Ускоритель двигателя


Электромагнитный ракетный ускоритель - Википедия

VASIMR на испытательном стенде

Электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом (англ. Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket; VASIMR) — электромагнитный плазменный двигатель, предназначенный для реактивного ускорения космического аппарата. Реактивный двигатель использует радиоволны для ионизации рабочего тела с последующим разгоном полученной плазмы с помощью электромагнитного поля для получения тяги.

Способ нагрева плазмы, используемый в VASIMR, был разработан в результате исследований в области термоядерного синтеза. Цель разработки VASIMR — заполнить разрыв между высокоэффективными реактивными системами малой тяги с высоким удельным импульсом и низкоэффективными системами большой тяги с низким удельным импульсом. VASIMR способен работать в режимах, близких к системам большой тяги и малой.

Концепция двигателя предложена астронавтом и учёным Франклином Чанг-Диазом из Коста-Рики в 1979 году и продолжает развиваться в настоящее время.

Основной проект[ | ]

VASIMR, иногда рассматриваемый как электротепловой плазменный ускоритель (ЭПУ), использует радиоволны для ионизации и нагрева рабочего тела и электромагнитные поля для ускорения плазмы для создания тяги. Этот тип двигателя можно рассматривать как разновидность безэлектродного плазменного двигателя, отличающегося в способе ускорения плазмы. Оба типа двигателя не имеют никаких электродов. Основное преимущество такого проекта состоит в исключении эрозии электродов. Более того, так как все части VASIMR защищены магнитным полем и не приходят в прямой контакт с плазмой, потенциальная продолжительность эксплуатации двигателя, построенного по такому проекту, гораздо выше ионного двигателя.

Проект включает в себя три части:

  • превращение газа в плазму с использованием радиоволновых антенн;
  • возбуждение плазмы с помощью дальнейшего нагрева в ускорителе;
  • использование электромагнитов для создания магнитного сопла, которое превращает полученную тепловую энергию плазмы в кинетическую энергию реактивной струи.

Изменяя количество энергии на радиоволновый разогрев и количество рабочего тела, из которого создаётся плазма, VASIMR способен как производить малую тягу с высоким удельным импульсом, так и относительно высокую тягу с низким удельным импульсом.

Диаграмма VASIMR

В отличие от обычных циклотронно-резонансных нагревающих процессов, ионы в VASIMR сразу же проходят через магнитное сопло быстрее времени, необходимого для достижения термодинамического равновесия. Основываясь на теоретической работе 2004 года Арефьева и Брейзмана из Техасского университета в Остине, практически вся энергия в ионной циклотронной волне будет равномерно распределена в ионизированной плазме за один проход в циклотронном абсорбционном процессе. Это позволяет ионам покинуть магнитное сопло с очень узким распределением энергии, что даёт упрощённое и более плотное распределение магнитов в двигателе.[1]

Эффективность[ | ]

Текущие VASIMR должны обладать удельными импульсами в диапазоне от 3000 до 30 000 секунд (скорости истечения от 30 до 300 км/с). Нижний предел этого диапазона сопоставим с некоторыми существующими концепциями ионных двигателей. Регулируя получение плазмы и нагрев, VASIMR может управлять удельным импульсом и тягой. Двигатель также способен использовать гораздо более высокие уровни энергии (мегаватты) по сравнению с существующими концепциями ионных двигателей. Поэтому VASIMR может обеспечить в десятки раз большую тягу, при условии наличия подходящего источника энергии.

Применения[ | ]

VASIMR не подходит для подъёма полезной нагрузки с поверхности планеты (например, Земли) на околопланетную орбиту из-за его низкого соотношения тяги к массе и может быть использован только в невесомости (например, для старта корабля с околопланетной орбиты). Он может быть использован в качестве последней ступени, уменьшая потребность в топливе для транспортировки в космосе, или в качестве разгонного блока. Ожидается, что двигатель должен выполнять эти операции за доли стоимости от стоимости аналогов на основе технологий химического реактивного движения:

  • компенсация торможения в верхней атмосфере Земли (подъём орбиты) для орбитальных станций,
  • обеспечение доставки грузов на лунную орбиту,
  • заправка топливом в космосе,
  • добыча ресурсов в космосе,
  • космические полёты со сверхвысокими скоростями для дальних исследовательских программ.

Другие применения VASIMR (например, доставка людей к Марсу) требуют наличия источников очень высоких энергий с небольшой массой, таких как, например, ядерные энергоблоки.

В августе 2008 г. Тим Гловер, директор по развитию фирмы «Ad Astra», заявил, что первым ожидаемым применением двигателя VASIMR является «заброс грузов (не людей) с низкой околоземной орбиты на низкую лунную орбиту» и будет предназначено для поддержки программы НАСА возвращения на Луну.[2]

Текущее состояние[ | ]

Информация в этой статье или некоторых её разделах устарела.

Вы можете помочь проекту, обновив её и убрав после этого данный шаблон.

Основным разработчиком VASIMR является «[en]». В настоящее время основные усилия были направлены на улучшение общей эффективности двигателя, путём увеличения уровней используемой энергии. Согласно данным компании, ещё совсем недавно эффективность VASIMR составляла 67%. Опубликованные данные по двигателю VX-50 говорят о том, что двигатель способен использовать 50 кВт на излучение в радиодиапазоне, обладает КПД 59%, вычисленное следующим образом: 90% NA эффективность процесса получения ионов × 65% NB эффективность процесса ускорения ионов. Модель VX-100, как ожидается, будет иметь общую эффективность 72 %, путём улучшения параметра NB, то есть эффективности ускорения ионов, до 80 %.[3][4]

Однако имеются дополнительные меньшие потери эффективности, относящиеся к превращению энергии постоянного тока в радиоволновую энергию и потребление энергии сверхпроводящими магнитами. Для сравнения, рабочий ионный двигатель NASA HiPEP, обладает общей эффективностью ускорителя 80%.[5] Опубликованные данные испытаний двигателя VASIMR модели VX-50 показывают, что он способен производить 0,5 Н тяги. «Ad Astra Rocket Company» планировала проведение испытаний прототипа двигателя VX-200 в начале 2008 г. с мощностью излучения в радиодиапазоне 200 кВт с целью достижения требуемой эффективности, требуемой тяги и удельного импульса.

24 октября 2008 года компания заявила, что генерация плазмы двигателем VX-200 с помощью радиоволн первой ступени или твердотельным высокочастотным излучателем энергии достигла планируемых рабочих показателей. Ключевая технология, твердотельное преобразование энергии постоянного тока в радиоволны, стала крайне эффективной и достигла уровня 98%. Радиоволновый импульс использует 30 кВт для превращения аргона в плазму, оставшиеся 170 кВт расходуются на разгон и разогрев плазмы в задней части двигателя с помощью ион-циклотронного резонансного разогрева.[6]

На основании данных, опубликованных по предыдущим испытаниям VX-100[7], можно ожидать, что двигатель VF-200, который должен быть установлен на МКС, будет иметь системную эффективность 60—65% и уровень тяги 5 Н. Оптимальный удельный импульс предполагается на уровне 5000 с с использованием в качестве рабочего тела аргона. Удельная мощность оценивается в 1 кг/кВт, что означает, что масса данной версии VASIMR будет составлять только 300 кг.

Одна из оставшихся проблем — определение соотношения потенциально возможной тяги по отношению к действительному её значению. То есть, будет или нет горячая плазма находится на расстоянии от двигателя на самом деле. Это будет подтверждено в 2009 г, когда двигатель VX-200 будет установлен и испытан в достаточно большой вакуумной камере. Другая проблема — управление выделяемой побочной теплотой при работе (60% эффективности означает около 80 кВт ненужной теплоты), решение которой критически важно для продолжительной работы двигателя VASIMR.

10 декабря 2008 года «Ad Astra Rocket Company» заключила договор с NASA на определение расположения и испытание полётной версии VASIMR VF-200 на МКС. Его запуск был запланирован на 2015 г.[8]

7 июля 2009 года сотрудники «Ad Astra Rocket Company» удачно испытали плазменный двигатель на сверхпроводящих магнитах.[9]

VASIMR-двигатель на МКС будет использоваться в пакетно-монопольном режиме, с периодическими включениями. Так как производство электроэнергии на МКС недостаточно велико, система будет включать в себя набор батарей с достаточно малым потреблением тока для подзарядки, которая позволит двигателю работать в течение 10 мин. Этого будет достаточно для поддержания высоты станции, что исключит необходимость дорогостоящей операции по подъему станции с использованием химических ракетных двигательных блоков.

В 2015 году Компания Ad Astra Rocket выиграла 10-ти миллионный тендер на постройку межпланетного ионного двигателя «Vasimr», способного доставить экспедицию на Марс менее чем за сорок дней[10]. В 2016 году компания Ad Astra Rocket сообщила, что КПД двигателя вырастет с 70 до 75%, если использовать криптон вместо аргона. Тяга двигателя достигнет 2 Н. Работы на территории компании в Техасе ведутся по замене старого магнита на сверхпроводящий магнит нового типа без охлаждения жидким азотом. Остается проблема электрического заряда двигателя. При его работе струя выбрасывает заряженные ионы, но оставшиеся электроны заряжают корпус. В наземных условиях невозможно замерить этот эффект зарядки корпуса. Пока считается, что этот эффект мал и на всех электрических ракетных двигателях эта проблема была решена во время испытаний.

Космический буксир: орбитальный транспортный корабль[ | ]

Космический корабль с VASIMR в представлении художника

Наиболее важным в обозримом будущем применением космических аппаратов с двигателями VASIMR является перевозка грузов (особенно межпланетная). Многочисленные исследования показали, что космический корабль с маршевыми двигателями VASIMR будет более эффективным при движении в космосе по сравнению с кораблями с обычными химическими ракетными двигателями. Космический буксир, ускоряемый одним VF-200, был бы способен переместить 7 т груза с низкой земной орбиты на низкую лунную орбиту примерно за шесть месяцев полёта.

NASA планирует перемещение 34 т полезного груза от Земли до Луны. Для того, чтобы совершить такое путешествие, должно быть сожжено около 60 тонн кислород/водород. Сопоставимый космический буксир требовал бы 5 двигателей VF-200, потребляющих 1 МВт электроэнергии, получаемой от солнечных батарей или от ядерного реактора. Для того, чтобы проделать такую же работу, подобный буксир потратил бы только 8 тонн аргона. Время полёта буксира может быть сокращено за счёт полёта с меньшим грузом или используя большее количество аргона в двигателях при меньшем удельном импульсе (большем расходе рабочего тела). Например, пустой буксир при возвращении к Земле должен покрывать это расстояние за 23 дня при оптимальном удельном импульсе 5000 с или за 14 дней при удельном импульсе 3000 с.

Полёт к Марсу[ | ]

Предполагается, что 200-мегаваттный двигатель класса VASIMR сможет осуществлять полёты с доставкой людей к Марсу всего за 39 дней, по сравнению с шестью месяцами, которые требуются космическим аппаратам с обычными ракетными двигателями.[11]

См. также[ | ]

Примечания[ | ]

Ссылки[ | ]

encyclopaedia.bid

ускоритель потока выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания с эжектором - патент РФ 2059839

Использование: в автомобилестроении, в частности в устройствах выхлопа для повышения экономичности и мощности двигателя внутреннего сгорания, а также снижения токсичности выхлопных газов. Сущность изобретения: ускоритель потока выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания с эжектором содержит раструб, конус с расположенными на нем проточными и вторичными каналами, эжектор, камеру смещения потоков выхлопных газов и эжектируемого воздуха и сопло Ловаля на выходе ускорителя. В камере смещения создается область пониженного давления за счет обтекания газами конуса, вершина которого ориентирована навстречу выхлопным газам. Повышенное давление способствует ускорению потока выхлопных газов, что приводит к повышению экономичности и мощности двигателя. Кроме того, за счет более полного сгорания топлива снижается процентное содержание CO2. 4 з. п. ф-лы, 4 ил. Изобретение относится к автомобилестроению и может быть использовано, в частности, в устройствах выхлопа для повышения экономичности и мощности двигателя внутреннего сгорания, а также снижения токсичности выхлопных газов. Известно выхлопное устройство двигателя внутреннего сгорания, в котором для ускорения перемещения потока выхлопных газов используются колебания давления, обусловленные процессами, проявляющимися при выхлопе. Устройство содержит расположенные последовательно по направлению движения газов выхлопной патрубок, диффузор, цилиндрическую часть и обратный канал на входе в глушитель. Эти элементы, расположенные друг за другом, совмещены один с другим так, что прямая волна давления выхлопных газов изменяет свое направление 2n+1 раз по оси течения с числом 2n пар обратных отражений и числом П отражений по направлению течения газов [1] Рассмотренную процедуру использования колебаний давления в технике называют резонансным или акустически наддувом. Теоретически доказано, что колебания давления во всасывающей и выхлопной системах оказывают существенное влияние на работу двигателя и на отдаваемую им мощность. Теоретический предел увеличения коэффициента наполнения цилиндров акустическим методом приближается к 41% что может дать повышение мощности в среднем на 20% Однако, коллектор автомобильного двигателя является очень тонкой динамической, акустической системой и достичь полного соответствия амплитудных и фазовых соотношений колебаний давления в выхлопной магистрали для достижения резонанса практически невозможно без следящей системы. Недостатком рассмотренного устройства вследствие указанных причин является относительно низкий КПД повышения мощности двигателя. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является "Ускоритель потока выхлопных газов для двигателя внутреннего сгорания и устройство для охлаждения двигателя потоком всасываемого воздуха, содержащего такой ускоритель". Ускоритель потока выхлопных газов предназначен для карбюраторных или дизельных двигателей внутреннего сгорания. В выхлопной магистрали, соединенной одним концом с выхлопной системой двигателя внутреннего сгорания и сообщающийся другим концом с атмосферой, предусмотрен ускорительный блок, содержащий цилиндрический корпус с размещенными внутри его крыловидными, профильными вставками. Ускорительный блок, использующий энергию потока выхлопных газов, увеличивает скорость потока. Одновременно ускорение потока создает большое отрицательное давление, вызывающее всасывание воздуха, который охлаждает двигатель внутреннего сгорания [2] Недостатком устройства является относительно низкий КПД повышения мощности и экономичности двигателя, обусловленный созданием дополнительного сопротивления прохождению потока газов, так как площадь поперечного сечения входа ускорительного блока примерно равна площади поперечного сечения его выхода. Кроме того, эжекция атмосферного воздуха используется для охлаждения двигателя внутреннего сгорания и не направлена на увеличение скорости потока выхлопных газов. Требуемый технический результат заключается в повышении экономичности и мощности двигателя внутреннего сгорания. Указанный технический результат достигается тем, что в ускорителе потока выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания с эжектором, содержащем выпускной трубопровод, соединенный с одной стороны при помощи переходника с выпускной системой, а с другой через раструб с атмосферой, и ускорительный блок, расположенный между переходником и внутренней поверхностью раструба, ускорительный блок выполнен в виде конуса, установленного за переходником вдоль оси трубопровода с вершиной, обращенной в сторону движения потока выхлопных газов, на внешней стороне конуса выполнены проточные каналы выхлопных газов и дополнительные вторичные каналы эжектируемого воздуха, причем поперечное сечение проточных каналов в направлении от вершины конуса к торцу преобразуется из треугольного в трапецеидальное соответственно, а треугольные поперечные сечения получены делением площади поперечного сечения на П-секторов, (П > 2), эжектор образован кольцевой профильной щелью, между внутренней поверхностью раструба в месте сопряжения его с торцом конуса и внешними поверхностями проточных каналов и дополнительными каналами вторичного эжектируемого воздуха, а раструб выполнен в виде усеченного конуса со скругленной передней кромкой, обращенной в сторону движения потока газов, а также тем, что проточные каналы, выполнены по спирали, кроме того, площадь поперечных сечений дополнительных каналов в направлении от торца конуса к его вершине выполнены уменьшающимися до нуля, а проточные каналы жестко соединены с поверхностями конуса, раструба и переходника, при этом выходное сечение раструба выполнено в виде сопла Лаваля. Возможность достижения требуемого результата доказывается следующим. Из теории двигателей внутреннего сгорания (см. например, "Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей" под редакцией А.С. Орлина, М.Г.Круглова, М. Машиностроение, 1983) известно, что на мощностные и экономические характеристики большое влияние оказывает полнота наполнения цилиндра, v зависящая от давления Рr на выходе из системы выхлопа. Чем ниже давление Рr, тем больше полнота наполнения v и ниже удельный расход топлива qe:v= -; qe 1/ v, где - степень сжатия в цилиндрах; ТВП Т температура смеси на впуске и прирост температуры при сгорании; степень уменьшения объема; Ра атмосферное давление; РВП давление на впуске. Снижение давления Рr можно достичь, если выхлопные газы пропустить через устройство, в котором происходит обтекание донного среза и подсос дополнительного атмосферного воздуха эжектором. Изобретение отвечает критерию новизны. Кроме того, требуемый технический результат достигается всей вновь введенной совокупностью признаков, которая в известной литературе не обнаружена. Следовательно, предложение отвечает критерию изобретательского уровня. При этом элементы конструкции устройства и непосредственно сам ускоритель потока выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания с эжектором не требуют разработки специальной оснастки и технологии. На фиг. 1 представлена конструкция ускорителя потока выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания для частного случая с шестьюканальным эжектором; на фиг. 2 сечение А-А с прямоточными каналами при угле закрутки = 0; на фиг. 3 сечение Б-Б в месте соединения его с переходником; на фиг. 4 сечение А-А с закрученными проточными каналами при угле их закрутки > >0; на фиг. 2 и 4 треугольниками условно показано крепление проточных каналов к раструбу. Ускоритель потока выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания с эжектором (фиг. 1) содержит раструб 1, конус 2, проточные каналы 3, вторичные каналы эжектируемого воздуха 4, профильную вставку 5, переходник 6, эжектор 7, подгоночный профильный вырез 8, выхлопную трубу автомобиля 9, камеру смешения потоков выхлопных газов и эжектируемого воздуха 10, кольцевую профильную щель 11. Раструб 1 выполнен в виде усеченного конуса с малым углом сужения в сторону выхода потока выхлопных газов. Входная кромка раструба 1 изогнута наружу с радиусом скругления достаточным для образования коллекторности входа. На выходе раструба 1 размещена профильная вставка 5, например, имеющая треугольное поперечное сечение с большой стороной в области сужения проходного сечения (сопло Лаваля) фиг. 1 Конус 2 выполнен с малым углом при вершине, например, 15о. Вершина конуса направлена навстречу движению выхлопных газов. По всей внешней поверхности конуса расположены проточные каналы 3, поперечное сечение которых в направлении от вершины к основанию конуса трансформируется из треугольного (фиг. 3) в трапецеидальное (фиг. 2 и 4). Вторичные каналы эжектируемого воздуха 4 (прямоточные и спиралевидные фиг. 4) образованы боковыми поверхностями соседних проточных каналов 3 и имеют клиновидную форму с нулевой площадью поперечного сечения у вершины конуса и трапецеидальной у его основания. Переходник 6 выполнен в виде цилиндрического патрубка, сопрягаемого с диаметром выхлопной трубы. Имеет один или несколько боковых профильных вырезов 8 для подгонки. Элементы крепления переходника к выхлопной трубе традиционны и на фиг, 1, 2 и 3 не показаны. Эжектор образован кольцевой профильной щелью 11 между внутренней поверхностью раструба в месте сопряжения его с торцом конуса 2 и внешними поверхностями проточных каналов 3 и вторичными каналами эжектрируемого воздуха 4. Работает ускоритель потока следующим образом. Выхлопные газы двигателя подают в проточные каналы 3 и при выходе из них, т.е. при входе в камеру смешения 10 (в сечении А-А фиг. 1) увлекают за собой воздух из дополнительных вторичных каналов эжектируемого воздуха 4 и окружающей кольцевой профильной щели 11, образуя таким образом эжектор 7. По законам аэродинамики при обтекании газами и эжектрируемым воздухом основания конуса на нем возникает понижение давления. Пониженное давление поддерживается потоком выхлопных газов и дополнительно эжектируемым воздухом при движении автомобиля. Все это способствует ускорению потока выхлопных газов. Для этой же цели раструб 1 выполнен в виде усеченного конуса с малым углом сужения по ходу движения потока газов и профильная вставка 5, создающая области "сужения-расширения", формируя сопло Лаваля. Величина сужения раструба 1 и размеры профильной вставки 5 подбираются экспериментально. При этом угол сужения раструба не должен превышать 7о (на фиг. 1 это угол ). Еще больший эффект достигается при выполнении проточных каналов 3 с закруткой их по винтовой линии. В этом случае от закрутки потока выхлопных газов образуется вихрь, существенно увеличивающий отрицательное давление и соответственно выходную скорость газов, что в свою очередь усиливает эжекцию атмосферного воздуха. Как известно, пониженное давление на выходе выпускного трубопровода приводит к повышению экономичности и мощности двигателя. Кроме того, за счет более полного сгорания топлива в цилиндрах снижается процентное содержание СO2. При использовании ускорителя с вихревой закруткой выхлопных газов и эжектируемого воздуха, кроме увеличения скорости потока улучшается шумопоглощение за счет подавления резонансных всплесков звуковых частот от 2000 Гц и выше. Уровень заглушающего действия при этом может составлять до 5 дБ.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. УСКОРИТЕЛЬ ПОТОКА ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ЭЖЕКТОРОМ, содержащий выпускной трубопровод, соединенный с одной стороны при помощи переходника с выпускной системой, а с другой через раструб с атмосферой, и ускорительный блок, расположенный между переходником и внутренней поверхностью раструба, отличающийся тем, что ускорительный блок выполнен в виде конуса, установленного за переходником вдоль оси трубопровода с вершиной, обращенной в сторону движения потока выхлопных газов, на внешней стороне конуса выполнены проточные каналы выхлопных газов и дополнительные каналы вторичного эжектируемого воздуха, причем поперечное сечение проточных каналов в направлении от вершины конуса к торцу преобразуется из треугольного в трапецеидальное соответственно, а треугольные поперечные сечения получены делением площади поперечного сечения на n секторов (n > 2), эжектор образован кольцевой профильной щелью между внутренней поверхностью раструба в месте сопряжения его с торцом конуса и внешними поверхностями проточных каналов и дополнительными каналами вторичного эжектируемого воздуха, а раструб выполнен в виде усеченного конуса со скругленной передней кромкой, обращенной в сторону движения газов. 2. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что проточные каналы выполнены по винтовой линии. 3. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что площади поперечных сечений дополнительных каналов в направлении от торца конуса к его вершине выполнены уменьшающимися до нуля. 4. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что проточные каналы сообщены с поверхностями конуса, раструба и переходника. 5. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что выходное сечение раструба выполнено в виде сопла Лаваля.

www.freepatent.ru

Двигатели будущего: электрический ускоритель массы

К числу электрических двигателей относится и электромагнитный ускоритель массы, который впервые рассматривался К.Э.Циолковским в его рукописях, а затем его описание было опубликовано в работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами» в 1926 году. По оценкам Циолковского, такой ускоритель должен иметь значительную длину – до 60 км, а его жерло следует располагать в горах, на большой высоте для снижения потерь за счёт сопротивления атмосферы. По мнению Циолковского, электромагнитные пушки со временем могут найти применение для массового вывода на околоземные орбиты полезной массы.

Теоретические и экспериментальные исследования таких устройств показали, что для создания полномасштабных моделей ускорителей предстоит решить ряд серьезных научных и технических проблем. Первая из этих проблем связана с необходимостью свести к минимуму потери в зоне контакта ускоряемой капсулы и направляющих рельсов.

Известны различные способы решения этой проблемы. В частности, движение капсулы вдоль направляющих рельсов со сверхвысоким ускорением за счет резкого возрастания сил сухого трения поведет к мгновенному расплавлению электродов в зоне контакта и к возникновению жидкометаллической смазки. Сама капсула должна иметь теплозащитное покрытие, чтобы исключить ее плавление при выделении тепла вследствие омических потерь. Коммутация разрядного тока в зоне капсулы может быть осуществлена с помощью плазменных перемычек, как это предлагал Кондратюк.

В принципе возможно численное исследование ускорения капсулы с учетом плазменной перемычки и жидкометаллических электродов. Однако ввиду значительных математических трудностей эта задача исследовалась пока лишь при значительных дополнительных упрощениях. Были исследованы гидродинамические эффекты ускорения с учетом вязких потерь при движении непроводящей капсулы вдоль плавящихся электродов. Унос массы капсулы учитывался с помощью эмпирических зависимостей. Анализ показал, что в рамках рассмотренной теоретической модели для разгона капсул массой до 200 кг при скоростях 20—50 км/с потери энергии не превысят 4 %, а потери массы — 9 %.

Для снижения потерь, обусловленных силой трения ускоряемой капсулы о рельсы, можно использовать принцип электромагнитной подвески капсулы. В этом случае для разгона капсулы, помещенной, например, в сверхпроводящую катушку с током, можно использовать схему ускорителя бегущей волны.

Серьезные трудности возникают, если ускоритель используется для запуска капсул с поверхности Зёмли. По сравнению со стартом с Луны намного возрастают необходимые энергозатраты и габариты ускорителя. Теоретически соответствующая задача обратна традиционной задаче исследования входа

космического аппарата в атмосферу планет: он сначала тормозится в разреженных слоях атмосферы и лишь затем попадает в ее плотные слои, в то время как капсула, покидающая ускоритель, проходит на максимальной скорости именно плотные слои атмосферы. Вследствие возникновения перед носком капсулы высокотемпературного скачка уплотнения при этом происходит интенсивное разрушение теплозащитного материала капсулы.

При движении в атмосфере капсулы со сферическим затуплением интегральные тепловые потоки достигают 102—103 Дж/см2. Можно оценить потери скорости и энергии капсулы при прохождении атмосферы. Так, капсула массой 200 кг, имевшая начальную скорость 23 км/с, покидает плотные слои атмосферы со скоростью около 8 км/с.

Таким образом, ясно, что использование ускорителя для вывода полезных нагрузок с поверхности Земли значительно затрудняется атмосферой. Однако, во-первых, доля потерь скорости и кинетической энергии капсулы снижается с увеличением ее массы, а во-вторых, потери энергии не превышают аналогичных потерь при запуске полезных нагрузок с помощью ракет. При запуске полезных нагрузок с поверхности Луны, у которой нет атмосферы, а также при использовании ЭРУ для межорбитальных транспортных операций эти трудности отсутствуют.

При использовании ускорителя для транспортировки грузов на окололунные орбиты с ее поверхности возникает проблема прицеливания и сбора капсул, выводимых в космос. Время релаксации ударно-звуковой волны, которая возникает в металлических рельсах вследствие интенсивных импульсных нагрузок, составляет секунды или десятки секунд. Жесткие требования предъявляются к постоянству электрических параметров ускорителя в последующих сериях выстрелов, а также к постоянству массы и формы ускоряемых капсул. Для стабилизации капсулы ей можно придать вращение.

Если ускоритель используется в составе ракетных двигательных систем, то требования высокой точности заданной скорости капсул значительно менее жесткие. В качестве рабочего вещества в этом случае можно использовать сжиженные газы, минимальным образом загрязняющие космическое пространство, или отходы производственной или биологической деятельности. Согласно проектным оценкам, энергодвигательная установка, состоящая из солнечной батареи мощностью 12 МВт как источника энергии и ускорителя, имеет массу около 100 тонн.

starbolls.narod.ru

Электромагнитный ускоритель масс

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение……………………………………………………………………….2

Основная часть………………………………………………………………10

Заключение…………………………………………………………………..22

Библиографический список………………………………………………...23

Приложения…………………………………………………………………24

ВВЕДЕНИЕ
Электромагнитный ускоритель масс (ЭМУ) - общее название установки для ускорения объектов с помощью электромагнитных сил.

Электромагнитные ускорители масс принято подразделять на следующие виды:

  • Рельсотрон — импульсный электродный ускоритель масс «рэйл ган» (от англ. “Rail gun”).
Он функционирует следующим образом. В нем проводящий снаряд движется между двух рельс — электродов (откуда и получил свое название - рельсотрон), по которым подается ток. Источник тока подключается к рельсам у их основания, поэтому ток течет как бы вдогонку снаряду и магнитное поле, создаваемое вокруг проводников с током, полностью сосредоточенно за проводящим снарядом. В данном случае снаряд является проводником с током, помещённым в перпендикулярное магнитное поле, созданное рельсами. На снаряд по законам физики действует сила Лоренца, направленная в сторону противоположную месту подключения рельс и ускоряющая снаряд.
  • ^ - индукционный ускоритель масс (“Tompson gun”).
В основу функционирования индукционного ускорителя масс положен принцип электромагнитной индукции. В плоской обмотке создается быстро нарастающий электрический ток, который вызывает в пространстве вокруг переменное магнитное поле. В обмотку вставлен ферритовый сердечник, на свободный конец которого надето кольцо из проводящего материала. Под действием переменного магнитного потока, пронизывающего кольцо в нём возникает электрический ток, создающий магнитное поле противоположной направленности относительно поля обмотки. Своим полем кольцо начинает отталкиваться от поля обмотки и ускоряется, слетая со свободного конца ферритового стержня. Чем короче и сильнее импульс тока в обмотке, тем мощнее вылетает кольцо.
  • ^ — магнитный ускоритель масс «гаусс ган» (от англ. “Gauss gun”). По имени ученого и математика Гаусса, в честь имени которого названы единицы измерения магнитного поля.
Магнитный ускоритель состоит из соленоида, внутри которого находится ствол (как правило, из диэлектрика). В один из концов ствола вставляется снаряд (сделанный из ферромагнетика). При протекании электрического тока в соленоиде возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь соленоида.

Изобретателем электромагнитного ускорителя масс обычно считают Кристиана Биркеланда. Кристиан Биркеланд, профессор физики в университете в Осло (работавший с 1898 по 1917г.), за период с 1901 по 1903г. получил три патента на свою "электромагнитную пушку". В 1901г. Биркеланд создал первую такую электромагнитную пушку катушечного типа и использовал ее для разгона снаряда массой 500 г до скорости 50 м/с (2). С помощью второй большой пушки, созданной в 1903г. и выставленной в настоящее время в норвежском техническом музее в г.Осло, он достигал разгона снаряда массой 10 кг до скорости примерно 100 м/с. Калибр пушки 65 мм, длина 10 м. Примерно в это же время электромагнитную пушку патентует Николай Бенардос. К.Э.Циолковский в своих трудах также рассматривал вариант использования электромагнитного ускорителя для запуска ракет.

Задавшись целью увеличить дальнобойность артиллерии, русские инженеры Подольский и Ямпольский в 1915 году создали проект "магнитно-фугальной" (электромагнитной) пушки. Ее ствол предполагалось выполнить в виде ряда катушек индуктивности. В них по команде должен был подаваться ток. Авторы утверждали, что при заданной мощности электростанции снаряд, разгоняемый электромагнитами по 50-метровому стволу, разовьет скорость 915 м/с и пролетит до 300 км. Эксперты Артиллерийского комитета сочли реализацию проекта Подольского и Ямпольского "несвоевременной". Та же участь постигла проект электромагнитной пушки французов Фашона и Виллепле. Ее ствол представлял собой цепь катушек-соленоидов, к которым по мере движения снаряда следовало поочередно подавать напряжение. Изобретатели подтвердили жизнеспособность своей идеи: при стрельбе из модели электромагнитной пушки 50-граммовый снаряд набирал скорость 200 м/с.

^

С тех пор периодически предпринимаются попытки превратить теоретическое изобретение в пригодное к практическому употреблению устройство.

Систематические научные работы по созданию принципиально новых электромагнитных ускорителей массы начались в мире в 50-х годах XX века. Одним из родоначальников отечественных разработок в этой области был выдающийся советский ученый, исследователь плазмы Л.А. Арцимович, который ввел в отечественную терминологию понятие «рельсотрон».

Работа по всем решающим узлам электромагнитной пушки быстро продвигается в США, а также начинается в других странах. Пушка Гаусса в качестве оружия обладает преимуществами, которыми не обладают другие виды стрелкового оружия. Это отсутствие гильз и неограниченность в выборе начальной скорости и энергии боеприпаса, возможность бесшумного выстрела, относительно малая отдача, теоретически, большая надежность и износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе космического пространства.

Современные успехи, что касается ускорителя, накопления энергии и образования импульсов, явствуют о вероятности того, что системы вооружения в недалеком будущем могут быть оснащены электромагнитными пушками. Для достижения этой цели потребуется напряженная научно-исследовательская работа почти по всем аспектам электромагнитной пушки, включая энергоснабжение и снаряды. Важную роль сыграют новые материалы. Необходимы компактные и мощные источники электрического тока и высокотемпературные сверхпроводники.

Электромагнитная пушка, кроме ее ожидаемой военной важности, должна явиться сильным импульсом технологического прогресса и новшества при значительном эффекте в гражданском секторе.

Из экзотических способов применения ускорителей на основе соленоидов стоит отметить концепцию запуска объектов в космос без помощи ракет. Предполагается, что, построив многокилометровый тоннель из одного или нескольких соленоидов, можно обеспечить достаточную для преодоления земного притяжения скорость разгона тела. При этом в отличие от рельсовой пушки или обычного выстрела на основе теплового расширения газов, запускаемому объекту обеспечивается сравнительно плавное ускорение. Это делает возможной отправку не только сложного и хрупкого научного оборудования, боящегося перегрузок, но так же и человека.

Стоит заметить, что более перспективным считается строительство подобных космических ускорителей на нашем естественном спутнике – Луне. Практическое отсутствие атмосферы и низкая гравитация + низкая окружающая температура открывают фантастические перспективы для сверхпроводящих магнитов. Монорельсовый ускоритель на основе линейного мотора либо тоннель из соленоидов планируется размещать горизонтально на поверхности Луны под небольшим углом. Питаться установка может либо от солнечных батарей, либо от привезенных на Луну ядерных реакторов. Таким образом, космическому аппарату сообщалась бы высокая начальная скорость, а дальше в дело вступают ионные двигатели.

Луна в таком виде превратилась бы в перевалочную базу для дальнейшего освоения Солнечной системы или даже в первый земной космопорт. Несложно представить, что гигантские ускорители, питаемые термоядерными реакторами, будут способны разгонять космические аппараты до скоростей, при которых путешествие к отдаленным планетам будет занимать месяцы, а не годы. А если вспомнить, что ускорителю не обязательно быть прямым и тоннель можно построить спиральным, с окончанием в произвольную сторону, то возможности получаются действительно революционными.

Мы решили в своих попытках изготовить электромагнитный ускоритель масс остановиться на макете именно магнитного ускорителя. Дело в том, что из всех типов электромагнитных ускорителей он наиболее прост в изготовлении. Кроме того, он имеет довольно высокий по сравнению с другими электромагнитными стрелялками КПД. Может работать на относительно низких напряжениях не сложно достижимых на практике, с использованием современных комплектующих деталей.

На практике конструкция простейшего магнитного ускорителя представляет собой, намотанную на трубку в несколько слоев, проволоку и подключенный к проволоке конденсатор большой емкости. Внутрь трубки перед самым началом обмотки устанавливается железная болванка и предварительно заряженный конденсатор при помощи электрического ключа замыкается на обмотку. При протекании электрического тока в обмотке возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь обмотки.

Для наибольшего эффекта импульс тока в обмотке должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электролитические конденсаторы с высоким рабочим напряжением.

Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы к моменту подлета болванки к середине обмотки ток в последней уже успевал уменьшиться до минимального значения, т.е. заряд конденсаторов был бы уже полностью израсходован. В таком случае КПД будет максимальным.

Для увеличения КПД устройства и скорости снаряда решили сделать многоступенчатый Гаусс.

^

  1. В магнитном ускорителе семь ускоряющих катушек, на которые разряжаются конденсаторы емкостью от 800мкФ до 220мкФ, заряженные до 390В.
  2. Шести канальный контроллер ступеней на оптопарах (на 74HC14).
  3. Обратноходовый преобразователь напряжения (на UC3845).
  4. Система индикация, включающая в себя индикацию состояния аккумулятора, готовности к выстрелу (на LM358) и линейную шкалу заряда конденсаторов (на LM3914).
5. Лазерный целеуказатель.

6. Поворотная управляемая платформа (на ATtiny 2313)

^

Ствол для магнитного ускорителя.

Ствол является важной составной частью электромагнитного ускорителя. При этом он должен обладать рядом свойств:

  1. Прочность.
Прочность ствола у ускорителя не является критичным параметром, тем не менее, при протекании импульсных токов через ускоряющие катушки развиваются механические напряжения. Прочность особенно существенна для многоступенчатых систем с повышенной длиной ствола.
  1. Толщина.
Толщина стенок ствола должна быть минимальна. Это требование вытекает из того факта, что чем плотнее сердечник подогнан по диаметру к внутреннему диаметру ускоряющей катушки, тем больше его потокосцепление с катушкой (т.е. тем большая часть поля, создаваемого катушкой, проходит через сердечник).
  1. ^
Материал ствола должен быть плохо проводящим и не являться ферромагнетиком. Это требование вытекает из того факта, что проводящий и особенно ферримагнитный материал ствола будет сильно ослаблять переменное магнитное поле, под действием которого в устройстве происходит ускорение снаряда.
  1. ^
Материал ствола должен легко обрабатываться (пилиться, сверлиться и т.д.), т.к. на нём размещается множество элементов конструкции (ускоряющие катушки, индуктивные или оптические датчики положения и т.д.).
  1. ^
Немаловажные факторы, особенно для любительских исследований, ведь приходится перепробовать множество стволов разного калибра и длины.

Основываясь на этом наборе параметров, мы провели эксперименты на одной ступени ускорителя по выбору материала ствола. В ходе промежуточных экспериментов не было выявлено существенных различий в свойствах куска ствола изготовленного из бумаги промазанной эпоксидным клеем и куска изготовленного из латуни. Исходя из этого, остановились на латунном стержне ввиду его большей прочности, доступности и простоты обработки.

^ .

В неё входят семь ускоряющих катушек, банк конденсаторов, схема развязки напряжения для конденсаторов, а также схема гашения обратного напряжения на конденсаторах. Схема развязки состоит из последовательно RD цепочки. Резистор должен ограничивать ток, проходящий через диод, тем самым, защищая его от токового пробоя при быстрой зарядке конденсатора. Схема гашения обратного напряжения так же состоит из RD цепочки. Эта схема позволяет защитить конденсатор от обратного напряжения. Обратное напряжение на конденсатор попадает из-за ЭДС самоиндукции катушки и может его повредить.

Контроллер.

Схема питается от источника 5В. Чтобы открыть тиристор, на него разряжается конденсатор. Таким способом достигается достаточный ток для открытия тиристора. Светодиод еще и служит в качестве индикатора прохождения снаряда в ступени и соответственно срабатывания ступени. В составе микросхемы 74HC14 шесть триггеров Шмидта с инверсией на выходе. Чтобы на выходе микросхемы появилась логическая 1 (закрыт транзистор) нужно закоротить ее вход на землю. Это достигается с помощью фототранзистора. Если фототранзистор освещен на выходе микросхемы присутствует логическая 1, что не дает транзистору разрядить конденсатор и открыть тиристор. Как только снаряд перекрывает свет к фототранзистору, его сопротивление резко возрастает и уже на выходе микросхемы присутствует логический 0, который и открывает транзистор. Далее через транзистор разряжается конденсатор, тиристор открывается и катушка "зажигается".

Преобразователь.

Классический «обратноходовый» преобразователь, построенный на микросхеме UC3845 (ШИМ контроллер с мощным полевым тразистором на выходе) и низковольтном силовом ключе IRF3205. Рассчитан стандартно по даташиту на микросхему, частота работы преобразователя порядка 15кГц, импульсный трансформатор намотан на броневом сердечнике Ч36. Мощность преобразователя около 25 вт.

Индикация.

В схеме индикации используется ОУ в режиме компаратора. Схема индикации разряда (красный светодиод) сигнализирует о разряженном аккумуляторе. Схема индикации заряда конденсаторов (зеленый светодиод) сигнализирует о максимальном заряде конденсаторов. Схема делителя напряжения для внешней индикации зарядки предназначена для внешнего индикатора. Внешний индикатор сделан на микросхеме LM3914, схема рассчитана по справочным данным на микросхему, используется режим столбика.

^ .

Управление униполярным шаговым двигателем осуществляется с помощью микропроцессора ATtiny 2313. Двигатель применен от дисководов и сделан редуктор, позволяющий платформе вращаться плавно.

^ составных частей ступеней (количества витков катушек, диаметра провода катушек, емкость конденсаторов ступеней) с учетом диаметра ствола и массы ускоряемого тела велись с помощью программы FEMM. Задача расчетов была в том, чтобы, оптимизируя расчетные данные добиться совпадения максимальной скорости ускоряемого предмета в теле катушки с максимальной скоростью на выходе каждой катушки в ступенях. На основе расчетов составлены графики.

После изготовления макета магнитного ускорителя и проведенных испытаний стрельбы, возникла необходимость в проверке расчетных результатов скорости металлической болванки с реальной скоростью вылета. Для этих целей был применен метод определения скорости - баллистический маятник. Метод работает следующим образом. Металлическая болванка попадает в маятник и остается в нем. Это полностью неупругий удар. Часть энергии неизбежно уходит в тепло, но зато мы можем воспользоваться законом сохранения импульса. Импульс подвеса с пулей будет равен импульсу пули до попадания. Т.е. зная импульс (скорость) подвеса, можно узнать импульс (скорость пули). Получив импульс, который имеет аналог в виде кинетической энергии (пока неизвестной), маятник начинает отклоняться. При отклонении, подвес начинает подниматься вверх, кинетическая энергия переходит в потенциальную. Когда подвес остановится (максимальное отклонение, высота) кинетическая энергия полностью перешла в потенциальную. (Рис. 1)

Узнав высоту, получаем потенциальную (кинетическую в момент попадания) энергию подвеса, через энергию - импульс подвеса, через импульс подвеса - импульс пули, скорость пули.

Полная формула:V=((M + m) / m) * sqrt(2*g * (L - sqrt(L*L - S*S)))Упрощенная практическая формула:V = ((M + m) / m) * S * sqrt (g / L)V - скорость пули, м/сM - масса подвеса, кгm - масса пули, кгg - ускорение свободного падения, 9.81L - длина подвеса, метрыS - отклонение маятника, метры.

В процессе проводимых экспериментов получены результаты (Рис. 2).

Рис.2

Для уточнения измерений величины скорости по методу «баллистический маятник» был применен еще один способ измерения по звуковой карте компьютера. Расчет велся с помощью программы от Sony «Sound Forge». Для этого был собран макет (Рис. 3)

Рис. 3

КПД устройства получилось следующим:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проделанной практической работы был изготовлен макет магнитного ускорителя. Анализ результатов и физических измерений показал, что подобный вид ускорителя масс практически осуществим. Результаты расчетов параметров ступеней с помощью программы «FEMM» оказались аналогичными с результатами практических испытаний. Макет работоспособен и на нем можно продолжить серию экспериментов с целью увеличения скорости снаряда и КПД устройства. Можно проанализировать влияние на эти параметры диаметра и веса снаряда, состава материала из которого он изготовлен, количества ступеней.

И еще одно немало важное замечание: не смотря на то, что это устройство имеет небольшие энергетические параметры, во время экспериментов с ним и проведения пробных запусков необходимо соблюдать все меры безопасности, связанные с высоким напряжением и вылетом металлической болванки.

^

  1. Бут, Д.А. Основы электромеханики/ Д.А.Бут. – М.: МАИ, 1996. – С. 363.
  2. Маликов, В.Г. Признано несвоевременным/В.Г.Маликов// Техника молодежи. – 1987. – №5. – С. 30.
  3. Мощные полупроводниковые приборы: Справочник/ В.Я.Замятин, Б.В.Кондратьев, В.М.Петухов. – М.: Радио и связь, 1988. – С. 336.
  4. Буль, О.Б. Методы расчета магнитных систем электрических аппаратов: Магнитные цепи, поля и программа FEMM: Учебное пособие для вузов/О.Б.Буль. – М.:Академия,2005. – С.191
  5. http://ru.wikipedia.org/wiki/Пушка_Гаусса
  6. http://www.popmech.ru/archive/2008/issue/70/
  7. http://topwar.ru/3742-novoe-oruzhie-rossii-relsotron-arcimovicha.htm
  8. http://itc.ua/blogs/uskoriteli_mass_ot_skorostnogo_metro_do_kosmicheskogo_poleta_44184
  9. http://www.gauss2k.narod.ru/
  10. http://besson.of.by/

userdocs.ru

Ускоритель потока выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания

Изобретение относится к автомобилестроению и может быть использовано, в частности, в устройствах выхлопа для повышения экономичности и мощности ДВС, а также снижения токсичности выхлопных газов. Техническим результатом, достигаемым данным устройством, является понижение давления на выходе выпускного трубопровода двигателей внутреннего сгорания, приводящее к повышению экономичности и мощности двигателя. Кроме того, за счет более полного сгорания топлива в цилиндрах снижается процентное содержание СО выхлопа. Предлагаемое устройство содержит напорное сопло, камеру смешения, диффузор на выходе ускорителя и профильную заслонку. Изготовление устройства производится из узлов и агрегатов, не требующих разработки специальной оснастки и технологии. Устройство достаточно просто в изготовлении, может быть выполнено из любых материалов, удовлетворяющих требованиям эксплуатации автомобильной техники: нержавеющая сталь, дюралюминий, термостойкая пластмасса, композитные материалы и т.п. Сборка осуществляется при помощи стандартных крепежных деталей. 2 ил.

 

Изобретение относится к автомобилестроению и может быть использовано, в частности, в устройствах выхлопа двигателей внутреннего сгорания.

Известно устройство, предназначенное для охлаждения двигателя потоком всасываемого воздуха, содержащее ускоритель (патент ЕПВ N 0323039, кл. F01N 1/08, 1991).

Недостатком устройства является незначительное уменьшение мощности и экономичности двигателя, что обусловлено созданием дополнительного сопротивления прохождению потока газов, кроме того, эжекция атмосферного воздуха используется для охлаждения двигателя внутреннего сгорания и не направлена на увеличение скорости потока выхлопных газов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является «Ускоритель потока выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания с эжектором» (патент RU N 2059839 С1, кл. F01N 1/08, F02В 27/04).

Ускоритель потока выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания с эжектором предназначен для карбюраторных и дизельных двигателей внутреннего сгорания. Устройство содержит раструб, конус с расположенными на нем проточными и вторичными каналами, эжектор, камеру смешения потоков выхлопных газов и эжектируемого воздуха, а также сопло Лаваля на выходе ускорителя. В камере смешения создается область пониженного давления за счет обтекания газами конуса, вершина которого ориентирована навстречу выхлопным газам.

Повышение давления способствует ускорению потока выхлопных газов, что приводит к повышению экономичности и мощности двигателя. Кроме того, за счет более полного сгорания топлива снижается процентное содержание СО.

Недостатком устройства является незначительное повышение мощности и экономичности двигателя, что обусловлено созданием дополнительного сопротивления прохождению потока газов за счет обтекания конуса, кроме того, производится подсос воздуха, уменьшающий скорость истечения выхлопных газов, а эжектируемый воздух имеет малую скорость.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является «Ускоритель потока выхлопных газов двс автомобилей» (патент Франции №2155062, МПК F01N 3/00, опубл. 1973 г.).

Данное устройство содержит напорное сопло, выполненное в виде усеченного конуса, направленного навстречу потоку воздуха, набегающего на автомобиль при его движении, камеру смешения, выполненную в форме цилиндра.

Известное устройство просто в изготовлении, однако оно не обеспечивает снижение сопротивления потоку выхлопных газов в месте сопряжения с напорным соплом и разъединение камеры смешения с напорным соплом при стоянке автомобиля, что ведет к шумности его работы.

Технический результат, достигаемый предлагаемым устройством, заключается в повышении экономичности и мощности двигателя внутреннего сгорания.

Указанный технический результат достигается тем, что в ускорителе потока выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, содержащем напорное сопло, сообщающееся с атмосферой, соединенное с выпускной системой автомобиля через камеру смешения, расположенной между диффузором и выхлопной системой автомобиля, напорное сопло выполнено в виде усеченного конуса, направленного навстречу потоку воздуха, набегающего на автомобиль при его движении, имеет профильную заслонку во избежание выхлопа отработавших газов из напорного сопла при остановке автомобиля, камера смешения выполнена в форме цилиндра, имеет местное расширение, во избежание уменьшения проходного сечения выхлопной системы автомобиля, в месте крепления с напорным соплом, а также тем, что диффузор, соединенный с одной стороны с камерой смешения, а с другой с атмосферой, выполнен в виде усеченного конуса.

Возможность достижения требуемого результата доказывается следующим.

Из теории двигателей внутреннего сгорания (см. например, «Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей» под редакцией А.С.Орлина, М.Г.Круглова. М.: Машиностроение, 1983) известно, что на мощностные и экономические характеристики большое влияние оказывает полнота наполнения цилиндра ηV, зависящая от давления Рr на выходе из системы выхлопа. Чем ниже давление Рr, тем больше полнота наполнения ηV и ниже удельный расход топлива qe:

где ε - степень сжатия в цилиндрах;

ТВП, ΔТ - температура смеси на впуске и прирост температуры при сгорании;

ϕ - степень уменьшения объема;

Ра - атмосферное давление;

РВП - давление на впуске.

Снижение давления Рr можно достичь, если выхлопные газы пропустить через устройство, в котором происходит увеличение их скорости движения за счет увлекания их потоком проходящего воздуха, истекающего из напорного сопла.

Требуемый технический результат достигается всей вновь введенной совокупностью признаков, которая в известной литературе не обнаружена.

Данное устройство позволяет увеличить скорость движения выхлопных газов за счет увлекания их потоком проходящего из напорного сопла воздуха, что приводит к понижению давления в выпускном трубопроводе перед камерой смешения, повышению полноты наполнения цилиндров, как следствие, - повышению мощности и экономичности двигателя. Кроме того, за счет более полного сгорания топлива снижается процентное содержание СО.

Общими признаками прототипа и предлагаемого устройства являются: напорное сопло, выполненное в виде усеченного конуса, направленного навстречу потоку воздуха, набегающего на автомобиль при его движении, а также камера смешения, выполненная в виде цилиндра.

Отличительным признаком является то, что устройство содержит: диффузор, выполненный в виде усеченного конуса и соединенный с одной стороны с камерой смешения, а с другой - с атмосферой, напорное сопло, имеющее профильную заслонку, а камера смешения имеет расширение в месте сопряжения с напорным соплом.

На фиг.1 (вид сбоку) представлена конструкция ускорителя потока выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания.

На фиг.2 (вид сбоку) представлена общая компоновка устройства на примере легкового автомобиля.

Ускоритель потока выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания (фиг.1) содержит: напорное сопло 1, камеру смешения 2, диффузор 3, профильную заслонку 4.

Напорное сопло 1 выполнено в виде усеченного конуса, с малым углом сужения в сторону выхода потока воздуха, имеет профильную заслонку 4 во избежание выхлопа отработавших газов из напорного сопла при остановке автомобиля. Выходная кромка напорного сопла 1 имеет цилиндрическую форму и соединена с камерой смешения 2.

Камера смешения 2 выполнена в виде цилиндра, с одной стороны соединена с выхлопной системой автомобиля, а с другой - с диффузором 3, имеет местное расширение в месте сопряжения с напорным соплом 1.

Диффузор 3 выполнен в виде усеченного конуса с малым углом расширения, с одной стороны соединенного с камерой смешения, а с другой - с атмосферой.

Профильная заслонка 4 выполнена в виде пластины, закреплена в напорном сопле 1, имеет диаметр, равный напорному соплу 1 в месте крепления.

Устройство работает следующим образом.

При движении автомобиля с определенной скоростью в напорном сопле создается набегающий поток воздуха, который отклоняет профильную заслонку, разгоняется к месту крепления напорного сопла к камере смешения за счет сужения напорного сопла. Выхлопные газы подаются в камеру смешения, обтекая выходную кромку напорного сопла. При входе напора воздуха в камеру смешения со скоростью, превышающей скорость истечения выхлопных газов, выхлопные газы увлекаются воздухом в камеру смешения, реализуя понижение давления Рr на выходе из системы выхлопа, а так как количество эжектирующего воздуха больше, чем количество эжектируемых выхлопных газов реализуется, то таким образом это принцип эжекции (см. например, "Теплотехника" под редакцией В.Н.Луканина, М.Г.Шатрова, Г.М.Камфера и др. М.: Высшая школа, 2002).

Пониженное давление поддерживается потоком воздуха при дальнейшем движении автомобиля с определенной скоростью.

Величина расширения диффузора, сужения напорного сопла, площадь основания напорного сопла и диаметры подбираются экспериментально для условий движения и скоростных характеристик каждого автомобиля.

Ускоритель потока выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, содержащий напорное сопло, выполненное в виде усеченного конуса, направленного навстречу потоку воздуха, набегающего на автомобиль при его движении, камеру смешения, выполненную в виде цилиндра, отличающийся тем, что содержит диффузор, выполненный в виде усеченного конуса, соединенный с одной стороны с камерой смешения, а с другой - с атмосферой, напорное сопло имеет профильную заслонку, а камера смешения имеет расширение в месте сопряжения с напорным соплом.

www.findpatent.ru


Смотрите также