Первый в мире детонационный ракетный двигатель. Детонационный поршневой двигатель


детонационный двигатель внутреннего сгорания с плавающим поршнем и способ его управления - патент РФ 2344306

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания. Технический результат заключается в повышении эффективности управления процессом воспламенения топливно-воздушной смеси от сжатия, а также в снижении нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма. Согласно изобретению в цилиндре двигателя размещены два поршня одного диаметра, один из которых посредством шатуна связан с коленвалом, а другой выполнен кинематически независимым. Между поршнями образована полость, заполненная маслом, объем которого контролируется посредством клапанов и регулятора давления, обеспечивая тем самым возможность регулирования степени сжатия в двигателе. Управление двигателем осуществляется при помощи электронных средств, определяющих величину степени сжатия, при которой обеспечивается детонационное воспламенение топливно-воздушной смеси в цилиндре двигателя. При этом для определения необходимой степени сжатия ее устанавливают ниже расчетной величины самовоспламенения, воспламеняя топливно-воздушную смесь от свечи искрообразования в начале рабочего хода, после прохождения поршнями верхней мертвой точки. Степень сжатия на работающем двигателе с каждым тактом увеличивают до момента детонационного самовоспламенения смеси в верхней мертвой точке, после чего обеспечивают отключение работы свечи искрообразования. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Рисунки к патенту РФ 2344306

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания.

Сущность изобретения: двигатель содержит цилиндр с размещенными в нем последовательно друг за другом двумя поршнями одного диаметра. Основной поршень связан с шатуном, а плавающий поршень кинематически независимый. Между поршнями через впускной клапан и регулятор давления нагнетается масло. При движении поршней вверх, масло, находящееся в замкнутой полости, образованной стенкой цилиндра и поршнями, воздействует своим объемом на плавающий поршень, который изменяет объем камеры внутреннего сгорания. Процесс управления возгоранием топливно-воздушной смеси от сжатия осуществляется с подачей избыточного объема смеси в цилиндр двигателя, где в головке блока цилиндра установлены датчик давления и электромагнитный обратный клапан, которые через электронный блок управления работы двигателя поддерживают заданную степень сжатия. Определение степени сжатия осуществляется с поступлением в цилиндр топливно-воздушной смеси, но степень сжатия устанавливается ниже расчетной величины, необходимой для воспламенения данного вида топлива. После прохождения верхней мертвой точки, в начале рабочего хода, происходит ее воспламенение от свечи искрообразования. При увеличении степени сжатия на работающем двигателе от свечи искрообразования, происходит воспламенение топливно-воздушной смеси от сжатия в верхней мертвой точке. От датчика давления эти переменные сигналы поступают в электронный блок управления работы двигателя, и происходит отключение работы свечи искрообразования. Эти параметры устанавливаются за эталон степени сжатия.

Аналогом предлагаемого изобретения могут служить известные конструкции, изменяющие объем камеры внутреннего сгорания с использованием масла, которое поступает в подвижные элементы поршня. Недостатком таких конструкций является сложность размещения подводящих и отводящих масленых каналов. За прототип данного изобретения взят двигатель внутреннего сгорания с переменной степенью сжатия (патент SU №1508002 А1, F02B 75 /04), содержащий поршень, образованный корпусом и головкой в виде подвижного стакана, связанными между собой с образованием камеры переменного объема, и систему маслоподачи, представляющую собой последовательно соединенные каналы, выполненные в коленчатом валу, шатуне и подшипниках его верхней и нижней головок, а подшипник нижней головки шатуна содержит уплотнение.

К недостаткам данного технического решения следует отнести сложность конструкции, снижение прочности в кривошипно-шатунном механизме, большую длину масленых каналов, ненадежность уплотнения, ограниченную циркуляцию охлажденного масла.

За прототип данного изобретения управления процессом самовоспламенения топливно-воздушной смеси от сжатия (патент RU №2095597 С1, 6 F02B 75/26,75/04, F02P 15/04) взят регулятор степени сжатия, который выполнен в виде перепускных каналов, сообщенных с цилиндрами, перепускных золотников, установленных с возможностью перекрытия перепускных каналов и штоков, связанных через резьбовые соединения с перепускными золотниками, а через шлицевые соединения - с шестернями корректировки степени сжатия, причем последние входят в зацепление с коронной шестерней, приводимой в действие червячным винтом.

Основной недостаток данного регулятора степени сжатия в том, что при работающем двигателе, чтобы изменить его мощность, необходимо увеличить обороты за счет обогащения качественного состава смеси и синхронно уменьшить степень сжатия. Механическим путем корректировку степени сжатия червячным винтом выполнить невозможно.

Изобретение направлено на повышение эффективности управления процессом воспламенения топливно-воздушной смеси от сжатия, снижение нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма и устранение вышеперечисленных недостатков.

Решение поставленной задачи достигается тем, что предлагаемый двигатель внутреннего сгорания с четырехтактным рабочим циклом имеет: /чертеж/ головку цилиндра-1, цилиндр-2, где располагается основной поршень-3, связанный с шатуном-4, и плавающий поршень-5. На такте впуска, около нижней мертвой точки, при открытии впускного клапана- 6, через подводящий канал-7 и масленый регулятор давления/место установки/-8, между поршнями нагнетается масло. При движении поршней вверх, масло, находящееся в замкнутой полости, образованной стенкой цилиндра и поршнями, воздействует своим объемом на плавающий поршень, который изменяет объем камеры внутреннего сгорания. На такте выпуска около нижней мертвой точки при открытии выпускного клапана-9, через отводящий канал-10, часть масла возвращается с систему. На следующем такте работы двигателя поступившее масло охлаждает поршни и стенку цилиндра. На такте впуска, при движении поршней вниз, между основным и плавающим поршнями образуется разрежение, область пониженного давления Р. Из-за разницы давлений, где P1 - давление над плавающим поршнем, P1-Р=F, возникает движущая сила F, которая перемещает плавающий поршень вниз. На силу F положительно влияет: Р2 - давление от наддува поступающего воздуха и Р 3 - давление от поступающего топлива. На силу F отрицательно влияет трение поршневых колец о стенку цилиндра плавающего поршня. Для увеличения площади соприкосновения с маслом, днище плавающего поршня и головка основного поршня выполнены в форме сферы. Процесс управления возгоранием топливно-воздушной смеси /ТВС/ от сжатия осуществляется с подачей избыточного объема ТВС в цилиндр двигателя, где в головке блока цилиндра устанавливаются датчик давления /место установки/-11 и электромагнитный обратный клапан /место установки/-12. На такте сжатия переменные параметры от датчика давления поступают в электронный блок управления работы двигателя, где обрабатываются и преобразуются в электрический импульс. Длительность этого импульса влияет на время открытия электромагнитного обратного клапана, через который неиспользованная ТВС по трубопроводу возвращается в топливною систему, поддерживая заданную степень сжатия. Двигатель работает следующим образом: для увеличения мощности, необходимо увеличить обороты двигателя. Для этого в цилиндр двигателя подается обогащенная ТВС, за счет увеличения времени открытия топливной форсунки /место установки/-13. Одновременно электронный блок управления работы двигателя, воздействуя на электромагнитный обратный клапан, уменьшает степень сжатия. Управление процессом изменения объема камеры внутреннего сгорания происходит через масленый регулятор давления. Для увеличения объема камеры внутреннего сгорания масленый регулятор давления уменьшает объем подачи масла между поршнями, ТВС поступает в цилиндр в большем объеме, но степень сжатия остается без изменения. Воспламенение ТВС от большой степени сжатия/детонация/ в предлагаемом двигателе, происходит строго в верхней мертвой точке /ВМТ/. Определение степени сжатия воспламенения ТВС любого вида применяемого топлива осуществляется в следующей последовательности: в цилиндр двигателя во время запуска от стартера, поступает ТВС одинакового качественного состава, но степень сжатия устанавливается ниже расчетной величины, необходимой для воспламенения данного вида топлива. После прохождения ВМТ, в начале рабочего хода, чтобы неиспользованная ТВС не поступила в систему выпуска отработанных газов, в головке блока цилиндра устанавливается свеча искрообразования /место установки/-14, которая воспламеняет ТВС. При большой степени сжатия скорость распространения пламени сгорания ТВС в цилиндре достигает значительной величины и поэтому на работу двигателя воспламенение ТВС после ВМТ существенно не повлияет. С каждым тактом, на работающем двигателе от свечи искрообразования, происходит увеличение степени сжатия до момента самовоспламенения ТВС в ВМТ. От датчика давления эти переменные сигналы поступают в электронный блок управления работы двигателя, и происходит отключение работы свечи искрообразования. Эти параметры устанавливаются за эталон степени сжатия режима детонации. При работающем двигателе от свечи искрообразования определение степени сжатия и переход в режим детонации осуществляется с изменением момента зажигания после ВМТ в той же последовательности. На процесс детонации различных видов ТВС влияют несколько факторов: температура, качественный состав ТВС, а также температура в камере сгорания. Для корректировки работы двигателя, при любых климатических условиях и на различных видах применяемого топлива, устанавливаются следующие датчики: температуры и давления, поступающего в цилиндр воздуха и топлива, а также температуры цилиндра и головки цилиндра. Управляемый процесс детонацией заключается в том, что от всех датчиков и регуляторов информация поступает в электронный блок управления двигателя, где обрабатывается и длительностью электрического импульса, поступающего на электромагнитный обратный клапан, поддерживается заданная степень сжатия.

Двигатель отличается тем, что между поршнями нет кинематической связи, способной влиять на изменение объема камеры внутреннего сгорания, это происходит с изменением объема поступающего масла между ними.

Двигатель отличается тем, что имеет подводящий и отводящий каналы с впускным и выпускным клапанами, расположенными по разные стороны от продольной оси цилиндра.

Двигатель отличается тем, что днище плавающего поршня и головка основного поршня выполнены в форме сферы.

Двигатель отличается тем, что при циркуляции масла происходит охлаждение поршней и стенок цилиндра.

Двигатель отличается тем, что при данной смазке стенок цилиндра, значительно уменьшается трение поршневых колец, облегчается запуск двигателя при низких температурах и увеличивается ресурс его работы.

Двигатель отличается тем, что уменьшаются ударные нагрузки на кривошипно-шатунный механизм, снижается шум работы двигателя.

Процесс управления воспламенения ТВС от сжатия отличается тем, что в головку блока цилиндра устанавливаются датчик давления и электромагнитный обратный клапан, которые через электронный блок управления работы двигателя поддерживают заданную степень сжатия.

Определение степени сжатия отличается тем, что воспламенение топливно-воздушной смеси происходит от свечи искрообразования после прохождения верхней мертвой точки, с последующим ее отключением при воспламенении в режиме детонации в верхней мертвой точке.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Двигатель, содержащий цилиндр с размещенными в нем последовательно друг за другом двумя поршнями, отличающийся тем, что они одного диаметра, где основной поршень связан с шатуном, а плавающий поршень кинематически независимый, и между поршнями через впускной клапан и регулятор давления нагнетается масло, которое, находясь в замкнутой полости, образованной стенкой цилиндра и поршнями, воздействует своим объемом на плавающий поршень, изменяя объем камеры внутреннего сгорания, а при открытии выпускного клапана происходит циркуляция масла.

2. Процесс управления воспламенением топливно-воздушной смеси от сжатия осуществляется с подачей избыточного объема смеси в цилиндр двигателя, отличающийся тем, что в головке блока цилиндра устанавливаются датчик давления и электромагнитный обратный клапан, которые через электронный блок управления работы двигателя поддерживают заданную степень сжатия, а определение степени сжатия момента детонации осуществляется с поступлением в цилиндр двигателя топливно-воздушной смеси одинакового качественного состава, но степень сжатия устанавливается ниже расчетной величины воспламенения, где после прохождения верхней мертвой точки, в начале рабочего хода, воспламеняется от свечи искрообразования, а с каждым тактом на работающем двигателе увеличивается степень сжатия до момента детонации смеси в верхней мертвой точке и происходит отключение работы свечи искрообразования.

www.freepatent.ru

Первый в мире детонационный ракетный двигатель

Что на самом деле стоит за сообщениями о первом в мире детонационном ракетном двигателе, испытанном в России

В конце августа 2016 года мировые информационные агентства облетела новость: на одном из стендов НПО «Энергомаш» в подмосковных Химках заработал первый в мире полноразмерный жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) с использованием детонационного горения топлива. К этому событию отечественная наука и техника шла 70 лет. Идея детонационного двигателя была предложена советским физиком Я. Б. Зельдовичем в статье «Об энергетическом использовании детонационного сгорания», опубликованной в «Журнале технической физики» еще в 1940 году. С тех пор во всем мире шли исследования и эксперименты по практической реализации перспективной технологии. В этой гонке умов вперед вырывались то Германия, то США, то СССР. И вот важный приоритет в мировой истории техники закрепила за собой Россия. В последние годы чем-то подобным нашей стране удается похвастать не часто.

На гребне волны

В чем же состоят преимущества детонационного двигателя? В традиционных ЖРД, как, впрочем, и в обычных поршневых или турбореактивных авиадвигателях, используется энергия, которая выделяется при сжигании топлива. В камере сгорания ЖРД при этом образуется стационарный фронт пламени, горение в котором происходит при неизменном давлении. Этот процесс обычного горения называется дефлаграцией. В результате взаимодействия горючего и окислителя температура газовой смеси резко возрастает и из сопла вырывается огненный столб продуктов сгорания, которые и образуют реактивную тягу.

Детонация — это тоже горение, но происходит оно в 100 раз быстрее, чем при обычном сжигании топлива. Этот процесс идет так быстро, что детонацию часто путают со взрывом, тем более что при этом выделяется столько энергии, что, к примеру, автомобильный мотор при возникновении этого явления в его цилиндрах и в самом деле может разрушиться. Однако детонация — это не взрыв, а вид горения столь стремительного, что продукты реакции даже не успевают расшириться, поэтому этот процесс, в отличие от дефлаграции, идет при постоянном объеме и резко возрастающем давлении.

На практике это выглядит следующим образом: вместо стационарного фронта пламени в топливной смеси внутри камеры сгорания формируется детонационная волна, которая движется со сверхзвуковой скоростью. В этой волне сжатия и происходит детонация смеси горючего и окислителя, а это процесс с термодинамической точки зрения куда более эффективный, чем обычное сжигание топлива. КПД детонационного сгорания на 25–30% больше, то есть при сжигании одинакового количества топлива получается больше тяги, а благодаря компактности зоны горения детонационный двигатель по мощности, снимаемой с единицы объема, теоретически на порядок превосходит обычные ЖРД.

Уже одного этого оказалось достаточно, чтобы привлечь самое пристальное внимание специалистов к этой идее. Ведь тот застой, который сейчас возник в развитии мировой космонавтики, на полвека застрявшей на околоземной орбите, в первую очередь связан с кризисом ракетного двигателестроения. В кризисе, кстати, находится и авиация, не способная перешагнуть порог трех скоростей звука. Этот кризис можно сравнить с ситуацией в поршневой авиации в конце 1930-х годов. Винт и двигатель внутреннего сгорания исчерпали свой потенциал, и только появление реактивных двигателей позволило выйти на качественно новый уровень высот, скоростей и дальности полетов.

Конструкции классических ЖРД за последние десятилетия были вылизаны до совершенства и практически подошли к пределу своих возможностей. Увеличить их удельные характеристики в будущем возможно лишь в очень незначительных пределах — на считаные проценты. Поэтому мировая космонавтика вынуждена идти по экстенсивному пути развития: для пилотируемых полетов на Луну приходится строить гигантские ракеты-носители, а это очень сложно и безумно дорого, во всяком случае для России. Попытка преодолеть кризис с помощью ядерных двигателей наткнулась на экологические проблемы. Появление детонационных ЖРД, быть может, и рано сравнивать с переходом авиации на реактивную тягу, но ускорить процесс освоения космоса они вполне способны. Тем более что у этого типа реактивных двигателей есть еще одно очень важное преимущество.

ГРЭС в миниатюре

Обычный ЖРД — это, в принципе, большая горелка. Для увеличения его тяги и удельных характеристик нужно поднимать давление в камере сгорания. При этом топливо, которое впрыскивается в камеру через форсунки, должно подаваться при большем давлении, чем реализуется в процессе сгорания, иначе струя топлива просто не сможет проникнуть в камеру. Поэтому самым сложным и дорогим агрегатом в ЖРД является вовсе не камера с соплом, которое у всех на виду, а топливный турбонасосный агрегат (ТНА), спрятанный в недрах ракеты среди хитросплетения трубопроводов.

К примеру, у самого мощного в мире ЖРД РД-170, созданного для первой ступени советской сверхтяжелой ракеты-носителя «Энергия» тем же НПО «Энергия», давление в камере сгорания составляет 250 атмосфер. Это очень много. Но давление на выходе из кислородного насоса, качающего окислитель в камеру сгорания, достигает величины 600 атм. Для привода этого насоса используется турбина мощностью 189 МВт! Только представьте себе это: колесо турбины диаметром 0,4 м развивает мощность, в четыре раза большую, чем атомный ледокол «Арктика» с двумя ядерными реакторами! При этом ТНА — это сложное механическое устройство, вал которого совершает 230 оборотов в секунду, а работать ему приходится в среде жидкого кислорода, где малейшая не искра даже, а песчинка в трубопроводе приводит к взрыву. Технологии создания такого ТНА и есть главное ноу-хау «Энергомаша», обладание которым позволяет российской компании и сегодня продавать свои двигатели для установки на американских ракетах-носителях Atlas V и Antares. Альтернативы российским двигателям в США пока нет.

Для детонационного двигателя такие сложности не нужны, поскольку давление для более эффективного сгорания обеспечивает сама детонация, которая и представляет собой бегущую в топливной смеси волну сжатия. При детонации давление увеличивается в 18–20 раз без всякого ТНА.

Чтобы получить в камере сгорания детонационного двигателя условия, эквивалентные, к примеру, условиям в камере сгорания ЖРД американского «Шаттла» (200 атм), достаточно подавать топливо под давлением… 10 атм. Агрегат, необходимый для этого, по сравнению с ТНА классического ЖРД — все равно что велосипедный насос рядом Саяно-Шушенской ГРЭС.

То есть детонационный двигатель будет не только мощнее и экономичнее обычного ЖРД, но и на порядок проще и дешевле. Так почему же эта простота в течение 70 лет не давалась в руки конструкторам?

Пульс прогресса

Главная проблема, которая встала перед инженерами, — как совладать с детонационной волной. Дело ведь не только в том, чтобы сделать двигатель прочнее, чтобы он выдержал повышенные нагрузки. Детонация — это не просто взрывная волна, а кое-что похитрее. Взрывная волна распространяется со скоростью звука, а детонационная со сверхзвуковой скоростью — до 2500 м/с. Она не образует стабильного фронта пламени, поэтому работа такого двигателя носит пульсирующий характер: после каждой детонации необходимо обновить топливную смесь, после чего запустить в ней новую волну.

Попытки создать пульсирующий реактивный двигатель предпринимались задолго до идеи с детонацией. Именно в применении пульсирующих реактивных двигателей пытались найти альтернативу поршневым моторам в 1930-е годы. Привлекала опять же простота: в отличие от авиационной турбины для пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (ПуВРД) не нужны были ни вращающийся со скоростью 40 000 оборотов в минуту компрессор для нагнетания воздуха в ненасытное чрево камеры сгорания, ни работающая при температуре газа свыше 1000˚С турбина. В ПуВРД давление в камере сгорания создавали пульсации в горении топлива.

Первые патенты на пульсирующий воздушно-реактивный двигатель были получены независимо друг от друга в 1865 году Шарлем де Луврье (Франция) и в 1867 году Николаем Афанасьевичем Телешовым (Россия). Первую работоспособную конструкцию ПуВРД запатентовал в 1906 году русский инженер В.В. Караводин, годом позже построивший модельную установку. Установка Караводина вследствие ряда недостатков не нашла применения на практике. Первым ПуВРД, работавшим на реальном летательном аппарате, стал немецкий Argus As 014, основанный на патенте 1931 года мюнхенского изобретателя Пауля Шмидта. Argus создавался для «оружия возмездия» — крылатой бомбы «Фау-1». Аналогичную разработку создал в 1942 году советский конструктор Владимир Челомей для первой советской крылатой ракеты 10Х.

Конечно, эти двигатели еще не были детонационными, поскольку в них использовались пульсации обычного горения. Частота этих пульсаций была невелика, что порождало характерный пулеметный звук при работе. Удельные характеристики ПуВРД из-за прерывистого режима работы в среднем были невысоки и после того, как конструкторы к концу 1940-х годов справились со сложностями создания компрессоров, насосов и турбин, турбореактивные двигатели и ЖРД стали королями неба, а ПуВРД остались на периферии технического прогресса.

Любопытно, что первые ПуВРД немецкие и советские конструкторы создали независимо друг от друга. Кстати, и идея детонационного двигателя в 1940 году пришла в голову не одному только Зельдовичу. Одновременно с ним те же мысли высказали Фон Нейман (США) и Вернер Деринг (Германия), так что в международной науке модель использования детонационного горения назвали ZND.

Идея объединить ПуВРД с детонационным горением была очень заманчивой. Но фронт обычного пламени распространяется со скоростью 60–100 м/с и частота его пульсаций в ПуВРД не превышает 250 в секунду. А детонационный фронт движется со скоростью 1500‒2500 м/с, таким образом частота пульсаций должна составлять тысячи в секунду. Реализовать такую скорость обновления смеси и инициации детонации на практике было затруднительно.

Тем не менее попытки создания работоспособных пульсирующих детонационных двигателей продолжались. Работа специалистов ВВС США в этом направлении увенчалась созданием двигателя-демонстратора, который 31 января 2008 года впервые поднялся в небо на экспериментальном самолете Long-EZ. В историческом полете двигатель проработал… 10 секунд на высоте 30 метров. Тем не менее приоритет в данном случае остался за Соединенными Штатами, а самолет по праву занял место в Национальном музее ВВС США.

Между тем уже давно была придумана другая, гораздо более перспективная схема детонационного двигателя.

Как белка в колесе

Мысль закольцевать детонационную волну и заставить ее бегать в камере сгорания как белка в колесе родилась у ученых в начале 1960-х годов. Явление спиновой (вращающейся) детонации теоретически предсказал советский физик из Новосибирска Б. В. Войцеховский в 1960 году. Почти одновременно с ним, в 1961 году, ту же идею высказал американец Дж. Николлс из Мичиганского университета.

Ротационный, или спиновый, детонационный двигатель конструктивно представляет собой кольцевую камеру сгорания, топливо в которую подается с помощью радиально расположенных форсунок. Детонационная волна внутри камеры движется не в осевом направлении, как в ПуВРД, а по кругу, сжимая и выжигая топливную смесь перед собой и в конце концов выталкивая продукты сгорания из сопла точно так же, как винт мясорубки выталкивает наружу фарш. Вместо частоты пульсаций мы получаем частоту вращения детонационной волны, которая может достигать нескольких тысяч в секунду, то есть практически двигатель работает не как пульсирующий, а как обычный ЖРД со стационарным горением, но куда более эффективно, поскольку на самом деле в нем происходит детонация топливной смеси.

В СССР, как и в США, работы над ротационным детонационным двигателем шли с начала 1960-х годов, но опять же при кажущейся простоте идеи ее реализация потребовала решения головоломных теоретических вопросов. Как организовать процесс так, чтобы волна не затухала? Необходимо было понимание сложнейших физико-химических процессов, происходящих в газовой среде. Тут расчет велся уже не на молекулярном, а на атомарном уровне, на стыке химии и квантовой физики. Процессы эти более сложны, чем те, что происходят при генерации луча лазера. Именно поэтому лазер уже давно работает, а детонационный двигатель — нет. Для понимания этих процессов потребовалось создать новую фундаментальную науку — физико-химическую кинетику, которой 50 лет назад еще не существовало. А для практического расчета условий, при которых детонационная волна не будет затухать, а станет самоподдерживающейся, потребовались мощные ЭВМ, появившиеся лишь в последние годы. Вот какой фундамент необходимо было положить в основание практических успехов по укрощению детонации.

Активные работы в этом направлении ведутся в Соединенных Штатах. Этими исследованиями занимаются Pratt & Whitney, General Electric, NASA. К примеру, в научно-исследовательской лаборатории ВМФ США разрабатываются спиновые детонационные газотурбинные установки для флота. В ВМФ США используется 430 газотурбинных установок на 129 кораблях, в год они потребляют топлива на три миллиарда долларов. Внедрение более экономных детонационных газотурбинных двигателей (ГТД) позволит сберечь гигантские средства.

В России над детонационными двигателями работали и продолжают работать десятки НИИ и КБ. В их числе и НПО «Энергомаш» — ведущая двигателестроительная компания российской космической промышленности, со многим предприятиями которой сотрудничает банк ВТБ. Разработка детонационного ЖРД велась не один год, но для того чтобы вершина айсберга этой работы засверкала под солнцем в виде успешного испытания, потребовалось организационное и финансовое участие небезызвестного Фонда перспективных исследований (ФПИ). Именно ФПИ выделил необходимые средства для создания в 2014 году специализированной лаборатории «Детонационные ЖРД». Ведь несмотря на 70 лет исследований, эта технология до сих пор остается в России «слишком перспективной», чтобы ее финансировали заказчики вроде Министерства обороны, которым нужен, как правило, гарантированный практический результат. А до него еще очень далеко.

Укрощение строптивой

Хочется верить, что после всего сказанного выше становится понятна та титаническая работа, которая проглядывает между строк краткого сообщения об испытаниях, прошедших на «Энергомаше» в Химках в июле — августе 2016 года: «Впервые в мире был зарегистрирован установившийся режим непрерывной спиновой детонации поперечных детонационных волн частотой около 20 кГц (частота вращения волны — 8 тысяч оборотов в секунду) на топливной паре „кислород — керосин“. Удалось добиться получения нескольких детонационных волн, уравновешивавших вибрационные и ударные нагрузки друг друга. Специально разработанные в центре имени М. В. Келдыша теплозащитные покрытия помогли справиться с высокими температурными нагрузками. Двигатель выдержал несколько пусков в условиях экстремальных вибронагрузок и сверхвысоких температур при отсутствии охлаждения пристеночного слоя. Особую роль в этом успехе сыграло создание математических моделей и топливных форсунок, позволявших получать смесь необходимой для возникновения детонации консистенции».

Разумеется, не стоит преувеличивать значение достигнутого успеха. Создан лишь двигатель-демонстратор, который проработал относительно недолго, и о его реальных характеристиках ничего не сообщается. По информации НПО «Энергомаш», детонационный ЖРД позволит поднять тягу на 10% при сжигании того же количества топлива, что и в обычном двигателе, а удельный импульс тяги должен увеличиться на 10–15%.

Но главный результат состоит в том, что практически подтверждена возможность организации детонационного горения в ЖРД. Однако путь до использования этой технологии в составе реальных летательных аппаратов предстоит еще долгий. Другой важный аспект заключается в том, что еще один мировой приоритет в области высоких технологий отныне закреплен за нашей страной: впервые в мире полноразмерный детонационный ЖРД заработал именно в России, и этот факт останется в истории науки и техники.

Другие статьи:

nlo-mir.ru

Кратко к вопросу о детонационых двигателях

В связи с непонятками у народа по детонационным двигателям, решил малость поумничать простым языком, чисто от себя и даже без ссылок на авторитеты.

Детонационными называются двигатели в штатном режиме которых используются детонационное сгорание топлива. Сам двигатель может быть (теоретически) любым , — двс, реактивным, да хоть паровым. Теоретически. Однако, до настоящего времени все известные коммерчески приемлемые двигатели таких режимов сгорания топлива, в простонародье именуемого «взрывом», не использовали в силу их … м-м-м…. коммерческой неприемлемости..

Что дает применение детонационного сгорания в двигателях? Сильно упрощая и обобщая, примерно следующее:

1.Замена обычного горения детонационным за счет особенностей газодинамики фронта ударной волны, увеличивает теоретическую предельно достижимую полноту сгорания смеси, что позволяет повысить КПД двигателя, и снизить расход, примерно на 5-20%. Это актуально для всех типов двигателей, как ДВС, так и реактивных.

2. Скорость сгорания порции топливной смеси увеличивается примерно в 10-100 раз, значит теоретически можно для ДВС увеличить литровую мощность (или удельную тягу на килограмм массы для реактивных двигателей) примерно в такое же количество раз. Этот фактор актуален тоже для всех типов двигателей.

3. Фактор актуальный только для реактивных двигателей всех типов: так как процессы горения идут в камере сгорания на сверхзвуковых скоростях,  а температуры и давления в камере сгорания возрастают в разы, то появляется отличная теоретическая возможность многократно увеличить и скорость истечения реактивной струи из сопла. Что в свою очередь ведет к пропорциональному росту тяги, удельного импульса, экономичности, и/или снижению массы двигателя и требуемого топлива.

Все эти три фактора очень важны, но носят не революционный, а так сказать эволюционный характер. Революционным является четвертый и пятый фактор, и относится он только к  реактивным двигателям:

4. Только применение детонационных технологий позволяет создать прямоточный (а значит, — на атмосферном окислителе!) универсальный реактивный двигатель приемлемой массы, размеров и тяги, для практического и широкомасштабной освоения диапазона до-, сверх-, и гиперзвуковых скоростей 0-20Мах.

5.Только детонационные технологии позволяют выжать из химических ракетных двигателей (на паре топливо-окислитель) скоростные параметры требуемые для их широкого применения в межпланетных перелетах.

П.4 и 5. теоретически открывают нам а) дешевую дорогу в ближний космос, и б)дорогу к пилотируемым пускам к ближайшим планетам, без необходимости делать монструозные сверхтяжелые ракетоносители массой over3500tonnes.

Недостатки детонационных двигателей вытекают из их достоинств:

1. Скорость горения настолько высока, что чаще всего эти двигатели удается заставить работают лишь циклически: впуск-горение-выпуск. Что как минимум втрое снижает максимально достижимую литровую мощность и/или тягу, иногда лишая смысла саму затею.

2. Температуры,  давления, и скорости их нарастания в камере сгорания детонационных двигателей таковы, что  исключают прямое применение большинства известных нам материалов. Все они слишком слабы для построения простого, дешевого и эффективного двигателя. Требуется либо целое семейство принципиально новых материалов, либо применение пока неотработанных конструкторских ухищрений. Материалов у нас нет, а усложнение конструкции опять таки часто лишает смысла всю затею.

Однако есть область в которой без детонационных двигателей не обойтись. Это экономически оправданнй атмосферный гиперзвук с диапазоном скоростей 2-20 Max.  Поэтому битва идет по трем направлениям:

1. Создание схемы двигателя с непрерывной детонацией в камере сгорания. Что требует суперкомпьютеров и нетривиальных теоретических подходов для расчета их гемодинамики. В этой области проклятые ватники как всегда вырвались вперед, и впервые в мире теоретически показали, что непрерывная делегация вообще возможна. Изобретение, открытие, патент, — все дела. И приступили к изготовлению практической конструкции из ржавых труб и керосина.

2. Создание конструктивных решений делающих возможными применение классических материалов. Проклятие ватники с пьяными медведями и тут первыми придумали и сделали лабораторный многокамерный двигатель, который уже работает сколь угодно долго. Тяга как у двигателя Су27, а вес такой, что его в руках держит 1 (один!) дедушка. Но так как водка была паленая, то двигатель получился пока пульсирующий. Зато, сволочь работает настолько чисто, что его можно включать даже на кухне (где ватники его собственно и запилили в промежутках между водкой и балалайкой)

3. Создание суперматериалов для будущих двигателей. Эта область наиболее тугая и наиболее секретная. Об прорывах  в ней информации я не имею.

Исходя из вышеозвученного рассмотрим перспективы детонационного, поршневого ДВС. Как известно, нарастание давления в камере сгорания классических размеров, при детонации в ДВС происходит быстрее скорости звука. Оставаясь в том же конструктиве, не существует способа заставить механический поршень, да ещё со значительными связанными массами, двигаться в цилиндре с примерно такими же скоростями. ГРМ классической компоновки тоже не может работать на таких скоростях. Поэтому прямая переделка классического ДВС на детонационный с практической точки зрения безсмысленна. Нужно заново разработать двигатель. Но как только мы этим начинаем заниматься, то оказывается что поршень в этой конструкции просто лишняя деталь. Поэтому ИМХО, поршневой детонационный ДВС это анахронизм

russianpulse.ru

ДВУХТАКТНЫЙ ДЕТОНАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям внутреннего сгорания с компрессионным или детонационным воспламенением рабочей смеси.

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с камерой сжатия, поршень, сжимающий горючую смесь, и шатун. При этом шатун состоит из нескольких частей, одна из которых связана с коленвалом, а другая - поршневым пальцем с поршнем. Причем между днищем поршня и коленвалом расположены упругие элементы, представляющие собой пружину, зажатую между частями шатуна. Шатун двигателя также включает в себя часть с направляющими и полостью. При этом части шатуна стянуты проходящей внутри пружины шпилькой и фиксируются относительно друг друга от разворота этой же пружиной. Один конец шпильки закреплен наглухо в части шатуна, связанной с коленвалом. Другой конец шпильки введен в часть шатуна с направляющими и полостью, скользит по ее направляющим и удерживается в ней свободно проходящей в ее полости гайкой. Часть шатуна с направляющими и полостью укреплена в части шатуна, связанной поршневым пальцем с поршнем. Горючая смесь сжимается поршнем вблизи ВМТ до давления, вызывающего детонацию, и часть энергии детонирующего газа преобразуется в потенциальную энергию сжатия пружины, а затем - в кинетическую энергию вращения коленвала в фазе рабочего хода поршня. В исходном положении усилие сжатия пружины частями шатуна, стянутыми шпилькой с гайкой на конце, не меньше максимального усилия сжатия горючей смеси поршнем перед моментом детонации газа (см. патент РФ №2239707, кл. F02B 1/12, F02B 75/32, F02B 75/04, F02D 15/00, заявлено 08.04.2002, опубликовано 10.11.2004).

Недостатком двигателя внутреннего сгорания по патенту РФ №2239707 является то, что для создания требуемого усилия сжатия, пружина должна иметь достаточно большие габариты и вес и его размещение между поршнем и коленвалом приводит к увеличению в несколько раз массы деталей поршневой группы и соответственно инерционных сил, которые снижают ресурс, возрастают механические потери, увеличиваются габариты и вес двигателя. Кроме того, момент возврата частей шатуна в исходное положение в фазе рабочего хода сопровождается возникновением ударной нагрузки воспринимаемой гайкой и шпилькой, что резко уменьшает их ресурс и надежность работы.

Известен также двигатель внутреннего сгорания содержащий корпус, шарнир неравных угловых скоростей, наклонный вал, механизм регулирования рабочего объема, по меньшей мере два цилиндра, поршни, размещенные в цилиндрах и шарнирно связанные с головками шатунов, а другие головки шатунов шарнирно связаны с крестовиной шарнира неравных угловых скоростей, в корпусе размещены цилиндры и установлен изогнутый вал с противовесом, связанный с наклонным валом, на изогнутом вале установлен маховик, связанный с наклонным валом внешним зубчатым зацеплением, а на корпусе установлены колеса, связанные с шипами крестовины (см. патент РФ №2187665, кл. F02B 3/06, F02B 75/26, заявлено 29.12.1999, опубликовано 20.08.2002).

Недостатком двигателя внутреннего сгорания по патенту РФ №2187665 является то, что он не приспособлен для организации работы с компрессионным самовоспламенением рабочей смеси, а также снижение ресурса из-за больших удельных давлений в зубчатых зацеплениях и на кромках опор наклонного вала.

Данное техническое решение принято за прототип. Задача, решаемая изобретением, заключается в создании надежного, компактного и экономичного двигателя внутреннего сгорания.

Технический результат при использовании данного изобретения состоит в возможности организации устойчивой работы с компрессионным самовоспламенением рабочей смеси при сохранении простоты и надежности конструкции, увеличении ресурса двигателя из-за уменьшения скорости и давления в трущихся парах.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус, по меньшей мере два цилиндра, изогнутый вал, шарнир неравных угловых скоростей, наклонный вал, поршни, размещенные в цилиндрах, и шарнирно связанные с головками шатунов, а другие головки шатунов шарнирно связаны с крестовиной шарнира неравных угловых скоростей, согласно изобретению колено изогнутого вала, выполненное в виде косого стакана, установлено на нем с помощью подвижного шлицевого соединения, косой стакан и связанный с ним наклонный вал имеют рабочие поверхности по обе стороны от оси качания крестовины. Связь наклонного вала с косым стаканом и крестовиной шарнира неравных угловых скоростей осуществлена посредством самоустанавливающихся вкладыш. Оппозитно и в противофазе имеющимся поршням, шатунам, крестовине шарнира неравных угловых скоростей, наклонному валу, косому стакану установлены такие же и связанные между собой таким же образом соответственно поршни, шатуны, крестовина шарнира неравных угловых скоростей, наклонный вал и косой стакан. Содержит механизм ограничения давления в камерах сгорания и устройство регулирования степени сжатия. В качестве нагнетателя использованы подпоршневые полости, в которых выполнены окна, а на изогнутом вале выполнены паз и кольцевая выточка. Впускные окна выполнены в два ряда в каждом цилиндре и соответственно раздельно связаны с подпоршневыми полостями этого цилиндра посредством трактов, причем впускные окна, связанные с трактом, в который подают топливо, расположены последними от ВМТ и выполнены с наклоном, а двигатель имеет прямоточно-щелевую продувку.

Согласно изобретению механизм ограничения давления в камерах сгорания содержит подвижные кольца, установленные в корпусе с помощью направляющих пальцев и соответственно шарнирно связанные с крестовинами шарниров неравных угловых скоростей, упругие элементы в виде пружин или пневматических шин прижимают подвижные кольца в сторону камеры сгорания, причем усилие сжатия упругих элементов не меньше усилия сжатия рабочей смеси в момент ее самовоспламенения в конце сжатия и предусмотрена возможность регулирования усилия сжатия упругих элементов. Устройство регулирования степени сжатия включает в себя механизм ограничения давления в камерах сгорания и дополнительно содержит гидроцилиндры установленные в корпусе, поршни которых взаимодействуют с подвижными кольцами, полости гидроцилиндров связаны между собой и с полостью регулирующего гидроцилиндра, которые образуют замкнутый объем заполненный жидкостью и предусмотрена возможность автоматического регулирования степени сжатия за счет температурного расширения или сжатия жидкости, винт установлен в корпусе регулирующего гидроцилиндра и взаимодействует одним концом с поршнем регулирующего гидроцилиндра, а другим концом связан с исполнительным устройством и предусмотрена возможность управляемого регулирования степени сжатия.

Согласно изобретению при турбинно-поршневом исполнении двигателя механизм ограничения давления в камерах сгорания выполнен в виде самодействующих выпускных клапанов, причем усилие сжатия пружин самодействующих выпускных клапанов не меньше усилия сжатия рабочей смеси в момент ее самовоспламенения в конце сжатия и предусмотрена возможность регулирования усилия их сжатия. Устройство регулирования степени сжатия содержит подвижное кольцо, установленное в корпусе с помощью направляющих пальцев и шарнирно связанное с крестовиной шарнира неравных угловых скоростей, упругий элемент в виде пружин прижимает подвижное кольцо в сторону камеры сгорания, причем усилие сжатия упругого элемента больше усилия сжатия пружин самодействующих выпускных клапанов, гидроцилиндры установлены в корпусе, поршни гидроцилиндров взаимодействуют с подвижным кольцом, полости гидроцилиндров связаны между собой и с полостью регулирующего гидроцилиндра, которые образуют замкнутый объем заполненный жидкостью и предусмотрена возможность автоматического регулирования степени сжатия за счет температурного расширения или сжатия жидкости, винт установлен в корпусе регулирующего гидроцилиндра и взаимодействует одним концом с поршнем регулирующего гидроцилиндра, а другим концом связан с исполнительным устройством и предусмотрена возможность управляемого регулирования степени сжатия. Выпускные тракты самодействующих выпускных клапанов выполнены в виде соплового аппарата, компрессорная турбина жестко связана с изогнутым валом, а тяговая турбина установлена на нем, с помощью подшипников.

Также согласно изобретению при четырехцилиндровом исполнении двигателя камеры сгорания соседних цилиндров, с однонаправленным движением поршней, соединены между собой каналом.

Изобретение иллюстрировано:

Фиг.1 - вид А-А фиг.2, продольный разрез четырехцилиндрового двухтактного детонационного двигателя.

Фиг.2 - вид Б-Б фиг.1, поперечный разрез.

Фиг.3 - разрез В-В фиг.2.

Фиг.4 - турбинно-поршневой вариант четырехцилиндрового двухтактного детонационного двигателя, продольный разрез, совмещенный с видом.

Выполнение колена изогнутого вала в виде косого стакана, установленного на нем с помощью подвижного шлицевого соединения и расположение рабочих поверхностей косого стакана и связанного с ним наклонного вала по обе стороны от оси качания наклонного вала позволяет исключить осевые силы на наклонном и изогнутом валах и соответственно упростить конструкцию их опор и увеличить ресурс.

Использование для связи наклонного вала с косым стаканом и крестовиной самоустанавливающихся вкладыш позволяет исключить возникновение больших удельных давлений на кромках опор наклонного вала и, как следствие, повысить их ресурс.

Установка оппозитно и в противофазе имеющимся поршням, шатунам, крестовине шарнира неравных угловых скоростей, наклонному валу, косому стакану, таких же и связанных между собой таким же образом соответственно поршней, шатунов, крестовины шарнира неравных угловых скоростей, наклонного вала и косого стакана позволяет уменьшить угол наклона колена изогнутого вала, соответственно уменьшить скорость поршней и, как следствие, повысить ресурс цилиндропоршневой группы. Кроме того, такое конструктивное исполнение позволяет полностью уравновесить двигатель без использования дополнительных устройств в виде зубчатых колес.

Механизм ограничения давления в камерах сгорания позволяет без потерь преобразовать энергию сгорания рабочей смеси в полезную работу, а также увеличить ресурс двигателя.

Устройство регулирования степени сжатия позволяет обеспечить надежное самовоспламенение рабочей смеси в конце сжатия на всех режимах работы двигателя, в том числе и при пуске, и, как следствие, организовать устойчивую работу с компрессионным самовоспламенением рабочей смеси.

Использование подпоршневых полостей в качестве нагнетателя позволяет задействовать картерное пространство для системы смазки и тем самым увеличить ресурс двигателя, а выполнение паза и кольцевой выточки на изогнутом вале позволяет использовать золотниковую систему, что упрощает систему впуска в подпоршневую полость.

Выполнение впускных окон в два ряда в каждом цилиндре и соответственно раздельная их связь с подпоршневыми полостями этого цилиндра посредством трактов, а также расположение впускных окон связанных с трактом, в который подают топливо, последними от ВМТ и выполнение их с наклоном позволяет осуществлять продувку цилиндров без потерь рабочей смеси через выпускные окна и получать качественное смесеобразование внутри цилиндров и тем самым повысить экономичность двигателя.

При турбинно-поршневом исполнении двигателя выполнение выпускных трактов самодействующих выпускных клапанов, в виде соплового аппарата, жесткая связь компрессорной турбины с изогнутым валом и установка на нем, с помощью подшипников, тяговой турбины позволяет увеличить крутящий момент двигателя, вследствие чего на транспортных средствах отпадает необходимость применения коробки переключения передач, либо уменьшить число ее ступеней.

Возможность регулирования в механизме ограничения давления в камерах сгорания усилия сжатия упругих элементов или пружин самодействующих выпускных клапанов позволяет использовать различные виды топлива.

Изображенный на фиг.1-3 четырехцилиндровый двухтактный детонационный двигатель содержит корпус 1 с установленным на нем в подшипниках 2 изогнутым валом 3, колено которого выполнено в виде косого стакана 4 установленного на нем с помощью шлицев 5. Косой стакан 4 и связанный с ним наклонный вал 6 имеют рабочие поверхности по обе стороны от оси качания 7 крестовины 8. Самоустанавливающиеся вкладыши 9 связывают наклонный вал 6 с косым стаканом 4 и крестовиной 8. Цилиндры 10 размещены в корпусе 1, поршни 11 размещены в цилиндрах 10 и шарнирно связаны с головками шатунов 12, которые в свою очередь другими головками шарнирно связаны с крестовиной 8 шарнира неравных угловых скоростей. Оппозитно и в противофазе имеющимся поршням 11, шатунам 12, крестовине 8, наклонному валу 6, косому стакану 4, установлены такие же и связанные между собой таким же образом соответственно поршни 13, шатуны 14, крестовина 15, наклонный вал 16 и косой стакан 17. Подвижные кольца 18 установлены с возможностью перемещения на направляющих пальцах 19 и соответственно шарнирно связаны с крестовинами 8 и 15. Пружины 20 прижимают подвижные кольца 18 в сторону камеры сгорания. Гидроцилиндры 22 установлены в корпусе 1. Поршни 23 гидроцилиндров 22 взаимодействуют с подвижными кольцами 18, рабочие полости гидроцилиндров 22 связаны между собой и с полостью регулирующего гидроцилиндра 24. Винт 25 установлен в корпусе регулирующего гидроцилиндра 24 и взаимодействует одним концом с поршнем 26 регулирующего гидроцилиндра 24, а другим концом связан с исполнительным устройством 27. В подпоршневых полостях выполнены окна 28, а на изогнутовам вале 3 выполнены паз 29 и круговая выточка 30, напротив которых в корпусе выполнены впускные тракты 31. Рабочие полости соседних цилиндров, с однонаправленным движением поршней 11 или 13, соединены между собой каналом 32. Каждый из цилиндров 10 имеет выпускные окна 33 и два ряда впускных окон 34, которые раздельно связаны с подпоршневыми полостями посредством трактов 35.

Показанный на фиг.1-3 четырехцилиндровый двухтактный детонационный двигатель работает следующим образом: при вращении изогнутого вала 3 и косых стаканов 4 и 17, соответственно наклонные валы 6 и 16 совершает прецессию, а крестовины 8 и 15 совершают качательное движение, обеспечивая через шатуны 12 и 14 возвратно-поступательное движение поршней 11 и 13 в противофазе друг к другу. Возникающие при этом силы инерции полностью уравновешивают друг друга. При движении поршней 11 и 13 в сторону ВМТ, паз 29 изогнутого вала 3 открывает окна 28 и воздух через впускные тракты 31 поступает в подпоршневые полости, при этом в тракт 35, связанный с впускными окнами 34 последнего от ВМТ ряда, впрыскивают топливо. В это время в рабочих полостях цилиндров 10 происходит процесс сжатия рабочей смеси. В конце процесса сжатия происходит компрессионное самовоспламенение рабочей смеси, при этом поршни 11 и 13, шатуны 12 и 14, крестовины 8 и 15, наклонные валы 6 и 16, косые стаканы 4 и 17 и подвижные кольца 18 смещаются в сторону НМТ (далее смещение подвижных колец 18) и сжимают пружины 20. Величина смещения подвижных колец 18 зависит от степени расширения рабочего тела при сгорании и кинематического хода поршней 11 и 13. К примеру, в предлагаемом изобретении с рабочим объемом как у двигателя ВА3-2111, величина смещения подвижных колец 18 на номинальном режиме, по предварительным расчетам, составляет около 1 мм. В фазе рабочего хода энергия сжатия пружин 20 возвращается рабочему телу и происходит смещение подвижных колец 18 в исходное положение. Момент контакта подвижных колец 18 с поршнями 23 гидроцилиндров 22 сопровождается возникновением ударных нагрузок, которые демпфируются за счет некоторого сжимания жидкости в гидроцилиндрах 22. Для надежной работы двигателя начальная степень сжатия подбирается таким образом, чтобы самовоспламенение рабочей смеси происходило до прихода поршней 11 и 13 в ВМТ. Для этого усилие сжатия пружин 20 несколько больше усилия сжатия рабочей смеси необходимого для ее компрессионного самовоспламенения в конце сжатия. При движении поршней 11 и 13 в сторону НМТ, в фазе рабочего хода, происходит сжатие воздуха в подпоршневых полостях. После некоторого открытия выпускных окон 33 начинают открываться впускные окна 34 первого ряда, через которые в цилиндры 10 поступает продувочный воздух и начинается прямоточно-щелевая продувка. При открывании впускных окон 34 второго ряда, выполненных с наклоном, в цилиндры 10 поступает смесь воздуха с топливом, которая завихряется и интенсивно смешивается с продувочным воздухом образуя рабочую смесь. Такая двухступенчатая схема продувки -сначала воздухом, а после рабочей смесью, позволяет исключить потери рабой смеси в процессе продувки. Текущее значение степени сжатия зависит от температурного состояния двигателя. При уменьшении температуры двигателя, жидкость в гидроцилиндрах 22 сжимается и ее объем уменьшается, вследствие чего, пружины 20 смещают подвижные кольца 18 с поршнями 23 гидроцилиндров 22 в сторону ВМТ и степень сжатия увеличивается. При увеличении температуры двигателя жидкость в гидроцилиндрах 22 расширяется и ее объем увеличивается, вследствие чего, поршни 23 гидроцилиндров 22 смещают подвижные кольца 18 в сторону НМТ сжимая при этом пружины 20, соответственно степень сжатия уменьшается. Таким образом, происходит автоматическое регулирование степени сжатия в зависимости от температурного состояния двигателя, что особенно важно при пуске двигателя в условиях низких температур. Исполнительное устройство 27 обеспечивает, посредством поворота винта 25 в ту или другую сторону, определенное положение поршня 26 в регулирующем гидроцилиндре 24, преимущественно в зависимости от вида используемого топлива, может также использоваться зависимость и от других параметров (скоростного режима, нагрузки и др.) При перемещении поршня 26 в сторону исполнительного устройства 27, объем жидкости в гидроцилиндрах 22 уменьшается и соответственно степень сжатия увеличивается, при обратном движении поршня 26 степень сжатия уменьшается. Изменение положения поршня 26 может проводиться и в автономном режиме.

Изображенный на фиг.4 турбинно-поршневой вариант четырехцилиндрового двухтактного детонационного двигателя содержит самодействующие выпускные клапаны 36 с пружинами 37. Выпускной тракт самодействующих выпускных клапанов 36 выполнен в виде соплового аппарата 38. Компрессорная турбина 39 жестко связана с изогнутым валом 3, а тяговая турбина 40 установлена на нем с помощью подшипников 41. Этот двигатель содержит такое же устройство регулирования степени сжатия, что и двигатель, показанный на фиг.1-3, с той разницей, что содержит только одно подвижное кольцо 18 с упругим элементом в виде пружин 20, а гироцилиндры 22 односторонние.

Показанный на фиг.4 двигатель работает следующим образом: в конце процесса сжатия происходит компрессионное самовоспламенение рабочей смеси, при этом открываются самодействующие выпускные клапаны 36 и расширяющиеся газы устремляются с большой скоростью в сопловый аппарат 38 и воздействуют сначала на лопатки компрессорной турбины 39, обеспечивая вращение жестко связанного с ним изогнутого вала 3, а после на лопатки тяговой турбины 40 приводя ее во вращение. Для надежной работы двигателя начальная степень сжатия подбирается таким образом, чтобы самовоспламенение рабочей смеси происходило до прихода поршней 11 и 13 в ВМТ, а усилие сжатия пружин 37 было несколько больше усилия сжатия рабочей смеси необходимого для ее компрессионного самовоспламенения в конце сжатия. По мере снижения давления в камере сгорания самодействующие выпускные клапаны 36 закрываются под действием их пружин 37. Смещение подвижного кольца 18 в процессе сгорания не происходит, поскольку удельное усилие сжатия пружин 20 больше усилия сжатия пружин 37. Впуск воздуха в подпоршневые полости и продувка цилиндров 10, а также регулирование степени сжатия осуществляется как в двигателе показанном на фиг.1-3.

edrid.ru

Детонационный двигатель внутреннего сгорания

 

Использование: силовые установки автомобилей. Сущность изобретения: двигатель содержит по меньшей мере блок спаренных цилиндров с разделительными поршнями, образующими газовые полости с камерами сгорания и гидравлические полости, сообщенные между собой и с гидротурбиной при помощи магистралей рабочей жидкости. Камеры сгорания цилиндров двигателя снабжены детонаторами, инициирующими детонацию горючей смеси, воздействующую направленными ударными волнами на поршни, передающие мощность детонации гидротурбине посредством рабочей жидкости. 1 ил.

Изобретение относится к автомобильному транспорту и предназначено для использования в качестве силовой установки автомобилей.

Известны двигатели внутреннего сгорания с гидравлической передачей, содержащие по меньшей мере две пары цилиндров, в которых размещены поршни, разделяющие внутренний объем цилиндров на камеры сгорания и подпоршневые полости, сообщенные между собой при помощи кольцевой гидромагистрали, например, авт.свид. N 672362, 1979 г. Повышение качественных характеристик этого двигателя сводится к обеспечению устойчивой работы на заданном режиме и повышению экономичности на переменных нагрузках путем взаимосвязанного изменения фаз газораспределения и топливоподачи, что малоэффективно, так как качественные характеристики двигателей внутреннего сгорания зависят от увеличения степени сжатия горючей смеси, ограничиваемой антидетонационной стойкостью применяемого топлива. Задача изобретения создание двигателя с высокими качественными характеристиками за счет применения детонационного горения. Скорость детонации углеводородных топлив достигает 3000 м/с и не зависит от начального давления, в результате высокой скорости выделения энергии при детонации развивается большая мощность с высоким КПД. Поставленная задача достигается тем, что детонационный двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере блок спаренных цилиндров с разделительными поршнями, образующими газовые полости с камерами сгорания, сообщенные между собой и гидротурбиной при помощи магистралей рабочей жидкости, камеры сгорания цилиндров двигателя снабжены детонаторами, инициирующими детонацию горючей смеси в камерах сгорания, воздействующую направленными ударными волнами на поршни, передающие мощность детонации гидротурбине, посредством рабочей жидкости. Детонатор по виду воздействия может быть любой конструкции: электроразрядный, газодинамический, химический. На чертеже представлен газодинамический детонатор, разработанный в 40-х годах Институтом химической физики АН СССР, под названием "Устройство, основанное на предварительном получении детонационной волны в трубе малого сечения, с последующим выпуском ее в объем любой формы". Он представляет собой короткий отрезок трубы малого сечения, со сплошной по длине внутренней резьбовой нарезкой, с электросвечой зажигания на периферийном конце трубы. На чертеже представлена конструктивная схема детонационного двигателя внутреннего сгорания, содержащего количество цилиндров, кратное двум: 1 цилиндр, 2 форсунка, 3 детонатор, 4 продувочные окна, 5 выхлопные окна, 6 поршень, 7 сопло, 8 рабочая жидкость, 9 гидротурбина. Работа двигателя по двухтактному циклу начинается включением зажигания, в нижний цилиндр подается порция сжатого воздуха, воздействующего на поршень, который посредством рабочей жидкости 8 приводит в движение поршень 6, перекрывающий продувочные 4 и выхлопные 5 окна, создающий в цилиндре 1 воздушную подушку, куда через форсунку 2 вспрыскивается топливо, создавая заряд горючей смеси, возникающая при воспламенении в детонаторе детонационная волна инициирует детонацию всего заряда, возникающая при детонации ударная волна направленным действием на поршень передает мощность детонации рабочей жидкости 8, преобразованной соплом 7 в скоростной напор, приводящий в действие гидротурбину 9. Завершая рабочий ход, поршень 6 открывает продувочные 4 и выхлопные окна 5, продукты детонации через выхлопные окна 5 удаляются из цилиндра 1 воздухом, поступающим через продувочные окна 4, отработавшая в гидроцилиндре 9 рабочая жидкость 8 поступает в нижний цилиндр, создавая своим воздействием на поршень воздушную подушку, и весь процесс повторяется.

Формула изобретения

Детонационный двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере блок спаренных цилиндров с разделительными поршнями, образующими газовые полости с камерами сгорания и гидравлические полости, сообщенные между собой и с гидротурбиной при помощи магистралей рабочей жидкости, отличающийся тем, что камеры сгорания цилиндров двигателя снабжены детонаторами.

РИСУНКИ

Рисунок 1

www.findpatent.ru

Двигатель прогресса - Детонационно паровой двигатель

   Вопреки расхожему высказыванию в котором говорится, что реклама двигатель прогресса двигателем прогресса является сам двигатель. С внедрением самого примитивного парового двигателя человечество ощутило мощный толчок во всех сверах деятельности но в тоже время люди столкнулись с обратной стороной медали двигателей, загрязнение окружающей среды, войны за нефть, зависимость от топлива и т.д..   Далее я выставляю несколько статей в которых показаны недостатки ДВС и каким я вижу близкий к идеальному двигатель, а также опишу этот двигатель и покажу рабочий процесс в аннимации.АНИМАЦИЯ ДПДhttp://gamalij-v.livejournal.com/4264.htmlПредварительно нужно сказать, что процес горения топлива может происходить в обычном виде, так как и происходит в камерах сгорания двигателей, и в детонационном режиме. То же самое топливо в тех же количествах при детонации создаёт температуру и давление намного превышающую температуру и давление чем  при  обычном его сгорании. Так же есть ещё один важный аспект - пар. Вода при изменении своего агрегатного состояния в пар гораздо более эфективнее от жидкого или газообразного топлива. Теперь я совмещу все эти взаимоисключающие и противоречивые процессы в одном агрегате и применю механизм превращения возвратно поступательного движения во вращательное обходясь без КШМ.   Что даст применение такого двигателя на практике? Самое важное это уменьшение потребления топлива - в разы. При этом мощность двигателя увеличится, исключатся вредные выбросы в атмосферу, уменьшится его металоемкость вместе с упрощением конструкции. Этот двигатель не требует охлаждения, а наоборот теплоизолируется. Так же данный двигатель имеет большое плечо крутящего момента, что даёт возможность исключить из транспортных средств коробку передач, а при использовании этого двигателя для получения энергии и одновременного отопления полезного пространства его КПД будет приближатся к 100%   На узлы, механизмы  и сам двигатель поданы заявки на получения патентов и на некоторые из них патенты уже получены.   С уважением Гамалий В.Ф.  ( gamalij.v@yandex.ua )Четырёхцилиндровый ДПД с шестерне реечным механизмом преобразования движенияhttp://gamalij-v.livejournal.com/#asset-gamalij_v-2331

Поршневой детонационно паровой двигатель без КШМ

В статье показана работа ДПД на примере одного цилиндра.http://gamalij-v.livejournal.com/2115.html

КПД и топливная эффективность 1

Общий КПД двигателя будет состоять из 3 основных частей:1 - топливная эффективность;2 - термический КПД;3 - механический КПД;   - плюс топливная эффективность –................http://gamalij-v.livejournal.com/788.html

КПД и топливная эффективность 2

Повышение КПД использую детонациюhttp://gamalij-v.livejournal.com/1733.html

Ревизия и инвентаризация потерь в поршневом ДВСhttp://gamalij-v.livejournal.com/1159.html

Двигатель с высоким КПД

Теперь сформулируем условия, которые выдвигает научный подход, для того чтобы создать двигатель с высоким КПД:http://gamalij-v.livejournal.com/1366.html

Использование сил детонации в работе совершенного поршневого двигателяСоздание детонационного двигателя.http://gamalij-v.livejournal.com/1845.html

ПС   В похожем направлении работают многие передовые производители двигателей в мире. В ближайшем географическом пространстве разработкой ДД занимается И.Исаев. Этот уважаемый человек пытается сделать роторный детонационный двигатель, в чем пожелаем ему успехов. С его сайта я взял структурированый материал, который по сути мне был известен но уже сформатированый и мне осталось только немного откоректировать его исходя из своего технического задания.  Вот его сайт : http://www.rotor-motor.ru/index.htm ( роторный двигатель)  Заочно выражаю благодарность И.Исаеву за проделаную им работу.

gamalij-v.livejournal.com

Возможен ли детонационный двигатель? | Англер

Процесс детонации в двигателях автомобилей и двигателях иной техники мы привыкли упоминать лишь в негативном смысле. Дребезжащий металлический стук в двигателе, особенно при использовании низкокачественного бензина, который чреват неминуемой скорой поломкой двигателя – всё это и связывается с очень неприятным словом «детонация». Особенно склонны к детонации мощные спортивные двигатели, или подвергнутые тюнингу с целью повышения мощности серийные двигатели, для которых во избежание последней приходится применять специальные и очень дорогие типы бензинов с высоким октановым числом – до 120 единиц.Но существует возможность, при которой использование процесса детонации бензино-воздушной смеси, может привести к созданию невероятно эффективного двигателя внутреннего сгорания. Причем таких показателей невозможно будет добиться никаким супер — тюнингом или форсированием стандартного «поршневика». И детонация из врага двигателя превратиться в крепкого помощника и надежного союзника.

* * *Но вначале коротко рассмотрим, что же такое процесс детонации. Итак, сжатая рабочая бензино — воздушная смесь может сгорать в двух режимах, которые отличаются интенсивностью горения и скоростью этого процесса:А) нормальное горение — фронт горения имеет скорость 20-30 м/сек.;Б) взрывное (детонационное) сгорание — скорость около 2000 м/сек.;При этом температура газов горения резко повышается — до 3500 — 4000 градусов Цельсия, против 2500 при обычной медленной форме горения.

Детонационное сгорание называется так потому, что его характер резко отличается от процесса нормального, медленного и постепенного горения рабочей смеси. В нормальном процессе горения фронт пламени от искры свечи – распространяется по увеличивающемуся кругу последовательно и поступательно от этого центра поджига.

Детонационный двигатель

В процессе же детонации первоначальное горение от искры свечи, быстро переходит в объемный взрыв по всей толще сжатой рабочей смеси. При сгорании первой порции рабочей смеси – слоя вокруг искры свечи — сразу резко поднимается давление и температура в областях камеры сгорания еще не подверженных горению. Если углеводороды несгоревшей части топлива обладают недостаточной стойкостью к окислению присутствующим в рабочей смеси кислородом воздуха, начинается интенсивное разложение очень сильно сжатых паров бензина на так называемые перекиси (накапливание перекисных соединений), а затем их взрывной распад.При высокой концентрации перекисных соединений происходит объемный взрыв, за счет их мгновенного самовоспламенения по всей толще этого объема. Самовоспламенение части рабочей смеси перед фронтом пламени приводит к взрывному горению оставшейся части топлива по всей его толще, к так называемому детонационному сгоранию.

Экспериментальным путем установлено, что при степени сжатия в 8,5 крат, когда давление сжатой Рабочей Смеси достигает 18-20 атмосфер, при использовании 92 бензина, детонационно сгоранет от 3 до 5% паров топлива. Что считается предельно приемлемым показателем. При достижении давлений сжатия в 34 атмосфер (степерь сжатия 22-23), то Рабочая Смесь с парами 92 бензина будет на 100% сгорать в режиме детонации — объемного взрыва.

Во время детонации в сильно сжатой и перегретой рабочей смеси происходят сложные процессы, во время которых происходят различные химические превращения углеводородов топлива в более простые элементы с выделением молекул свободного кислорода и образуются разные виды чередующегося пламени. (Соколик А.С., Сгорание в транспортных поршневых двигателях. Изд. АН СССР, 1951, стр. 37.) Именно наблюдение таких процессов в случае детонации рождают мнения специалистов, которые указывают, что КПД перевода потенциальной энергии химических связей во внутреннюю энергию температуры горячих газов и потенциальную энергию высокого давления при детонационном горении (взрыве) – гораздо выше, чем при нормальном (медленном) горении. Т.е. взрывное (детонационное) горение дает ЗАМЕТНО БОЛЬШЕ ЭНЕРГИИ тепла и давления горячих газов, чем медленное горение.

В стандартных поршневых двигателях ударные волны повышенного давления детонации «сбивают» пленку масла со стенок цилиндра (поршень начинает «драть» по цилиндру), повышают температуру двигателя и приводят к его перегреву, приводят к повышенной нагрузке на шарнирные сочленения кривошипно – шатунного механизма (КШМ) двигателя и пр. В некоторых случаях давление взрывным образом нарастает еще до минования поршнем ВМТ, а это приводит к резкой потере мощности и огромным перегрузкам на весь КШМ, так как первый импульс давления рабочих газов начинает крутить коленвал «в обратную сторону» купить стационарный бетононасос. Поэтому поршневые двигатели быстро выходят из строя и разрушаются от титанических сил детонационных процессов. Особенно это видно на примере «пережатых» моторов, которые были подвергнуты тюнингу под спортивные задачи, например — в стандартном двигателе при тюнинге была критически повышена степень сжатия для достижения высоких мощностных показателей в соревнованиях по стрит-рейсингу.Так же повышенная температура — до 4000 градусов- приводит к быстрому прогоранию поршней и потере упругих свойств поршневых колец, а так же быстрому обугливанию масла на стенках цилиндра.

Детонационный двигатель

Если бы удалось использовать могучую энергию и высокий КПД детонационного режима сгорания топлива, то появился бы двигатель внутреннего сгорания, который бы значительно превысил нынешний уровень КПД современных поршневых двигателей, а удельная мощность (отношение веса двигателя к его мощности) в два раза бы превзошла современных лидеров этого показателя – газовые турбины с их 6 кВт на 1 кг веса. Если немного удариться в технологические фантазии, то можно было бы представить автомобильный или подвесной лодочный двигатель, который бы при весе в 12-15 килограммов имел мощность в 150 кВт (почти 200 л.с.) и расходовал 1,5 – 2 литра низкооктанового бензина на 100 км. Т.е расход топлива такого двигателя составлял бы 60-80 граммов топлива в час на одну лошадиную силу. При том, что сейчас в лучших по экономичности дизелях расход состаялет 160-170 граммов.

Однако детонационное сгорание на нынешнем уровне развития техники в области двигателестроения не применяется ввиду несовершенства конструкции всех нынешних типов ДВС. Ни наиболее распространенные поршневые двигатели, даже в варианте их тюнинга или в спортивных версиях, ни циклоидные двигатели Ванкеля (роторные с планетарным вращением ротора), ни газовые турбины не могут использовать этот сверхмощный и сверхэффективный процесс.

Единственный тип техники, который применяет и с пользой эксплуатирует такой принцип — это строительные машины типа «копр» (машина для забивания свай: «дизель-молот»). В копрах энергия мощного взрыва рабочей смеси (из-за огромного сжатия от сильнейшего удара двухтонным молотом) подбрасывает на десяток метров обратно вверх этот тяжелый рабочий молот весом в две тонны. И еще энергия взрыва вполне эффективно применяется во всех типах стрелкового и артиллерийского вооружения. Вполне склонен к мгновенным взрывам на принципе детонации дымный порох, что и используется в военном деле последние 600 лет.

Детонация ДВС

Но вот все существующие сегодня разновидности двигателей внутреннего сгорания не приспособлены для применения детонационного типа сгорания и использования огромных энергий этого процесса. И это не удивительно, ведь поршневая расширительная машина перешла в ДВС-ы «по наследству» от паровых двигателей, где взрывные процессы в рабочем пространстве пары «поршень – цилиндр» были невозможны в принципе и не рассматривались как возможный рабочий процесс вообще.

Вот поэтому в современных поршневых двигателях с их кривошипно-шатунными механизмами, да и в газовых турбинах, с их открытыми практически свободно в атмосферу камерами сгорания, использовать энергию детонационного взрыва невозможно.

www.angleriks.ru