Двигатель внутреннего взрыва и генератор, работающий на негорючих газах

007726 Ссылка на родственную заявку По настоящей заявке испрашивается приоритет по заявке на патент США 60/462993, поданной 14 апреля 2003 г. Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к двигателям и генераторам и, в частности, к работающим на негорючих газах двигателям внутреннего взрыва и генераторам. Предпосылки создания изобретения Двигатель внутреннего взрыва по принципу своей работы во многом схож с двигателем внутреннего сгорания, от которого он отличается тем, что работает не на горючих, а на негорючих газах, таких как воздух, кислород, азот или инертный газ. Перед пуском двигателя внутреннего взрыва его герметичную рабочую камеру (камеру взрыва) заполняют рабочим газом. Во время работы двигателя многократно ионизируемый, сжимаемый и расширяющийся при взрыве газ перемещает поршень, ротор или иное подвижное звено, которое преобразует кинетическую энергию в механическую или электрическую. После заполнения камеры взрыва газом двигатель может работать продолжительное время на одном и том же количестве газа. В отличие от двигателя внутреннего сгорания во время каждого цикла в двигатель внутреннего взрыва не впрыскивают топливо и не выбрасывают газы, образовавшиеся в результате его сгорания. Двигатели внутреннего взрыва подобного типа описаны, например, в патентах US 3670494 и US 4428193. Задачи и краткое изложение сущности изобретения В основу настоящего изобретения была положена задача разработать новую и более совершенную конструкцию двигателя внутреннего взрыва и генератора. Еще одна задача изобретения состояла в решении проблем и устранении недостатков, присущих предложенным ранее двигателям внутреннего взрыва и генераторам. Для решения этих задач в настоящем изобретении предлагается двигатель внутреннего взрыва и генератор, который содержит герметичную камеру взрыва, подвижный элемент, образующий одну стенку камеры, которая заполняется определенным количеством негорючего газа, устройство для многократного взрыва газа, который при расширении перемещает подвижный элемент из положения, соответствующего минимальному объему камеры, в положение, соответствующее ее максимальному объему, устройство возврата подвижного элемента из положения, соответствующего максимальному объему камеры, в положение, соответствующее ее минимальному объему, и соединенное с подвижным элементом устройство, преобразующее энергию взрыва газа в электрическую энергию. В одном из вариантов подвижный элемент двигателя выполнен в виде соединенного с коленчатым валом поршня, который возвращается в положение, соответствующее минимальному объему камеры, за счет энергии маховика, закрепленного на коленчатом валу. В другом варианте для предотвращения потери энергии взрыва газа двигатель имеет два расположенных в герметично закрытой рабочей камере и соединенных друг с другом ("юбка к юбке") поршня. В одном из вариантов электрическую энергию получают с помощью генератора, соединенного с коленчатым валом, а в другом - с помощью индукционной катушки, расположенной рядом с закрепленным на подвижном поршне магнитом. Краткое описание чертежей На прилагаемых к описанию чертежах показано на фиг. 1 - вид сверху двигателя внутреннего взрыва и генератора, выполненного по одному из вариантов; на фиг. 2 - разрез плоскостью 2-2 по фиг. 1; на фиг. 3 - разрез плоскостью 3-3 по фиг. 2; на фиг. 4 - электрическая схема двигателя внутреннего взрыва и генератора, показанного на фиг. 1; на фиг. 5 - разрез по осевой линии двигателя внутреннего взрыва и генератора, выполненного по другому варианту; на фиг. 6 А и 6 Б - разрезы плоскостями 6 А-6 А и 6 Б-6 Б по фиг. 5 и на фиг. 7 и 8 - разрезы в увеличенном масштабе в осевой плоскости впускного клапана и заглушки впускного отверстия, через которое двигатели, показанные на фиг. 1 и 5, заполняют рабочим газом. Предпочтительные варианты осуществления изобретения Предлагаемый в изобретении двигатель 11, показанный на фиг. 1-3, имеет расположенный в цилиндре 13 поршень 12 с поршневыми кольцами 14, которые уплотняют внутреннюю поверхность цилиндра. Верхний или наружный конец цилиндра уплотняется с помощью торцевого диска или головки 16 цилиндра, между которой и поршнем расположена рабочая камера 17 (камера взрыва) двигателя. В головке цилиндра расположено впускное отверстие 18, которое предназначено для подачи в рабочую камеру газа и регулируется клапаном 19. Поршень соединен шатуном 22 с коленчатым валом 21, на котором установлен противовес или маховик 23. Во время работы поршень перемещается вниз расширяющимся при взрыве газом и возвраща-1 007726 ется в исходное положение энергией, накопленной маховиком. Нижний конец цилиндра 13 закрыт корпусом 24 картера. Коленчатый вал муфтой 28 соединен с валом 26 генератора 27, расположенного снаружи корпуса картера. При пуске двигателя генератор, о чем более подробно сказано ниже, можно использовать в качестве пускового двигателя. В рассматриваемом варианте клапан 19 работает как обычный обратный клапан, который пропускает газ в рабочую камеру через впускное отверстие 18, но не позволяет газу выходить из нее. Клапан, который более подробно показан на фиг. 7, содержит корпус (втулку) 31 с центральным осевым проходным отверстием 32. Один - внутренний - конец втулки, который имеет меньший диаметр, ввернут во впускное отверстие, а на другой конец, который имеет больший диаметр, навернута крышка 33. Крышка имеет отверстие 34, которое сообщается с отверстием 32, проходное сечение которого регулируется шариком 36, сидящим в седле 37 на внутренней стороне крышки. Шарик удерживается в закрытом положении пружиной 38 сжатия, расположенной между шариком и буртиком 39, выполненным на внутренней стороне корпуса клапана. Уплотнение между корпусом клапана и головкой цилиндра осуществляется с помощью прокладки 41. В головке цилиндра установлены электроды, предназначенные для взрыва находящегося в камере газа. Соединенный с генератором 44 ВЧ (высокой частоты) и расположенный на оси камеры электрод 43 предназначен для ионизации газа и образования плазмы. Вокруг электрода 43 расположены электроды 46-49, один 46 из которых соединен со вторичной обмоткой 50 катушки 51 зажигания, а другие 47-49 - с конденсатором 52. На одной оси с электродом 43 расположен выступающий из нижней стенки поршня контактный штырь 53. Поршень 12 и головку цилиндра 16 изготавливают из ферромагнитного материала, например, нержавеющей стали марки 416, а цилиндр 13 - из не содержащего железа материала, например, нержавеющей стали марки 303. Расположенная снаружи вокруг цилиндра и связанная магнитным полем с поршнем обмотка 54 образует реактивный генератор. Двигатель имеет специальное устройство, которое предназначено для определения момента нахождения поршня в верхней мертвой точке (ВМТ), т.е. в положении, соответствующем минимальному объему камеры. Это устройство содержит магнит 56, который крепится на маховике 23, установленном на коленчатом валу 21 двигателя, и бесконтактный переключатель 57 на датчике Холла, который неподвижно установлен в картере двигателя и срабатывает при прохождении мимо него магнита к пусковому выключателю. Источником энергии для работы генератора 27 в режиме пускового двигателя служат батареи 59,которые в рассматриваемом варианте установлены внутри корпуса контроллера 61 генератора. Батареи соединены с генератором через пусковой выключатель 62 с нормально разомкнутыми контактами. Батареи служат также источником энергии для генератора 44 ВЧ и для "ионизирующих" газ в рабочей камере двигателя электродов 46-49, напряжение на которые подается через реле 63. Подача на генератор напряжения ВЧ регулируется выключателем 64, а подача питания на катушку реле 65 регулируется этим выключателем и бесконтактным переключателем на датчике Холла, который расположен в электрической схеме между выключателем и катушкой реле. Это реле имеет первую группу контактов 66, которые соединяют конденсатор 52 с источником питания и электродами 47-49, и вторую группу контактов 67, которые соединяют первичную обмотку 68 катушки 51 зажигания с источником питания. Батареи заряжаются током, который вырабатывается в обмотке 54 реактивного генератора. Эта обмотка соединена со входом силового выпрямителя 69, выход которого соединен с батареями. Перед началом работы рабочую камеру через обратный клапан 19 и впускное отверстие 18 заполняют воздухом. Для пуска двигателя требуется замкнуть выключатель 64, подать питание на генератор 44 ВЧ и первичную обмотку катушки 51 зажигания и зарядить конденсатор 52, а также замкнуть пусковой выключатель 62 и подать питание на работающий в режиме пускового двигателя генератор 27. Подаваемая на электрод 43 энергия ВЧ ионизирует находящийся в камере газ и превращает его в плазму. При подъеме поршня находящийся в камере воздух сжимается и нагревается, а при подходе поршня к ВМТ преобразуется в плазму за счет энергии ВЧ, подаваемой на электрод 43. Когда поршень доходит или подходит к ВМТ, переключатель 57 на датчике Холла замыкается, и на катушку 65 реле подается напряжение. При замыкании контактов 66 заряд конденсатора 52 подается на электроды 47-49, а при размыкании контактов 67 ток в первичной обмотке катушки 51 зажигания прерывается, в результате чего между искровым электродом 46 и контактным штырем 53 поршня происходит высоковольтный разряд. При прохождении через ионизированный воздух искрового разряда с электрода 46 и электрического тока с электродов 47-49 воздух "взрывается", и в рабочей камере возникает похожая на разряд молнии ударная волна, которая сопровождается ультрафиолетовым излучением, образованием озона и выделением тепла. Под действием этой волны поршень перемещается вниз и приводит во вращение коленчатый вал 21 двигателя и закрепленный на коленчатом валу аккумулирующий механическую энергию маховик и вырабатывающий электрическую энергию генератор 27.-2 007726 После прохождения поршнем нижней мертвой точки (НМТ), соответствующей максимальному объему камеры, накопивший энергию маховик перемещает поршень в направлении ВМТ. В предлагаемом в изобретении двигателе одно и то же количество находящегося в камере воздуха"взрывается" многократно в течение продолжительного времени, при этом утечка воздуха через поршневые кольца автоматически компенсируется воздухом, попадающим в камеру через обратный клапан. При движении поршня вниз и падении давления в камере ниже уровня, заданного регулировкой пружины 38,шарик 36 отходит от седла и открывает впускное отверстие, через которое в камеру проходит воздух. При движении поршня вверх возрастающее давление в камере прижимает шарик к седлу и герметично закрывает впускное отверстие камеры. В другом варианте, показанном на фиг. 5, предлагается поршневой двигатель 71 с двумя рабочими камерами 72 и 73, расположенными на противоположных концах цилиндра 74. Этот вариант отличается от варианта, показанного на фиг. 1, отсутствием коленчатого вала. Однако по принципу получения энергии этот двигатель не отличается от описанного выше, и поэтому аналогичные элементы обоих двигателей на чертежах обозначены одними и теми же позициями. Наружные концы цилиндров предлагаемого в этом варианте двигателя закрыты торцевыми дисками или головками 16, а объемы двух камер меняются противоположным образом во время возвратно-поступательного перемещения двустороннего поршневого блока 76 внутри цилиндра. Поршневой блок содержит соединенные гильзой 77 спаренные поршни 12 и расположенные между поршнями и внутренней поверхностью цилиндра поршневые уплотнительные кольца 14. В центре поршней расположены контактные штыри 53, а каждая из рабочих камер имеет впускное отверстие 18 и электроды 43, 46-49, предназначенные для ионизации и "зажигания" газа. Аналогично показанному на фиг. 1 варианту поршень 12 и торцевые диски 16 изготавливают из ферромагнитных материалов, а цилиндр 74 - из материалов, не содержащих железа, например, аустенитной нержавеющей стали или покрытого никелем алюминия. Гильзу 77 изготавливают из материалов, не содержащих железа, например, из алюминия. Снаружи вокруг цилиндра расположены обмотки 54, которые вместе с поршнями образуют реактивные генераторы. На гильзе 77 закреплены магниты 56, которые приводят в действие бесконтактные выключатели 57 на датчике Холла, которые расположены снаружи цилиндра 74 и предназначены для определения ВМТ поршней. Закрепленный на гильзе 77 и скользящий по стенке цилиндра заземляющий контакт 78 предназначен для обнуления потенциала поршней и контактных штырей 53. Поршневой блок имеет также относительно большой постоянный магнит 81, который расположен в средней части гильзы 77 между поршнями. Магнитное сцепление магнита 81 с расположенными вне цилиндра обмотками 83 и 84 статора обеспечивается имеющим специальную конструкцию ферромагнитным сердечником 82. Этот сердечник состоит из двух сердечников 86 и 87 С-образной формы, каждый из которых имеет пару сравнительно коротких внутренних плеч 86 а, 87 а, прилегающих к верхней и нижней поверхностям цилиндра 74, и пару наружных плеч 86b, 87b, расположенных на некотором расстоянии сбоку от цилиндра. Концы внутренних плеч, прилегающие к цилиндру, имеют вогнутую поверхность, форма которой соответствует форме выпуклой поверхности наружной стенки цилиндра. На наружные плечи сердечников намотаны обмотки 83 и 84. Для удобства сборки сердечники изготовлены в виде двух секций с разъемом по плоскости 88. Для замыкания магнитной цепи предназначены шихтованные пакеты пластин 89, герметично расположенных в стенке цилиндра и контактирующих с короткими плечами сердечников. В одном из предпочтительных вариантов предлагаются шихтованные пакеты пластин толщиной 0,005 дюйма из кремниевой стали с никелевым покрытием толщиной менее 0,001 дюйма. Обмотки статора можно использовать сначала для пуска двигателя, а затем - в качестве обмоток генератора, который вырабатывает электрический ток при возвратно-поступательном перемещении поршневого блока в цилиндре. В этом варианте за счет герметичности цилиндра проходящий через поршневые кольца газ остается внутри двигателя, а не выходит в атмосферу, как в варианте, показанном на фиг. 1. Двигатель, показанный на фиг. 5, может работать не только на воздухе, но и на инертных газах и кислороде, а также на их смесях. Герметичная конструкция двигателя, предлагаемого в этом варианте, позволяет заполнять его газом реже, чем в первом варианте при отсутствии герметичности двигателя. Впускное отверстие 18 в этом варианте можно закрыть не клапаном 19, показанным на фиг. 7, а заглушкой 91, показанной на фиг. 8. При необходимости для автоматической компенсации утечек газа впускное отверстие можно соединить аналогично показанному на фиг. 1 варианту с источником газа через соответствующий клапан 19. Заглушка 91 имеет корпус (втулку) 92 с отверстием 93, в котором расположена изготовленная из резины пробка 94. Один конец втулки, который имеет меньший диаметр, ввернут во впускное отверстие цилиндра, а на ее другой конец, который имеет больший диаметр, навернута крышка 96, которая удер-3 007726 живает пробку в заглушке. Уплотнение между корпусом заглушки и головкой 16 цилиндра осуществляется прокладкой 97. Работа двигателя, показанного на фиг. 5, по существу не отличается от работы описанного выше двигателя, показанного на фиг. 1. Сначала через впускные отверстия рабочие камеры двигателя заполняют газом, после чего на обмотки 83 и 84 подают напряжение, создающее магнитное поле, под действием которого в цилиндре двигателя происходит возвратно-поступательное перемещение магнита 81 и связанного с ним поршня. При подходе поршня к верхней мертвой точке газ в рабочей камере сжимается,ионизируется и "взрывается", перемещая поршневой блок назад в направлении другого конца цилиндра. При возвратно-поступательном перемещении поршневого блока в зазоре сердечника магнита создается переменный магнитный поток, при взаимодействии которого с обмотками 83 и 84 в них возникает электрический ток. Предлагаемый в настоящем изобретении двигатель обладает целым рядом существенных отличительных особенностей и преимуществ. Двигатель может работать на воздухе, инертном газе и других негорючих газах, которые в результате многократного расширения и сжатия позволяют преобразовывать кинетическую энергию в электрическую и механическую. Двигатель может иметь одну или несколько рабочих камер переменного объема с образованной поршнем подвижной стенкой. После заполнения камер рабочим газом и герметичного перекрытия впускного отверстия предлагаемый в изобретении двигатель может длительное время работать на одном и том же количестве газа,периодически расширяющегося и сжимающегося с частотой 30-60 Гц или более без всякого добавления газа в его рабочие камеры. В одном из вариантов осуществления изобретения предлагается двигатель, который представляет собой герметично закрытую камеру и который поэтому может работать без всяких утечек газа. В двигателе, предлагаемом в другом варианте осуществления изобретения, расположенный во впускном отверстии обратный клапан автоматически открывается и, когда давление в камере падает ниже заранее установленного уровня, пропускает в камеру дополнительное количество газа. Предлагаемый в изобретении герметичный двигатель может успешно работать в космическом пространстве или под водой при отсутствии во внешней среде необходимых для его работы газов. Предлагаемые в настоящем изобретении решения позволяют создать самые разные по конструкции двигатели, которые можно использовать в качестве исключительно компактных источников энергии мощностью от нескольких киловатт до мегаватт в самых разнообразных областях техники. Из приведенного выше описания следует, что в настоящем изобретении предложена новая и более совершенная конструкция двигателя внутреннего взрыва и генератора. Очевидно, что подробно рассмотренные выше варианты осуществления изобретения не исключают возможности внесения в них различных, очевидных для специалистов изменений и усовершенствований, не выходящих за объем изобретения, определяемый его формулой. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Двигатель внутреннего взрыва и генератор, содержащий рабочую камеру, подвижный элемент,образующий одну стенку камеры, которая герметично заполнена определенным количеством воздуха,обратный клапан, сообщающийся с камерой и предназначенный для впуска в нее дополнительного количества воздуха при падении давления в камере ниже заданного уровня, устройство для многократной ионизации и взрыва воздуха, который при взрыве расширяется и перемещает подвижный элемент из положения, соответствующего минимальному объему камеры, в положение, соответствующее ее максимальному объему, устройство для возврата подвижного элемента из положения, соответствующего максимальному объему камеры, в положение, соответствующее ее минимальному объему, и соединенное с подвижным элементом устройство, преобразующее энергию взрыва воздуха в электрическую энергию. 2. Двигатель и генератор по п.1, в котором подвижный элемент представляет собой поршень. 3. Двигатель и генератор по п.2, в котором устройство для возврата подвижного элемента в положение, соответствующее минимальному объему камеры, представляет собой маховик, закрепленный на соединенном с поршнем коленчатом валу. 4. Двигатель и генератор по п.3, в котором устройство для получения электрической энергии представляет собой генератор, соединенный с коленчатым валом. 5. Двигатель и генератор по п.1, в котором устройство для возврата подвижного элемента в положение, соответствующее минимальному объему камеры, содержит вторую рабочую камеру, которая имеет подвижный элемент, связанный с первым подвижным элементом, и которая заполнена определенным количеством воздуха, и устройство для ионизации и взрыва воздуха во второй рабочей камере. 6. Двигатель и генератор по п.1, содержащий герметичный корпус, в котором находится рабочая камера и который препятствует утечке воздуха из камеры. 7. Двигатель и генератор по п.1, в котором подвижный элемент изготовлен из ферромагнитного материала, а устройство для получения электрической энергии содержит индукционную катушку, связанную магнитным полем с подвижным элементом.-4 007726 8. Двигатель и генератор по п.1, в котором устройство для ионизации и взрыва воздуха содержит устройство, предназначенное для подвода энергии ВЧ в камеру, ионизации воздуха и образования плазмы, и устройство для зажигания плазмы. 9. Двигатель и генератор по п.8, содержащий расположенные в камере электроды, предназначенные для нагрева ионизированного воздуха. 10. Двигатель внутреннего взрыва и генератор, содержащий цилиндр, поршень, который имеет возможность перемещения внутри цилиндра и ограничивает рабочую камеру переменного объема, которая герметично заполнена определенным количеством воздуха, устройство, предназначенное для впуска в камеру дополнительного количества воздуха при падении давления в камере ниже заданного уровня,устройство для периодической ионизации и взрыва находящегося в камере воздуха, который при взрыве перемещает поршень из положения, соответствующего минимальному объему камеры, в положение, соответствующее максимальному ее объему, коленчатый вал, который приводится во вращение поршнем,и соединенный с коленчатым валом генератор, предназначенный для получения электрической энергии при перемещении поршня. 11. Двигатель и генератор по п.10, содержащий установленный на коленчатом валу маховик. 12. Двигатель и генератор по п.10, в котором устройство для ионизации и взрыва воздуха содержит устройство, предназначенное для подачи в камеру энергии ВЧ и ионизации воздуха и образования плазмы, и устройство для зажигания плазмы. 13. Двигатель и генератор по п.12, содержащий переключатель с магнитным приводом, срабатывающий, когда поршень находится в положении, соответствующем минимальному объему камеры, или рядом с этим положением, и инициирующий в камере искровой разряд. 14. Двигатель и генератор по п.10, в котором устройство для впуска в камеру атмосферного воздуха представляет собой обратный клапан. 15. Двигатель и генератор по п.12, в котором поршень изготовлен из ферромагнитного материала и связан магнитным полем с обмоткой, расположенной вне цилиндра. 16. Двигатель и генератор по п.12, содержащий устройство, обеспечивающее возможность использования генератора в качестве пускового двигателя для перемещения поршня при пуске двигателя. 17. Газоразрядный двигатель и генератор, содержащий цилиндр, спаренные соединенные друг с другом поршни, перемещающиеся вместе внутри цилиндра и ограничивающие две рабочие камеры переменного объема, которые герметично заполнены определенным количеством негорючего газа, устройство для попеременной ионизации и взрыва в двух камерах негорючего газа, который при взрыве расширяется и перемещает поршень из положения, соответствующего минимальному объему камеры, в положение, соответствующее ее максимальному объему, магнит, перемещающийся вместе с поршнями, и расположенную вне цилиндра рядом с магнитом индукционную обмотку, вырабатывающую электрическую энергию при перемещении поршней. 18. Двигатель и генератор по п.17, в котором в качестве негорючего газа используется воздух,инертный газ или их смесь. 19. Двигатель и генератор по п.17, в котором устройство для ионизации и взрыва газа в каждой из камер содержит устройство, предназначенное для подвода энергии ВЧ в камеру и ионизации воздуха с образованием плазмы, и устройство для зажигания плазмы. 20. Двигатель и генератор по п.19, содержащий предназначенные для зажигания плазмы переключатели, срабатывающие, когда поршни находятся в положении, соответствующем минимальному объему камер, или близком к нему положении. 21. Двигатель и генератор по п.19, содержащий расположенные в камере электроды, предназначенные для нагрева ионизированного газа. 22. Двигатель и генератор по п.17, содержащий сообщающийся с камерой клапан, предназначенный для впуска в камеру дополнительного количества газа. 23. Двигатель и генератор по п.22, в котором клапан выполнен в виде обратного клапана, предназначенного для впуска в камеру дополнительного количества газа при падении давления в камеру ниже заданного уровня.