СПОСОБ РАБОТЫ ВПУСКНОЙ СИСТЕМЫ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
OPERATION METHOD OF INLET SYSTEM OF COMBUSTION SYSTEM AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к камерам сгорания прерывистого действия и может быть использовано в качестве аэродинамического клапана для бесклапанных пульсирующих камер сгорания или в качестве впускной системы бесклапанных поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Способы резонансно-инерционного наддува двигателей внутреннего сгорания известны достаточно давно и широко применяются в качестве дополнительных средств борьбы за повышение эффективности двигателей. Основным механизмом работы систем резонансно-инерционного наддува является накопление во впускной системе кинетической энергии потока в процессе фазы всасывания, когда впускные клапаны открыты, и преобразование ее в потенциальную энергию давления во впускной системе в фазах, когда впускные клапаны закрыты, для чего осуществляется акустическая настройка характеристик впускной системы, в том числе добавление в ее структуру акустических резонаторов.
Известны резонансно-инерционные впускные системы (US 4515115, F02B 75/22, 07.05.1985, US 6848408B1, F02M 35/10, 01.02.2005), состоящие из последовательно соединенных акустической массы и акустической емкости, представляющих собой резонансные впускные трубы и ресивер соответственно. В фазе всасывания под действием разрежения воздух ускоряется в резонансных трубах и приобретает кинетическую энергию, которая в последующем, при закрытии впускных клапанов, преобразуется посредством торможения потока в потенциальную энергию давления.
Известна впускная система (US 8083494B2, F04F 5/00, 27.12.2011) камеры сгорания прерывистого действия, представляющая собой акустически настроенную многоступенчатую эжекторную систему, состоящую исключительно из последовательных акустических масс. При этом работа впускной системы обеспечивается за счет принудительного наддува высокоскоростной струей газообразного топлива.
Потенциальным недостатком вышеуказанных технических решений является резкое ухудшение аэродинамических характеристик впускной системы в случае наличия циклического обратного выхлопа из камеры сгорания во впускную систему, имеющего место в бесклапанных камерах сгорания прерывистого действия. Данный недостаток обусловлен возбуждением реверсивных колебаний потока воздуха во впускной системе, приводящих к недопустимому увеличению активной и реактивной составляющих ее аэродинамического сопротивления. Фактически применение подобных методов резонансно-инерционно наддува становится неэффективным в бесклапанных камерах сгорания прерывистого действия.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа заявляемого способа и устройства, является впускная система (US 4300488, F02B 27/00, 17.03.1981), состоящая из двух акустических емкостей, представляющих собой впускной ресивер и резонансную емкость, соединенных между собой акустической массой, представляющей собой резонансную трубу. Резонансная емкость, в свою очередь, соединена с впускным отверстием посредством короткого впускного патрубка. В фазе всасывания под действием разрежения в резонансной емкости воздух ускоряется в резонансных трубах и приобретает кинетическую энергию, которая в последующем, при закрытии впускных клапанов, преобразуется посредством торможения потока в потенциальную энергию давления в резонансной емкости и таким образом осуществляется наддув впускных патрубков. Несмотря на то что данное техническое решение позволяет обеспечить минимальную длину непосредственно впускных патрубков и снизить их сопротивление, при наличии циклического обратного выхлопа из камеры сгорания будет происходить возбуждение реверсивных колебаний потока воздуха во впускной системе, создающих недопустимое увеличение активной и реактивной составляющих аэродинамического сопротивления всей системы. Кроме того, данное техническое решение не позволяет рекуперировать энергию обратного выхлопа для повышения наддува впускной системы.
Цель изобретения заключается в повышении характеристик бесклапанных схем камер сгорания прерывистого действия до уровней схем с механическими клапанами.
Технический результат заключается в расширении возможностей практического применения высокотехнологичных камер сгорания прерывистого действия с бесклапанными впускными системами.
Поставленная цель и технический результат достигаются тем, что в способе работы впускной системы согласно изобретению для рекуперации энергии обратного выхлопа и кинетического накопления энергии всасывания рабочего тела организуется дополнительный впускной канал, реализующий акустическую схему фазоинвертора. Дополнительный канал подключен к основному впускному каналу параллельно и воспринимает давление заторможенного потока со стороны камеры сгорания посредством соединительного канала, собственная частота которого выше собственной частоты канала акустической массы фазоинвертора дополнительного впускного канала. Оба впускных канала работают на один общий для них впускной порт камеры сгорания.
Поставленная цель также достигается тем, что в устройстве впускной системы соединительный канал расположен непосредственно внутри основного впускного канала и одним концом открыт в сторону порта камеры сгорания, а другим концом соединен с акустической емкостью, выполненной в виде сосуда произвольной формы, к которому подсоединена, по меньшей мере, одна акустическая масса, выполненная в виде патрубка. Основной впускной канал может быть выполнен круглого постоянного по длине сечения, а акустическая емкость может представлять собой кольцевой сосуд, соосный с впускным каналом и имеющий с ним общую внутреннюю стенку. При этом соединительный канал может быть выполнен соосным с впускным каналом, может иметь кольцевое сечение и может быть образован путем помещения внутрь основного канала суживающего патрубка меньшего диаметра так, что наружная поверхность кольцевого сечения соединительного канала является внутренней стенкой впускного канала, а внутренняя поверхность кольцевого сечения соединительного канала является наружной стенкой суживающего патрубка.
Именно заявленные способ организации работы впускной системы и особенности конструкции устройства обеспечивают согласно изобретениям эффективное поглощение энергии обратного выхлопа, повышение эффективности инерционного наддува, а также технологичность и минимальное аэродинамическое сопротивление устройства, что приводит к повышению характеристик бесклапанных камер сгорания прерывистого действия до уровней схем с механическими клапанами и позволяет расширить возможности практического применения высокотехнологичных камер сгорания прерывистого действия с бесклапанными впускными системами. Это позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом. Сравнение заявляемых технических решений с прототипом позволило установить соответствие их критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".
Техническая сущность предложенных изобретений поясняется чертежами, на которых:
Фиг. 1 - общий вид устройства впускной системы камеры сгорания в продольном разрезе;
Фиг. 2 - вариант реализации устройства.
Способ работы впускной системы камеры сгорания представляет собой инерционный наддув впускной системы и включает в себя процессы рекуперации энергии выхлопа во впускную систему, кинетического накопления энергии газообразного рабочего тела, преобразования кинетической энергии газообразного рабочего тела в потенциальную энергию давления и инерционного перерасширения газообразного рабочего тела.
Согласно данному способу для рекуперации и кинетического накопления энергии колебания рабочего тела во впускной системе организуется дополнительный впускной канал, реализующий акустическую схему фазоинвертора и подключенный к основному впускному каналу параллельно. Принципиально фазоинвертор не отличается от резонатора Гельмгольца и представляет собой резонансную колебательную систему, состоящую из акустической емкости (АКУСТИКА: СПРАВОЧНИК / Ред. М.А. САПОЖКОВ. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и Связь, 1989. - 336 с: ил., с. 151, с. 53, табл. 4.4, для сведения), выполненной в виде сосуда произвольной формы и характеризующейся акустической податливостью объема и присоединенной к акустической емкости акустической массы, выполненной в виде канала и характеризующейся инерционностью, из-за объемного ускорения содержащейся в канале массы (ЛЕПЕНДИН Л.Ф. / АКУСТИКА. Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. Школа, 1978. - 448 с, ил., стр. 62 (II. 3.14), стр. 63 (II. 3.15), для сведения). В отличие от резонатора Гельмгольца фазоинвертор является системой, открытой как минимум с двух сторон, и допускает через себя расход рабочего тела. Поскольку возбуждение фазоинвертора происходит посредством изменения давления в акустической емкости, а не посредством ускорения акустической массы, как в случае резонатора Гельмгольца, то между колебаниями акустической массы и возбуждающими колебаниями рабочего тела имеет место сдвиг фаз 180°±90°. Конкретная величина сдвига фаз определяется главным образом соотношением собственной частоты фазоинвертора и возбуждающей рабочей частоты камеры сгорания.
Фазоинвертор возбуждается избыточным давлением при обратном выхлопе и разрежением при всасывании из атмосферы, для чего акустическая емкость дополнительного впускного канала воспринимает давление заторможенного потока со стороны камеры сгорания. В результате этого дополнительный впускной канал посредством акустической емкости одновременно поглощает энергию обратного выхлопа и преобразует накопленную акустической массой кинетическую энергию всасывания в потенциальную энергию давления. При этом накопленная акустической массой кинетическая энергия всасывания суммируется с энергией выхлопа в акустической емкости посредством инерционного торможения и преобразования кинетической энергии в потенциальную энергию давления рабочего тела. Накопленная за цикл в дополнительном впускном канале суммарная энергия колебания рабочего тела посредством обратной реакции расширения рабочего тела используется для наддува основного впускного канала вблизи фазы всасывания камеры сгорания. При этом в результате инерционного перерасширения рабочего тела в фазоинверторе в дополнительном впускном канале создается разрежение, которое в последующем способствует поглощению энергии обратного выхлопа именно дополнительным впускным каналом. Для этого акустическая емкость фазоинвертора соединяется с основным впускным каналом для восприятия давления заторможенного потока со стороны камеры сгорания посредством канала, собственная частота которого выше собственной частоты канала акустической массы фазоинвертора. Оба впускных канала работают на впускной порт камеры сгорания, общий для этих двух каналов.
Основной канал обладает минимальным аэродинамическим сопротивлением по сравнению с дополнительным каналом и обеспечивает подачу основной части рабочего тела в камеру сгорания, необходимой для работы камеры сгорания в широком диапазоне рабочих частот. При этом колебания рабочего тела в основном впускном канале существенно снижены за счет работы дополнительного впускного канала.
Применение данного способа работы впускной системы позволяет повысить удельную мощность и общий КПД силовой установки, а также обеспечить запас устойчивой работы камеры сгорания за счет повышения давления впуска и подавления колебаний зоны горения в камере сгорания в сторону впускной системы. Кроме того, предлагаемый способ работы впускной системы позволяет существенно расширить эффективный частотный рабочий диапазон впускной системы за счет ухода от резонансного режима работы и применения двухканальной схемы впускного потока.
Для реализации заявленного способа предлагается устройство, схематически представленное в продольном разрезе на фиг. 1, содержащее порт камеры сгорания 1, основной впускной канал 2, а также акустическую массу в виде как минимум одного патрубка 4 и акустическую емкость в виде сосуда 3, образующие дополнительный фазоинверторный впускной канал, который соединен через сосуд 3 с основным каналом 2 посредством соединительного канала 5, открытого в сторону порта камеры сгорания 1, так чтобы воспринимать давление заторможенного потока со стороны впускного порта камеры сгорания.
Во втором варианте устройства (фиг. 2) с целью повышения эффективности работы, технологичности, обеспечения минимальных массово-габаритных характеристик и минимального аэродинамического сопротивления основного впускного канала 2 последний выполняется круглого постоянного по длине сечения, а акустическая емкость 3 выполнена в виде кольцевого сосуда, соосного с основным каналом 2 и имеющим с ним общую внутреннюю стенку. Кроме того, соединительный канал 5 выполнен соосным с основным каналом 2, имеет кольцевое сечение и образован путем помещения внутрь основного канала патрубка 6 меньшего диаметра так, что наружная поверхность кольцевого сечения канала 5 образована внутренней стенкой канала 2, а внутренняя поверхность кольцевого сечения канала 5 образована наружной стенкой патрубка 6, через который воздух поступает в основной канал  2.
Соединительный канал 5, имеющий кольцевое сечение и расположенный непосредственно у стенки основного канала 2 позволяет использовать эффект фазового сдвига при реверсировании скорости между ядром потока и пограничным слоем в пристеночной области, в результате чего дополнительный канал поглощает основную часть энергии обратного выхлопа по всему периметру сечения основного канала 2. Данный эффект обусловлен более низкой инерционностью пограничного слоя в результате чего реверсирование скорости в пограничном слое наступает раньше чем в ядре потока.
Устройство работает следующим образом. В фазе сгорания в результате обратного выхлопа из камеры сгорания через порт 1 происходит повышение давления в основном впускном канале 2. При этом через соединительный канал 5 происходит повышение давления в акустической емкости 3 и ускорение массы рабочего тела в патрубке 4 в сторону выхлопа, таким образом, фазоинверторная схема дополнительного впускного канала приходит в положительное возбужденное состояние со сдвигом фазы, близким к 180°, относительно возбуждающего действия обратного выхлопа через порт 1.
Далее в фазе всасывания в камеру сгорания через порт 1 создается разрежение в канале 2 и через канал 5 в емкости 3. При этом в результате сдвига фаз в патрубке 4 все еще имеет место инерционное движение рабочего тела в сторону выхлопа и таким образом в емкости 3 создается усиленное разрежение за счет одновременного всасывающего действия камеры сгорания и инерционного выхлопа патрубка 4.
К моменту начала фазы обратного выхлопа в емкости 3 имеет место разрежение. Под действием данного разрежения и давления обратного выхлопа происходит ускорение рабочего тела в канале 5 в сторону акустической емкости 3 и тем самым реализуются рекуперативное поглощение дополнительным фазоинверторным каналом энергии обратного выхлопа и повышение давления в емкости 3. В то же время под действием разрежения в емкости 3 произошло ускорение рабочего тела в патрубке 4 в сторону всасывания в емкость 3. И к моменту начала фазы всасывания в камеру сгорания через порт 1 под действием инерционного торможения рабочего тела в патрубке 4 происходит повышение давления в емкости 3 и наддув основного канала 2 через канал 5. Таким образом реализуется сложение поглощенной энергии обратного выхлопа и накопленной кинетической энергии всасывания патрубка 4 в емкости 3 для наддува основного канала 2 посредством вытеснения рабочего тела из канала 5. При этом повышенное давление в емкости 3 приводит также к торможению движения рабочего тела в патрубке 4 и ускорению обратно в сторону выхлопа. Далее в результате всасывающего действия камер сгорания происходит падение давления в основном канале 2 и через канал 5 в емкости 3 и рабочий цикл повторяется.
Предлагаемый способ работы впускной системы камеры сгорания и конструкция устройства позволяют одновременно повысить удельную мощность и термодинамический КПД при сохранении высокой технологичности и высоких амплитудо-частотных характеристик бесклапанных схем камер сгорания прерывистого действия, что позволяет отказаться от применений механических клапанов.