ДВИГАТЕЛЬ С ИМПУЛЬСНОЙ ДЕТОНАЦИЕЙ, РАБОТАЮЩИЙ НА ВОЗДУШНО-ТОПЛИВНОЙ СМЕСИ
INTERMITTENT DETONATION ENGINE OPERATING ON AIR-FUEL MIXTURE

Настоящее изобретение относится к двигателям с импульсной детонацией (импульсным детонационным двигателям), работающим на легковоспламеняющейся воздушно-топливной смеси, воспламеняемой при помощи низкоэнергетических средств зажигания, например наподобие свечи зажигания двигателя внутреннего сгорания.
В известном двигателе с импульсной детонацией такого типа установлена, по меньшей мере, одна преддетонационная трубка диаметра, меньшего, чем у камеры сгорания указанного двигателя, причем преддетонационная трубка выходит в камеру сгорания и снабжена низкоэнергетическими средствами зажигания, расположенными на одном конце преддетонационной трубки.
Когда легковоспламеняющаяся воздушно-топливная смесь, содержащаяся в преддетонационной трубке, воспламеняется при помощи низкоэнергетических средств зажигания, в этой трубке создается режим ламинарного факела под действием очень малой скорости распространения, порядка от нескольких см/с до нескольких мм/с.
По мере распространения такого пламени через преддетонационную трубку первоначально наблюдается ускорение, связанное с расширением продуктов сгорания (обладающих меньшей плотностью, чем свежие газы) под действием «поршневого» эффекта, который вынуждает фронт пламени дестабилизироваться, складываться (под действием вязкости и граничных слоев на стенках), таким образом, пламя становится турбулентным; площадь его поверхности возрастает так же, как и скорость высвобождения энергии, все это дополнительно способствует увеличению его ускорения.
Скорость пламени, таким образом, переходит от нескольких см/с к нескольким сотням м/с и достигает режима, известного как режим «тепловой блокировки». Пламя затем распространяется со скоростью, близкой к скорости звука, относительно отработавших газов, а именно порядка от 800 м/с до 900 м/с для воздушно-топливной среды.
Это очень быстро приводит к сильным волнам давления в свежих газах, составляющих порядка нескольких бар.
Режим распространения, такой как этот, относительно нестабилен и может перерасти в режим детонации. В отличие от предшествующего ускорения, этот переход является внезапным (что называется «взрыв внутри взрыва»), волна давления становится ударной волной, и скорость пламени переходит от 800-900 м/с к 1800-2000 м/с.
В целом это явление известно как «переход от быстрого горения к детонации», и на опыте доказано, что в случае плоской трубки, расстояние, необходимое для наблюдения этого явления, составляет порядка от нескольких метров до нескольких десятков метров, в зависимости от используемых смесей.
Для того чтобы снизить это расстояние (и время), необходимое для получения перехода от быстрого горения к детонации, необходимо ускорить переход от ламинарного пламени к турбулентному пламени, и затем достичь режима тепловой блокировки как можно более быстро, и, в конечном счете, осуществить «взрыв внутри взрыва».
Для осуществления этого одной из широко используемых технологий является технология, заключающаяся в применении спирали (известной как «спираль Щелкина») или преград в форме круглых деталей, равномерно разнесенных для того, чтобы искусственно увеличить турбулентность в преддетонационной трубке.
Таким образом, длина, которую должна иметь преддетонационная трубка, может быть уменьшена до величины, составляющей 20-30 ее диаметров d1.
Во всех случаях «степень блокировки» определяется как соотношение между поперечным сечением прохода, ограниченным препятствием, и поперечным сечением прохода указанной преддетонационной трубки.
Экспериментально доказано, что наилучшая степень блокировки составляет от 0,45 до 0,5 при разнесении, соответствующем одному диаметру.
Несмотря на то что, как правило, считается, что ударная волна детонации является плоской и занимает все поперечное сечение преддетонационной трубки, фактически формируются несколько ударных волн, распространяющихся продольно и поперечно, при этом поперечные волны периодически сталкиваются.
Детонационная волна, таким образом, имеет трехмерную структуру, эта структура очень сильно зависит от динамики разложения легковоспламеняющейся смеси и, следовательно, от характеристического времени химической реакции.
Точки, расположенные на каждом пересечении между главной детонационной волной и поперечными волнами, называются «тройными точками», путь этих тройных точек определяет периодическую структуру, известную как «детонационная клетка», длина L и ширина λ (примерно составляющая от 0,6 до 0,7 L) которой взаимосвязаны с характеристическим временем, ограничивающим химические реакции в легковоспламеняющейся смеси, то есть, по существу, со временем ее возникновения.
Для того чтобы автономная и равномерная детонация распространялась по преддетонационной трубке, необходимо, чтобы диаметр этой трубки был больше, чем ширина λ детонационной клетки. Детонации, известные как «предельные» детонации, могут распространяться вдоль трубок меньших размеров, но эти явления относительно нестабильны и требуют особых условий.
Ширина клетки λ воздушно-топливных смесей (для плотности около стехиометрической плотности) составляет порядка от 50 до 60 мм (при заметном исключении метана, который имеет размер клетки более 280 мм, и определенных газообразных алкинов и алкенов, таких как этилен и ацетилен), и это, таким образом, налагает минимальное условие на диаметр d1 преддетонационной трубки, предназначенный для поддержания распространения детонационной волны.
Если детонация смогла сформироваться в указанной преддетонационной трубке - что предполагает, что указанный диаметр d1 ее больше, чем ширина λ детонационной клетки, - эта детонация затем должна быть передана в указанную камеру сгорания, диаметр которой d2 намного больше указанного диаметра d1.
Оказалось, что качество передачи зависит от критического значения Кс соотношения между указанным диаметром d1 преддетонационной трубки и шириной λ детонационной клетки. Исследования, осуществленные изначально Митрофановым и Солоухиным в 1960-е годы, а затем расширенные Моэном и Книстаутасом в 1980-е годы, показали, что это критическое значение Кс равно 13. Таким образом, оказалось, что это критическое значение связано с регулярностью ячеистой структуры и может изменяться от 13 до 24, в зависимости от смесей и их разбавления.
Таким образом:
- если d1 > Кс·λ, существует небольшое количество разъединения между ударной волной и пламенем, поскольку она преломляется между преддетонационной трубкой и камерой сгорания, но ячеистая структура волны сохраняется. Детонация передается в неизменном виде в камеру сгорания диаметра d2;
- если d1 = Кс·λ, существует разъединение между ударной волной и пламенем; однако, при определенных условиях, детонация может повторно воспламениться;
- в конечном счете, если d1 < Кс·λ, пламя отсоединено от ударной волны, и последняя не имеет достаточной амплитуды для того, чтобы повторно воспламенить смесь. Удар ослабевает и становится акустической волной. Детонация разрушается, поскольку она рассеивается между преддетонационной трубкой и камерой сгорания.
Таким образом, можно видеть, что в двигателях с импульсной детонацией вышеупомянутого типа проблема заключается в инициации детонаций в преддетонационной трубке, и затем в вынуждении этих детонаций распространяться до камеры сгорания двигателя, что приводит к существенным размерным ограничениям относительно диаметра и длины преддетонационной трубки, эти размерные ограничения делают эту трубку очень громоздкой.
Все это приводит к существенным проблемам с необходимым пространством, особенно поскольку, в известных двигателях с импульсной детонацией, указанная преддетонационная трубка устанавливается снаружи камеры сгорании, на ее осевом продолжении для того, чтобы входить в камеру по центру. Такая геометрия, конечно же, громоздкая и, более того, вызывает трудности в подаче в указанную преддетонационную трубку воздуха и топлива.
Задачей настоящего изобретения является преодоление этих недостатков.
С этой целью, в соответствии с изобретением двигатель с импульсными детонациями и контролируемым зажиганием, работающий на воздушно-топливной смеси, содержит:
- камеру сгорания, закрытую на одном из своих концов ударной стенкой, и
- по меньшей мере, две преддетонационные трубки, снабженные низкоэнергетическими средствами зажигания, сообщающиеся с камерой сгорания одним из своих концов, открытым в камеру сгорания и обращенным к ударной стенке, при этом расположение преддетонационных трубок таково, что волны, проходящие через них, отражаются ударной стенкой в камере сгорания,
характеризующийся тем, что:
- в преддетонационных трубках пламя приводится в состояние распространения, близкое к условиям тепловой блокировки, не стремясь достигнуть режима детонации; и
- детонация легковоспламеняющейся смеси, содержащейся в камере сгорания, инициируется в точке камеры сгорания, в которой давление и температура поднимаются до очень высоких значений при помощи ударных волн, образуемых в преддетонационных трубках, которые затем отражаются и фокусируются ударной стенкой в указанной точке.
Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением суть заключается не в получении детонаций в детонационных трубках, а просто в получении быстрого горения. Это помогает избежать вышеуказанных недостатков, связанных с размерами, при этом общие размеры преддетонационных трубок, воплощенных в изобретении, намного меньше размеров преддетонационных трубок, используемых в предшествующем уровне техники. Более того, двигатель в соответствии с настоящим изобретением, оборудованный, по меньшей мере, двумя преддетонационными трубками, намного более надежный в эксплуатации, чем двигатель с одной преддетонационной трубкой.
Для того чтобы уменьшить размер двигателя с импульсной детонацией в соответствии с настоящим изобретением, преддетонационные трубки, предпочтительно, располагаются по бокам относительно указанной камеры сгорания, по меньшей мере, примерно вдоль последней, это дополнительно облегчает подачу в указанные преддетонационные трубки воздуха и топлива.
В предпочтительном воплощении настоящего изобретения двигатель с импульсной детонацией содержит две преддетонационных трубки в боковых положениях, которые диаметрально противоположны относительно указанной камеры сгорания.
Предпочтительно, каждая преддетонационная трубка открыта на конце, противоположном концу, обращенному к ударной стенке, и низкоэнергетические средства зажигания расположены в промежуточной точке между этими двумя концами, например в средней части указанной трубки. В результате такого расположения воздействие градиентов давления за ведущей волной ограничено, и ускорение пламени в преддетонационной трубке усиливается. Дополнительно, указанные преддетонационные трубки, таким образом, способствуют тяге двигателя.
Предпочтительно, для получения надежного и равномерного воспламенения указанные низкоэнергетические средства зажигания содержат, для каждой преддетонационной трубки, две диаметрально противоположных свечи зажигания.
Обычно, в двигателе с импульсной детонацией в соответствии с изобретением устанавливаются последовательные внутренние преграды, определяющие степень блокировки. В соответствии с одним из признаков настоящего изобретения внутренние преграды расположены таким образом, чтобы степени блокировки уменьшались симметрично от низкоэнергетических средств зажигания до каждого из концов указанной преддетонационной трубки. Расчеты и эксперименты показали, что предпочтительным является следующее:
- с каждой стороны от средств зажигания в областях, расположенных рядом с ними, степень блокировки должна быть высокой, порядка 0,58 или больше;
- в областях, расположенных рядом с каждым из концов преддетонационных трубок, степень блокировки должна быть низкой, порядка 0,25; и
- между областями, расположенными рядом со средствами зажигания, и областями, расположенными рядом с указанными концами, степень блокировки должна быть средней, порядка 0,44.
Прилагаемые чертежи облегчат понимание того, как изобретение может быть воплощено на практике, на них идентичные ссылки обозначают подобные элементы.
Фигура 1 изображает схематичный вид в осевом разрезе одного воплощения двигателя с импульсной детонацией в соответствии с настоящим изобретением.
Фигура 2 изображает схематичный разрез по линии II-II с фигуры 1.
Фигура 3 иллюстрирует работу двигателя с импульсной детонацией в соответствии с настоящим изобретением, при помощи частичного изображения с фигуры 1.
Фигура 4 изображает схематичный продольный разрез преддетонационной трубки для двигателя с импульсной детонацией в соответствии с изобретением.
Двигатель 1 с импульсной детонацией в соответствии с настоящим изобретением, показанный схематично на фигурах 1 и 2, содержит камеру 2 сгорания, закрытую на одном из своих концов ударной стенкой 3 и открытую на конце, противоположном этой стенке. Двигатель 1 дополнительно содержит две преддетонационные трубки 4 и 5, расположенные по бокам относительно камеры 2 сгорания, в положениях, диаметрально противоположных относительно этой камеры. Таким образом, каждая преддетонационная трубка 4, 5 расположена вдоль камеры 2 сгорания.
Конец 4I преддетонационной трубки 4, обращенный к ударной стенке 3, выходит в камеру 2 сгорания через отверстие 6, в то время как конец 4Е указанной трубки 4, противоположный ударной стенке 3, открыт в форме отверстия 7.
Подобным образом, конец 5I преддетонационной трубки 5, обращенный к ударной стенке 3, выходит в камеру 2 сгорания через отверстие 8, в то время как конец 5Е указанной трубки 5, противоположный ударной стенке 3, открыт в форме отверстия 9.
Преддетонационные трубки 4 и 5 снабжены низкоэнергетическими средствами 10 или 11 зажигания соответственно. Средства 10 и 11 зажигания расположены в промежуточной точке в трубках 4 и 5 соответственно, предпочтительно в их средней части.
Система 12 подачи топлива и система 13 подачи воздуха могут питать камеру 2 сгорания и детонационные трубки 4 и 5.
Устройство управления 14 циклически приводит в действие средства 10 и 11 зажигания и подающие системы 12 и 13.
Для каждой искры, создаваемой средствами 10 и 11 зажигания в преддетонационных трубках 4 и 5, заполненных воздушно-топливной смесью, последняя является местом быстрого горения, пламя и тепловая волна которого перемещается со скоростью звука, в обоих направлениях, в преддетонационных трубках 4 и 5. Соответствующие ударные волны, символично обозначенные стрелками 15 и 16 на фигуре 3, которые проходят по направлению к отверстиям 7 и 9 соответственно, способствуют тяге двигателя 1. Соответствующие ударные волны, символично обозначенные стрелками 17 и 18 на фигуре 3 и перемещающиеся к ударной стенке 3, отражаются и фокусируются при помощи последней в точке 19 указанной камеры 2 сгорания, проходя через отверстия 6 и 8. Таким образом, давление и температура в точке 19 поднимаются до очень высоких значений, такие давление и температура могут инициировать детонацию в воздушно-топливной смеси, находящейся в камере 2 сгорания.
Как показано на фигуре 4, каждое из средств 10, 11 зажигания может предпочтительно сдержать две свечи 20, 21 зажигания, которые диаметрально противоположны относительно соответствующей преддетонационной трубки 4, 5.
Фигура 4 более схематично иллюстрирует внутренние преграды 22, расположенные в преддетонационных трубках 4 и 5, для регулирования степени блокировки BR вдоль этих трубок.
Преграды 22, расположенные по каждую сторону от средств 10, 11 зажигания в областях 23, имеют довольно высокую степень блокировки (по меньшей мере, 0,58). Это сделано для того, чтобы сформировать струю горячих газов и, таким образом, получить ламинарно-турбулентный переход как можно быстрее. Большие степени блокировки (до 0,72) будут усиливать этот эффект, но за счет скорости вытеснения отработавших газов. Поскольку эта область является областью, в которой все устройство подвергается воспламенению, необходимо обеспечить то, что как можно меньшее количество отработавших газов останется в ней.
Следующие преграды 22, расположенные в промежуточных областях 24, обладают слегка меньшей средней степенью блокировки (например 0,44), это значение считается близким к оптимальному. Ряд преград необходим для того, чтобы пламя могло ускориться от скорости в несколько десятков м/с до нескольких сотен м/с.
Ряд преград 22, расположенных в областях 25 концов 4I, 4E, 5I, 5E обладает еще меньшей степенью блокировки (например, 0,25), поскольку в этой области пламя уже имеет большую скорость, что означает, что слишком большая степень блокировки повлечет за собой замедление.
Фокусировка волн от преддетонационных трубок 4, 5 и их последующее отражение от ударной стенки 3 и от стенок обеспечивает формирование горячей точки 19 и инициацию детонации в камере 2 до того, как возвращающиеся волны расширения, образованные на открытом конце каждой трубки зажигания, повлияют отрицательным образом на это явление инициации.