ДВИГАТЕЛЬ
ENGINE

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, в частности к поршневым или роторным двигателям внутреннего сгорания, преимущественно с вихревой камерой или предкамерным, имеющим разделенную камеру сгорания.
Известен двигатель, включающий цилиндр (цилиндры), поршни, пальцы, кривошипно-шатунный механизм с коленчатым валом, клапаны, коллектор, блок, головку блока, в которой выполнена вихревая камера, имеющая чаще всего форму сферы, соединенная с цилиндром каналом направленным, под некоторым углом к днищу поршня, с устройством подачи топлива, например форсункой, имеющая спираль накаливания в виде свечи, расположенную в отверстии верхней части камеры и неохлаждаемый вкладыш из жаростойкой стали, который служит тепловым аккумулятором, воспринимающим тепло в процессе горения и отдающим его в процессе сжатия. Имеется также стопорный болт для фиксации вкладыша. Благодаря наличию нагрева вкладыша повышается температура рабочей смеси в конце сжатия и сокращается период задержки воспламенения топлива. Это обеспечивает стабильность рабочего процесса при переменных оборотах и нагрузках.
Однако двигатели с вихревой камерой имеют повышенный расход топлива, что объясняется дополнительными тепловыми потерями в вихревой камере и гидравлическими потерями на перетекание газов из вихревой камеры в цилиндр и обратно (см. Ицкович A.M. Основы теплотехники. М. Издательство «Высшая школа», 1970, стр. 261-262).
Канал в виде трубы, соединяющий сферическую камеру с цилиндром двигателя, обуславливает большие потери энергии при перетекании через него газов.
Спираль накаливания в виде свечи, являющаяся, в основном, устройством воспламенения (запальное устройство), недостаточно эффективна для подогрева объема сферической камеры (в дополнение к нагреву вкладыша продуктами сгорания), так как является локальным, точечным источником тепла.
При сжигании углеводородов (бензин, дизельное топливо) атомы водорода, соединяясь с атомами кислорода воздуха, образуют воду в виде пара, на образование которого также требуется тепло, отбираемое от теплотворной способности горючего.
Известен также роторный двигатель по патентному документу ES 2387373 А1, опубл., 20.09.2012 г., для работы с применением альтернативного топлива - растительного масла с использованием воды, включающий статор, один или несколько роторов, предкамеру с формой, близкой к сферической, сужающийся канал для соединения предкамеры с рабочей полостью ротора, свечу накаливания, инжектор для подачи растительного масла, инжектор для подачи воды. Наличие двух инжекторов расширяет диапазон применяемых топлив, например, альтернативных, в том числе с использованием воды.
Сужающийся канал подобно брандспойту, формируя струю газов, увеличивает скорость продуктов сгорания на срезе и дальность их выброса, однако имеет повышенное сопротивление при перетекании газов через канал.
Свеча накаливания, являющаяся, в основном, устройством воспламенения (запальное устройство) недостаточно эффективна для подогрева объема сферической камеры (в дополнение к нагреву вкладыша продуктами сгорания), так как является локальным, точечным источником тепла.
Помимо расходования теплоты на парообразование при окислении горючего в двигателе, по данному патенту, кроме того, требуется дополнительно значительное количество теплоты на парообразование воды, специально подаваемой из отдельного инжектора.
В обоих вышеуказанных патентах может потребоваться теплота и на испарение той воды, некоторое количество которой может присутствовать как в горючем, так и в воздухе.
Теплотворная способность топлива снижается, так как часть теплоты горения затрачивается на испарение воды.
Известен также двигатель внутреннего сгорания по авторскому свидетельству СССР 942214 F02B 10/16, опубл. 07.02.1982 г., содержащий установленную в головке цилиндров топливоподающую форсунку и сферическую вихревую камеру, образованную поверхностями головки цилиндров и вставками, имеющей канал, направленный тангенциально к сфере камеры и расположенный напротив топливной форсунки. Канал выполнен расширяющимся в виде диффузора с прямолинейными боковыми стенками. Прямолинейные боковые стенки диффузора также обуславливают значительные потери энергии.
Необходимость высококачественного распыливания топлива и смешивания его с воздухом, стремление по возможности равномерно распределить топливо в объеме камеры для повышения полноты сгорания горючей смеси требует впрыскивания топлива из форсунок под большим давлением, что приводит к значительным затруднениям конструктивного и эксплуатационного характера. Поэтому и создаются предкамерные двигатели и двигатели с вихревой камерой. Однако эти двигатели имеют несколько повышенный расход топлива, что объясняется дополнительными тепловыми потерями в вихревой камере и потерями энергии на перетекание газов из вихревой камеры в цилиндр и обратно. Вышеуказанные известные двигатели в полной мере имеют эти недостатки.
Известен также двигатель по патентному документу DE 2387374 А1, опубл. 25.08.1977 г., включающий цилиндр (цилиндры), поршни, пальцы, кривошипно-шатунный механизм с коленчатым валом, клапаны, коллектор, блок, головку блока, в которой выполнена вихревая камера, имеющая форму сферы, соединенная с цилиндром каналом, направленным под некоторым углом к днищу поршня, свечу зажигания, устройство подачи топлива, вкладыш с каналом, соединяющим сферическую камеру с цилиндром, выполненным в виде сопла Лаваля.
Использование сопла Лаваля способствует ускорению процесса перетекания газа из сферической камеры в цилиндр за счет высокой скорости истечения газов.
Известен также двигатель по патентному документу JPS 5489136 опубл. 14.07.1979 г. (см. реферат, чертежи), имеющий вихревую камеру полусферической формы, переходящей в цилиндрическую или в участок с криволинейной образующей, у которого вкладыш воспринимает не только тепло от продуктов сгорания в процессе горения (и отдает его в процессе сжатия), но и от электрического сопротивления («экзотермическое тело»), спирально расположенного от центра к периферии вкладыша на днище камеры и вокруг канала, направленного под некоторым углом к днищу поршня (фиг. А) либо радиально от центра к периферии (фиг. В). Электрическое сопротивление устанавливается также на поверхности участка с криволинейной образующей (фиг. 3). Электрическое сопротивление в виде спирали выполнено заодно целое с вкладышем, изготовленным в виде обмуровки, образуя «экзотермическое тело» - подогреватель. Из реферата к вышеуказанному патентному документу следует, что указанное экзотермическое тело, заменяет свечу накаливания («Glow Plag).
В данном двигателе перетекание воздуха при сжатии из цилиндра в камеру происходит через обогреваемый канал.
При этом путем нагрева канала и периферийной части нижней стенки предкамеры топливо интенсивно испаряется, вихреобразование усиливается, диффузия и распыление топлива улучшаются, что способствует ускорению зажигания и улучшению запуска двигателя.
Однако изготовление электрического сопротивления, являющегося нагревательным элементом, в виде спирали заодно целое с вкладышем, выполненным в виде обмуровки, снижает теплопередачу от экзотермического тела к газам, так как обмуровка задерживает тепловой поток, сложно технологически.
При выходе из строя электрического сопротивления (спирали) возникает необходимость замены вкладыша в целом. Для замены вкладыша хотя бы для одного цилиндра приходится полностью снимать головку блока, а это трудоемкая и ответственная операция. Снижается ремонтопригодность изделия, повышаются эксплуатационные затраты.
Данное техническое решение принято в качестве ближайшего аналога заявляемого изобретения.
Задача заявляемого изобретения состоит в создании двигателя с вихревой камерой, обеспечивающей следующие технические результаты:
- улучшение условий теплопередачи по сравнению с аналогом и дальнейшее снижение теплопотерь при подаче воздуха из цилиндра в вихревую камеру, как следствие дальнейшее снижение расхода топлива при этом;
- повышение температуры нагрева воздуха при подаче его из цилиндра в вихревую камеру, а также температуры продуктов испарения, сгорания при движении в обратном направлении, их энтальпии (теплосодержания), доведение этих параметров до высоких энергетических показателей, а в случае применения альтернативного топлива с применением воды - до состояния воды в виде перегретого пара с температурой порядка 400…500°С. Получаемый при более низких температурах насыщенный пар в зависимости от степени сухости может иметь значительное содержание влаги в виде мельчайших капель воды, содержащих различные соли, которые осаждаются на поверхностях, снижая проходные сечения и ухудшая теплопередачу;
- улучшение равномерности распределения горючего в объеме сферической камеры, улучшение условий вихреобразования в ней, смешивания компонентов топлива, их испарения, сгорания;
- снижение потерь энергии при движении газов из сферической камеры в цилиндр через канал;
- улучшение работы канала на переходных режимах;
- улучшение технологичности изготовления и ремонтопригодности, снижение эксплуатационных затрат.
Для решения поставленной задачи предложен двигатель, например, цилиндро - поршневой, содержащий цилиндр (цилиндры), поршни, пальцы, кривошипно-шатунный механизм с коленчатым валом, клапаны, коллектор, блок, головку блока, в которой выполнена вихревая камера, имеющая, например, форму сферы или близкую к ней, образованную поверхностями головки блока и вкладыша, имеющего канал для соединенная с цилиндром, направленный по касательной к сферической камере, например, под прямым или некоторым углом к днищу поршня, выполненный, например, в виде диффузора либо сопла Лаваля, зажигательное устройство (воспламенитель) в виде электрической свечи накаливания (Glow Plug), либо импульсной электроискровой свечи зажигания (Spark Plug) в зависимости от вида применяемого топлива, стопорный болт для фиксации вкладыша, подогреватель в котором, согласно заявляемому изобретению, выполнен в виде спирального нагревателя, расположенного на наружной поверхности корпуса вкладыша и может быть выполнен съемным по типу кипятильника либо по типу закрытой отдельными съемными изоляторами спирали электроплиты, при этом корпус вкладыша воспринимает тепло, контролируемое датчиком температуры, например термопарой, не только от продуктов сгорания, но и от спирального нагревателя, в разъеме между верхним торцом вкладыша и торцом корпуса головки сферической камеры установлена герметизирующая прокладка, канал для соединения сферической камеры с цилиндром выполнен в виде диффузора с вогнутыми криволинейными стенками либо сопла, например, Лаваля и размещен во вкладыше, нагреваемом спиральным нагревателем, при этом сопло Лаваля выполнено с косым срезом с углом среза в интервалах от 30 до 45 градусов при наклоне сопла вправо и от 65 до 89 градусов при наклоне сопла влево.
Согласно заявляемому изобретению корпус вкладыша, корпус верхней части сферической камеры имеют канал, каналы, либо полость для подвода рабочего тела к форсункам, а при расположении в сферической камере нескольких форсунок они ориентированы под углом друг к другу в направлении, например, к центральной зоне камеры, обеспечивающим соударение струй распыляемых компонентов (компонента).
Согласно заявляемому изобретению в сферической камере в качестве зажигательного устройства установлен тепловой импульсный лазер, в корпусе вкладыша установлена вставка из катализатора, расположенная напротив форсунки, может быть установлен микроволновый магнетрон, а нижняя часть вкладыша имеет срез (срезы) для фиксации вкладыша от поворачивания вокруг вертикальной оси.
Согласно заявляемому изобретению сферическая камера вынесена из головки блока и выполнена отдельным узлом.
При реализации изобретения обеспечиваются высококачественное, мелкодисперсное распыливание компонентов топлива в объеме сферической камеры, смешивание их между собой, с воздухом, улучшаются условия для испарения и горения паров компонентов, образующих горючую смесь, снижаются до минимума тепловые потери при перетекании относительно холодного воздуха из цилиндра в вихревую камеру при такте сжатия и при движении продуктов сгорания в обратном направлении при рабочем ходе, повышение энергетических, тепловых параметров рабочего тела, в том числе в случае применения альтернативного топлива с использованием воды до ее приведения в состояние в виде перегретого пара, компенсируются потери теплотворной способности горючего на испарение воды при окислении углеводородов, ее наличия или при ее подаче, снижаются гидравлические потери, возникающие при перетекании воздуха из цилиндра в сферическую камеру и газов обратно, ускоряются процессы запуска и рабочего хода, повышается мощность и быстроходность двигателя, снижается расход компонентов топлива, улучшаются показатели ремонтопригодности, снижаются эксплуатационные расходы, что объясняется следующим образом.
Дополнительный нагрев рабочего тела, его более высокие энергетические тепловые параметры обеспечивается за счет установки нагревательного элемента в виде спирали по типу кипятильника либо спирали электроплитки на наружной поверхности корпуса вкладыша (исключается обмуровка, которая сама поглощает тепло, имеет большое термическое сопротивление и снижает тепловой поток от собственно спирали воздуха при подаче его из цилиндра в вихревую камеру). Это обеспечивает более высокую температуру поступающего из цилиндра в вихревую камеру воздуха, следовательно, более интенсивное испарение рабочего тела и более полное сгорание его, которое улучшается с повышением температуры.
Дополнительный подогрев рабочего тела - дизельного топлива, альтернативного топлива, в том числе воды перед форсунками, обеспечивается также за счет подачи их к форсункам через соосный канал (каналы) в нагреваемом вкладыше и в корпусе вихревой камеры, либо через сообщающуюся полость между ними. Эти мероприятия при использовании альтернативного топлива, например растительного масла, с применением воды позволяют довести параметры воды до состояния перегретого пара.
Стык между верхней торцевой поверхностью вкладыша герметизирован уплотняющей прокладкой. Наличие предлагаемых канала (каналов) либо сообщающейся полости для подачи рабочего тела к форсункам за счет передачи части тепла рабочему телу предохраняет вкладыш и корпус вихревой камеры от перегрева, контроль за которым осуществляется термопарой. При этом вкладыш может быть изготовлен из огнеупорного материала, например керамического.
Улучшение равномерности распределения горючего в объеме сферической камеры, улучшение условий смешивания компонентов топлива, их испарения и сгорания, обеспечивается за счет мелкодисперсного распыления горючего за счет соударения струй горючего от форсунок в центральной зоне камеры.
Применение диффузора с вогнутыми криволинейными боковыми стенками позволяет снизить потери энергии по сравнению с диффузором с прямолинейными боковыми стенками. Так, в диффузорах с постоянным градиентами давления (Р) по длине диффузора dp/dx=const или скорости (V) dv/dx=const может быть достигнуто снижение потерь до 25% по сравнению с прямыми диффузорами (см. Г.Н. Абрамович. Прикладная газовая механика. Издательство «Наука». Главная редакция физико-математической литературы. М., 1976 г., с. 451-452.).
Улучшение работы канала в виде сопла, например, Лаваля, соединяющего вихревую камеру с цилиндром, в случаях, когда двигатель работает на переменных режимах достигается также применением сверхзвукового сопла с косым срезом (плоскость среза не перпендикулярна оси потока) с углами среза в интервалах от 30 до 45 градусов при наклоне вправо и от 65 до 89 градусов при наклоне влево. Потери энергии при сверхзвуковом истечении газа из сопла с косым срезом на переменных режимах оказываются при этом значительно меньшими, чем в сверхзвуковом сопле с прямым срезом (см. С.И. Исаев, В.М. Миронов, В.М. Никитин, В.И. Хвостов. Основы термодинамики, газовой динамики и теплопередачи. М., «Машиностроение», 1968 г., с. 185-186).
Применение микроволнового магнетрона в качестве нагревателя рабочего тела при изготовлении вкладыша из керамического диэлектрического материала предусматривается дополнительно, например, в случае применения альтернативных компонентов с использованием воды. Микроволны вызывают колебания молекул воды, а возникающее при этом трение молекул также влечет повышение температуры.
Улучшение параметров технологичности изготовления достигается за счет применения нагревательного элемента (спирали) - съемным по типу кипятильника либо закрытой отдельными изоляторами спирали электрической плиты, выпускаемыми серийно.
Улучшение ремонтопригодности и снижение эксплуатационных затрат обеспечивается за счет выполнения сферической камеры отдельным от головки блока узлом.
При анализе известного уровня техники не выявлено технических решений, имеющих аналогичную заявляемому техническому решению совокупность конструктивных признаков, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критериям изобретения: «новизна», «изобретательский уровень».
Заявляемое техническое решение может быть использовано в машиностроении, а именно в двигателестроении, в частности в поршневых и роторных двигателях внутреннего сгорания, преимущественно с вихревой камерой или предкамерным, имеющих разделенную камеру сгорания, может быть промышленно изготовлено на стандартном оборудовании, что свидетельствует о соответствии его критерию «промышленная применимость».
Изобретение подтверждается нижеприведенным его описанием и поясняющими его чертежами.
На фиг. 1 показан общий вид двигателя в разрезе;
На фиг. 2 показан вкладыш со спиральным нагревателем в сборе;
На фиг. 3 показана спираль нагревателя в виде кипятильника;
На фиг. 4 показана спираль нагревателя в виде электрической плиты;
На фиг. 5 показан канал вкладыша в виде сопла Лаваля с косым срезом;
На фиг. 6 показан канал вкладыша в виде диффузора с криволинейными боковыми стенками;
На фиг. 7 показана вихревая камера со вставкой катализатора и устройством воспламенения в виде импульсной электрической свечи зажигания (разрез);
На фиг. 8 показана вихревая камера с устройством воспламенения в виде теплового импульсного лазера (разрез);
На фиг. 9 показана вихревая камера со вставкой микроволнового магнетрона из огнеупорного, например, керамического диэлектрического материала (разрез);
На фиг. 10 показана вихревая камера с внутренним каналом подвода горючего к форсунке и герметизирующей прокладкой между торцами вкладыша и верхней части сферической камеры (разрез);
На фиг. 11 показана вихревая камера с внутренней полостью для подвода горючего к форсунке и герметизирующей прокладкой между торцами вкладыша и верхней части сферической камеры (разрез);
На фиг. 12 показано сечение по А-А фиг. 11;
На фиг. 13 показана вихревая камера с внутренним каналом для подвода горючего и внутренним каналом для подвода окислителя либо воды к соответствующим форсункам (разрез);
На фиг. 14 показано сечение по А-А фиг. 13;
На фиг. 15 показана верхняя часть вихревой камеры, например, с тремя форсунками, для повышения надежности работы, либо одна из которых – центральная - предназначена для подачи горючего компонента, а крайние - для подачи окислительного компонента, например, при недостатке кислорода на высоте (в горной местности) - разрез;
На фиг. 16 показана вихревая камера, выполненная отдельным от головки блока узлом (разрез).
Двигатель содержит цилиндр (цилиндры) 1 с поршнями 2, пальцы 3, кривошипно-шатунный механизм с коленчатым валом (не показаны), клапаны 4, коллектор 5, головку 6 блока 7 с водяной рубашкой 8, вихревую камеру 9, имеющую, например, форму сферы или близкую к ней, образованную поверхностями головки 6 и вкладыша 10, имеющего канал 11 для соединения с камерой сжатия 12 цилиндра 1, направленный, например, по касательной к сферической вихревой камере 9, под прямым или некоторым углом к днищу поршня 2, выполненный, например, в виде диффузора или сопла, в частности, Лаваля, зажигательное устройство в виде электрической свечи 13 накаливания (Glow Plug) либо электроимпульсной свечи зажигания (Spark Plug), устройство подачи топлива 14 в виде форсунки (инжектора), подогреватель.
Подогреватель выполнен в виде электрического спирального нагревателя 15, расположенного на наружной поверхности корпуса 16 вкладыша 10, и может быть выполнен съемным по типу кипятильника (фиг. 2) либо по типу закрытой отдельными съемными изоляторами спирали электрической плиты (фиг. 4).
На фиг. 2 показана сборка подогревателя в виде кипятильника, где на корпус 16 вкладыша 10 концентрично надет изолированный провод, выполненный по спирали 15 с выводами 17 для подключения электропитания. Спираль нагревателя представлена на фиг. 3.
Корпус 16 вкладыша 10 имеет расположенные напротив скосы 18 для предотвращения проворачивания вкладыша вокруг вертикальной оси и смещения канала 11 относительно цилиндра 1 (фиг. 2).
На фиг. 4 показан спиральный нагреватель в виде спирали электроплиты, закрытой съемными изоляторами 19 с выводами 17 для подключения электропитания. Круговая образующая спирали в этом случае выполнена внутренним 20 и наружным 21 кольцами. Внутренним кольцом 20 спиральный нагреватель одевается на корпус 16 вкладыша.
Концевые части спирального нагревателя 15 закрыты накладкой 22 (фиг. 1), которая крепится к головке 6 болтами 23.
В верхней части вкладыша 10 установлен датчик температуры 24 (фиг. 1), например, термопара для контроля и последующего регулирования температурного режима в вихревой камере 9.
Между соприкасающимися торцевыми поверхностями вкладыша 10 и головки 6 установлена герметизирующая прокладка 25 (фиг. 1).
Канал 11 вкладыша 10 может иметь наклон как в правую сторону (фиг. 1), так и в левую сторону (фиг. 10), обеспечивая при этом завихрение потока при такте сжатия, соответственно, против часовой стрелки, или по часовой стрелке. Он может быть выполнен в виде сопла Лаваля с косым срезом (фиг. 5) или в виде диффузора с криволинейными боковыми стенками (фиг. 6).
При выполнении канала в виде диффузора с криволинейными боковыми стенками потери энергии могут быть существенно меньше по сравнению с диффузорами с прямолинейными стенками.
При выполнении канала в виде сопла Лаваля с косым срезом с вращением потока против часовой стрелки угол среза сопла (равен углу наклона) расположен в интервале от 30 до 45 градусов, а при вращении потока по часовой стрелке - в интервале от 60 до 85 градусов. Данные углы определяются расположением вихревой камеры 9 относительно камеры сжатия 12 цилиндра 1.
Вставка 26 (фиг. 7) из катализатора помещается в сферической камере 9 напротив форсунки 14 под струю распыляемого горючего, обеспечивает каталитическое разложение горючего при доступе воздуха с выделением теплоты, как это обеспечивается в катализаторных двигателях и катализаторных нагревателях. Продукты каталитического разложения могут воспламеняться от импульсной электрической свечи зажигания 27. Применение катализатора (например, окиси ванадия, никеля) позволяет снизить содержание СО в выхлопных газах.
В качестве устройства (инициатора) воспламенения может быть использован тепловой импульсный лазер 28 (фиг. 8). У такого устройства воспламенения отсутствуют электроискровые контакты как у импульсной электрической свечи зажигания, которые в процессе эксплуатации подгорают и закоксовываются.
В качестве целенаправленного испарителя воды для компенсации потерь теплотворной способности горючего, расходуемой на превращение воды в пар может быть использован микроволновый магнетрон 29, размещаемый на периферии сферической вихревой камеры 9 (фиг. 9). В данном случае корпус вкладыша 10 изготавливается из жаропрочного керамического материала (диэлектрика). Микроволны, генерируемые магнетроном, вызывают колебания молекул воды, содержащихся в топливе, а возникающее при этом трение молекул влечет за собой повышение температуры и преобразование воды в пар.
На фиг. 10 вкладыш 10, прокладка 25 и часть головки блока 6, образующая с вкладышем 10 сферическую камеру 9, имеют ориентированный соосно внутренний канал 30, который и соединен с подающим трубопроводом 31 от топливного насоса высокого давления (ТНВД - не показан) и с трубопроводом 32 форсунки 14. Это обеспечивает подогрев горючего и предохраняет составные части сферической камеры 9 от перегрева.
На фиг. 11 часть головки 6, образующая с вкладышем 10 сферическую камеру 9, имеет круговую в сечении полость 33, которая соединена с подающим трубопроводом 31 от топливного насоса высокого давления (ТНВД) и с трубопроводом 32 форсунки 14. Это позволяет повысить интенсивность нагрева горючего и эффективность охлаждения сферической камеры 9 от перегрева. Корпус вкладыша 10 при этом выполнен из жаростойкого огнеупорного материала, например керамического. Стык соприкасающихся через прокладку 25 торцов корпуса вкладыша 10 и головки блока 6 при этом выполнен ниже центра сферической камеры 9. Это позволяет значительно уменьшить протяженность стыка верхней части головки 6 и вкладыша 10. Уменьшение длины данного стыка снижает сопротивление движению газов по внутренней поверхности камеры, улучшает процесс вихреобразования.
В случае применения альтернативных рабочих компонентов, например горючего с использованием воды в сферической камере 9 установлены две форсунки, одна, например, 14, для подачи горючего, другая 34 - для подачи воды (фиг. 13).В данном случае к каждой из форсунок 14 и 34 подведены через каналы 32 и 38 внутренние каналы 35 и 36 (фиг. 14), расположенные в головке 6 блока 7, соединенные с трубопроводами 31 и 37 отдельных насосов высокого давления (ТНВД). Форсунки 14 и 34 установлены под углом друг к другу в направлении их осей к центральной зоне сферической камеры 9, обеспечивающем соударение струй распыляемых компонентов, в результате этого создается мелкодисперсный, тонкий распыл компонентов, их лучшее перемешивание и испарение.
Установка трех форсунок (фиг. 15) повышает показатели надежности двигателя, так как при выходе из строя, например, при закоксовывании одной форсунок ее работа дублируется. Имеется возможность, например, подачи горючего компонента через центральную форсунку 14, а окислительного компонента - через крайние форсунки 39 и 40. Это может потребоваться при недостатке кислорода (в горной местности). В центральную форсунку 14 можно подавать воду по трубопроводу 41, а в крайние форсунки 39, 40 - горючее по трубопроводам 42 и 43. Такая установка форсунок также дает возможность использовать для подачи в сферическую камеру 9 горючих «Г» и окислительных «О» компонентов высокоэффективных ракетных топлив.
На фиг. 16 представлено выполнение сферической камеры 9 отдельным от головки 6 блока съемным узлом. Верхняя часть 44 корпуса сферической головки крепится к головке блока 6 болтами 45. Прокладка 25 обеспечивает герметичность стыка корпуса 44 и блока 6. Такая конструкция позволяет снять сферическую камеру при обслуживании и ремонте, без демонтажа всей головки блока 6.
Работа двигателя, например, цилиндро-поршневого осуществляется путем подачи горючего из форсунок с определенным углом опережения впрыска в сферическую камеру 9, в воздух, нагретый как за счет сжатия, так и дополнительно подогретый спиралью 15 при прохождении через канал 11 и в самой вихревой камере 9.
За счет интенсивного вихреобразования горючее при подаче в камеру 9 интенсивно перемешивается с воздухом, испаряется, воспламеняется с минимальной задержкой воспламенения и сгорает с большой скоростью горения, так как с повышением температуры интенсивность горения возрастает. При использовании воды она испаряется при этом до состояния перегретого пара, давление которого на поршень, как парциальное складывается с давлением продуктов сгорания.
Через канал 11 продукты сгорания и перегретый пар выбрасываются в камеру сжатия 12 цилиндра 1, давят на поршень 2, совершая рабочий ход. Опорожнение сферической камеры 9 должно быть выполнено в возможно короткое время, гидравлические потери в канале 11 должны быть сведены к минимуму, а скорость достигать максимально возможных значений, чему способствует применение диффузора с криволинейными боковыми стенками и форма стенок сопла Лаваля, расширяющаяся по кривой параболы после критического сечения.
При такте выпуска цилиндр 1 сообщается с атмосферой, в этом случае при использовании канала 11 в виде сопла Лаваля с косым срезом скорость рабочего тела на выходе из канала 11 стремится достичь скорости звука. Это обеспечивает сокращение времени такта выпуска, цикла в целом, повышает быстроходность двигателя, способствует снижению коэффициента остаточных газов в цилиндре.
Дополнительный подогрев холодного воздуха при подаче его через канал 11 и в вихревой камере 9 снижает потери тепла по сравнению с пассивным нагревом вкладыша продуктами сгорания, как следствие, снижает расход топлива, особенно актуален при запуске двигателя в северных районах при низких температурах (до температуры минус 40°С, которая регламентируется техническими условиями на машины как предельная). За счет теплопередачи через стенку между сферической камерой 9 и водяной рубашкой 8 (фиг. 1) головки 6 блока 7 при включенной электрической спирали 15 (фиг. 2) выполняется подогрев охлаждающей жидкости в водяной рубашке 8, а вкладыш со спиралью 15 работает при этом как предпусковое нагревательное устройство, обеспечивая надежный запуск и устойчивую работу двигателя.