания в головке блока цилиндров через однонаправленные клапаны, пропускающие в расширительную камеру дополнительный воздух, позволяющий исключить противодействие, генерируемое вакуумом в цилиндре, в пассивном режиме работы поршня.

5. Двигатель с высоким коэффициентом полезного действия по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что содержит регулятор давления, позволяющий выполнять первую регулировку двигателя посредством регулятора давления, устанавливая минимальное число оборотов приводного устройства, при фиксированном давлении, и вторую регулировку - параллельно первой регулировке, постепенно открывая клапан так, чтобы приводить в действие с ускорением вышеупомянутое приводное устройство.

6. Двигатель с высоким коэффициентом полезного действия по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что впускной клапан выполнен с возможностью в отсутствии прямого впрыска установления связи между форкамерой головки блока цилиндров двигателя и расширительной камерой, ограниченной головкой блока цилиндров двигателя, цилиндром и головкой поршня, а также в положении, когда он удерживается в его закрытом состоянии давлением в форкамере, автоматически смещаться при приведении в движение поршня из нижней мертвой точки к верхней мертвой точке для подъема вышеупомянутого клапана.

7. Двигатель с высоким коэффициентом полезного действия по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что впускной клапан выполнен с возможностью в поднятом положении устанавливать связь между форкамерой и головкой поршня и в отсутствии прямого впрыска открываться при завершении фазы разгрузки поршня в зависимости от выбранного синхронизующего устройства перед достижением верхней мертвой точки и закрываться после прохождением поршнем его верхней мертвой точки.

8. Двигатель с высоким коэффициентом полезного действия по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что дополнительно содержит синхронно работающие выпускные клапаны, встроенные в вышеупомянутую головку блока цилиндров двигателя.

9. Двигатель с высоким коэффициентом полезного действия по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что выполнен с возможностью в отсутствии впускных клапанов и форкамеры непрерывной подачи прямым типом впрыска наружного сжатого воздуха или другого поддающегося сжатию газа или воздуха или других газов в сжиженном состоянии.

10. Двигатель с высоким коэффициентом полезного действия по п.1, отличающийся тем, что составляет часть комплексной системы, турбогенератор переменного тока которой является ротационным устройством, включающим в себя переднюю уплотненную турбину, имеющую вал турбины, соединенный с валом генератора или образующий вал генератора, расположенный в задней части для генерирования электрической энергии посредством прохождения воздуха из баллона высокого давления и питания двигателя, причем турбина имеет лопатки турбины, факультативно переменной геометрии в зависимости от изменения скорости потока повышенного давления, обеспечивая в соответствии с этим возможность требуемого использования генерируемой энергии для электропитания электрических нагрузок и факультативных кондиционеров текучей среды и аппарата для подачи и/или нагрева воздуха в фазе расширения рабочей цепи из баллона к двигателю, посредством нагревательных устройств и/или резисторов для уменьшения и/или обнуления, в зависимости от целевой генерируемой температуры, любых потерь энергии воздухом, вызванных охлаждением воздуха во время этапа расширения.

11. Двигатель с высоким коэффициентом полезного действия по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит теплообменник в качестве интегрированной части системы.

12. Двигатель с высоким коэффициентом полезного действия по п.1, отличающийся тем, что содержит в качестве интегрирований части системы вспомогательный баллон, факультативно включающий в себя нагреватели, питаемые электрической мощностью, генерируемой посредством вышеупомянутого турбогенератора переменного тока, и несущий электрические резисторы для дополнительного нагрева воздуха.

13. Двигатель с высоким коэффициентом полезного действия по п.12, отличающийся тем, что к вспомогательному баллону присоединены три дополнительных канала: канал подачи к двигателю сжатого воздуха, нагретого на предшествующих рабочих этапах; канал сбора сжатого воздуха во вспомогательном баллоне, поступающего из двигателя, работающего на этапе освобождения в режиме работы компрессора торможения, и канал, обеспечивающий возможность уменьшения любого пассивного противодействия, генерируемого работой всасывания воздуха извне посредством антивакуумных клапанов, работающих благодаря отрицательному давлению, во время этапа пассивной работы поршня, благодаря чему сжатый воздух, аккумулируемый во вспомогательном баллоне, может проходить через антивакуумные однонаправленные клапаны в расширительную камеру.

14. Двигатель с высоким коэффициентом полезного действия по п.1, отличающийся тем, что он адаптирован для поочередной работы в режиме работы освобождения, с впускным клапаном сжатого воздуха в его закрытом положении, или в режиме работы компрессора, обеспечивающем эффект торможения на трансмиссию и/или элементы, генерирующие механическую работу.

15. Двигатель с высоким коэффициентом полезного действия по п.12, отличающийся тем, что канал сжатого воздуха, предназначенный для подачи сжатого воздуха к расширительной камере, содержит специализированный электроклапан для регулировки потока сжатого воздуха из основного и/или вспомогательного баллона к приводному устройству.

16. Двигатель с высоким коэффициентом полезного действия по п.12, отличающийся тем, что в канале приводного устройства установлен электроклапан для регулировки, в соответствии с тремя или более регулировочными этапами, прогрессивной загрузки вспомогательного баллона воздухом, возвращающимся из приводного устройства через однонаправленные клапаны при работе компрессора в режиме торможения, на его этапе освобождения.

17. Двигатель с высоким коэффициентом полезного действия по п.12, отличающийся тем, что содержит, в выпускном или разгрузочном клапане, шиберный электроклапан или любой другой регулирующий клапан эквивалентного эффекта, который способен при активировании для соединения с устройством освобождения акселератора перекрыть доступ к выпускному каналу наружного всасываемого воздуха и/или из вспомогательного баллона к расширительной камере посредством однонаправленных антивакуумных клапанов.

18. Двигатель с высоким коэффициентом полезного действия по п.12, отличающийся тем, что на этапе освобождения освобождается режим работы компрессора двигателя, генерируя в соответствии с этим эффект торможения на трансмиссию и элементы передачи механической работы, обеспечивая в то же самое время возможность хранения во вспомогательном баллоне сжатого воздуха, подлежащего немедленному использованию, когда устройство акселератора снова открывается.

19. Двигатель роторно-поршневой с высоким коэффициентом полезного действия, приводимый в действие посредством сжатого воздуха или других поддающихся сжатию газов, содержащий, в дополнение к основным элементам приводного устройства поршня, баллон с воздухом высокого давления и турбогенератор переменного тока, отличающийся тем, что содержит один или более нагревателей текучей среды и цилиндрический ленточный элемент, выполненный из материала, адаптированного для противодействия давлению и действию множества ротационных лопастей, интегральных с ним, и установленный с возможностью вращения на центральной оси вращения, скользящий в кольцевом приспособлении, установленном с высоким натягом, причем приводное устройство способно в соответствии с программой регулировать фазу впуска сжатого воздуха на ротационных лопастях посредством инжекторов, в том числе и одновременно, и с чередующейся последовательностью работы, благодаря чему, когда ротационные лопасти проходят мимо соответственно расположенных фотоэлементов, множеству электромагнитных клапанов цепи дается возможность разрешать потоку сжатого воздуха в вышеупомянутом баллоне проходить и обеспечивать питание инжекторов, с учетом требуемой мощности, при этом работа инжекторов синхронизирована так, чтобы впрыскивать сжатый воздух в вогнутую часть ротационной лопасти, интегрально скользящей относительно ленточного элемента так, чтобы аккумулировать, под действием сжатого воздуха, максимальную энергию в зависимости от давления, прикладываемого к ней, в соответствии с этим, когда вышеупомянутый сжатый воздух инжектируется в кольцевое приспособление, этот сжатый воздух обеспечивает ускорение вращения лопастей для открывания посредством отрицательного давления канала и устранения любого противодействия работе пассивно работающей ротационной лопасти, при этом однонаправленные клапаны, связанные с каналами, облегчают, под влиянием всасывания, обеспечиваемого ротационными лопастями, ввод дополнительного воздуха в кольцевое приспособление, обнуляя в соответствии с этим любое противодействие в пассивном режиме работы, при этом фильтрующие элементы, расположенные в каналах всасывания дополнительного воздуха, обеспечивают вакуумное фильтрование воздухозабора, вышеупомянутый воздух выталкивается дополнительным выталкивающим ротационным движением лопастей через выпускные клапаны, расположенные в направлении вращения ниже по технологической цепочке от фотоэлементов для обеспечения возможности следующего рабочею цикла дополнительным впрыском воздуха, и сила, генерируемая указанным приводным устройством, прикладывается к центральной оси вращения, приводя в действие, в свою очередь, трансмиссионный вал.

20. Двигатель с высоким коэффициентом полезного действия по п.19, отличающийся тем, что составляет часть комплексной системы, турбогенератор переменного тока которой является ротационным устройством, включающим в себя переднюю уплотненную турбину, имеющую вал турбины, соединенный с валом генератора или образующий вал генератора, расположенный в задней части для генерирования электрической энергии посредством прохождения воздуха из баллона высокого давления и питания двигателя, причем турбина имеет лопатки турбины, факультативно переменной геометрии в зависимости от изменения скорости потока повышенного давления, обеспечивая в соответствии с этим возможность требуемого использования генерируемой энергии для электропитания электрических нагрузок и факультативных кондиционеров текучей среды и аппарата для подачи и/или нагрева воздуха в фазе расширения рабочей цепи из баллона к двигателю, посредством нагревательных устройств и/или резисторов для уменьшения и/или обнуления, в зависимости от целевой генерируемой температуры, любых потерь энергии воздухом, вызванных охлаждением воздуха во время этапа расширения.

21. Двигатель с высоким коэффициентом полезного действия по п.19, отличающийся тем, что дополнительно содержит теплообменник в качестве интегрированной части системы.

22. Двигатель с высоким коэффициентом полезного действия по п.19, отличающийся тем, что содержит в качестве интегрированной части системы вспомогательный баллон, факультативно включающий в себя нагреватели, питаемые электрической мощностью, генерируемой посредством вышеупомянутого турбогенератора переменного тока, и несущий электрические резисторы для дополнительного нагрева воздуха.

23. Двигатель с высоким коэффициентом полезного действия по п.22, отличающийся тем, что к вспомогательному баллону присоединены три дополнительных канала: канал подачи к двигателю сжатого воздуха, нагретого на предшествующих рабочих этапах; канал сбора сжатого воздуха во вспомогательном баллоне, поступающего из двигателя, работающего на этапе освобождения в режиме работы компрессора торможения, и канал, обеспечивающий возможность уменьшения любого пассивного противодействия, генерируемого работой всасывания воздуха извне посредством антивакуумных клапанов, работающих благодаря отрицательному давлению, во время этапа пассивной работы поршня, благодаря чему сжатый воздух, аккумулируемый во вспомогательном баллоне, может проходить через антивакуумные однонаправленные клапаны в расширительную камеру.

24. Двигатель с высоким коэффициентом полезного действия по п.19, отличающийся тем, что он адаптирован для поочередной работы в режиме работы освобождения с впускным клапаном сжатого воздуха в его закрытом положении или в режиме работы компрессора, обеспечивающем эффект торможения на трансмиссию и/или элементы, генерирующие механическую работу.

25. Двигатель с высоким коэффициентом полезного действия по п.22, отличающийся тем, что канал сжатого воздуха, предназначенный для подачи сжатого воздуха к расширительной камере, содержит специализированный электроклапан для регулировки потока сжатого воздуха из основного и/или вспомогательного баллона к приводному устройству.

26. Двигатель с высоким коэффициентом полезного действия по п.22, отличающийся тем, что в канале приводного устройства установлен электроклапан для регулировки, в соответствии с тремя или более регулировочными этапами, прогрессивной загрузки вспомогательного баллона воздухом, возвращающимся из приводного устройства через однонаправленные клапаны при работе компрессора в режиме торможения, на его этапе освобождения.

27. Двигатель с высоким коэффициентом полезного действия по п.22, отличающийся тем, что содержит, в выпускном или разгрузочном клапане, шиберный электроклапан или любой другой регулирующий клапан эквивалентного эффекта, который способен при активировании для соединения с устройством освобождения акселератора перекрыть доступ к выпускному каналу наружного всасываемого воздуха и/или из вспомогательного баллона к расширительной камере посредством однонаправленных антивакуумных клапанов.

28. Двигатель с высоким коэффициентом полезного действия по п.22, отличающийся тем, что на этапе освобождения освобождается режим работы компрессора двигателя, генерируя в соответствии с этим эффект торможения на трансмиссию и элементы передачи механической работы, обеспечивая в то же самое время возможность хранения во вспомогательном баллоне сжатого воздуха, подлежащего немедленному использованию, когда устройство акселератора снова открывается.