Способ работы детонационного двигателя
METHOD OF DETONATION ENGINE OPERATION

Предполагаемое изобретение относится к двигателестроению, в частности, к детонационным двигателям. Заявленное изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в создании способа работы детонационного двигателя. Использование заявленного изобретения позволит упростить конструкцию, повысить надежность работы и улучшить экономические и экологические показатели двигателя.
Уровень техники.
КПД детонационного сгорания на 25-30% больше, чем при обычном сжигании топлива. При детонационных процессах двигатель способен работать на различных моторных топливах с улучшенными экономическими и экологическими показателями. Для того, чтобы получить эффективно действующий детонационный двигатель внутреннего сгорания, предложено несколько условий. Камера детонационного сгорания (КДС) не должна иметь движущихся частей, которые еще и нуждаются в смазке, и КДС желательно не должна иметь потребности в охлаждении. КДС должна на некоторое время запираться, чтобы создавать замкнутый объем, в котором в условиях резко нарастающего давления и повышающейся температуры могли полностью сгорать пары топлива, даже при рабочей смеси очень бедного состава. Главный рабочий орган двигателя должен двигаться очень быстро и легко без необходимости осуществления чередующихся циклов «разгона - торможения» с преодолением сил инерции, чтобы успевать полноценно «утилизировать» и без разрушительных перегрузок воспринимать энергию газов горения высокого давления (См. л. 1).
Известен детонационный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с плавающим поршнем и способ его управления по а. с. РФ 2344306 (См. л.2.), содержащий цилиндр с размещенными в нем последовательно, друг за другом двумя поршнями, отличающийся тем, что эти поршни одного диаметра, где основной поршень связан с шатуном, а плавающий поршень кинематически независимый, и между поршнями через впускной клапан и регулятор давления нагнетается масло, которое, находясь в замкнутой полости, образованной стенкой цилиндра и поршнями, воздействует своим объемом на плавающий поршень, изменяя объем камеры внутреннего сгорания, а при открытии выпускного клапана происходит циркуляция масла. Процесс управления воспламенением топливо-воздушной смеси от сжатия осуществляется с подачей избыточного объема смеси в цилиндр двигателя, отличающийся тем, что в головке блока цилиндра устанавливаются датчик давления и электромагнитный обратный клапан, которые через электронный блок управления работой двигателя поддерживают заданную степень сжатия, а определение степени сжатия момента детонации осуществляется с поступлением в цилиндр двигателя топливно-воздушной смеси одинакового качественного состава, но степень сжатия устанавливается ниже расчетной величины воспламенения, где после прохождения верхней мертвой точки, в начале рабочего хода, воспламеняется от свечи искрообразования, а с каждым тактом на работающем двигателе увеличивается степень сжатия до момента детонации смеси в верхней мертвой точке и происходит отключение работы свечи искрообразования.
Изобретение направлено на повышение эффективности управления процессом воспламенения топливно-воздушной смеси от сжатия и снижение нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма.
В известном двигателе для улучшения эффективности его работы используют начальную стадию детонационного возгорания топливо - воздушной смеси (ТВС) путем настройки степени сжатия. Однако, детонация в цилиндре с поршнем нежелательна, так как из-за воздействия ударной волны и относительно длительного пребывания раскаленных газов в цилиндре оплавляются и разрушаются элементы конструкции двигателя, происходит утечка теплоты через стенки камеры сгорания и выгорает масло. Указанные недостатки являются причиной низкой надежности и долговечности такого двигателя.
Известен детонационный двигатель внутреннего сгорания по а.с. РФ 20663839 (См. Л.3.), содержащий, по меньшей мере, блок спаренных цилиндров с разделительными поршнями, образующими газовые полости с камерами сгорания и гидравлические полости, сообщенные между собой и с гидротурбиной при помощи магистралей рабочей жидкости, отличающийся тем, что камеры сгорания цилиндров двигателя снабжены детонаторами. Изобретение относится к автомобильному транспорту и предназначено для использования в качестве силовой установки автомобилей. Задача изобретения - создание двигателя с высокими качественными характеристиками за счет применения детонационного горения.
По замыслу известный ДВС должен быть весьма эффективным за счет осуществления в нем детонационного горения и использования жидкости в качестве привода от поршней на турбину. Однако, ему присущи недостатки поршневых двигателей при реализации в них детонационного горения, а именно, большая инерционность и относительно медленный ход поршней, что ведет к задержке горящей смеси в КС, перегреву ее, утечке тепла через стенки КС и выгоранию смазки для поршней. Кроме того инерционна и сама жидкость, которая из-за своей несжимаемости оказывает значительное сопротивление при высокой скорости ее движения по каналам и при смене направления движения. Во время детонационного возгорания из-за резкого нарастания давления в КС возможны гидравлические удары в полостях с жидкостью и разрушение гидротурбины.
Известен роторный детонационный двигатель внутреннего сгорания (прототип) по а. с. RU 2685175 С1 (См. л. 4.), содержащий входную и рабочую секции, в которых находятся вращающиеся роторы с рабочими лопатками, разделенные средней стенкой, отличающийся тем, что средняя стенка между секциями выполнена в виде секции, в которой выполнена камера с детонационным сгоранием, запирающаяся на время полного сгорания топливовоздушной смеси тремя клапанами, при этом один клапан предназначен для впуска топливовоздушной смеси из входной секции в камеру сгорания, второй клапан - для выпуска рабочего тела в рабочую секцию, а третий клапан - для стравливания газов с остаточным давлением из камеры сгорания в атмосферу перед впуском в камеру сгорания очередной порции топливовоздушной смеси.
Задачей изобретения является создание высокоэффективной конструкции роторного двигателя внутреннего сгорания с КПД более 50%, в котором появляется возможность просто, с минимальными затратами и с предельно малым усложнением конструкции, встроить в технологический цикл двигателя отдельную, детонационную высокотемпературную, запираемую на время горения топливовоздушной смеси камеру сгорания, повышая начальные параметры рабочего тела для более эффективной работы. Однако, в приведенном детонационном двигателе имеются недостатки, которые препятствуют достижению поставленной цели.
Для надежного детонационного возгорания топлива в камере сгорания кроме высокой температуры еще требуется и высокое давление, которое можно получить применяя или компрессор высокого давления или за счет дополнительного сжатия воздуха в камере сгорания. В предлагаемой схеме двигателя такая возможность отсутствует. Поэтому надежность детонационного возгорание топлива в этом двигателе недостаточно высокая. Детонационное возгорание и горение топлива в замкнутой КС в течение полуоборота ротора рабочей секции ведет к значительному ее перегреву и утечке тепла через стенки КС, которые находятся на пределе термостойкости.
В результате исследования схем известных детонационных двигателей не выявлены схемы достаточно простых и надежных двигателей. Задачей изобретения является разработка способа работы детонационного двигателя простого по конструкции, надежного в работе и с высокими показателями по экономии топлива и экологии.
Сущность.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании способа работы детонационного двигателя простого по конструкции, надежного в работе и с высокими показателями по экономии топлива и по экологии.
Поставленная задача решается за счет того, что детонационный двигатель, содержащий блок управления, компрессор, камеру детонационного сгорания и исполнительный механизм (турбину), отличающийся тем, что детонационный двигатель содержит, по крайней мере, два однотипных блока, каждый из них содержит камеру детонационного сгорания и камеру сгорания с форсунками и свечами зажигания; первый вход камеры сгорания каждого блока через обратный клапан подключен к выходу компрессора, а выход через первое запорное устройство подключен к входу камеры детонационного сгорания, выход камеры детонационного сгорания первого блока подключен через первый канал к первому входу турбины и далее через второе запорное устройство, второй канал и третье запорное устройство подключен ко второму входу камеры сгорания второго блока, выход камеры детонационного сгорания второго блока через третий канал подключен ко второму входу турбины и далее через четвертое запорное устройство, четвертый канал и третье запорное устройство первого блока подключен ко второму входу камеры сгорания первого блока; в конце очередного рабочего хода в первом блоке давление газов на входе турбины понижается и становится меньше давления воздуха на выходе компрессора, открывается обратный клапан, закрывают первое запорное устройство, открывают третье и четвертое запорные устройства и продувают камеру сгорания в первом блоке и четвертый канал, с выходом воздуха в турбину, затем закрывают четвертое запорное устройство, в результате давление воздуха в камере сгорания и четвертом канале повышается до уровня давления на выходе компрессора; во втором блоке реализуют рабочий ход, открывают первое запорное устройство, поток газов детонирует в камере детонационного сгорания второго блока по третьему каналу нагнетается через второй вход в турбину, а часть этого потока нагнетает продувочный воздух из четвертого канала через третье запорное устройство в камеру сгорания первого блока, в котором закрывается обратный клапан и закрывают третье запорное устройство; после завершения подготовки к рабочему ходу во втором блоке в первом блоке реализуют рабочий ход, с началом которого впрыскивают топливо в камеру сгорания, поджигают рабочую смесь или она самовоспламеняется в зависимости от вида топлива, открывают первое запорное устройство, поток горящей смеси нагнетается в камеру детонационного сгорания, где смесь детонирует и через первый канал нагнетается в турбину, а часть этого потока нагнетает продувочный воздух из второго канала в камеру сгорания второго блока. Далее рабочие циклы двигателя выполняют аналогично.
Сущность изобретения поясняется на примере принципа действия двигателя, схема которого приведена на фиг. 1.
Двигатель содержит блок управления, компрессор (на схеме не показаны), турбину 3 и два однотипных блока - Б1 и Б2, в состав каждого из них входит камера сгорания 5 с форсункой и со свечей зажигания (на фиг. 1 не показаны) и камера 4 детонационного сгорания, вход которой через запорное устройство (ЗУ) 6 подключен к выходу камеры сгорания КС5, первый вход, которой через обратный клапан 7 подключен к выходу компрессора; выход камеры 4 детонационного сгорания в блоке Б1 через канал 9, первый вход турбины 3 и далее через запорное устройство 14, входной канал 12 и ЗУ8 подключен ко второму входу КС5 блока Б2, выход камеры 4 детонационного сгорания в блоке Б2 через канал 10, второй вход турбины 3 и далее через запорное устройство 13, входной канал 11 и ЗУ8 подключен ко второму входу камеры КС5 первого блока Б1. Двигатель работает следующим образом:
После очередного рабочего хода в блоке Б1 давление газов на входе турбины 3 понижается и становится ниже давления воздуха на выходе компрессора, открывается обратный клапан 7, закрывают ЗУ6 и открывают ЗУ8, при открытом ЗУ 13, и воздухом из компрессора продувают камеру КС5 и входной канал 11 с выходом воздуха через ЗУ 13 в турбину. Затем закрывают ЗУ 13. В камере КС5 и в канале 11 давление воздуха повышается до уровня давления на выходе компрессора, после чего закрывают ЗУ8. В камере КС5 блока Б2 поджигают ТВС (при работе в режиме дизеля смесь после впрыска самовоспламеняется). Горящая рабочая смесь через ЗУ6 нагнетается в камеру 4 детонационного сгорания, где она детонирует и по каналу 10 поток отработанных газов нагнетается в турбину 3. Открывают ЗУ 13 и часть этого потока нагнетает продувочный воздух из входного канала 11 через ЗУ8 обратно в камеру КС5 блока Б1, при этом обратный клапан закрывается и закрывают запорное устройства ЗУ8. После нагнетания воздуха в КС5 второго блока, в первом блоке в камеру КС5 впрыскивают топливо и реализуют рабочий ход. Далее рабочие циклы двигателя повторяют аналогично.
В двигателе регулировка частоты рабочих ходов может быть осуществлена за счет управляемой задержки начала поджигания рабочей смеси от искры свечи, а в дизельном двигателе - за счет задержки впрыска топлива в КС. Варианты конструкций двигателей, работающих по предлагаемому способу, в зависимости от условий работы могут быть реализованы, например, путем упрощения схемы двигателя, приведенной на фиг. 1. Возможен вариант двигателя, в котором отсутствуют каналы 11, 12 и запорные устройства ЗУ 13, ЗУ 14 и ЗУ8 в блоках Б1 и Б2. В этом варианте двигателя при рабочем ходе в первом блоке сжатие продувочного воздуха в КС второго блока будет осуществляться потоком газа из турбины через канал 10, камеру 4 детонационного сгорания и ЗУ6 второго блока, причем входы 1 и 2 в турбину могут быть совмещены (См, л. 3).
При подключении нескольких детонационных блоков к турбине соответственно может быть увеличен интервал времени между рабочими ходами в каждом блоке.
Возможен вариант двигателя, работающего по предлагаемому способу, в котором вместо двух блоков задействован один блок и две поочередно срабатывающие камеры сгорания. Нагнетание воздуха в одну из камер сгорания такого двигателя осуществляют во время рабочего хода в другой камере сгорания.
Уменьшение попадания в КС смеси воздуха и газов может быть достигнуто за счет впрыска негорючей жидкости во входной канал в зоне контакта воздуха и нагнетаемых газов, начиная от турбины и после ЗУ8. Во время нагнетания воздуха в КС из входного канала между воздухом и газом в результате испарения жидкости образуется паровая зона, которая препятствует проникновению в КС отработанных газов, но в то же время пары жидкости создают дополнительное давление в КС, а также в турбине.
Сведения, подтверждающие возможность реализации изобретения, следующие: В качестве исполнительного механизма могут быть использованы импульсная турбина или роторно-лопастной двигатель с соосными камерой сгорания и ротором.
Во входной зоне турбины перед ее лопатками, предпочтительно, должна находиться полость для кругового движения газов с целью уменьшения разрушительного воздействия потока газов на лопатки турбины и для вывода части этого потока для сжатия ТВС в блоке.
Входной канал должен быть прямым с целью уменьшения перемешивания в нем продувочного воздуха и отработанных газов.
Количество воздуха, нагнетаемого из входного канала в КС, должно быть достаточным для получения заданной степени сжатия и для образования смеси воздуха и нагнетаемого газа. После определения заданной степени сжатия по показаниям датчика давления закрывают вход в КС с помощью ЗУ8, а во входном канале оставляют смесь воздуха и газов.
Условия работы камер сгорания примерно такие же, как и в серийных ДВС. Потери тепла и перегрев камеры сгорания в двигателе незначительны из-за кратковременного нахождения в них горящей ТВС, детонация которой происходит за пределами камеры сгорания, а именно в камере детонационного сгорания.
Запорные устройства для уменьшения сопротивления потоку газов и уменьшения усилия при повороте могут быть выполнены, предпочтительно, в виде вала с каналами для прохода газов, вращающегося в подшипниках, предпочтительно, игольчатых, под действием управляемого электромагнитного привода.
Управление работой узлов двигателя осуществляют по сигналам датчиков с помощью электронного блока управления.
Источники информации:
Л.1. Возможен ли детонационный двигатель? Статья от создателя роторного двигателя Исаева И.Ю.
Л.2. а. с. РФ 2344306. Детонационный двигатель внутреннего сгорания с плавающим поршнем и способ его управления.
Л.3. а. с. РФ2066383. Детонационный двигатель внутреннего сгорания.
Л.4. а. с. RU3685175C1. Роторный детонационный двигатель внутреннего сгорания.