Микроволновый плазменный двигатель

Предлагаемый микроволновый плазменный двигатель содержит не менее одного цилиндра 1 с поршнем 2, соединенным через кривошипно-шатунный механизм 3 с коленчатым валом 4 двигателя. На валу 4 установлен маховик 5, соединенный через муфту 6 с раздаточным валом 7 двигателя. Цилиндр 1 снабжен патрубками 8 и 9, установленными соответственно в верхней и нижней части цилиндра 1 и соединенными через золотник 10 и адиабатический охладитель 11 плазмы с выходом плазменного реактора 12. Реактор 12 выполнен с внешней или с внутренней накачкой. Реактор 12 с внешней накачкой содержит диэлектрическую трубу 13, установленную в резонаторе 14 микроволнового катализатора 15. Реактор 12 с внутренней накачкой содержит металлическую трубу 13, покрытую с внутренней стороны слоем тугоплавкого диэлектрика и установленную соосно с микроволновым катализатором 15. Труба 13 плазменного реактора 12 снабжена графитовыми или вольфрамовыми электродами 16 для подключения к высоковольтному разряднику 17, а также патрубком 18 с обратным клапаном 19 и волноводом 20 для подвода рабочей смеси и микроволнового излучения, соответственно. Обратный клапан 19 патрубка 18 выполнен из вольфрама с графитовым напылением. Микроволновый катализатор 15 выполнен в виде источника электромагнитных волн с частотой, равной или кратной резонансным частотам поглощения электромагнитных волн молекулами и/или атомами составляющих газов рабочей смеси. Технический результат - повышенная стабильность и надежность работы, уменьшенная энергия поджига топливной смеси.US-A1-20020194835 ЗВОНОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ; МАТВЕЕВ ВЛАДИМИР АНАТОЛЬЕВИЧ (RU) Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, конкретно к микроволновым плазменным двигателям, использующим для обработки и инициирования реакции горения газовой смеси энергию электромагнитного, магнитного и/или электрического поля, а также химические катализаторы из редких металлов. Известны плазменные двигатели (GB 1515148, МПК F02P 23/00; F02P 23/04; F02B 3/06; F02P 23/00;RU 2256817, МПК F02P 23/00, F02M 27/04, F02B 51/04, 2005), содержащие не менее одного цилиндра с поршнем, соединенным через кривошипно-шатунный механизм с валом двигателя, лазерный, микроволновый, электромагнитный, магнитный или химический катализатор для активации рабочей смеси и высоковольтный разрядник для поджига активированной рабочей смеси в момент сжатия ее в цилиндре двигателя. Недостатком известных микроволновых плазменных двигателей является недостаточная надежность работы, связанная с трудностью стабилизации плазмы в меняющемся в процессе работы объеме камеры сгорания цилиндра двигателя. Микроволновые плазменные двигатели предназначены для использования в качестве рабочей смеси обедненной смеси горючих газов с воздухом, а также негорючей в нормальных условиях смеси газов, таких как атмосферный воздух, дымовые газы, пары воды. Наиболее близким к заявляемому изобретению по назначению и технической сущности является микроволновый плазменный двигатель (GB 2241746, МПК F02 B43/10; F02B 51/04; F02P 9/00; F02P 23/04; F02B 1/04; F02B 3/06; F02B 43/00; F02B 51/00; F02P 9/00; F02P 23/00; F02B 1/00; F02B 3/00; F01D 1/00; F02C 1/05; F02G 1/02, 1991), содержащий не менее одного цилиндра с поршнем, соединенным через кривошипно-шатунный механизм с коленчатым валом двигателя, микроволновый катализатор для активации рабочей смеси и высоковольтный разрядник для поджига активированной рабочей смеси в момент сжатия ее в камере сжигания цилиндра двигателя. При этом камера сжигания цилиндра двигателя выполняет функции плазменного реактора переменного объема. Однако такой микроволновый плазменный двигатель недостаточно надежен в работе в связи с трудностью стабилизации плазмы в меняющемся объеме цилиндра двигателя и высокой температурой плазмы. Технической задачей изобретения является повышение надежности работы микроволнового плазменного двигателя. Техническим результатом, обеспечивающим решение указанной задачи, является генерация плазмы в стационарном объеме, обеспечивающем стабильную генерацию плазмы, адиабатическое охлаждение плазмы и управляемое по частоте поочередное воздействие кинетической энергией плазмы на поршень с верхней и нижней его стороны. Достижение заявленного технического результата и, как следствие, решение поставленной технической задачи обеспечивается тем, что микроволновый плазменный двигатель, содержащий не менее одного цилиндра с поршнем, соединенным через кривошипно-шатунный механизм с коленчатым валом двигателя, микроволновый катализатор для активации рабочей смеси и высоковольтный разрядник для поджига активированной рабочей смеси в момент сжатия ее в камере сжигания цилиндра двигателя, согласно изобретению дополнительно содержит последовательно соединенные по ходу движения продуктов реакции рабочей смеси плазменный реактор постоянного объема, адиабатический охладитель плазмы и золотник, соединенный патрубками с верхней и нижней частью цилиндра двигателя. При этом плазменный реактор постоянного объема содержит прозрачную для электромагнитных волн (диэлектрическую) трубу, установленную в резонаторе микроволнового катализатора, или металлическую трубу, покрытую с внутренней стороны слоем тугоплавкого диэлектрика и установленную соосно с микроволновым катализатором. Труба плазменного реактора снабжена графитовыми или вольфрамовыми электродами для подключения к высоковольтному разряднику, а также патрубком и волноводом для подвода рабочей смеси и микроволнового излучения соответственно. Микроволновый катализатор выполнен в виде источника электромагнитных волн с частотой, равной или кратной резонансным частотам поглощения электромагнитных волн молекулами и/или атомами составляющих газов рабочей смеси. Источник электромагнитных волн выполнен в виде герметизированного магнетрона или герметизированного клистрона с задающим генератором. Золотник выполнен коробчатой, цилиндрической или крановой конструкции с цифровым или с аналоговым управлением частотой переключения направления подачи охлажденной плазменной струи в патрубки цилиндра двигателя. Дополнительное введение плазменного реактора постоянного объема позволяет обеспечить стабильную генерацию плазмы в фиксированном стационарном объеме и тем самым повысить надежность работы микроволнового плазменного двигателя. Введение адиабатического охладителя плазмы позволя-1 018267 ет снизить температуру рабочего тела плазменной струи, поступающей в цилиндры двигателя и, как следствие, дополнительно повысить долговечность и надежность работы микроволнового плазменного двигателя. Введение золотника, соединенного патрубками с верхней и нижней частью цилиндра двигателя, позволяет исключить потери энергии, характерные для двигателей внутреннего сгорания и связанные с возвращением поршня цилиндра в верхнюю мертвую точку и сжатием рабочей смеси за счет запасенной кинетической энергии вращения (энергии инерции) массивного маховика коленчатого вала двигателя. Это позволяет не только уменьшить потери кинетической энергии плазмы, но и дополнительно повысить надежность работы двигателя за счет снижения нагрузки на карданный вал двигателя. Выполнение плазменного реактора в виде диэлектрической (радиопрозрачной) трубы, установленной в резонаторе микроволнового катализатора, или в виде металлической трубы, установленной соосно с микроволновым катализатором и покрытой с внутренней стороны слоем тугоплавкого диэлектрика, позволяет обеспечить реализацию микроволнового плазменного двигателя соответственно в относительно длинноволновом и коротковолновом диапазонах резонансного поглощения электромагнитных волн молекулами и атомами составляющих газов рабочей смеси. Снабжение трубы плазменного реактора тугоплавкими графитовыми или вольфрамовыми электродами позволяет повысить долговечность их работы и тем самым дополнительно повысить надежность работы микроволнового плазменного двигателя. Выполнение микроволнового катализатора в виде источника электромагнитных волн с частотой, равной или кратной резонансным частотам поглощения электромагнитных волн молекулами и/или атомами составляющих газов рабочей смеси, позволяет снизить затраты электрической энергии на ионизацию и воспламенение рабочей смеси и тем самым повысить коэффициент полезного действия микроволнового плазменного двигателя. Выполнение источника электромагнитных волн микроволнового катализатора в виде герметизированного магнетрона или герметизированного клистрона с задающим генератором позволяет расширить возможность практической реализации микроволнового плазменного двигателя, а герметизация этих источников позволяет исключить возможность электромагнитного пробоя воздушной среды вне зоны реакции рабочей смеси. Выполнение золотника двигателя коробчатой, цилиндрической или крановой конструкции с цифровым или с аналоговым управлением частотой последовательного переключения направления подачи охлажденной плазменной струи в верхний и нижний патрубки цилиндра двигателя позволяет реализовать эффективное управление мощностью микроволнового плазменного двигателя на существующей элементной базе. На чертеже представлена функциональная схема микроволнового плазменного двухцилиндрового двигателя на магнетроне. Микроволновый плазменный двигатель содержит не менее одного цилиндра 1 с поршнем 2, соединенным через кривошипно-шатунный механизм 3 с коленчатым валом 4 двигателя. На валу 4 установлен маховик 5, соединенный через муфту 6 с раздаточным валом 7 двигателя. Цилиндр 1 снабжен патрубками 8 и 9, установленными соответственно в верхней и нижней части цилиндра 1 и соединенными между собой через золотник 10. Золотник 10 предназначен для поочередной подачи соответственно через патрубки 8 и 9 в верхнюю и нижнюю части цилиндра в интересах возвратно-поступательного перемещения в нем поршня 2 и вращения коленчатого вала 4 двигателя. Золотник 10 выполнен коробчатой, цилиндрической или крановой конструкции с цифровым или с аналоговым управлением частотой переключения направлений подачи рабочего тела в цилиндры 1. Вход золотника 10 через адиабатический охладитель 11 плазмы соединен с выходом плазменного реактора 12 постоянного объема с внешней или с внутренней накачкой. Реактор 12 с внешней накачкой содержит прозрачную для электромагнитных волн (например,радиопрозрачную из диэлектрического материала) трубу 13, установленную в резонаторе 14 микроволнового катализатора 15, а реактор 12 с внутренней накачкой - непрозрачную для электромагнитных волн трубу 13 (металлическую, например из стали, покрытую с внутренней стороны слоем тугоплавкого диэлектрика, например фарфора или керамики), установленную соосно с микроволновым катализатором 15(на чертеже не показано). Труба 13 плазменного реактора 12 снабжена графитовыми или вольфрамовыми электродами 16 для подключения к высоковольтному разряднику 17, а также патрубком 18 с обратным клапаном 19 и волноводом 20 для подвода рабочей смеси и микроволнового излучения соответственно. Обратный клапан 19 патрубка 18 выполнен из вольфрама с графитовым напылением. Микроволновый катализатор 15 выполнен в виде источника электромагнитных волн с частотой, равной или кратной резонансным частотам поглощения электромагнитных волн молекулами и/или атомами составляющих газов рабочей смеси. Источник электромагнитных волн выполнен в виде герметизированного магнетрона или герметизированного клистрона с задающим генератором. Питающие входы микроволнового катализатора 15 и разрядника 17 соединены с выходом высоковольтного накопителя 21 энергии. Накопитель 21 выполнен в виде емкостного или индуктивного накопителя энергии. Питающий вход накопителя 21 энергии соединен с выходом генератора 22 электрического тока и аккумулятором 23, а управляющий вход 24 с частотным выходом блока управления двигателя (на чертеже не показан). Генератор 22 электрического тока кинематически соединен с коленчатым валом 4 двигателя. Микроволновый плазменный двигатель с внешней накачкой реактора 12 работает следующим образом. При включении зажигания двигателя к накопителю 21 энергии подключается электропитание от аккумулятора 23, а через патрубок 18 при открытом в нормальном состоянии клапане 19 в камеру (трубу 13) реактора 12 впрыскивается доза топливной (рабочей) смеси. После выхода накопителя 21 энергии на рабочий режим с блока управления двигателем, например с бортового компьютера через цифроаналоговый преобразователь, на управляющий вход 22 накопителя 21 энергии с заданной частотой, например с частотой f, соответствующей частотевращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу, поступают поджигающие импульсы U. При этом на микроволновый катализатор 15, например на катод магнетрона, подается высоковольтный отрицательный импульс амплитудой U и длительностью . Магнетрон генерирует высокочастотный импульс длительностьюи частотой заполнения, соответствующей или кратной частоте резонансного поглощения электромагнитных волн топливной смесью. Этот импульс через волновод 20 поступает в резонатор 14 и катализирует топливную смесь реактора 12 за счет разрушения молекулярных связей составляющих газов, препятствующих взрывной реакции смеси. После разрушения молекулярных связей составляющих топливной смеси, препятствующих реакции синтеза (объединения ионизированных частиц в устойчивое состояние с образованием новых химических веществ и с выделением энергии синтеза) на электроды 16 реактора 12 с разрядника 17 подается импульс поджига реакции синтеза составляющих газов катализированной среды. При этом в реакторе 12 происходит лавинное объединение возбужденных частиц с выделением энергии, преимущественно в форме кумулятивной энергии расширяющейся струи высокотемпературной плазмы. Далее струя плазмы из реактора 12 поступает в адиабатический охладитель 16, где охлаждается до температуры, безопасной для цилиндра 1 двигателя, и через открытый в данный момент времени канал золотника 10 подается через патрубок 8 или 9 соответственно в верхнюю или нижнюю часть цилиндра 1. Под действием давления плазменной струи на поршень 2 последний приходит в поступательное движение. При этом с помощью кривошипно шатунного механизма 3 энергия поступательного движения поршня преобразуется в энергию вращения коленчатого вала 4 и его маховика 5. Поскольку кинетическая энергия инерции маховика 5 не нужна для возвращения поршня 2 в крайние положения (верхнее и нижнее) в цилиндре 1, то масса и габариты маховика 5 могут быть существенно снижены и маховик 5 с обгонной муфтой может быть заменен на облегченную шестерню. При этом могут быть резко уменьшены массогабаритные характеристики двигателя. Энергия вращения вала 4 через соединительную муфту 6 передается на раздаточный вал 7 двигателя и одновременно на ротор генератора 22. Электрическое напряжение со статорной обмотки генератора 22 после преобразования в постоянное напряжение подается на питающий вход накопителя 21 и одновременно на аккумулятор 23. При этом аккумулятор 23 переходит в режим зарядки, а накопитель 21 - на питание от генератора 22. При нажатии на педаль газа частота f следования поджигающих импульсов U увеличивается, частота выбросов плазмы реактора 2 увеличивается и соответственно увеличивается угловая частота со вращения коленчатого вала двигателя. Работа микроволнового плазменного двигателя с внутренней накачкой аналогична работе плазменного двигателя с внешней накачкой. Отличие состоит только в методе подвода энергии микроволнового катализатора в зону реакции, а именно не через боковые стенки диэлектрической трубы 13, а с открытого(для электромагнитных волн) торца металлической трубки 13, покрытой изнутри слоем тугоплавкого диэлектрика. Преимущественное использование последней конструкции может найти применение в мощных двигателях из-за возможности создания более высокого давления плазмы за счет более прочной конструкции реактора 12. Изобретение выполнено на уровне технического предложения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Микроволновый плазменный двигатель, содержащий источник электромагнитных волн, высоковольтный разрядник и не менее одного цилиндра с поршнем, соединенным через кривошипно-шатунный механизм с коленчатым валом двигателя, а также последовательно соединенные по ходу движения продуктов рабочей смеси плазменный реактор постоянного объема, адиабатический охладитель плазмы и золотник, соединенный патрубками с верхней и нижней частью цилиндра двигателя, причем источник электромагнитных волн выполнен с возможностью генерации волн с частотой, равной или кратной резонансным частотам поглощения электромагнитных волн молекулами и/или атомами составляющих газов рабочей смеси двигателя, а плазменный реактор для энергетической накачки рабочей смеси соединен с выходами источника электромагнитных волн и высоковольтного разрядника. 2. Микроволновый плазменный двигатель по п.1, отличающийся тем, что плазменный реактор постоянного объема представляет собой тугоплавкую диэлектрическую трубу, установленную в резонаторе источника электромагнитных волн, или металлическую трубу, установленную соосно источнику электромагнитных волн и покрытую с внутренней стороны слоем тугоплавкого материала. 3. Микроволновый плазменный двигатель по п.2, отличающийся тем, что труба плазменного реактора снабжена графитовыми или вольфрамовыми электродами для подключения к высоковольтному разряднику, а также патрубком и волноводом для подвода рабочей смеси и электромагнитного излучения соответственно.