Двухтактный детонационный двигатель. Поршневой детонационный двигатель


Двухтактный детонационный двигатель

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) с компрессионным или детонационным воспламенением рабочей смеси. Двухтактный детонационный двигатель содержит корпус (1), по меньшей мере два цилиндра (10), изогнутый вал (3), шарнир неравных угловых скоростей, наклонный вал (6), поршни (11), размещенные в цилиндрах (10), и шарнирно связанные с головками шатунов (12). Другие головки шатунов (12) шарнирно связаны с крестовиной (8) шарнира неравных угловых скоростей. Колено изогнутого вала (3) выполнено в виде косого стакана (4), установлено на нем с помощью подвижного шлицевого соединения. Косой стакан (4) и связанный с ним наклонный вал (6) имеют рабочие поверхности по обе стороны от оси качания крестовины (8) шарнира неравных угловых скоростей. Связь наклонного вала (6) с косым стаканом (4) и крестовиной (8) шарнира неравных угловых скоростей осуществлена посредством самоустанавливающихся вкладышей. 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 (13), шатуны (14), крестовина (15) шарнира неравных угловых скоростей, наклонный вал (16) и косой стакан (17). Двигатель содержит механизм ограничения давления в камерах сгорания и устройство регулирования степени сжатия. В качестве нагнетателя использованы подпоршневые полости, в которых выполнены окна. На изогнутом вале (3) 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. Впускные окна, связанные с трактом, в который подает топливо, расположены последними от верхней мертвой точке (ВМТ) и выполнены с наклоном. Двигатель имеет прямоточно-щелевую продувку. Технический результат заключается в увеличении ресурса двигателя из-за уменьшения скорости и давления в трущихся парах. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

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.

1. Двухтактный детонационный двигатель, содержащий 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, отличающийся тем, что 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 шарнира неравных угловых скоростей, причем связь наклонного вала с косым стаканом и крестовиной шарнира неравных угловых скоростей осуществлена посредством самоустанавливающихся вкладышей, а 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, на изогнутом вале выполнены паз и кольцевая выточка, а 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.

2. Двухтактный детонационный двигатель по п.1, отличающийся тем, что 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 необходимого для компрессионного 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.

3. Двухтактный детонационный двигатель по п.1, отличающийся тем, что 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, необходимого для ее компрессионного 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, подвижное кольцо прижато в сторону камеры сгорания упругим элементом в виде пружин, 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, а 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.

4. Двухтактный детонационный двигатель по п.2 или 3, отличающийся тем, что при четырехцилиндровом исполнении двигателя камеры сгорания соседних цилиндров, с однонаправленным движением поршней, соединены между собой каналом.

www.findpatent.ru

Не имеющий аналогов в мире российский детонационный двигатель

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?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

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.

nauka-novosti.ru

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». 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 профессиональные семена.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

Использование сил детонации в работе совершенного поршневого двигателя

Создание детонационного двигателя.

Процесс детонации при горении Рабочей Смеси в двигателях автомобилей и двигателях всякой другой силовой техники все специалисты упоминают лишь в негативном смысле. Стрекочущий металлический стук в двигателе, особенно при использовании плохого бензина с малым октановым числом, который предваряет грядущую вскоре поломку двигателя и надвигающийся капремонт мотора – всё это и ассоциируется с весьма негативным термином «детонация». Наиболее подвержены детонации сверх форсированные 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.Однако есть возможность, при которой использование процесса детонации бензино-воздушной смеси, может привести к конструированию предельно эффективного двигателя внутреннего сгорания. Причем подобной сверх эффективности нельзя будет добиться никаким супер - тюнингом или форсированием традиционного поршневого двигателя. И детонация из врага двигателя превратиться в крепкого помощника и надежного союзника, который будет трудиться на благо мотору.Прежде всего разберемся - а что такое по своей сути есть процесс детонации. В двигателе сжатая топливо - воздушная смесь имеет возможность сгорать в двух режимах, которые отличаются интенсивностью горения и скоростью этого процесса:

А) нормальное горение - фронт горения имеет скорость 20-40 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 обычном медленном типе горения.Детонационное сгорание (или просто - детонация) 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.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 из паров 92 бензина с воздухом будет на 100% сгорать детонационно - в режиме 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.Вот как процессы взрывного горения описываются в диссертации Головастова С. В. "Управление процессами воспламенения и детонации в газовых средах" на соискание звания кандидата физико-математических наук . [Место защиты: Объединенный институт высоких температур РАН].- Москва, 2008.: "При детонации газов термодинамическая эффективность сжигания заметно повышается, так как степень сжатия увеличивается в 20-30 раз, а время выделения энергии составляет 10'6-10"5 микросекунд. Преимущества детонационного сжигания топлива подробно описаны в [3]. Помимо термодинамической эффективности сжигания продукты детонации имеют еще и значительную кинетическую энергию, что дополнительно увеличивает полную эффективность сжигания".В обычных 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». 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.

gamalij-v.livejournal.com

Камера пульсирующего двигателя детонационного горения

Изобретение относится к области авиастроения и может быть использовано при проектировании летательных аппаратов различного назначения, в двигателестроении самолетов. Камера пульсирующего двигателя детонационного горения включает корпус, воздухозаборник окружающего воздуха, устройства для инжекции окислителя и горючего в камеру, устройство инициирования детонационного горения. Тяговая стенка у камеры выполнена подвижной в виде поршня предварительного сжатия окружающего воздуха. В камере имеется перепускной канал для подачи сжатого воздуха в детонационную секцию камеры и пружинный толкатель обратного хода поршня. Воздухозаборник имеет канал в компрессорной секции камеры, сообщающий ее с атмосферой. Изобретение обеспечивает использование пульсирующих двигателей детонационного горения на режимах с низкими скоростями полета летательных аппаратов. 2 ил.

 

Изобретение относится к области авиационной техники и может быть использовано при проектировании летательных аппаратов (ЛА) различного назначения с пульсирующими двигателями детонационного горения (ПДДГ).

Известные камеры ПДДГ включают в себя детонационную трубу (камеру сгорания) с соплом, открытую с одного или двух торцов канала трубы, и снабженную инжекторами для горючего и окислителя, инициирующим устройством [1, 2]. Для повышения эффективности их работы в составе силовых установок с ПДДГ дополнительно применяются устройства (один или группа компрессоров) для подачи предварительно сжатого воздуха, используемого в качестве окислителя, что приводит к увеличению весогабаритных характеристик ЛА [3]. Известно, что устройство камеры по патенту №2034996, требующее для своего функционирования выполнение ряда условий, в частности, подачи на вход сжатого воздуха с начальным давлением Р0>2 кг/см2 на всех режимах от старта до полета ЛА с максимальной скоростью, накладывает ограничение на использование ПДДГ. Известна камера сгорания с воздухозаборным устройством, включающим дозвуковые диффузоры, при этом ПДДГ выполняет вспомогательную функцию создания тяги в ограниченном диапазоне скоростей полета ЛА с числом маха (М) в интервале 2<М<3 и не работает на остальных режимах полета, являясь при этом дополнительным грузом (патент 2130407). Известна камера ПДДГ по патенту 2059852 с воздухозаборником, состоящим из конической поверхности, переходящей в цилиндрическую, для увеличения подачи воздуха, что обеспечивает только дополнительный разгон и крейсерский режим при сверхзвуковых скоростях полета ЛА (М=3,5-4).

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности (достигаемой цели и эффекту действия) и совокупности признаков (прототипом) является патент 2078969, в котором камера ПДДГ имеет плоскую форму тяговой (передней) стенки, переходящую в цилиндрическую форму, а противоположный (задний) торец камеры открыт и снабжен соплом типа сопла ракетного двигателя. Воздухозаборник (струйный ускоритель воздушного потока) выполнен в виде осесимметричного канала и заканчивается сверхзвуковым соплом, переходящим в полость камеры и соединяющим ее с источником воздуха, что позволяет достичь сверхзвуковой скорости подачи воздуха. Для работы камеры в этих условиях скорость воздушного потока на входе в нее должна быть достаточной для равномерного заполнения объема детонационной секции камеры, при этом поступление сверхзвукового потока воздуха через проточный канал входного устройства воздухозаборника обеспечивается после набора скорости полета ЛА в диапазоне чисел Маха М=2-4. Недостатком камеры прототипа является обеспечение работы ПДДГ только на гиперзвуковых скоростях полета ЛА и не использование ее на участках взлета, разгона, торможения и посадки.

Целью изобретения является расширение диапазона работы камеры ПДДГ на малых скоростях полета ЛА, когда не обеспечивается необходимое давление воздуха на входе камеры от дополнительного воздухозаборного устройства за счет введения компрессорной секции (предкамеры сжатого воздуха).

Заявленное изобретение направлено на улучшение характеристик ПДДГ за счет изменения конструкции его камеры, которая имеет в компрессорной секции воздухозаборник (в виде створки, окна, отверстия, пазов в боковой поверхности) для забора (ввода) окружающего воздуха и тяговую стенку в виде подвижного поршня для предварительного сжатия зашедшего туда окружающего воздуха и подачи его через перепускной канал в детонационную секцию.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, состоит в повышении эффективности использования ПДДГ при низких скоростях полета ЛА. Указанный технический результат достигается усовершенствованием системы подачи воздуха в рабочий объем камеры ПДДГ и тем, что тяговая стенка закрытого торца детонационной секции камеры представляет собой подвижный поршень, который сжимает зашедший через воздузаборник окружающий воздух до давления 5 кг/см2 и обеспечивает его подачу в детонационную секцию камеры через перепускной канал. В предлагаемом устройстве компрессорная секция предназначена для предварительного сжатия затекающего воздуха, а детонационная секция - для сгорания горючего.

Устройство включает находящийся в корпусе камеры цилиндр с подвижно установленным в нем поршнем, рабочая (тяговая) поверхность которого ограничивает объем детонационной секции камеры, а компрессорная поверхность поршня - объем компрессорной секции камеры, при этом секции камеры сообщаются между собой посредством перепускного канала. Наличие перепускного канала позволяет периодически соединять объем детонационной секции для сгорания топлива с источником окислителя - компрессорной секции для сжатия воздуха.

Таким образом, камера выполнена с поршневой тяговой стенкой, а в стенках камеры выполнено отверстие для прохода воздуха, сообщающее камеру с атмосферой. Для возвращения поршня используется пружинный толкатель, размещенный на торце компрессорной секции камеры.

Предложенное изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 схематично представлена реализация устройства, состоящего из корпуса 1, поршня 2, воздухозаборника 3, пружинного толкателя 4, компрессорной секции 5, перепускного канала 6, перепускных отверстий 7, детонационной секции 8, сопла 9, а на фиг.2 изображена циклограмма работы устройства.

В целях наглядности представленных чертежей устройство для инжекции горючего, а также инициирования детонационного горения в секции сгорания не изображены. Способы выполнения и рациональные варианты конструктивного исполнения таких устройств известны и могут быть. использованы в данном случае. Камера ПДДГ условно показана цилиндрической, представляющей канал круглого поперечного сечения, имеющего воздухозаборник и сопло.

В омываемом снаружи потоком воздуха в стенке камеры показан воздузаборник, который может быть закрытым снаружи подвижным элементом и открывается при включении ПДДГ.

Работа камеры происходит следующим образом.

1. При запуске ПДДГ (первый такт на циклограмме работы, фиг.2) в компрессорную секцию 5 через воздухозаборник 3 поступает окружающий воздух, а в детонационной секции 8 создается давление от сжигания горючего, при этом поршень 2 начинает двигаться в сторону компрессорной секции камеры 5.

2. На втором такте работы стенки цилиндрического поршня 2 перекрывают отверстие воздухозаборника 3 и происходит сжатие воздуха до давления 5 кг/см2 в компрессорной секции камеры 5.

3. На третьем такте работы происходит подача сжатого воздуха в детонационную секцию камеры 8 при совмещении отверстий перепускного канала 6 с перепускными отверстиями 7 поршня 2, имеющих больший диаметр по сравнению с диаметром отверстий перепускного канала. При этом пружинный толкатель 4 начинает сжиматься, накапливая потенциальную энергию для обеспечения обратного хода поршня 2.

4. На четвертом такте работы поршень 2 возвращается в исходное положение под действием пружинного толкателя 4 и осуществляется впрыск горючего и инициирование детонационного горения. Происходит резкое повышение температуры, давления и выделение большого количества тепла, что приводит к детонационному (сверхзвуковому) горению продуктов горючего в среде воздуха. Продукты сгорания истекают через сопло и их давление создает импульс тяги двигателя.

После этого цикл работы камеры повторяются.

Проведенные расчеты показали, что предложенное конструктивное решение позволяет обеспечить окислителем (воздухом) процесс детонационного горения при режимах полета ЛА с числом 0<М<2, а отверстие воздухозаборника в омываемой снаружи потоком воздуха стенке камеры обеспечивает дополнительный приток воздуха в камеру ПДДГ. На малых скоростях (переходных режимах), когда нельзя обеспечить необходимое давление воздуха от набегающего потока на входе в ПДДГ, оно создается за счет сжатия воздуха в компрессорной секции.

Использование предложенного устройства приводит к следующему:

1. Дополнительно подается в составе заборного воздуха кислород окружающей среды, который является окислителем для продуктов сгорания, что приводит к интенсивному протеканию химических реакций с большим выделением тепла.

2. Обеспечиваются более благоприятные условия для возникновения детонационного горения и сверхзвукового истечения продуктов сгорания.

3. Снижается расход топлива, обусловленный реализацией высокоэффективного термодинамического цикла, близкого к циклу при постоянном объеме детонационной секции камеры.

4. Создается тяга за счет взаимодействия детонационных волн с внутренней поверхностью детонационной секции камеры, а дополнительная ее составляющая за счет ускорения движения продуктов детонационного горения в сопле.

5. Снижается вибрационная нагрузка на конструкцию ЛА.

Примеры конструктивного выполнения камер ПДДГ в соответствии с данным изобретением могут быть разнообразными, при этом рациональные (оптимальные) решения выбираются при конструкторском проектировании. Так, несколько камер ПДДГ могут быть расположены параллельно друг другу в виде кольца или пакета заданной формы. Компоновка может представлять собой блоки камер, размещенных внутри крыльев ЛА. Сопловые устройства камер могут ориентироваться различным образом, а ПДДГ управляться (включаться, выключаться, изменять частоту пульсаций) независимо друг от друга с целью изменения величины и направления вектора тяги силовой установки. Отверстия для забора окружающего воздуха могут выполняться различной формы и располагаться по окружности корпуса камеры, при этом перепускной канал может быть реализован в виде коаксиального цилиндра с секторами для забора воздуха и доставки воздуха в детонационную секцию камеры ПДДГ.

Вне зависимости от конструктивных параметров камеры тяга ПДДГ в основном создается повышенным давлением на тяговой стенке вследствие детонационного горения, а также за счет реактивной силы, образованной истекающей через сопло газовой сверхзвуковой струей. Введение в камеру компрессорной секции позволяет плавно изменять тягу двигателя в широких пределах (за счет изменения суммарного расхода воздуха и продуктов сгорания, или за счет их соотношения). В разработанной конструкции камеры с поршневой тяговой стенкой уровень тяги дополнительно может регулироваться созданием переменного рабочего объема детонационной секции, при котором происходит впрыск горючего и инициирования детонационного горения (за счет изменения объема секции при перемещении поршня).

Для заявленного устройства в том виде как оно охарактеризовано подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств.

Предложенная камера позволяет более эффективно использовать окружающий воздух или имеющийся на борту ЛА запас окислителя, что позволяет включать ПДДГ в состав комбинированных двигательных установок, работающих во всех диапазонах скоростей полета. Преимущества предложенной камеры ПДДГ заключается в ее малой массе от общей массы комбинированной двигательной установки ЛА. Высокие параметры рабочего процесса камеры (степень повышения давления, температура детонационного сжигания топлива) способствуют улучшению характеристик ЛА.

Источники информации

1. Ляхов В.Н. и др. Воздействие ударных волн и струй на элементы конструкций: Математическое моделирование в нестационарной газодинамике. М.: Машиностроение, 1989, 392 с.

2. Применение пульсирующих двигателей с детонационным горением в летательных аппаратах, БИНТИ-1, "Авиация и космос", 25.02.92 г., №8.

3. Мелькумов Т.М. и др. Ракетные двигатели. М.: Машиностроение, 1976.

Камера пульсирующего двигателя детонационного горения, включающая корпус, воздухозаборник окружающего воздуха, устройства для инжекции окислителя и горючего в камеру, устройство инициирования детонационного горения, отличающаяся тем, что тяговая стенка у камеры выполнена подвижной в виде поршня предварительного сжатия окружающего воздуха, имеется перепускной канал для подачи сжатого воздуха в детонационную секцию камеры и пружинный толкатель обратного хода поршня, а воздухозаборник имеет канал в компрессорной секции камеры, сообщающий ее с атмосферой.

www.findpatent.ru