На пути к детонационному двигателю

: 17 Сен 2007 , Алмазный путь длиною в три миллиарда лет , том 16,
№4

Неуправляемый детонационный срыв мягкого турбулентного режима горения – бич всех типов двигателей внутреннего сгорания. Использование контролируемого, непрерывного процесса генерации детонационных волн как основного элемента подобных двигателей приводит к качественно новому результату…

Наверняка многие из нас испуганно вздрагивали от громкого «хлопка» в двигателе проезжающего мимо автомобиля. Это — детонация. Непредсказуемость ее появления (практически взрыва) в камерах сгорания всех типов двигателей и энергетических установок, с последующим прогоранием и разрушением элементов конструкций, наводит на мысль: вместо того чтобы гасить процесс детонационного (взрывного) характера горения, не попробовать ли организовать его должным образом и использовать во благо?

Не секрет, что при достижении сверхзвуковых скоростей, например в воздушно-реактивных двигателях летательных аппаратов, а также в любых промышленных двигателях внутреннего сгорания, использующих турбулентное сжигание (а других практически и нет), существенная часть несгоревшего топлива выбрасывается в атмосферу, со всеми вытекающими отсюда последствиями для экологии. Сильно ядовитые присадки-антидоты, используемые для гашения детонации, усугубляют картину загрязнения.

В связи с этим внимание ученых всего мира привлечено к теме стабилизации детонационного горения.

Что касается реализации сжигания топливной смеси в поперечной детонационной волне (ПДВ), т. н. волне «спиновой» детонации, то приоритет в решении этой проблемы по праву принадлежит России, в частности Институту гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН. Впервые в непрерывном детонационном управляемом режиме Б. В. Войцеховскому удалось осуществить сжигание ацетиленокислородных смесей в поперечной детонационной волне [1]. После проведения этих опытов за рубежом было оформлено несколько патентов на использование режима непрерывного детонационного сжигания в ракетных двигателях.

Иными словами, то, что считали вредоносным явлением и от чего пытались избавиться много лет, стало неотъемлемым элементом, входящим в основу проектирования нового типа двигателей внутреннего сгорания. Теоретический приоритет принадлежит Я. Б. Зельдовичу, впервые исследовавшему возможности использования детонационного сжигания топлива в энергетике [2].

Он показал, что детонационное сжигание топлива происходит при меньшем возрастании энтропии продуктов горения, а значит, с большей кинетической энергией, меньшей теплонапряженностью. Снимается и проблема борьбы с «хлопками», так как шумовые эффекты и вибрации в камере детонационного сгорания специальной конструкции не выше, чем для режима работы обычного двигателя внутреннего сгорания.

Преимущество детонационного горения в конкретных устройствах характеризуется меньшими габаритами камеры, определяемыми размером детонационной волны. Это приводит к более интенсивному и полному сжиганию широкого класса топлив с увлеченными продуктами детонации и обеспечивает повышенную тягу двигателя.

Авторами продемонстрировано применение оригинального фоторегистратора, позволяющего «заморозить» процессы микросекундного масштаба времени, протекающие в области ПДВ на протяжении длительного периода времени (до 1 секунды). Получен российский патент на способ сжигания топлив [3].

Как выглядит замороженное пламя

Что может гореть в спиновых волнах, почему и как? Возникает уместный с экономической и практической точки зрения вопрос: будут ли смеси традиционных видов топлив и окислителей вообще гореть в столь необычных условиях, «иссеченные» жесткими фронтами непрерывной спиновой детонации? А если даже и будут, то насколько устойчиво, непрерывно и эффективно? Для ответа на этот непростой вопрос было проведено более сотен (если не тысяч!) экспериментов и расчетов, сделано столько же чертежей различных конструкторских решений, из громоздкого «железа» изготовлено множество модификаций камер сгорания различного типа ЖРД (жидкостный реактивный двигатель) и ВРД (воздушный реактивный двигатель).

Результаты превзошли все ожидания, правда, не обошлось без трудоемких, кропотливых и большей частью рутинных исследований. Оказалось возможным, при надлежащей организации процесса горения (ноу-хау!) в этих непростых условиях эффективно сжигать практически любые традиционные газообразные или жидкие углеводородные виды топлив в смеси с газообразным кислородом, воздухом и жидким кислородом в качестве окислителя.

Удалось предсказать и наблюдать (что происходит не так уж часто) не совсем обычный эффект трансзвукового перехода в потоке, при неизменной площади поперечного сечения (чего не бывает в обычной камере, которая не профилирована под сверхзвук). При этом, давление в камере, в зоне поперечных детонационных волн, пульсирует с частотой вращения ПДВ, достигая максимальных значений во фронте, в 3—5 раз превышающих среднее давление в обычных условиях.

Когда человек быстро поднимается в гору, он чувствует, как учащенно начинает биться сердце. Точно так же, чтобы сверхзвуковой лайнер не «схватил инфаркт», не сгорел в течение нескольких секунд от перегрева или не развалился от «фибрилляций», поднимаясь к разным слоям атмосферы, нужно провести очень ответственную работу по определению области существования устойчивой ритмической и непрерывной спиновой ПДВ — сердца двигателя. Вот почему с целью определения области штатных безопасных режимов варьировалась разница давлений в камере сгорания и в окружающей среде. Очень интересным оказалось то, что в камере с расширением канала процесс непрерывной спиновой детонации может протекать устойчиво даже при давлении в камере, меньшем, чем давление окружающей среды. Выявлено было и существенное влияние качества процесса смесеобразования на стабильность скорости ПДВ и устойчивость ее структуры (не считая моментов смены количества детонационных волн) в широком диапазоне соотношений топливных компонентов и разности давлений в камере и во внешней среде [3—5].

Изменение соотношений концентраций компонентов горючей смеси, конфигурации элементов подачи топлива и давлений снаружи и внутри камеры сгорания аппарата приводит к смене скорости ПДВ, образованию сложных режимов суперпозиции 1-2-3 и более волновых структур, а также к их затуханию, усилению и изменению частоты вращения спина.

Все полученные знания совершенно необходимы, прежде всего, для разработки новых типов двигателей летательных аппаратов.

Эпилог, оптимистический и всегда грустный

Все догадываются, что если бы архитектор строил дом по принципу «нарисовал да и живи», то последний непременно рано или поздно рухнул бы, несмотря на то что имеет теоретическое обоснование стоять вечно. При всем том, далеко не каждый знает, что после проведения расчетов обязательно строится макет из различных материалов, втыкается фундаментом в различные грунты и подвергается всевозможным жестоким испытаниям, чтобы оттянуть как можно на более длительное время печальный исход. Неизмеримо более сильные и разнообразные типы нагрузок, не сравнимые даже с земными стихиями, испытывают летательные и космические аппараты.

Несопоставимая стоимость этих двух, надежно защищенных от внешних и внутренних «стихий», проектов и их изделий, соизмеримых разве только по габаритам («земной дом» и «космическая ракета»), отражает несоизмеримость их сложности. Если первый проект может быть профинансирован небольшой группой даже не очень богатых частных лиц, то второй — только в масштабах целого государства. Наличие выделенных крупных инвестиций на аналогичный последний проект в конкурирующих зарубежных государствах требует своевременного выделения не меньших средств и в России.

Литература

1. Войцеховский Б. В. Стационарная детонация // ДАН СССР. — 1959. — Т. 129. — № 6. — С. 1254—1256.

2. Зельдович Я. Б. К вопросу об энергетическом использовании детонационного горения // ЖТФ. — 1940. — Т. 10. — Вып. 17. — С. 1453—1461.

3. Быковский Ф. А., Войцеховский Б. В., Митрофанов В. В. Способ сжигания топлива. Патент № 2003923. Заявка № 4857837/06 от 06.08.1990 // Бюллетень изобретений, 1993. — № 43—44.

4. Быковский Ф. А. Высокоскоростной ждущий фоторегистратор // Журнал научной и прикладной фотографии и кинематографии. — 1981. — № 2. — С. 85—89.

5. Быковский Ф. А., Ждан С. А., Ведерников Е. Ф. Спиновая детонация топливно-воздушной смеси в цилиндрической камере // ДАН. — 2005. — Т. 400. — № 3. — С. 338—340.

: 17 Сен 2007 , Алмазный путь длиною в три миллиарда лет , том 16,
№4

Взрывной эффект (детонационные двигатели) — ВПК.

name

В конце августа 2016 года мировые информационные агентства облетела новость: на одном из стендов НПО «Энергомаш» в подмосковных Химках заработал первый в мире полноразмерный жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) с использованием детонационного горения топлива. К этому событию отечественная наука и техника шла 70 лет. Идея детонационного двигателя была предложена советским физиком Я. Б. Зельдовичем в статье «Об энергетическом использовании детонационного сгорания», опубликованной в «Журнале технической физики» еще в 1940 году. С тех пор во всем мире шли исследования и эксперименты по практической реализации перспективной технологии. В этой гонке умов вперед вырывались то Германия, то США, то СССР. И вот важный приоритет в мировой истории техники закрепила за собой Россия. В последние годы чем-то подобным нашей стране удается похвастать не часто.

На гребне волны

Испытание детонационного жидкостного ракетного двигателя / Фото: Пресс-служба ФПИ

В чем же состоят преимущества детонационного двигателя? В традиционных ЖРД, как, впрочем, и в обычных поршневых или турбореактивных авиадвигателях, используется энергия, которая выделяется при сжигании топлива. В камере сгорания ЖРД при этом образуется стационарный фронт пламени, горение в котором происходит при неизменном давлении. Этот процесс обычного горения называется дефлаграцией. В результате взаимодействия горючего и окислителя температура газовой смеси резко возрастает и из сопла вырывается огненный столб продуктов сгорания, которые и образуют реактивную тягу.

Детонация — это тоже горение, но происходит оно в 100 раз быстрее, чем при обычном сжигании топлива. Этот процесс идет так быстро, что детонацию часто путают со взрывом, тем более что при этом выделяется столько энергии, что, к примеру, автомобильный мотор при возникновении этого явления в его цилиндрах и в самом деле может разрушиться. Однако детонация — это не взрыв, а вид горения столь стремительного, что продукты реакции даже не успевают расшириться, поэтому этот процесс, в отличие от дефлаграции, идет при постоянном объеме и резко возрастающем давлении.

На практике это выглядит следующим образом: вместо стационарного фронта пламени в топливной смеси внутри камеры сгорания формируется детонационная волна, которая движется со сверхзвуковой скоростью. В этой волне сжатия и происходит детонация смеси горючего и окислителя, а это процесс с термодинамической точки зрения куда более эффективный, чем обычное сжигание топлива. КПД детонационного сгорания на 25-30% больше, то есть при сжигании одинакового количества топлива получается больше тяги, а благодаря компактности зоны горения детонационный двигатель по мощности, снимаемой с единицы объема, теоретически на порядок превосходит обычные ЖРД.

Уже одного этого оказалось достаточно, чтобы привлечь самое пристальное внимание специалистов к этой идее. Ведь тот застой, который сейчас возник в развитии мировой космонавтики, на полвека застрявшей на околоземной орбите, в первую очередь связан с кризисом ракетного двигателестроения. В кризисе, кстати, находится и авиация, не способная перешагнуть порог трех скоростей звука. Этот кризис можно сравнить с ситуацией в поршневой авиации в конце 1930-х годов. Винт и двигатель внутреннего сгорания исчерпали свой потенциал, и только появление реактивных двигателей позволило выйти на качественно новый уровень высот, скоростей и дальности полетов.

Конструкции классических ЖРД за последние десятилетия были вылизаны до совершенства и практически подошли к пределу своих возможностей. Увеличить их удельные характеристики в будущем возможно лишь в очень незначительных пределах — на считаные проценты. Поэтому мировая космонавтика вынуждена идти по экстенсивному пути развития: для пилотируемых полетов на Луну приходится строить гигантские ракеты-носители, а это очень сложно и безумно дорого, во всяком случае для России. Попытка преодолеть кризис с помощью ядерных двигателей наткнулась на экологические проблемы. Появление детонационных ЖРД, быть может, и рано сравнивать с переходом авиации на реактивную тягу, но ускорить процесс освоения космоса они вполне способны. Тем более что у этого типа реактивных двигателей есть еще одно очень важное преимущество.

ГРЭС в миниатюре

Обычный ЖРД — это, в принципе, большая горелка. Для увеличения его тяги и удельных характеристик нужно поднимать давление в камере сгорания. При этом топливо, которое впрыскивается в камеру через форсунки, должно подаваться при большем давлении, чем реализуется в процессе сгорания, иначе струя топлива просто не сможет проникнуть в камеру. Поэтому самым сложным и дорогим агрегатом в ЖРД является вовсе не камера с соплом, которое у всех на виду, а топливный турбонасосный агрегат (ТНА), спрятанный в недрах ракеты среди хитросплетения трубопроводов.

К примеру, у самого мощного в мире ЖРД РД-170, созданного для первой ступени советской сверхтяжелой ракеты-носителя «Энергия» тем же НПО «Энергия», давление в камере сгорания составляет 250 атмосфер. Это очень много. Но давление на выходе из кислородного насоса, качающего окислитель в камеру сгорания, достигает величины 600 атм. Для привода этого насоса используется турбина мощностью 189 МВт! Только представьте себе это: колесо турбины диаметром 0,4 м развивает мощность, в четыре раза большую, чем атомный ледокол «Арктика» с двумя ядерными реакторами! При этом ТНА — это сложное механическое устройство, вал которого совершает 230 оборотов в секунду, а работать ему приходится в среде жидкого кислорода, где малейшая не искра даже, а песчинка в трубопроводе приводит к взрыву. Технологии создания такого ТНА и есть главное ноу-хау «Энергомаша», обладание которым позволяет российской компании и сегодня продавать свои двигатели для установки на американских ракетах-носителях Atlas V и Antares. Альтернативы российским двигателям в США пока нет.

Для детонационного двигателя такие сложности не нужны, поскольку давление для более эффективного сгорания обеспечивает сама детонация, которая и представляет собой бегущую в топливной смеси волну сжатия. При детонации давление увеличивается в 18–20 раз без всякого ТНА.

Чтобы получить в камере сгорания детонационного двигателя условия, эквивалентные, к примеру, условиям в камере сгорания ЖРД американского «Шаттла» (200 атм), достаточно подавать топливо под давлением… 10 атм. Агрегат, необходимый для этого, по сравнению с ТНА классического ЖРД — все равно что велосипедный насос рядом Саяно-Шушенской ГРЭС.

То есть детонационный двигатель будет не только мощнее и экономичнее обычного ЖРД, но и на порядок проще и дешевле. Так почему же эта простота в течение 70 лет не давалась в руки конструкторам?

Пульс прогресса

Главная проблема, которая встала перед инженерами, — как совладать с детонационной волной. Дело ведь не только в том, чтобы сделать двигатель прочнее, чтобы он выдержал повышенные нагрузки. Детонация — это не просто взрывная волна, а кое-что похитрее. Взрывная волна распространяется со скоростью звука, а детонационная со сверхзвуковой скоростью — до 2500 м/с. Она не образует стабильного фронта пламени, поэтому работа такого двигателя носит пульсирующий характер: после каждой детонации необходимо обновить топливную смесь, после чего запустить в ней новую волну.

Попытки создать пульсирующий реактивный двигатель предпринимались задолго до идеи с детонацией. Именно в применении пульсирующих реактивных двигателей пытались найти альтернативу поршневым моторам в 1930-е годы. Привлекала опять же простота: в отличие от авиационной турбины для пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (ПуВРД) не нужны были ни вращающийся со скоростью 40 000 оборотов в минуту компрессор для нагнетания воздуха в ненасытное чрево камеры сгорания, ни работающая при температуре газа свыше 1000?С турбина. В ПуВРД давление в камере сгорания создавали пульсации в горении топлива.

Первые патенты на пульсирующий воздушно-реактивный двигатель были получены независимо друг от друга в 1865 году Шарлем де Луврье (Франция) и в 1867 году Николаем Афанасьевичем Телешовым (Россия). Первую работоспособную конструкцию ПуВРД запатентовал в 1906 году русский инженер В. В. Караводин, годом позже построивший модельную установку. Установка Караводина вследствие ряда недостатков не нашла применения на практике. Первым ПуВРД, работавшим на реальном летательном аппарате, стал немецкий Argus As 014, основанный на патенте 1931 года мюнхенского изобретателя Пауля Шмидта. Argus создавался для «оружия возмездия» — крылатой бомбы «Фау-1». Аналогичную разработку создал в 1942 году советский конструктор Владимир Челомей для первой советской крылатой ракеты 10Х.

Конечно, эти двигатели еще не были детонационными, поскольку в них использовались пульсации обычного горения. Частота этих пульсаций была невелика, что порождало характерный пулеметный звук при работе. Удельные характеристики ПуВРД из-за прерывистого режима работы в среднем были невысоки и после того, как конструкторы к концу 1940-х годов справились со сложностями создания компрессоров, насосов и турбин, турбореактивные двигатели и ЖРД стали королями неба, а ПуВРД остались на периферии технического прогресса.

Любопытно, что первые ПуВРД немецкие и советские конструкторы создали независимо друг от друга. Кстати, и идея детонационного двигателя в 1940 году пришла в голову не одному только Зельдовичу. Одновременно с ним те же мысли высказали Фон Нейман (США) и Вернер Деринг (Германия), так что в международной науке модель использования детонационного горения назвали ZND.() Идея объединить ПуВРД с детонационным горением была очень заманчивой. Но фронт обычного пламени распространяется со скоростью 60–100 м/с и частота его пульсаций в ПуВРД не превышает 250 в секунду. А детонационный фронт движется со скоростью 1500?2500 м/с, таким образом частота пульсаций должна составлять тысячи в секунду. Реализовать такую скорость обновления смеси и инициации детонации на практике было затруднительно.

Тем не менее попытки создания работоспособных пульсирующих детонационных двигателей продолжались. Работа специалистов ВВС США в этом направлении увенчалась созданием двигателя-демонстратора, который 31 января 2008 года впервые поднялся в небо на экспериментальном самолете Long-EZ. В историческом полете двигатель проработал… 10 секунд на высоте 30 метров. Тем не менее приоритет в данном случае остался за Соединенными Штатами, а самолет по праву занял место в Национальном музее ВВС США.()Между тем уже давно была придумана другая, гораздо более перспективная схема детонационного двигателя.

Как белка в колесе

Мысль закольцевать детонационную волну и заставить ее бегать в камере сгорания как белка в колесе родилась у ученых в начале1960-х годов. Явление спиновой (вращающейся) детонации теоретически предсказал советский физик из Новосибирска Б. В. Войцеховский в 1960 году. Почти одновременно с ним, в 1961 году, ту же идею высказал американец Дж. Николлс из Мичиганского университета.() Ротационный, или спиновый, детонационный двигатель конструктивно представляет собой кольцевую камеру сгорания, топливо в которую подается с помощью радиально расположенных форсунок. Детонационная волна внутри камеры движется не в осевом направлении, как в ПуВРД, а по кругу, сжимая и выжигая топливную смесь перед собой и в конце концов выталкивая продукты сгорания из сопла точно так же, как винт мясорубки выталкивает наружу фарш. Вместо частоты пульсаций мы получаем частоту вращения детонационной волны, которая может достигать нескольких тысяч в секунду, то есть практически двигатель работает не как пульсирующий, а как обычный ЖРД со стационарным горением, но куда более эффективно, поскольку на самом деле в нем происходит детонация топливной смеси.

В СССР, как и в США, работы над ротационным детонационным двигателем шли с начала 1960-хгодов, но опять же при кажущейся простоте идеи ее реализация потребовала решения головоломных теоретических вопросов. Как организовать процесс так, чтобы волна не затухала? Необходимо было понимание сложнейших физико-химических процессов, происходящих в газовой среде. Тут расчет велся уже не на молекулярном, а на атомарном уровне, на стыке химии и квантовой физики. Процессы эти более сложны, чем те, что происходят при генерации луча лазера. Именно поэтому лазер уже давно работает, а детонационный двигатель — нет. Для понимания этих процессов потребовалось создать новую фундаментальную науку — физико-химическую кинетику, которой 50 лет назад еще не существовало. А для практического расчета условий, при которых детонационная волна не будет затухать, а станет самоподдерживающейся, потребовались мощные ЭВМ, появившиеся лишь в последние годы. Вот какой фундамент необходимо было положить в основание практических успехов по укрощению детонации.

Активные работы в этом направлении ведутся в Соединенных Штатах. Этими исследованиями занимаются Pratt & Whitney, General Electric, NASA. К примеру, в научно-исследовательской лаборатории ВМФ США разрабатываются спиновые детонационные газотурбинные установки для флота. В ВМФ США используется 430 газотурбинных установок на 129 кораблях, в год они потребляют топлива на три миллиарда долларов. Внедрение более экономных детонационных газотурбинных двигателей (ГТД) позволит сберечь гигантские средства.

В России над детонационными двигателями работали и продолжают работать десятки НИИ и КБ. В их числе и НПО «Энергомаш» — ведущая двигателестроительная компания российской космической промышленности, со многим предприятиями которой сотрудничает банк ВТБ. Разработка детонационного ЖРД велась не один год, но для того чтобы вершина айсберга этой работы засверкала под солнцем в виде успешного испытания, потребовалось организационное и финансовое участие небезызвестного Фонда перспективных исследований (ФПИ). Именно ФПИ выделил необходимые средства для создания в 2014 году специализированной лаборатории «Детонационные ЖРД». Ведь несмотря на 70 лет исследований, эта технология до сих пор остается в России «слишком перспективной», чтобы ее финансировали заказчики вроде Министерства обороны, которым нужен, как правило, гарантированный практический результат. А до него еще очень далеко.

Укрощение строптивой

Хочется верить, что после всего сказанного выше становится понятна та титаническая работа, которая проглядывает между строк краткого сообщения об испытаниях, прошедших на «Энергомаше» в Химках в июле — августе 2016 года: «Впервые в мире был зарегистрирован установившийся режим непрерывной спиновой детонации поперечных детонационных волн частотой около 20 кГц (частота вращения волны — 8 тысяч оборотов в секунду) на топливной паре «кислород — керосин». Удалось добиться получения нескольких детонационных волн, уравновешивавших вибрационные и ударные нагрузки друг друга. Специально разработанные в центре имени М. В. Келдыша теплозащитные покрытия помогли справиться с высокими температурными нагрузками. Двигатель выдержал несколько пусков в условиях экстремальных вибронагрузок и сверхвысоких температур при отсутствии охлаждения пристеночного слоя. Особую роль в этом успехе сыграло создание математических моделей и топливных форсунок, позволявших получать смесь необходимой для возникновения детонации консистенции».

Разумеется, не стоит преувеличивать значение достигнутого успеха. Создан лишь двигатель-демонстратор, который проработал относительно недолго, и о его реальных характеристиках ничего не сообщается. По информации НПО «Энергомаш», детонационный ЖРД позволит поднять тягу на 10% при сжигании того же количества топлива, что и в обычном двигателе, а удельный импульс тяги должен увеличиться на 10–15%.() Но главный результат состоит в том, что практически подтверждена возможность организации детонационного горения в ЖРД. Однако путь до использования этой технологии в составе реальных летательных аппаратов предстоит еще долгий. Другой важный аспект заключается в том, что еще один мировой приоритет в области высоких технологий отныне закреплен за нашей страной: впервые в мире полноразмерный детонационный ЖРД заработал именно в России, и этот факт останется в истории науки и техники.

Леонид Ситник

Детонационный двигатель внутреннего сгорания с плавающим поршнем и способ его управления

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания. Технический результат заключается в повышении эффективности управления процессом воспламенения топливно-воздушной смеси от сжатия, а также в снижении нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма. Согласно изобретению в цилиндре двигателя размещены два поршня одного диаметра, один из которых посредством шатуна связан с коленвалом, а другой выполнен кинематически независимым. Между поршнями образована полость, заполненная маслом, объем которого контролируется посредством клапанов и регулятора давления, обеспечивая тем самым возможность регулирования степени сжатия в двигателе. Управление двигателем осуществляется при помощи электронных средств, определяющих величину степени сжатия, при которой обеспечивается детонационное воспламенение топливно-воздушной смеси в цилиндре двигателя. При этом для определения необходимой степени сжатия ее устанавливают ниже расчетной величины самовоспламенения, воспламеняя топливно-воздушную смесь от свечи искрообразования в начале рабочего хода, после прохождения поршнями верхней мертвой точки. Степень сжатия на работающем двигателе с каждым тактом увеличивают до момента детонационного самовоспламенения смеси в верхней мертвой точке, после чего обеспечивают отключение работы свечи искрообразования. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания.

Сущность изобретения: двигатель содержит цилиндр с размещенными в нем последовательно друг за другом двумя поршнями одного диаметра. Основной поршень связан с шатуном, а плавающий поршень кинематически независимый. Между поршнями через впускной клапан и регулятор давления нагнетается масло. При движении поршней вверх, масло, находящееся в замкнутой полости, образованной стенкой цилиндра и поршнями, воздействует своим объемом на плавающий поршень, который изменяет объем камеры внутреннего сгорания. Процесс управления возгоранием топливно-воздушной смеси от сжатия осуществляется с подачей избыточного объема смеси в цилиндр двигателя, где в головке блока цилиндра установлены датчик давления и электромагнитный обратный клапан, которые через электронный блок управления работы двигателя поддерживают заданную степень сжатия. Определение степени сжатия осуществляется с поступлением в цилиндр топливно-воздушной смеси, но степень сжатия устанавливается ниже расчетной величины, необходимой для воспламенения данного вида топлива. После прохождения верхней мертвой точки, в начале рабочего хода, происходит ее воспламенение от свечи искрообразования. При увеличении степени сжатия на работающем двигателе от свечи искрообразования, происходит воспламенение топливно-воздушной смеси от сжатия в верхней мертвой точке. От датчика давления эти переменные сигналы поступают в электронный блок управления работы двигателя, и происходит отключение работы свечи искрообразования. Эти параметры устанавливаются за эталон степени сжатия.

Аналогом предлагаемого изобретения могут служить известные конструкции, изменяющие объем камеры внутреннего сгорания с использованием масла, которое поступает в подвижные элементы поршня. Недостатком таких конструкций является сложность размещения подводящих и отводящих масленых каналов. За прототип данного изобретения взят двигатель внутреннего сгорания с переменной степенью сжатия (патент SU №1508002 А1, F02B 75 /04), содержащий поршень, образованный корпусом и головкой в виде подвижного стакана, связанными между собой с образованием камеры переменного объема, и систему маслоподачи, представляющую собой последовательно соединенные каналы, выполненные в коленчатом валу, шатуне и подшипниках его верхней и нижней головок, а подшипник нижней головки шатуна содержит уплотнение.

К недостаткам данного технического решения следует отнести сложность конструкции, снижение прочности в кривошипно-шатунном механизме, большую длину масленых каналов, ненадежность уплотнения, ограниченную циркуляцию охлажденного масла.

За прототип данного изобретения управления процессом самовоспламенения топливно-воздушной смеси от сжатия (патент RU №2095597 С1, 6 F02B 75/26,75/04, F02P 15/04) взят регулятор степени сжатия, который выполнен в виде перепускных каналов, сообщенных с цилиндрами, перепускных золотников, установленных с возможностью перекрытия перепускных каналов и штоков, связанных через резьбовые соединения с перепускными золотниками, а через шлицевые соединения — с шестернями корректировки степени сжатия, причем последние входят в зацепление с коронной шестерней, приводимой в действие червячным винтом.

Основной недостаток данного регулятора степени сжатия в том, что при работающем двигателе, чтобы изменить его мощность, необходимо увеличить обороты за счет обогащения качественного состава смеси и синхронно уменьшить степень сжатия. Механическим путем корректировку степени сжатия червячным винтом выполнить невозможно.

Изобретение направлено на повышение эффективности управления процессом воспламенения топливно-воздушной смеси от сжатия, снижение нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма и устранение вышеперечисленных недостатков.

Решение поставленной задачи достигается тем, что предлагаемый двигатель внутреннего сгорания с четырехтактным рабочим циклом имеет: /чертеж/ головку цилиндра-1, цилиндр-2, где располагается основной поршень-3, связанный с шатуном-4, и плавающий поршень-5. На такте впуска, около нижней мертвой точки, при открытии впускного клапана- 6, через подводящий канал-7 и масленый регулятор давления/место установки/-8, между поршнями нагнетается масло. При движении поршней вверх, масло, находящееся в замкнутой полости, образованной стенкой цилиндра и поршнями, воздействует своим объемом на плавающий поршень, который изменяет объем камеры внутреннего сгорания. На такте выпуска около нижней мертвой точки при открытии выпускного клапана-9, через отводящий канал-10, часть масла возвращается с систему. На следующем такте работы двигателя поступившее масло охлаждает поршни и стенку цилиндра. На такте впуска, при движении поршней вниз, между основным и плавающим поршнями образуется разрежение, область пониженного давления Р. Из-за разницы давлений, где P₁ — давление над плавающим поршнем, P₁-Р=F, возникает движущая сила F, которая перемещает плавающий поршень вниз. На силу F положительно влияет: Р₂ — давление от наддува поступающего воздуха и Р₃ — давление от поступающего топлива. На силу F отрицательно влияет трение поршневых колец о стенку цилиндра плавающего поршня. Для увеличения площади соприкосновения с маслом, днище плавающего поршня и головка основного поршня выполнены в форме сферы. Процесс управления возгоранием топливно-воздушной смеси /ТВС/ от сжатия осуществляется с подачей избыточного объема ТВС в цилиндр двигателя, где в головке блока цилиндра устанавливаются датчик давления /место установки/-11 и электромагнитный обратный клапан /место установки/-12. На такте сжатия переменные параметры от датчика давления поступают в электронный блок управления работы двигателя, где обрабатываются и преобразуются в электрический импульс. Длительность этого импульса влияет на время открытия электромагнитного обратного клапана, через который неиспользованная ТВС по трубопроводу возвращается в топливною систему, поддерживая заданную степень сжатия. Двигатель работает следующим образом: для увеличения мощности, необходимо увеличить обороты двигателя. Для этого в цилиндр двигателя подается обогащенная ТВС, за счет увеличения времени открытия топливной форсунки /место установки/-13. Одновременно электронный блок управления работы двигателя, воздействуя на электромагнитный обратный клапан, уменьшает степень сжатия. Управление процессом изменения объема камеры внутреннего сгорания происходит через масленый регулятор давления. Для увеличения объема камеры внутреннего сгорания масленый регулятор давления уменьшает объем подачи масла между поршнями, ТВС поступает в цилиндр в большем объеме, но степень сжатия остается без изменения. Воспламенение ТВС от большой степени сжатия/детонация/ в предлагаемом двигателе, происходит строго в верхней мертвой точке /ВМТ/. Определение степени сжатия воспламенения ТВС любого вида применяемого топлива осуществляется в следующей последовательности: в цилиндр двигателя во время запуска от стартера, поступает ТВС одинакового качественного состава, но степень сжатия устанавливается ниже расчетной величины, необходимой для воспламенения данного вида топлива. После прохождения ВМТ, в начале рабочего хода, чтобы неиспользованная ТВС не поступила в систему выпуска отработанных газов, в головке блока цилиндра устанавливается свеча искрообразования /место установки/-14, которая воспламеняет ТВС. При большой степени сжатия скорость распространения пламени сгорания ТВС в цилиндре достигает значительной величины и поэтому на работу двигателя воспламенение ТВС после ВМТ существенно не повлияет. С каждым тактом, на работающем двигателе от свечи искрообразования, происходит увеличение степени сжатия до момента самовоспламенения ТВС в ВМТ. От датчика давления эти переменные сигналы поступают в электронный блок управления работы двигателя, и происходит отключение работы свечи искрообразования. Эти параметры устанавливаются за эталон степени сжатия режима детонации. При работающем двигателе от свечи искрообразования определение степени сжатия и переход в режим детонации осуществляется с изменением момента зажигания после ВМТ в той же последовательности. На процесс детонации различных видов ТВС влияют несколько факторов: температура, качественный состав ТВС, а также температура в камере сгорания. Для корректировки работы двигателя, при любых климатических условиях и на различных видах применяемого топлива, устанавливаются следующие датчики: температуры и давления, поступающего в цилиндр воздуха и топлива, а также температуры цилиндра и головки цилиндра. Управляемый процесс детонацией заключается в том, что от всех датчиков и регуляторов информация поступает в электронный блок управления двигателя, где обрабатывается и длительностью электрического импульса, поступающего на электромагнитный обратный клапан, поддерживается заданная степень сжатия.

Двигатель отличается тем, что между поршнями нет кинематической связи, способной влиять на изменение объема камеры внутреннего сгорания, это происходит с изменением объема поступающего масла между ними.

Двигатель отличается тем, что имеет подводящий и отводящий каналы с впускным и выпускным клапанами, расположенными по разные стороны от продольной оси цилиндра.

Двигатель отличается тем, что днище плавающего поршня и головка основного поршня выполнены в форме сферы.

Двигатель отличается тем, что при циркуляции масла происходит охлаждение поршней и стенок цилиндра.

Двигатель отличается тем, что при данной смазке стенок цилиндра, значительно уменьшается трение поршневых колец, облегчается запуск двигателя при низких температурах и увеличивается ресурс его работы.

Двигатель отличается тем, что уменьшаются ударные нагрузки на кривошипно-шатунный механизм, снижается шум работы двигателя.

Процесс управления воспламенения ТВС от сжатия отличается тем, что в головку блока цилиндра устанавливаются датчик давления и электромагнитный обратный клапан, которые через электронный блок управления работы двигателя поддерживают заданную степень сжатия.

Определение степени сжатия отличается тем, что воспламенение топливно-воздушной смеси происходит от свечи искрообразования после прохождения верхней мертвой точки, с последующим ее отключением при воспламенении в режиме детонации в верхней мертвой точке.

1. Двигатель, содержащий цилиндр с размещенными в нем последовательно друг за другом двумя поршнями, отличающийся тем, что они 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.

2. Процесс управления воспламенением топливно-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 работы 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.

Детонационный двигатель внутреннего сгорания

Изобретение относится к тепловым двигателям, способным работать на всех видах углеводородных топлив. Детонационный двигатель внутреннего сгорания, содержащий, по меньшей мере, один цилиндр и тронковый кривошипно-шатунный механизм, цилиндровую крышку с камерой сгорания и форсункой, системы воздухоснабжения с впускным и выпускным клапанами, транспортирования и нагнетания газообразной смеси перегретых паров топлива и паров концентрированных водных растворов сильных электролитов, турбо- или волновой компрессор, генератор электрических импульсов, подключенный к электродам форсунки, при этом снабжен встроенной в цилиндровую крышку камерой сгорания с окнами, равномерно размещенными по окружности, сообщающимися с кольцевой полостью и форсункой, а днище крышки в кольцевой полости выполнено с окнами, равномерно размещенными по окружности и направленными под углом к ней, при этом выпускной клапан снабжен трубопроводом, подсоединенным к турбо- или волновому компрессору, а впускной — к системе воздухоснабжения. Изобретение обеспечивает многотопливность двигателя, повышение КПД, уменьшение выбросов в атмосферу СО. 2 з.п. ф-лы. 23 ил.

Изобретение относится к тепловым двигателям, способным работать на всех видах углеводородных топлив: жидких, включая нефть и все продукты ее переработки, твердых — от всех видов каменного угля до горючих сланцев, торфа, древесины, камыша, соломы и пр., а также на взвесях порошков электропроводных материалов в электропроводной жидкости или жидкой воде, прошедшей термохимическую /электротермическую/ обработку в специальных форсунках с образованием «гремучего газа».

Известны многотопливные двигатели внутреннего сгорания /применяемые в основном на машинах военного назначения/, работающие на нескольких видах жидкого топлива. Их принцип действия заключается в принудительном изменении объема камеры сгорания и тем самым степени сжатия передвижением специального тела в камерах сгорания ДВС.

В бензиновых двигателях внутреннего сгорания (ДВС) стремятся избегать детонационного сгорания путем применения высокооктановых бензинов с высокой стоимостью, причем при несоответствии степени сжатия детонационной стойкости горючего двигатель может выйти из строя. К недостаткам вышеуказанных ДВС с изменяемой степенью сжатия следует отнести сложность конструкции, низкий КПД и неспособность работать на вышеуказанных топливах (см., например, Артамонов М.Д. и др. «Теория, конструкция и расчет автотракторных двигателей», Москва, Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1963, с.10-61). [1]

Вместе с тем, указанный двигатель является и наиболее близким к заявляемому, т.е. аналогом-прототипом.

Целью изобретения является осуществление в двигателях внутреннего сгорания, а также и в газотурбинных установках, сгорания всех видов углеводородных топлив в водородно-кислородных, в частности водных растворов сильных электролитов и жидкой воды.

Поставленная задача достигается за счет того, что детонационный двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр и тронковый кривошипно-шатунный механизм, цилиндровую крышку с камерой сгорания и форсункой, системы воздухоснабжения с впускным и выпускным клапанами, транспортирования и нагнетания газообразной смеси перегретых паров топлива и паров концентрированных водных растворов сильных электролитов, турбо- или волновой компрессор, генератор электрических импульсов, подключенный к электродам форсунки, согласно изобретению, снабжен встроенной в цилиндровую крышку камерой сгорания с окнами, равномерно размещенными по окружности, сообщающимися с кольцевой полостью и форсункой, а днище крышки в кольцевой полости выполнено с окнами, равномерно размещенными по окружности и направленными под углом к ней, при этом выпускной клапан снабжен трубопроводом, подсоединенным к турбо- или волновому компрессору, а впускной — к системе воздухоснабжения.

Поставленная цель в изобретении достигается еще и за счет того, что форсунка снабжена дополнительной топливной форсункой и взрывной камерой и патрубками, в которых смонтированы шнеки, сообщающиеся с цилиндрическими каналами, с одной стороны которых установлены электроды, а с другой — сопла, направленные под углами или друг к другу или к стенкам взрывной камеры, при этом цилиндрические каналы с соплами снабжены системой охлаждения. Кроме того поставленная цель достигается в изобретении за счет того, что кривошип коленчатого вала выполнен в виде двух элементов, стянутых пружиной и анкерным болтом с возможностью скольжения друг относительно друга, а шатунная шейка коленчатого вала соединена с раздвижной частью кривошипа. Изложенная выше совокупность существенных признаков при внедрении обеспечивает реализацию поставленной цели, при этом каждый из данной совокупности приведенных признаков необходим, а все вместе достаточен для получения положительного эффекта — осуществления в двигателях внутреннего сгорания, а также и в газотурбинных установках, сгорания всех видов углеводородных топлив и водородо-кислородных, в частности водных растворов сильных электролитов и жидкой воды.

Исходя из приведенных доводов совершенно правомерен вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения «изобретательский уровень».

Приведенная совокупность существенных признаков может быть реализована многократно на практике с получением одной и той же цели. Неоднократная возможность реализации /при изготовлении/ заявляемого технического решения с изложенной выше совокупностью существенных признаков отвечает также в полной мере другому главному критерию изобретения — «промышленная применимость».

Изложенная сущность технического решения поясняется чертежами, на которых:

на фиг.1 показан 2-тактный двигатель внутреннего сгорания с противоположно движущимися поршнями — схема в продольном разрезе,

на фиг.2 приведен узел, Q-продольный разрез по цилиндровой крышке и продольное сечение по цилиндру II-II,

на фиг.3 показан поперечный разрез по цилиндровой крышке по I-I,

на фиг.4 приведено продольное сечение по III-III,

на фиг. 5 показан продольный разрез по щеке коленчатого вала,

на фиг.6 приведен поперечный разрез по IV-IV,

на фиг.7 показана щека коленчатого вала с шатунной и коренной шейками в положении поршня в Н.М.Т.,

на фиг.8 приведена схема 2-тактного двигателя двойного действия — в продольном разрезе,

на фиг.9 приведен узел, продольное сечение по нижней цилиндровой крышке,

на фиг.10 показан продольный разрез по форсунке,

на фиг.11 показан продольный разрез по электрическому детонатору-форсунке,

на фиг.12 в продольном разрезе показана цилиндровая крышка — 2-й вариант,

на фиг.13 в поперечном разрезе показана цилиндровая крышка — 3-й вариант,

на фиг.14 показан продольный разрез форсунки с системой охлаждения,

на фиг.15 — поперечный разрез по V-V,

на фиг.16 приведен продольный разрез по форсунке с длинной взрывной камерой,

на фиг.17 — поперечный разрез по VI-VI,

на фиг.18 показана схема коленчатого вала с поршнями и шатунами, 4-тактного 4-цилиндрового двигателя с порядком работы: 1-2-4-3, 1-3-4-2, угловые интервалы 180°,

на фиг. 19 — схема поперечного разреза по фиг.18,

на фиг.20-21 приведены схемы 4-тактного двигателя в тактах — впуск и такте сжатия,

на фиг.22 показан продольный разрез по электрической свече,

на фиг.23 показана струя жидкости при контакте ее с электродом.

Предлагаемый тепловой двигатель, в частности 2-тактный с крейцкопфным кривошипно-шатунным механизмом и противоположно движущимися поршнями большой мощности, состоит: из цилиндра 1 /цилиндры двигателя, расположенные противоположно первому, условно не показаны/, цилиндровой крышки 2, поршня 3, штока 4, воздушного ресивера 5 с продувочными окнами 6 при клапанно-щелевой продувке цилиндров. Положение поршня в Н.М.Т. — поз.7. Направляющая крейцкопфа 8, крейцкопф 9 /ползун/, шатун 10, кривошип 11 коленчатого вала 12.

На фиг.2 показана цилиндровая крышка /узел Q/ или головка 2, состоящая из верхнего днища 13 с клапаном 14 и каналом 15 для отвода отработанных продуктов сгорания. В корпусе цилиндровой крышки размещена камера сгорания 16 ограниченная кольцевыми стенками 17, имеющими окна 18, сообщающиеся с кольцевой полостью 19 цилиндровой крышки 2. В днище 21 крышки равномерно по окружности выполнены окна 20, сообщающиеся с цилиндром 1. Форсунка 22 установлена в обтекаемом теле 23 и сообщается с камерой сгорания 16.

На фиг.1 коленчатый вал 12 содержит кривошип, имеющий возможность изменять радиус при своем вращении под действием сил инерции от возвратно-поступательно движущихся масс. Кривошип существующих коленчатых валов совершает круговое движение, показанное поз.24, с центрами шатунных шеек 25-26. В описываемом коленчатом вале центры шатунных шеек при движении поршня в нижнюю мертвую точку /Н.М.Т./ совершают движение по эллипсу — поз.27, 28, 29 /Н.М.Т./, 30, 44. При этом в В.М.Т. положение центров шатунных шеек 31 совпадает с положением центра шатунной шейки существующих коленчатых валов.

Кривошип 11 коленчатого вала состоит из внутренней щеки 32 и наружной щеки 33, выполненных в виде цилиндрических тел высокой точности и чистоты скользящих поверхностей. Внутри щеки 32 установлена пружина 34, с одной стороны опирающаяся в дно внутренней щеки 32, а с другой через шайбу 35 — в торец высокой гайки 36, имеющей многогранное отверстие 37 под ключ /для завертывания гайки и натяжения пружины 34/. Гайка 36 закрепляется на анкерном болте 38, имеющем с одной стороны резьбу для навертывания гайки 36, а с другой опорную шаровую /или иную поверхность/. Шатунная шейка вала 39, коренная 40. Прорезь 41 в наружной щеке 33 обеспечивает ее скольжение по внутренней щеке 32.

В описываемой конструкции вала с целью повышения использования сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс, а также учитывая многочисленные отличия разных двигателей, в том числе и с тронковым кривошипно-шатунным механизмом, по числу оборотов, мощности, материалу кривошипно-шатунного механизма и пр., предварительное натяжение гайкой 36 пружины 34 выполняется с заданным усилием.

Как известно, силы инерции движущихся масс сводятся к двум силам: силе инерции Р от возвратно-поступательно движущихся масс кривошипного механизма и центробежной силе инерции К от вращающихся масс кривошипного механизма /см. М.М. Вихерт и др. «Конструкция и расчет автотракторных двигателей, «Машгиз», М. 1957 г. стр.7-37, 592, 594/ [1].

Сила инерции Р определяется по известной формуле:

P_j=m_jj, т.е. как произведение массы на ускорение поршня, взятое с обратным знаком /см. 1, стр.29/.

Центробежная сила инерции K_z вращающейся массы кривошипного механизма:

K_z=m_z·r₁·ω² /см.1, стр.32/, где радиус кривошипа ω — угловая скорость вращения коленчатого вала: если число оборотов вала в минуту

/см.1, стр.8/.

Полное представление об усилиях, действующих в элементах кривошипного механизма, можно получить лишь в результате рассмотрения совместного действия сил давления газов на поршень и сил инерции движущихся масс. Исходной силой является суммарная сила P_z, действующая на поршень

P_z=P₁+P_j /см. 1, стр.33/

Вместе с тем в двухтактных двигателях после рабочего хода поршня сразу же начинается обратное движение его в В.М.Т. с одновременным сжатием воздуха в цилиндре, что по характеру действующих сил является сходным с действием продуктов сгорания при расширении их в цилиндре. Учитывая существенное превышение силы инерции Р над противодействующими силами на поршень при сжатии воздуха, пружина 4 сжатия при приходе поршня в Н.М.Т., при дальнейшем повороте по часовой стрелке, начет распрямляться и принимать исходное положение, показанное на фиг.5. На фиг.7 кривошип показан при положении поршня в Н.М.Т. с образованием зазора 42 между движущейся наружной щекой 33 и внутренней 32. Противовесы 43 служат для уравновешивания внутренней щеки 32 с ее деталями /поз.34, 35, 36, 38/.

Выше было отмечено, что предварительное натяжение пружины 34 выполняется с заданным усилием.

Это усилие должно быть равным центробежной силе инерции самой пружины 34, анкерного болта 38 и гайки 36 с шайбой 35.

Для уравновешивания центробежных сил инерции наружной щеки служат противовесы 45, а для внутренней щеки 32 — противовесы 43. Итак, в новом двигателе используется энергия сил инерции P_j от возвратно-поступательно движущихся масс кривошипного механизма и продолжительное расширение газов путем устройства коленчатого вала с переменным радиусом кривошипа, причем пружина 34 выполняет роль аккумулятора энергии сил инерции P_j.

Рассмотрим эти процессы более подробно и определим их эффективность в повышении КПД описываемого двигателя.

Сила инерции P_j=+m_jj=-mj·r·ω² (cosα+λcos2α).

Из рассмотрения уравнения следует подчеркнуть тот факт, что энергия сжатой пружины 34 за один оборот коленчатого вала используется в Н.М.Т. и В.М.Т., причем она пропорциональна квадрату угловой скорости вращения коленчатого вала -·ω², т.е. например, вдвое большая угловая скорость вращения коленчатого вала сжимает пружину с энергией вчетверо большей. Из рассмотрения работы только одного верхнего цилиндра уточним механизм использования энергии сил инерции P_j в мертвых точках. В Н.М.Т. накопленная энергия в сжатой пружине 34 идет на преодоление давления сжимаемого воздуха и в основном — на преодоление сил инерции при движении поршня в В.М.Т.

При дальнейшем вращении вала, при приближении к В.М.Т. за счет изменения направления сил инерции, центр шатунной шейки коленчатого вала будет стремиться занять положение в точке 44. Однако этому противодействует сила давления сжимаемого воздуха, причем чтобы гарантировать поршень от удара в днище 21 цилиндровой крышки 2, сила давления сжатого воздуха в В.М.Т. должна превосходить силу инерции P_j в В.М.Т., что обеспечивает приход поршня к В.М.Т. без удара о днище крышки и занятие центром шатунной шейки поз.31 кругового движения подобно обычному коленчатому валу. Таким образом, энергия P_j в В.М.Т. за счет распрямления пружины 34 затрачивается целиком на сжатие воздуха, с участием энергии вращения маховика двигателя. Величина степени сжатия ε всегда должна обеспечивать высокое давление сжатия воздуха при любом числе оборотов коленчатого вала.

Расчеты показывают, что при использовании нового коленчатого вала на судовом дизеле 64 18/22 мощностью Не=110 кВт и частотой вращения П=750 об/мин и, учитывая конструктивные особенности двигателя, смещение наружных щек в Н.М.Т. не должно превышать величины 30-35 мм — поз.29. Увеличение мощности за счет использования сил инерции Р в Н. М.Т. и В.М.Т. составляет: 15,7+15,7=31,4%, а за счет роста значения хода поршня в Н.М.Т. увеличение мощности достигает 6,1%.

Итого прирост мощности двигателя равен 37,5%, со 110 кВт до 151 кВт, а следовательно, и прирост КПД также равен ε_м=37,5%.

На фиг.8 показан двигатель двойного действия, обеспечивающий увеличение мощности по сравнению с 2-тактным на 80-85% и два рабочих цикла за один оборот коленчатого вала.

Применение на двигателе этого типа нового коленчатого вала с переменным радиусом кривошипа позволяет повысить среднее эффективное давление Р_е, так как в процессе рабочего хода поршня к среднему эффективному давлению от газов добавляется сила инерции P_j от возвратно-поступательно движущихся масс кривошипного механизма. Там, где высокая удельная габаритная мощность двигателя является главным критерием, достижение высокого эффективного давления обеспечивает ему преимущества перед др. ДВС /Н.С.Иванченко «Высокий наддув дизелей», Л., «Машиностроение», 1983 г. , стр.5 [2]/.

Рассмотрим далее двигатель с новым коленчатым валом, показанным на фиг.1.

В этом двигателе, в отличие от известных, осуществляется детонационное сгорание тех видов топлива, которые склонны к детонации /легкие топлива/, и быстрое сгорание при определенных условиях подготовки углеводородных топлив: жидких или твердых.

На фиг.2 — узел Q — показана камера сгорания, предназначенная для детонационного сгорания топлив, которые при детонации обладают повышенным тепловыделением, например, на 10-12 /см. А.И.Зверев «Детонационные покрытия в судостроении», Л. «Судостроение», 1978 г., стр.12-24 [3]/.

При правильно организованном детонационном сгорании горючих веществ достигаются высокие значения температуры Т₀ и давления Р, обеспечивающих высокую экономичность тепловой машины.

При детонационном и быстром сгорании осуществляется процесс сгорания любых видов топлив: жидких, твердых, газообразных /с низкими октановыми и цетановыми числами/. Однако все это возможно осуществить лишь с помощью применения специальных форсунок в камерах сгорания, показанных на фиг. 2, 10.

Форсунка, показанная на фиг.10, состоит из наружного металлического корпуса 46 с патрубками 47, взрывной камеры 48 и фланцев 49 для крепления корпуса форсунки к камере сгорания. Внутри корпуса 46 установлена дополнительная топливная форсунка 50, размещенная во внутреннем корпусе 51, выполненном из электроизоляционного материала, имеющем два или несколько цилиндрических каналов 52, с одной стороны содержащих электроды 53, а с другой — сопла 54. В патрубках 47, имеющих внутри стенки, выполненные из электроизоляционного материала, установлены шнеки 55, служащие в виде обратных клапанов. Струи электропроводной жидкости 56, направленные под углом друг к другу, соприкасаются между собой в зоне 57. Струи топлива 58 выходят под давлением из дополнительной топливной форсунки 50. Электроды 53 подключены к генератору электрических импульсов /ГИ/, принципиальная электронная схема которого показана: источник постоянного тока 59 /или выпрямителя высокого напряжения/, конденсатор 60, разрядник 61 /переключатель/, выходное отверстие 62 взрывной камеры 48.

На фиг.11 показан электрический детонатор, служащий для образования мощных ударных волн в газообразных или жидких средах.

По конструкции он сходен с форсункой, показанной на фиг.11, и отличается от нее отсутствием дополнительной топливной форсунки 50 и взрывной камеры 48. Он состоит из металлического корпуса 63 с патрубками 64 и установленными внутри в изоляционной части патрубков шнеков 65. Внутренний корпус 66 имеет два или несколько цилиндрических каналов 67, с одной стороны которых установлены электроды 68, а с другой — сопла 69. Электроды 68 подключаются к генератору электрических импульсов /ЗГИ/, не показанному на фиг.11. Фланец 70 для крепления электрического детонатора. Струи электропроводной жидкости 71 направлены под углом друг к другу и соприкасаются в зоне 72.

Работа двигателя.

Рабочий цикл 2-тактного двигателя с крейцкопфным кривошипно-шатунным механизмом и противоположно движущимися поршнями большой мощности, следующий.

Его особенностями, в отличие от известных, являются: детонационное сгорание топлива, расширение рабочего тела с высокой температурой Т_о и давлением продуктов сгорания P_z, существенно превышающих обычные параметры существующих дизелей по вышеприведенным значениям температуры сгорания и давления газов. При этом, как описано выше, применен кривошипно-шатунный механизм с переменным радиусом кривошипа.

В качестве метода обеспечения приемлемой теплонапряженности и работоспособности двигателя и его элементов применен процесс, при котором продукты сгорания непосредственно в В.М.Т. и на угле поворота коленчатого вала, имеющем заданное значение, не соприкасаются с поршнем и верхней частью гильзы цилиндров, так как перед их фронтом расширения имеется сжатый воздух, расположенный в кольцевой 19 полости 19 цилиндровой крышки 2. Иными словами, в этом двигателе продукты сгорания при расширении выходят из камеры сгорания 16 через окна 18, расширяются во все стороны, сжимают воздух в кольцевой полости 19, который через окна 20 днища 21 цилиндровой крышки 2 выходит под высоким давлением в цилиндр 1 и давит на поршень 3, приводя его в движение. Следом за сжатым воздухом, вышедшим из кольцевой полости 19, в цилиндр поступают продукты сгорания, но со значительно меньшей температурой, которая понизилась за счет расширения газов в кольцевой полости. Процесс, в котором один газ /А/ используется для сжатия непосредственно другого газа /В/, применяется в «волновых машинах» и описан в книге «Основы газовой динамики», перевод с английского, редактор Эммонс, 1963 г. [4]. Детонационный процесс сгорания за счет высокого давления взрыва рабочей /горючей/ смеси позволяет снизить степень сжатия до значений < ε-11-12, применяя наддув двигателя с высокой степенью повышения давления в компрессоре /π_к≥1,5/ и увеличивая высоту цилиндровой крышки 2. Продувочный воздух из воздушного ресивера 5 через продувочные окна 6 поступает в цилиндр 1 и проходит через окна 20 днища 21, выполненные наклонно к поверхности днища 21 /как показано на фиг.2/, с дальнейшим поступлением его через окна 18 в камеру сгорания 16. В камере сгорания 16 окна 18 также выполнены под углом к касательной кольцевой стенки 17 камеры сгорания 16, способствуя образованию вихревого движения в камере 16.

1. Топливо впрыскивается в камеру сгорания 16 форсункой 22, показанной на фиг. 10, и за счет интенсивного вихреобразования смешивается с ним по всему объему камеры сгорания 16. Наиболее интересной смесью горючего и воздуха является стехиометрическая смесь, в которой коэффициент избытка воздуха α=1. Это дает возможность наибольшего повышения температуры и давления сгорания. Второй особенностью этого процесса смесеобразования, кроме вихревого движения воздуха в камере сгорания 16, является впрыскивание форсункой 22, вместо жидких струй топлива, газообразной смеси топлива и «гремучего газа» — продуктов термического разложения /точнее электротермического/, струй 56 электропроводной жидкости, под действием мгновенного разрядного тока, поступающего на струи 56 от генератора электрических импульсов, принципиальная схема которого показана; как поз.59, 60, 61, через электроды 53, столб электропроводной жидкости, заключенный в цилиндрических каналах 52, соплах 54. При касании струй в зоне 57 /области/ и включенном разряднике 61 происходит электрический взрыв струй 56 /см. Б. А.Артамонов «Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов», т.2, «Высшая школа», М., 1983 г., стр.91-100-103 [5]/. Температура взрыва струй превышает 10⁴К и может достигать 10⁵К /см. Г.И.Покровский «Действие удара и взрыва в деформируемых средах», М., 1957 г., Госиздательство по строительным материалам, стр.13 [6]/. Параметры электрического взрыва прямолинейных проводников определяются индуктивностью и емкостью разрядной цепи генератора электрических импульсов, начальным напряжением конденсатора /ГИ/, длиной, диаметром и числом струй 56 /см.6, стр.100-102/.

В качестве электропроводных жидкостей струй 56 применяются концентрированные водные растворы сильных электролитов на основе кислот, оснований и солей, а также жидкие металлы /см. Б.А.Артамонов «Размерная электрическая обработка металлов», «Высшая школа», М, 1978 г., стр.213-216, 230-231 [7]/. Растворы электролитов на основе кислот — азотной HNO₃ /серной Н₂SO₄, соляной НCl применяются с концентрацией от 2,3-5,2% и выше. Остальные 10-25% и более /см. 7, стр.230-231 и Справочник по растворам сильных электролитов/. Известно, что при температуре, превышающей 2500°С, происходит термохимическое разложение воды на водород и кислород с образованием гремучего газа. Стандартная энтальпия реакции соединения 2 объемов водорода и 1 объема кислорода в расчете на 1 моль водяного пара — 241,8 кДж, а образующейся жидкой воды — 285,8 кДж/моль. Например, выражение «теплота образования воды равна 285,8 кДж/моль» означает, что при образовании 18 г жидкой воды из 2 г водорода и 16 г кислорода выделяется 285,8 кДж. /см. Н.Л.Глинка «Общая химия», издательство «Химия», Л., 1980 г., стр.167, 345 и Г.Мучник «Новые методы преобразования энергии», Знание, Техника, 1984, стр.48 [8 и 9]/. Электрический взрыв струй 58 электропроводной жидкости обеспечивает практически мгновенное испарение струй 58 во взрывной камере 48 с образованием перегретого топлива пара. Следует особо подчеркнуть, что электрический взрыв электропроводных струй 56 в зависимости от энергии разрядного тока в разрядной цепи генератора электрических импульсов /поз. 59-61/ может происходить при различных температурах, вызывая или только испарение струй 56 до разных личных значений температур, или температур, превышающих 2500°С, при которой происходит термическое разложение струй 56 на водород и кислород /процесс диссоциации/, а также при достаточной мощности генератора электрических импульсов /ГИ/ достигать температур, превышающих 10⁴-10⁵K.

Как известно, генераторы электрических импульсов широко применяются в различных областях техники и могут быть: машинными, магнитонасыщенными, генераторы импульсов на электронных и полупроводниковых усилительных и переключающих приборах /см.7, стр.40-50-66/.

При работе на бензине, керосине, газойле, соляровом масле, дизтопливе, мазуте и нефти в камере сгорания двигателя 16, а также различных смесей углеводородов из отработанных масел (в т.ч. и подсолнечного и пр.), электрический взрыв струй 56 может осуществляться при умеренных температурах, обеспечивающих, например, только мгновенное испарение во взрывных камерах 48, 123, 131 форсунок по фиг. 10, 14, 16 вышеперечисленных горючих материалов. Причем самая низкая температура электрического взрыва струй 56 необходима для испарения легких моторных топлив. Устройство генераторов электрических импульсов /ГИ/ с изменяемыми характеристиками по току J, а также мгновенной мощности: Р=J·R_экв, где R_экв — эквивалентное сопротивление /см. 5 стр.94/, позволяет работать двигателю на любых вышеуказанных топливах, с минимальными затратами энергии на их испарение и невысокий перегрев паров для улучшения организации процесса детонационного /или быстрого/ сгорания особо тяжелых топлив/. Образовавшаяся смесь паров топлива и электропроводной жидкости под большим давлением /за счет испарения жидких струй 56 и 58/ выходит /выстреливается/ из взрывной камеры 48 в цилиндрическую камеру сгорания 16 двигателя и смешивается с воздухом. Процесс смешения паров и воздуха происходит быстро и качественно не только за счет вихревого движения воздуха в камере сгорания 16, но и за счет того, что оба — смесь паров и воздуха — находятся в одном и том же агрегатном состоянии — оба являются газами.

При степени сжатия ε=1065, при которой еще способно самовоспламенится дизельное топливо, впрыскивание паров, например, легкого топлива в камеру сгорания 16 с сильно нагретым воздухом, создаст объемное детонационное самовоспламенение заряда рабочей /горючей/ смеси по всему объему камеры сгорания 16. Температура и давление сгорания P_z сильно возрастут и существенно превысят эти значения в существующих крейцкопфных и тронковых дизелях /см. 2, стр.9-15/. Мощная ударная волна, проникая через окна 18 камеры сгорания 16, разделится на несколько ударных волн, однако их удары о цилиндрические стенки цилиндровой крышки 2 произойдут под косым углом за счет устройства окон 18 под углом к касательным цилиндрических стенок камеры сгорания 16, что в свою очередь уменьшит силу ударов о внутренние стенки цилиндровой крышки 2. Отраженные ударные волны от криволинейных стенок цилиндровой крышки с камерой сгорания также будут ослаблены за счет воздействия их на поверхность под косым углом.

Параллельно с выделением теплоты происходит отвод теплоты через стенки камеры сгорания и крышки 2, выполненные пустотелыми с внутренними каналами /на фиг.2 каналы условно не показаны. На фиг.9 они изображены/. В целях снижения потерь тепла продуктов сгорания с охлаждающей жидкостью вся цилиндровая крышка 2 вместе с клапаном 14 выполняется из жаропрочных сталей /материалов/, выдерживающих температуру от 700 до 100°С. В особых случаях могут применяться сплавы высокой жаропрочности, работающие при температуре выше 1000°С /см. Б.Н.Арзамасов «Материаловедение», М. «Машиностроение», 1986 г, стр.284-288 [10]/.

Причем клапан 14 выполняется пустотелым, внутренний объем его примерно на 60% заполнен металлическим натрием /тепловая трубка/, что обеспечивает интенсивный теплоотвод от головки выпускного клапана к его торцу, имеющему более низкую температуру /см. С.Н.Григорьев, Н.В.Щетинин «Тепловые двигатели и компрессоры», «Трансжелдориздат, М., 1959 г., стр.149 [11]/.

Из источника /3/ известно, что при детонации взрывчатых газовых смесей тепловыделение увеличивается примерно на 10-12% по сравнению с обычным медленным сгоранием этих смесей /скорость детонационной волны для различных смесей газов обычно имеет величину от 1500 до 3500 м/с, см. С.С.Бартенев «Детонационные покрытия в машиностроении», Л. «Машиностроение», 1982 г., стр.26 [12]/, тогда как обычное медленное сгорание происходит со скоростью 20-30 м/с. Другими словами при одной и той же мощности двигателя расход топлива при детонационном сгорании уменьшается, что ведет к повышению КПД двигателя на эту же величину.

Этим вероятно можно объяснить и тот факт, что температура и давление газов /продуктов сгорания/ при детонации существенно выше, чем при обычном сгорании смесей газов. Например, из «Техническая термодинамика» В.В.Сушков, «Госэнергоиздат, М., Л, 1960 г., стр.75 известно, что давление газа прямо пропорционально его абсолютной температуре и, следовательно,

Однако на практике это отношение при детонации не выдерживается /см. 12, стр.30/.

Поршень 3 при рабочем ходе достигает низа продувочных окон 6, а центр шейки /шатунной/ коленчатого вала занимает поз.29 с увеличением радиуса кривошипа 11. Сжатый воздух из ресивера 5 поступает в цилиндр двигателя и через выпускной клапан 14 /который в это время опускается вниз и открывает сообщение камеры сгорания с каналом 15, отводящим отработанные газы/ выталкивает продукты сгорания в выпускной канал 15, откуда отработанные газы поступают или на турбокомпрессор /не показанный/ или в атмосферу /в небольших двигателях малой мощности/.

Отметим некоторые особенности при достижении поршнем Н.М.Т.:

а) увеличение радиуса кривошипа коленчатого вала на величину Δh, поз.29, обеспечивает увеличение хода поршня, в то время как у обычного 2-тактного двигателя за счет высоты продувочных окон ход поршня на 10-15% /имеется ввиду рабочий ход под действием продуктов сгорания обычного двигателя/ меньше, чем у 4-тактного. В итоге не только увеличивается полезная работа двигателя за счет увеличения хода поршня, учтенная выше в описании работы коленчатого вала с переменным радиусом кривошипа, но и увеличивается объем в цилиндре продувочного воздуха при перекрытии поршнем продувочных окон 6 и, следовательно, повышается дозарядка цилиндра /см. 11, стр.126-128/.

б) температура отработанных газов смешанных /частично/ с продувочным воздухом не понижается /до 300-350°С, как это указано в источнике 11/, а наоборот повышается за счет устройства цилиндровой крышки 2 из жаропрочных сплавов, нагретых продуктами сгорания и удерживаемой температурой стенок крышки 2 до 700-900°С /при работе системы охлаждения цилиндровой крышки 2/. Причем отвод тепла от стенок цилиндровой крышки и камеры сгорания 16 при продувке резко увеличивается за счет вихревого движения продувочного воздуха в камере сгорания 16, что ведет к уменьшению потерь тепла в системе охлаждения цилиндровой крышки, т.е. меньше тепла теряется с охлаждающей водой. Другими словами раскаленная цилиндровая крышка 2, выполненная из жаропрочных сталей, кроме прямой функции — камеры сгорания, служит еще и в качестве теплообменника, обеспечивая при продувке теплообмен с продувочным воздухом, повышая его температуру. В результате обеспечивается нормальная работа турбокомпрессора /за счет повышения температуры рабочих газов на лопатках турбины/ и, небольшое, но все же повышение индикаторного КПД двигателя за счет меньших потерь тепла в системе охлаждения. Опускание продувочных окон за счет увеличения хода поршня при увеличение радиуса кривошипа — поз.29 в Н.М.Т. приводит к увеличению объема продувочного воздуха при перекрытии поршнем продувочных окон 6. Все эти положительные качества двигателя, приобретенные им за счет кривошипного механизма с изменяемым радиусом, и выполнение цилиндровой крышки 2 из жаропрочных сталей способствуют повышению мощности 2-тактного двигателя, так как дополнительный ход поршня с новым коленчатым валом компенсирует те потери, которые в обычном 2-тактном двигателе связаны с тем, что часть хода поршня затрачивается на осуществление процессов выпуска и зарядки /см. В.П.Алексеев «Двигатели внутреннего сгорания», «Машгиз», М. I960 г., стр.30 и 26-28 [13]/.

2. Выше указано, что в качестве метода, обеспечивающего приемлемую теплонапряженность и работоспособность двигателя и его элементов при детонационном сгорании топлива, используется принцип действия «волновых машин» /см. источник 4/.

Новая конструкция разделенной камеры сгорания 16, занимающая только часть объема цилиндровой крышки 2, имеющей еще и кольцевую полость 19, позволяет практически полностью направлять удары ударных волн, выходящих через профилированные окна 18 камеры сгорания в кольцевую полость 19 и стенки этой полости, причем под косыми углами /см. описание этого процесса выше/ для снижения силы ударов. За фронтом ударных волн газ сильно сжат и имеет высокую температуру с параметрами P_z и Т_ср и, расширяясь в полости 19 во все стороны, сжимает сжатый воздух перед собой, еще больше повышая его давление, под которым он через окна 20, равномерно распределенные по окружности, давит на поршень 3 и приводит его в движение. Иными словами на поршень действует сжатый воздух высокого давления.

Сжатый воздух, заключенный в полости 19, в конце процесса сжатия в В.М.Т. (назовем «буферным газом») выполняет роль «газовой пружины» между раскаленными продуктами сгорания при детонации и днищем /головкой поршня 3/.

Отношение объемов сжатого воздуха в цилиндрической камере сгорания 16 к объему сжатого воздуха в кольцевой полости 18

для описываемого двигателя имеет большое значение, так как с уменьшением к-та «К» снижаются тепловые нагрузки цилиндров g_F и силовые — на элементы двигателя. Вместе с тем уменьшается мощность двигателя. Значение коэффициента «К», при котором достигаются наилучшие значения тепловых, силовых нагрузок при требуемой мощности, определяются экспериментальным путем.

Анализ работы 2-тактного крейцкопфного двигателя, описываемого в данной работе, с детонационным процессом сгорания при больших значениях давления и температуры и при любых значениях «К» показывает на высокий уровень параметра форсировки рабочего цикла, намного превышающий достигнутый новейшими дизелями, за счет более высокого индикаторного КПД Bi и минимального значения коэффициента избытка воздуха α в камере сгорания, равного теоретическому значению. Другими словами отношение Bi/α существенно больше достигнутого — 0,3 /см. Возницкий И.В. «Рабочие процессы судовых дизелей», М. «Транспорт», 1979 г, стр.43-49 [14]/.

Вышеизложенные выводы /часть продувочного воздуха нагревается раскаленной цилиндровой крышкой/ позволяют утверждать, что баланс мощностей отработанных газов в 2-тактном двигателе описываемом здесь, и турбокомпрессора, обеспечивают продувку цилиндров с их зарядкой без применения продувочного насоса /на который уходит до 8-10% энергии/ или с частичным его применением для нового ДВС малой мощности /использование комбинированных систем/.

На фиг.12 показан 2-й вариант цилиндровой крышки 2 диаметром больше, чем на фиг.2, что обеспечивает увеличение объема кольцевой полости 19 и возможность уменьшения «К». При этом увеличивается длина пути распространения ударных волн и, еще большее снижение силы ударов о кольцевые стенки цилиндровой крышки (за счет потерь энергии ударных волн на пути их распространения).

Кроме того, окна 73, расположенные равномерном по окружности, выполнены под заданным углом к плоскости днища поршня 3. Это позволяет при прохождении над ними частично ослабленных ударных волн при их возможном поперечном расширении уменьшить ударный импульс о днище поршня за счет действия «косых ударов» /под углом к поверхности днища/. Возможность проникновения при расширении ударных волн и угол наклона окон 73, имеющий оптимальное значение, подтверждается только экспериментальным путем. Для улучшения очистки от остаточных продуктов сгорания, кроме центрального выпускного клапана 14, установлены дополнительные выпускные клапаны 74.

На фиг.13 показан третий вариант выполнения цилиндровой крышки с наклонными окнами 73, в котором кольцевая полость 19 /фиг.2/ разделена на несколько полостей 75, выполненных в виде сегментов с помощью устройства охлаждаемых перегородок 76.

Устройство отдельных сегментов 75 позволяет практически полностью избежать поверхностного перемешивания продуктов сгорания с сжатым «буферным газом-воздухом за счет отсутствия возможности расширения газа по концентрическим окружностям и строгого направления расширения газа-сжатия воздуха к окнам 73.

4-м вариантом устройства цилиндровой крышки /не показанным/ может служить увеличение высоты окон 20 или 73 за счет существенного утолщения днища 21. Ведь объем воздуха U2 складывается не только за счет объема полости 19 или сегментов 75, но и за счет объемов сжатого воздуха, заключенного в этих окнах, преобразуемых в утолщенных днищах 21 в каналы. Для снижения гидравлического сопротивления их поперечное сечение /каналов/ выполняется большим.

3. Теплоиспользование и КПД описываемого двигателя.

По сравнению с обычным медленным сгоранием горючей /рабочей/ смеси, осуществляемым в настоящее время на всех типах ДВС, детонационное сгорание имеет ряд бесспорных преимуществ. К этим преимуществам необходимо отнести в первую очередь высокую температуру T₁ рабочего цикла, и давление сгорания P_z и дополнительное тепловыделение, которое по сравнению с обычным сгоранием на 10-12% больше /см. вышеуказанный источник 3/.

Из термодинамики известно, что КПД вполне определяется отношением крайних температур цикла T₁ и Т₂, возрастая с увеличением высшей температуры T₁ и с уменьшением низшей температуры Т₂, а следовательно, и с увеличением разности этих температур, т. е. падения температуры в цикле или температурного перепада:

В.В.Сушков «Техническая термодинамика», Госэнергоиздат», М-Л. 1960 г., стр.99 [15]. При этом термический КПД цикла так же, как и у двигателей с медленным сгоранием, вполне определяется степенью адиабатического сжатия 8 или расширения и возрастает с ее увеличением:

/см. 15, стр.178/.

Вместе с тем скорость детонации возрастает с повышением теплоты, выделяющейся в результате химической реакции /см. 12, стр.26/. При детонационном сгорании на 10-12% выше, чем при обычном медленном сгорании и, следовательно, существенно возрастает давление продуктов детонационного сгорания. В описываемом двигателе цилиндровая крышка и клапаны выполняются из жаропрочных сплавов, что оказывает огромное влияние на теплоиспользование в двигателе, т.е. на повышение индикаторного КПД.

Совокупность приведенных положительных факторов при детонационном сгорании бесспорно ставит такой двигатель по КПД значительно выше, чем этот показатель /η_t/ у современных ДВС. Поэтому эффективный КПД описываемого двигателя без вышеприведенных усовершенствований и каких-либо завышений можно принять на уровне современных лучших дизелей. По известным данным их КПД /Япония/ достигает η_t=42-44%. Таким образом, начиная с 1897 г., когда опытный двигатель у Рудольфа Дизеля показал КПД, равный 34% /см. журнал «Инженер», 1992 г., / 7, стр.14-16/, коэффициент полезного действия у двигателя с воспламенением от сжатия возрос лишь всего от 5 до 10%. За 100 с лишним лет такой низкий прирост КПД с затратой огромных средств на совершенствование двигателя является слишком дорогой ценой. У предлагаемого двигателя с детонационным способом сгорания углеводородного топлива имеются, как выше описано, следующие дополнительные возможности повышения η_t:

а/ применение коленчатого вала с изменяемым радиусом кривошипа, что, например, для рассматриваемого выше дизеля 64 18/22 мощностью Nε=110 кВт прирост, при частоте вращения нового коленчатого вала П=750 об/мин, КПД составил 37,5%;

б) дополнительное тепловыделение при детонационном сгорании составляет 10-12% /см. источник 3/, что соответствует приросту КПД=0,42×0,1=4%;

в) применение жаропрочных сплавов для разделенной камеры сгорания с температурой стенок 700°С позволяет существенно уменьшить потери тепла с охлаждающей водой, т.е. повысить индикаторный КПД /у современных дизелей температура стенок камеры сгорания поддерживается на уровне лишь 230-275°С /см. 14, стр.4-5/. Прирост КПД на 3-5%. Общий эффективный КПД нового двигателя составит ∑/42-44/°+37,5%+4%+3%=86,5÷88,5%. Иными словами за счет предлагаемых усовершенствований КПД нового поршневого двигателя превышает η±=80%, что много больше, чем у любого современного теплового двигателя.

Второй способ определения эффективного КПД двигателя.

В этом способе определения КПД учитывается волновой принцип передачи давления продуктов сгорания на поршень с помощью «буферного газа-сжатого воздуха» или «газовой пружины». Коэффициент полезного действия расширения-сжатия в волновом компрессоре типа «Компрекс» достигает 69% /см. журнал «Техника молодежи», 1968 г. , /12, стр.37-38/.

Однако в предлагаемом двигателе имеются потери тепла с охлаждающей водой примерно 15-20% /с учетом устройства цилиндровой крышки из жаропрочных сплавов, см. источник 11, стр.137/ и механический КПД, равный для: 4-тактных дизелей — η_м=0,75-0,9; 2-тактных дизелей η_м=0,73-0,8 /см. источник 11, стр.136/. Учитывая современный уровень технологии изготовления двигателей, несомненно превышающий 1959 г. названного источника /11/, с применением напыления из износостойких и коррозионно стойких защитных покрытий, обработанных до высокого класса шероховатости покрытий, например из твердого сплава, которое в обычных условиях трения без смазки имеет сравнительно низкий коэффициент трения /см. источник 12, стр.187-206/. Поэтому механический КПД примем на уровне η_м=0,84, а для 4-тактных — η_м=0,92-0,95. Приведенные значения потерь вычитаем из η_t=69%: КПД=0,69×/0,85 — 0,8/×0,84=0,49-0,46. Введем поправки до η_э=0,42 или 42%. Прибавляя к полученному КПД прирост за счет применения коленчатого вала с изменяемым радиусом кривошипа — 37,5%, плюс 4,0% за счет дополнительного тепловыделения при детонационном сгорании, получаем эффективный КПД нового двигателя, равный η_э=83,5%. Таким образом, два приведенных ориентировочных метода расчета подтверждают высокий КПД двигателя, равный около 80%.

2-тактный двигатель двойного действия. Как известно, 2-тактные двигатели двойного действия позволяют увеличить мощность на 80-85%. Кроме того, эти двигатели наиболее компактны и меньше по высоте по сравнению с рассматриваемым выше двигателем и позволяют уравновесить силы инерции от возвратно-поступательно движущихся масс. Многоцилиндровый двигатель выполняется в однорядном исполнении.

На фиг.8 показан двигатель двойного действия, имеющий 2 цилиндровые крышки /подобные тем, которые установлены на двигателе по фиг.1/. Двигатель состоит из цилиндра 77, поршня 78, штока 79, крейцкопфа 80, направляющих 81, шатуна 82, кривошипа 83, цилиндровых крышек 84 и 85 (на фиг. 9), картера 86, выпускного коллектора отработанных газов 87, продувочных окон 88. Здесь далее: кривошип 83 в Н.М.Т. — поз.89 с центром шатунной шейки — поз.90 — для первого цилиндра однорядного многоцилиндрового двигателя двойного действия. У второго цилиндра смещение центра шатунной шейки 91 происходит противоположно центру шатунной шейки 1-го цилиндра, за счет чего происходит уравновешивание сил инерции. Для обычного коленчатого вала центр шатунной шейки описывал бы окружность 93 /описываемый коленчатый вал 92/, которая совпадает с центром шатунных шеек коленчатого вала 92 с переменным радиусом кривошипа в точках 94, 95.

На переменных режимах и холостом ходу центры шатунных шеек могут занимать промежуточное положение — поз.96 и 97. Цилиндровые крышки 84 и 85 содержат три выпускных клапана, из которых два — поз.98 расположены в кольцевых полостях 99 и по одному клапану 100 в камерах сгорания 101. На фиг.9 показаны каналы 102 в цилиндровых крышках и каналы 103 в стенках цилиндра, служащие для прохода жидкости системы охлаждения двигателя. В верхней крышке в камере сгорания установлена одна форсунка 104, в нижней — две форсунки 105. Специальный сальник 106 обеспечивает герметичность полости под поршнем и размещен во втулке 106 — втулке штока 79.

Отработанные газы из нижней цилиндровой крышки выходят в выпускной трубопровод 107, сообщающийся с коллектором 87 /см. 13, стр.31-32/.

В этом двигателе также осуществляется детонационное сгорание при использовании «буферного газа-воздуха», как и в первом двигателе. Конструктивные отличия от первого двигателя, в части устройства цилиндровых крышек, заключаются лишь в количестве выпускных клапанов, форсунок и более сложной нижней цилиндровой крышки.

На фиг.14, 15 показана форсунка, имеющая свою систему охлаждения, позволяющую снизить температуру электропроводной жидкости в цилиндрических каналах и особенно в соплах. Она состоит из наружного корпуса 108 и внутреннего 109, выполненного из электроизоляционного материала, с кольцевыми каналами 110 для циркуляции охлаждающей жидкости.

Форсунка имеет два патрубка 111 и 112, один из которых служит для подачи охлаждающей жидкости, а другой — для ее выхода из системы охлаждения форсунки. Через каналы 113 охлаждающая жидкость поступает во внутренний кольцевой канал 114.

Во внутреннем корпусе 109 по окружности расположены цилиндрические каналы 115, с одной стороны которых установлены электроды 116, а с другой — сопла 117. Дополнительная топливная форсунка 118, например, закрытого типа установлена по центру. Для подачи электропроводной жидкости в каналы 115 служат патрубки 119 и 120, внутри которых в изоляционной части установлены шнеки 121 и 122.

Наружный металлический корпус имеет взрывную камеру 123 с выходным отверстием 124. Далее струи электропроводной жидкости 125, направленные под углом друг к другу, сходятся в области 126. Струи топлива 127 впрыскиваются форсункой 118. Фланцы 128 служат для крепления форсунки.

Форсунка подключается к генератору электрических импульсов, принципиальная схема которого приведена на фиг. 10, к насосу для подачи электропроводной жидкости и насосу системы охлаждения с радиатором.

На фиг.16 изображена форсунка, подобная по конструкции форсунке на фиг.10 и отличающаяся от нее тем, что в ней взрывная камера выполнена удлиненной для впрыскивания пар струй электропроводной жидкости под разными углами друг к другу. При этом и генератор электрических импульсов подает разрядные токи на струи последовательно друг за другом.

Она состоит из наружного корпуса 129 и внутреннего 130, выполненного из электроизоляционного материала. Наружный корпус имеет взрывную камеру 131, фланцы 132 для крепления форсунки и патрубки 133, в изоляционной части которых установлены шнеки 134. В корпусе 130 размещены цилиндрические каналы 135 и 136, с одной стороны которых установлены электроды 137 и 138, а с другой — сопла 139. В центре размещена дополнительная топливная форсунка 140, например, закрытого типа.

Далее: струи электропроводной жидкости 141 направлены под углом друг к другу и сходятся в области 142, струи электропроводной жидкости 143 направлены под углом друг к другу и сходятся в области 144, струи топлива 145, выходное отверстие /сопло/ 146 взрывной камеры 131.

Генераторы электрических импульсов показаны в виде принципиальной схемы, причем один из них подключен /работает/ к электродам 137, а другой — к электродам 138. Они состоят из источников постоянного тока высокого напряжения 147, конденсаторов 148 и 149, разрядников 150 и 151.

Однорядный четырехцилиндровый четырехтактный двигатель.

Как и в существующих двигателях, коленчатый вал имеет коленья, расположенные под углом 180° /см. фиг.18, 19/ и выполняется по фиг.5-7 с порядком работы: 1-2-4-3 или 1-3-4-2. Рассмотрим работу двигателя с порядком работы: 1-2-4-3.

1. Рабочий ход — поворот коленвала	на 180°:	1 цилиндр-рабочий ход,
		2 -«- — сжатие воздуха,
		3 -«- — выпуск газов,
		4 -«- — всасывание-впуск
2. -«- -«- -«-	на 360°:	1 цилиндр-выпуск,
		2 -«- — рабочий ход
		3 -«- — впуск
		4 -«- — сжатие
3. -«- -«-	на 540°	1 цилиндр-впуск,
		2 -«- выпуск
		3 -«- сжатие
		4 -«- рабочий ход
4. -«- -«-	на 720°	1 цилиндр — сжатие
		2 -«- впуск
		3 -«- рабочий ход
		4 -«- выпуск

Из рассмотрения работы этого двигателя с новым коленчатым валом, имеющим переменный радиус кривошипов, отмечаем, что при каждом повороте коленчатого вала на 180° два колена /рабочий ход и впуск/ достигают Н.М.Т. и силы инерции P_j от возвратно-поступательно движущихся масс кривошипных механизмов цилиндров, в которых происходят процессы рабочего хода и впуска, складываются. Другими словами, за каждый полный оборот коленчатого вала имеем: 2P_j раб. хода + 2P_j впуска = 4P_j. Напомним, что сила инерции

P_j=-m; r·w²(cosα+A cos2α)

и пропорциональна квадрату угловой скорости вращения коленчатого вала.

Подчеркнем особенности работы двигателя с новым коленвалом:

а/ при такте сжатия заряда воздуха в цилиндрах центр шатунной шейки с позиции 152 /при увеличенном радиусе кривошипа/ в В.М.Т. занимает положение — поз.153. При этом накопленная пружиной 34 энергия от сил инерции P_j затрачивается на преодоление, в основном, той же силы инерции при движении поршня с Н.М.Т. в В.М.Т., а сила инерции при достижении В.М.Т. компенсируется силой от давления на поршень сжимаемого воздуха в цилиндрах, причем последняя сила для гарантии от удара поршня о цилиндровую крышку /головку цилиндра/ должна быть всегда большей. Это достигается и напрямую зависит от степени сжатия ε;

б/ при такте выпуска отработанных газов преодоление сил инерции в В.М.Т. достигается также, как и при такте сжатия. Выпускной клапан 154 не открывается как в обычном двигателе, а наоборот, находится в закрытом состоянии и отработанные продукты сгорания снова при движении поршня в В.М.Т. сжимаются до тех пор, пока давление в нагретых газах не достигает той величины, при которой силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс кривошипного механизма компенсируются давлением сжатых отработанных газов. Иными словами, происходит задержка открытия выпускного клапана 154, который при небольшом превышении давления над силами инерции /или равными между собой/, открывается, выпуская нагретые газы в систему воздухоснабжения двигателя — для работы турбокомпрессора, а для двигателей небольшой мощности — в волновую машину «Компрекс» фирмы Броун Бовери.

Управление выпускными клапанами 154 в этом двигателе необходимо осуществлять с помощью соленоидов, т.е. у клапанов выпускного тракта, управление ими осуществляется с помощью электромагнитных систем. Это позволяет в широких пределах варьировать моментами открытия и закрытия клапанов /см. К.Чириков «Двигатель», Знание, Техника, М., 1983, стр.59. Клапанный механизм фирмы «Лукас»/.

Причем открытие клапана 154 производится лишь на ту высоту, при которой происходит дросселирование газов с поддержанием давления в цилиндре несколько превышающ величину силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс при движении поршня в В.М.Т., так чтобы поршень не ударился о днище 21 камеры сгорания. При этом в камере сгорания и кольцевой полости, поз.158, 157 цилиндровой крышки 155 /выполняется подобно крышке 2 с косыми окнами 73 — фиг.12/, остаются «остаточные газы» под значительным давлением, поэтому выпускной клапан продолжает оставаться в открытом состоянии и при движении поршня в Н.М.Т. до тех пор, пока давление воздуха в системе воздухоснабжения не превысит давления «остаточных газов». Выпускной клапан при этом закрывается, а впускной 156 открывается, впуская в цилиндр свежий воздух.

Новый 4-тактный двигатель в отличие от существующих работает только с системой наддува, позволяющей использовать энергию сжатых газов за счет сил инерции при движении поршня в В.М.Т., а также способствует увеличению мощности двигателя и коэффициента наполнения цилиндра/ов/ свежим воздухом.

В отличие от 2-тактного двигателя с противоположно движущимися поршнями и 2-тактного двойного действия, в которых силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс компенсируются давлением сжимаемого воздуха при тактах сжатия, в 4-тактном этот процесс происходит и при такте выпуска отработанных газов с утилизацией их энергии на турбокомпрессоре или на волновой машине.

Иными словами 4-тактный двигатель с новым коленчатым валом становится самой совершенной машиной по сравнению с вышеназванными и имеет наибольший КПД, превышающий 80-84%.

Причем в нем возможно достижение наибольшей частоты вращения коленчатого вала /за счет применения форсунок по фиг.10, 14, 16 и системы очистки цилиндров от продуктов сгорания, а также наполнения их свежим зарядом воздуха/ за счет дополнительных вспомогательных тактов: впуска и выпуска, несмотря на то, что по мощности они значительно уступают 2-тактным и особенно 2-тактным двойного действия.

Однако высокая частота вращения коленчатого вала не только позволяет существенно повысить мощность этих двигателей, но и дает еще большие преимущества по сравнению с 2-тактными, в части повышения эффективного КПД двигателя, так как силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс кривошипного механизма пропорциональны квадрату угловой скорости W².

Применяемая на всех типах двигателей цилиндровая крышка с встроенной в нее разделенной камерой сгорания и кольцевой полостью /поз. 157, 84. 99, 19/, которая уменьшает объем камеры сгорания и существенно снижает заряд воздуха, участвующий в детонационном сгорании, однако, необходима для этого типа двигателей.

Этот «недостаток» конструкции крышки, снижающий мощность двигателей, компенсируется путем увеличения диаметра/ов/ цилиндра/ов/ или увеличения числа цилиндров.

В этом случае повышается стоимость двигателя и его обслуживания, однако намного больший КПД двигателей по сравнению с существующими и ряд др. положительных качеств, изложенных ниже, обеспечивают новым двигателям быструю окупаемость с вытеснением из экономики государств устаревших моделей бензиновых и дизельных двигателей.

Уравновешивание двигателей с новым коленчатым валом.

1. Уравновешивание центробежных сил, инерции К_r вращающейся массы m_z кривошипного механизма.

При увеличении радиуса кривошипа в Н.М.Т. центробежные силы инерции являются свободной неуравновешенной силой. Уравновешивание может быть осуществлено применением системы добавочных противовесов, установленных на дополнительных вращающихся дисках или шестернях /см. 1, стр.48-76/. Подчеркнем, что двигатели с новым коленчатым валом могут строиться по тем же схемам КШМ, по которым строятся и обычные ДВС /см. 13, стр.50-52, /1/, стр.48-76/, т.е. в однорядном исполнении, V-образные и пр.

Сравнительный анализ энергетических и экономических показателей нового двигателя с существующими двигателями: дизель и карбюраторными.

1. Сравнение с дизелем.

Постоянное стремление повышать экономичность ДВС заставляло увеличивать степень сжатия, что привело к появлению двигателя дизель с впрыском в сжатый и нагретый воздух топлива, сгорающего за счет высокой температуры воздуха. При этом минимальная степень сжатия, при которой еще возможно самовоспламенение горючей смеси, равно ε=10,5 /см. 14, стр.29 и В.В.Сушков «Техническая термодинамика», М.-Л., 1960 г., стр.180/. В новом двигателе зависимость КПД практически такая же, как и в дизеле, однако повышение степени сжатия еще ведет к такому важнейшему для поршневых машин показателю, как одновременное увеличение мощности двигателя. Это достигается за счет детонационного взрыва /сгорания/ в разделенных камерах сгорания 16, 101, 158 /фиг.21/ двигателей, причем в них коэффициент избытка воздуха, характеризующего состав смеси, близок к единице. Именно при таком составе химические реакции окисления сопровождаются наибольшим тепловыделением /см. 14, стр.82/. При высокой степени сжатия детонационное сгорание горючей смеси, осуществляемое со скоростью детонации более 2000 м/с /по сравнению с обычным сгоранием, имеющим скорость сгорания не более 20-30 м/с/, позволяет мгновенно увеличить давление сгорания P_z, величина которого может превышать сотни кг/см² /или бар/. В источнике /12/, стр.30 приведены значения давлений детонационного сгорания при нормальном атмосферном давлении в среде кислорода. Например, природный газ метан СН₄+О₂ при температуре 10°С взрывается с увеличением давления в 29,8 раза, по сравнению с атмосферным, причем взрыв осуществляется ударной волной, инициированной самим первоначальным процессом горения в стволе установки. Известно также, что в стехиометрических смесях метана с кислородом давление, образующееся при взрыве, без применения ударной волны, достигает значений от 15 до 19 кг/см², в то время как в стехиометрических смесях их с воздухом оно не превышает 10 кг/см² /см. П.Г.Демидов «Горение и свойства горючих веществ», М., 1962 г., «Минкомхозяйства РСФСР, стр.160/. Другими словами при воспламенении взрывчатой смеси нагревом ее при сжатии ударной волной, осуществляемой в новом двигателе, давление повышается скачкообразно и при нормальном атмосферном давление превышает давление взрыва метана с кислородом в 29,8:/15-19/=2÷1,6 и более.

Детонационное сгорание при различных степенях сжатия с получением высокого давления P_z продуктов сгорания определяется экспериментальным путем, однако на основании вышеприведенных данных величина P_z в новых двигателях намного превышает этот показатель в существующих дизелях.

Применение разделенных камер сгорания, полностью изолированных от поршня двигателя, и передача энергии раскаленных продуктов сгорания на поршень через «буферный газ-воздух» позволяет многократно увеличить давление сгорание P_z и среднее эффективное давление Р_е до 30-40 и более бар /кг/см²/, достигая при этом высокой дельной габаритной мощности, не достижимой для существующих и проектируемых дизелей, рабочий процесс которых основан на «медленном» сгорании горючей смеси. Здесь следует также отметить, что новые двигатели с детонационным способом сгорания и «буферным газом — сжатым воздухом», между раскаленными газами и поршнем, обладают и наиболее высоким параметром форсировки рабочего цикла по удельной работе газов, за счет высокого эффективного и индикаторного КПД, достигающего более 80%, при коэффициенте избытка воздуха в камере сгорания около единицы, или отношение η₁ к α=0,8, при достигнутом параметре форсировки на лучших мощных судовых дизелях — η_i/α-0,3 /см. 14, стр.43/. Высокий параметр форсировки рабочего цикла в новом двигателе обеспечивает еще и дополнительное повышение мощности двигателя.

Так как корни параметра форсировки в дизелях лежат в совершенствовании рабочих процессов /что маловероятно в дальнейшем/, повышение мощности в них в основном основывается на высоком наддуве /см.2, стр.62-64 и /14/, стр.43/.

Высокий наддув применен и в новом двигателе, а в совокупности с высокими показателями P_z и Р_е, а также параметра форсировки η_i/α, предлагаемые двигатели по мощности намного превышают современные самые лучшие дизели и приближаются к мощности паровых турбин.

Здесь также следует отметить, что техника развивается в направлении все более высоких мощностей и коротких сроков осуществления тех или иных процессов. Поэтому взрывной способ сгорания в новых двигателях позволяет намного продвинуть темпы развития энергетики /см. 6, стр.16/.

Влияние эксплуатационных факторов на смесеобразование и сгорание в новом двигателе и существующих дизелях.

Процессы смесеобразования и сгорания находятся в определенной зависимости от работы систем подготовки и впрыска топлива, от его физико-химических показателей. Необходимым условием возникновения и последующего развития реакций горения является смешение топлива и используемого в качестве окислителя воздуха.

В новом двигателе процессы впрыска топлива, смесеобразования и сгорания коренным образом отличаются от процессов в дизеле.

В дизеле топливо впрыскивается в виде струй, вытекающих из каждого соплового отверстия форсунки со скоростями более 250-300 м/с, обеспечивающими распыливание топлива на мельчайшие капли. Однако размеры капель на периферии факела и в центре значительно отличаются друг от друга, образуется неоднородная смесь, что затрудняет распространение фронта пламени по объему камеры сгорания. Кроме того процессы образования горючей смеси, включающие распад струи топлива на капли, образования факела, его проникновения внутрь заряда воздуха, прогрев капель, их испарение и смешивание паров с воздухом, а также процессы химической подготовки смеси к воспламенению, обусловленные протеканием предпламенных реакций, занимают определенное время, которое принято называть периодом задержки воспламенения или периодом индукции, что является прямой функцией метанового числа топлива. Период индукции вместе с тем способствует накоплению в камере сгорания катализирующих активных продуктов неполного окисления. Процесс горения топлива в цилиндре растягивается до 70° угла поворота коленчатого вала, что ведет к повышению температуры газов в конце расширения и на выпуске и к увеличению вероятности неполного сгорания топлива в цилиндре.

Причем в процессе испарения в массе капли по мере роста ее температуры интенсифицируется процесс разложения топлива, переходящий в процесс термического пиролиза с образованием ароматических газообразных углеводородов и кокса. Сгорание этих углеводородов в зоне пламени сопровождается высокой светимостью продуктов сгорания, с интенсивным поглощением тепла стенками цилиндра /потери тепла с охлаждающей водой/, обусловленным повышенным содержанием сажистых частиц /см. 14, стр.80-92/. Сжигание тяжелых топлив, представляющих собой смеси прямогонных или чаще крекинг-остатков с дистиллятами добавляет еще ряд недостатков, заключающихся в снижении ресурса двигателя, увеличении трудоемкости их обслуживания вследствие повышенных износов деталей ЦПГ из-за сернистой коррозии и интенсификации процессов саже- и нагарообразования, приводящих к загрязнению цилиндров, поршневой группы, выхлопного тракта и газовых турбин. Одновременно отмечается ускорение процессов старения масла в картере тронковых двигателей, прогорание выпускных клапанов. Интенсивное загрязнение двигателей при сгорании тяжелых топлив является одним из основных недостатков их использования.

Ничего этого в новом двигателе нет.

В камеру сгорания нового двигателя «впрыскивается» вместо жидких струй топлива газообразная смесь перегретых паров топлива и с небольшим количеством паров концентрированных водных растворов сильных электролитов. В результате достигается качественное смешение полученного в форсунке из жидких струй газообразного топлива с воздухом.

Все виды жидких топлив, применяемые в ДВС, представляют собой в основном продукты переработки нефти.

Переход от впрыскивания в камеру сгорания двигателя жидкого топлива к газообразному, полученного в форсунках по фиг.10, 14, 16, является неоспоримым преимуществом рабочего процесса нового двигателя. Двигатели становятся газовыми с вытекающими отсюда всеми преимуществами газовых двигателей /см. 13, стр.351-352/. Причем по сравнению с обычными газовыми двигателями, работающими на сжатом и сжиженных газах с температурой окружающей среды, в камеру сгорания нового двигателя поступают перегретые пары углеводородного топлива с оптимальной температурой, обеспечивающей, при полном смешении с воздухом, реагирование горючей смеси с огромными скоростями без задержки воспламенения. Газообразное топливо не вызывает разжижения характерного масла, вследствие чего уменьшается износ деталей двигателя, значительно увеличивается его срок службы и в 2-3 раза возрастает срок службы картерного масла. Продукты сгорания нового двигателя в отличие от дизелей содержат меньше окиси углерода СО, лишены сажи, нагарообразования и не загрязняют цилиндры, поршневую группу, выхлопной тракт и газовые турбины, при работе на любых жидких топливах, так как двигатель работает на перегретых парах топлив с температурой, достаточной для испарения всех вредных продуктов термического разложения жидкого топлива /кокса, смолистых веществ и пр./, образующих сажу и нагар. Подчеркнем еще раз основное коренное отличие в смесеобразовании и сгорании топлива, которое заключается в том, что в новом двигателе отсутствует период индукции, присущий дизелям. Испарение и перегрев до заданной температуры жидкого топлива происходит практически мгновенно во взрывной камере форсунки, поз.48, 123, 131, а не в цилиндре двигателя. Двигатель становится газовым. Вторым коренным отличием является процесс сгорания, не растянутый по ходу поршня, а происходящий в верхней мертвой точке двигателя /при постоянном объеме, который экономичнее цикла дизеля, см. 15, стр.184/ и при коэффициенте избытка воздуха α=1, при котором химические реакции окисления сопровождаются наибольшим тепловыделением.

Третьим коренным отличием рабочего процесса или опять же процесса сгорания является детонационное сгорание взрывчатой газовой смеси, обусловленное нагревом ее при сжатии ударной волной. Расчеты показывают, что при скорости ударной волны около 1700 м/с температура достигает примерно 1700К. Такие температуры значительно превосходят температуру воспламенения взрывчатых газовых смесей любых продуктов переработки нефти, в том числе и самой нефти /особенно нефтей с малым содержанием серы/. Двигатель становится многотопливным /см. 12, стр.26 и Б.И.Лобач-Жученко «Школа теплоходного механика и судового моториста», ОГИЗ, 1936 г., М., стр. 28-30/.

Четвертым коренным отличием рабочего процесса является не расширение продуктов сгорания над поршнем с интенсивным его нагревом и потерей тепла с охлаждением поршня, как в дизеле, а сгорание и расширение раскаленных газов в изолированной от поршня емкости — цилиндровых крышках, поз.2, 84, 85 и 155, с передачей энергии расширения продуктов сгорания на поршень через «буферный газ — сжатый воздух».

Эти четыре отличительных признака нового двигателя от дизеля обеспечивают его работу с намного большим КПД, чем в дизеле, а также высокую удельную габаритную мощность и работу двигателя не только на любых продуктах перегонки нефти и самой нефти, но и работу его на любых твердых топливах, причем и в этом процессе при работе его на твердом топливе двигатель работает как газовый.

Рассмотрим работу форсунок на фиг.10, 14, 16 и электродетонатора на фиг.11 более подробно.

В качестве электропроводных жидкостей, как сказано выше, служат концентрированные водные растворы сильных электролитов на основе кислот, оснований и солей /см. 7, стр.230-231/, причем их удельная электропроводность χ зависит от концентрации растворенных в них компонентов и их температуры /до определенных значений концентрации и температуры/. Самый высокой уд. электропроводностью обладают кислоты HNO₃ — азотная кислота — χ=78,19 См/м при Т=18°С, серная — H₂SO₄ — до 73,88 с концентрацией 30% и соляная — HCl — до 76,15 и концентрацией 20% /см. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки, под ред. В.А. Волосатова: Л., «Машиностроение», стр.36-54 /17//. Однако, например, при электрохимической обработке применяются растворы с низкой концентрацией растворенных в них компонентов — от 2,3 до 5,2% /см. 7, стр.230/.

При использовании этих растворов, например водного раствора на основе азотной кислоты Т=70-80°С в новом двигателе, необходимо стремиться к уменьшению количества паров раствора электролита при взрыве струй 56 /фиг.10/ во взрывной камере 48 форсунок 22, 104, 105 двигателя, путем применения высоконапорных струй диаметром 0,1-0,076 мм /см. «Эрозия» под редакцией К. Прис, перевод с английского. М., «Мир», 1982 г.стр.438 /18// и с максимальной концентрацией раствора электролита. Как известно при электрическом взрыве твердых проводников, диаметр прямых проволок принимают от 0,1÷0,3 мм /см.5, стр.92/. Физика процесса электрического взрыва струй 56, 71,125, 143, 141 подобна процессу, происходящему в растворах электролитов при электроэрозионно-химической обработке. В начале разряда через струи раствора заряды переносятся ионами, а после пробоя и образования плазменного канала — электронами /см.5 стр.329-331/. Горячая плазма и более холодный раствор отделяются друг от друга слоем электропроводного пара, содержащего ионы электролита. Слой пара, прогреваемый со стороны плазмы и собственной джоулевой теплотой, постепенно продвигается вглубь раствора струй, пока не достигнет противоположного электрода — анода /см.5, стр.330/. После этого струи 56 перекрываются плазменным каналом разряда. Вместо струй — плазма. В форсунке на фиг.10 процесс электрического взрыва струи 56 происходит при, во первых, касании струй в области 57, образовании плотного контакта между ними и включении разрядника 61. Струи 56 могут уже касаться друг друга, но разрядный ток потечет по ним только в тот момент, когда разрядник «переключатель» замкнет цепь разряда генератора электрических импульсов /поз.59, 60, 61/. Это происходит синхронно с тактом «сжатия» в двигателе, однако для того, чтобы исключить подтекание раствора электролита при касании струй 56 между собой необходимо, чтобы время схождения струй в области 57, связанное с давлением впрыска струй и их длиной во взрывной камере 48 форсунки, соответствовало времени прихода поршня в В.М.Т. при такте сжатия. При этом насос для впрыскивания струй 56 электропроводной жидкости должен работать так же синхронно с тактами двигателя.

В зависимости от энергии разрядного тока электрический взрыв жидких проводников — струй электролита 56 происходит с той или иной температурой, которая может достигать широкого интервала температур — 10⁴÷10⁵ К и более. Поэтому испарение и перегрев струй топлива 58 во взрывной камере 48 форсунки происходит практически мгновенно, до полного превращения всех остатков термического разложения жидкого топлива в газообразное состояние, каким бы оно не было тяжелым, парафинистым, с большим или небольшим содержанием смолистых веществ. В итоге в камеру сгорания поступает под высоким давлением химически активное газообразное вещество, которое, находясь в одном и том же агрегатном состоянии с воздухом /оба газы/, совершая вихревое движение, практически также мгновенно смешивается с ним, образуя активную взрывчатую смесь. В это время во взрывной камере форсунки 48 струи 56 исчезают и для осуществления детонационного характера взрыва горячей смеси в камере сгорания необходима генерация в ней ударной волны, осуществляющая воспламенение газовой смеси нагревом при сжатии ударной волной. Ударную волну можно генерировать или с помощью той же форсунки по фиг.10 или электрическим детонатором по фиг.11, располагая его противоположно форсунке. Генерация ударной волны форсункой может осуществляться повторным впрыском электропроводных струй 56 и их электрическим взрывом, а генерация с помощью электрического детонатора при электрическом взрыве струй 71 — таких же электропроводных струй, как и струи 56.

Однако возможен процесс воспламенения взрывчатой газовой смеси в цилиндрической камере сгорания, например 16, с помощью отраженных от ее стенок ударных волн, вышедших из взрывной камеры 48 форсунки при взрыве струй 56, испарении и перегреве струй топлива 58.

Регулирование электропроводности G_B растворов сильных электролитов.

Электропроводность растворов электролитов, как известно, на несколько порядков меньше, чем электропроводность металлов. Поэтому разряд через растворы чистых электролитов, сформированных в виде струй 56, 71, 125, 13, 41, 143, может происходить только при высоком значении напряжения на почти подобном высоковольтном разряде, осуществляемом при электрогидравлической обработке /см.5, стр.912-92/. При этом и окружающая струи электропроводной жидкости среда должна обладать достаточно высокими электроизоляционными свойствами, чему соответствует сжатый до высокого давления /28-45 кг/см² и до 80 кг/см² у дизеля с наддувом, см. 14, стр.38/ воздух.

С целью снижения напряжения разряда до нескольких киловольт /как при электрическом разряде через металлические проволоки, см. 5, стр.92/, в раствор электролита вводятся добавки из порошинок металлов или частиц графита. В зависимости от концентрации вводимых порошков металлов или графита, электропроводность струй 56 резко изменяется и даже при малой концентрации сильно возрастает. Для приготовления взвеси из раствора и вводимого порошка электропроводного материала используются сравнительно мелкие порошки, размер которых зависит от диаметра струи электропроводной жидкости 56. При диаметре струй Д=0,1-0,12 мм размеры порошинок могут быть в пределах 2/3 Д или менее, например до 30-40 мкм, желательно до 5-10 мкм, взвесь которых в водном растворе электролита однородна и не расслаивается в течение длительного времени. Количество твердого материала в такой взвеси может составлять 40-70% /см. Г.А.Либенсон «Основы порошковой металлургии», М., 1937 г., «Металлургия», стр.164 /19/. Однако для работы форсунок такая концентрация порошка материалов практически не требуется. Оптимальная концентрация вводимого в раствор материала не выше 1-2% и устанавливается экспериментальным путем. Причем при проектировании форсунок необходимо стремиться не только к использованию струй с наименьшим диаметром, но и с наименьшей их суммарной длиной.

Механизм процесса увеличения электропроводности струй при введении в раствор порошка, например, металлов: железа, алюминия, меди и пр. , с температурой кипения 3000, 2330, 2600°С /для графита температура возгона 3500°С/, заключается в следующем: электрический разряд проходит по струе через цепь порошинок введенного материала, разделенных перемычками из раствора электролита. С повышением концентрации порошка общая длина перемычек из раствора уменьшается с уменьшением электрического сопротивления, а электропроводность струи возрастает /если каждую порошинку металла рассматривать как проволоку, то электродами у нее будут перемычки из раствора электролита/. Причем с уменьшением размера порошков их концентрация в растворе уменьшается.

Использование концентрированных водных растворов сильных электролитов с введенными в них порошками металлов или графита в качестве основного топлива вместо углеводородного.

Выше отмечалось, что если попытаться разложить воду с помощью тепла, разгрузив в ней связи между атомами кислорода и водорода, потребуется температура, превышающая 2500°С /см. 3, стр.47/. Термохимическое разложение воды было впервые предложено в конце 60-х годов.

Для описываемого электрического взрыва струй 56, содержащих частицы высокоэлектропроводных материалов, указанная выше температура является самой низкой /по сравнению с достижимыми температурами электрического взрыва струй, которая находится в пределах 10⁴÷10⁵К/. «Простота схемы», обеспечивающей высокую температуру при электрическом взрыве струй электролитов с взвешенными в них частицами электропроводного вещества /струи взвеси/, позволяет осуществлять диссоциацию воды раствора на водород и кислород, а также атомы самого электролита и электропроводных порошинок металлов или графита. Из источника /8/ известно, что теплота образования воды равна 285,8 кДж, а пара — 241,8 кДж/моль, при образовании 18 г воды. Следовательно, при диссоциации струй, например поз.71, теплота образования воды из 1 кг воды в растворе электролита составит

а для пара: 1000/18×241,8=13433 кДж/кг или в ккал=43433:4,18=3214 ккал/кг. С учетом использования энергии диссоциации-ассоциации самого электролита, например HNO₃ и введенных электропроводных частиц, и в зависимости от их концентрации теплота образования пара и воды существенно повышается. Следует учитывать, что процесс осуществления работы /полезной/ на энергии воды возможен только при соблюдении следующих факторов:

1. Рабочий процесс должен происходить только в двигателе — поршневом или турбинном /ГТУ/.

2. Коэффициенты полезного действия двигателя и генератора электрических импульсов, а также использования теплоты электрического разряда через струи, должны превышать (намного превышать) достигнутые ныне. При этом надо отметить, что с учетом использования в воде дополнительных веществ в виде кислот, оснований или солей, а также таких металлов, как алюминий, обеспечивается повышение энергетических характеристик топлива — воды (см. В.М.Кудрявцев «Основы теории и Расчета жидкостных ракетных двигателей», М., «Высшая школа», 1983 г., стр.112-113 /20/).

Осуществление рабочего процесса в двигателе обеспечивается использованием 3-х источников энергии: энергия электрического разряда через струи электропроводной жидкости, за счет которой происходит диссоциация взвеси раствора с введенным в него порошком электропроводного материала. При этом образуются «гремучий газ» при разложении воды раствора на водород и кислород, продукты термического разложения самого электролиза, например, азотной кислоты NHO₃ /сильного окислителя/ и пары порошка твердого материала, с температурой, превышающей 3000-3500°С /в зависимости от температуры испарения твердого материала и термохимического разложения воды/. Эта смесь газов и паров расширяется в цилиндровой крышке, например, 1255 и цилиндре двигателя /например, 4-тактного до температуры ниже 2500°, ниже температуры термохимического разложения воды, совершая полезную работу, после чего «гремучий газ» взрывается с выявлением теплоты, как топливо. При этом продукты распада азотной кислоты также вступают в реакцию с парами введенного порошка алюминия или железа и пр. с высвобождением химической энергии в виде теплоты. Другими словами наступает второй период расширения газов за счет высвобождения химической энергии, продолжения сжатия и толкания «буферного газа», который приводит в движение поршень и коленчатый вал. Выше рассмотрено значение КПД цикла при детонационном сгорании топлива с применением «буферного газа» и коленчатого вала с изменяемым радиусом кривошипа. При КПД около 80% полезно используется следующее количество энергии: энергия электрического разряда, затраченная на диссоциацию воды, равная химической энергии, высвобождаемой при взрыве «гремучего газа». Поэтому в камеру сгорания двигателя вносится общее количество тепла, равное, например, по водяному пару: (13433×2=26866 кДж/кг). Плюс дополнительная энергия на разложение электролита, испарение твердого порошка и их химическая энергия, высвобождаемая в результате экзотермических реакций в виде теплоты. Подчеркнем, что 1 кг «гремучего газа» в двигателе имеет общую энергию, равную 26866 кДж, из которой полезно используется при η=80%

3=20866×0,8=21493 кДж/кг.

Кроме КПД теплового двигателя, существует еще и КПД генератора электрических импульсов /ГИ/, равный по источнику 151, стр.57, около 80%, так как в схеме не содержится значительных активных сопротивлений. В итоге эффективный КПД теплового двигателя с генераторов электрических импульсов, составит: η_эф.1=0,8×0,8=0,64 или 64%, а полезно используемая энергия станет равной Э_П=26866×0,64=17194 кДж. Однако на валу ДВС энергия равна всего: 17194-13433=3761 кДж или 3761:13433=0,28.

Таким образом, при указанных выше КПД теплового двигателя и КПД генератора электрических импульсов, общем КПД=0,9×0,8=0,64, фактически КПД использования энергии воды раствора электролита, составляет только 28%, так как из общей энергии, полученной на валу двигателя в количестве 17194 кДж, необходимо возвратить энергию генератору электрических импульсов в количестве 13433 кДж, для возможности беспрерывной работы двигателя.

Вместе с тем, в этом процессе теплота, выделенная в струях 71 /фиг.11/, 141, 143 /фиг.26/, намного выше, чем это достигнуто при электрическом взрыве проволоки /около 40%, см. 5, стр.102/.

Рассмотрим более подробно электрический взрыв струй взвеси, представляющей собой устойчивую суспензию порошка в жидкости-струе электропроводной жидкости, поз. 5, 71, 125, 141, 143.

Электрический взрыв струй взвеси является еще одной разновидностью электрических взрывов, например электрический взрыв при высоковольтном разряде и электрический взрыв металлической проволоки. Выше в разделе «Регулирование электропроводности G_B растворов сильных электролитов» отмечалось, что в струе взвеси твердый материал в виде порошка разделен друг от друга перемычками из водного раствора электролита и, в зависимости от концентрации порошка, струя обладает той или иной электропроводностью.

При электрическом взрыве металлической проволоки электропроводность ее является фиксированной величиной и на несколько порядков превышает электропроводность самых сильных электролитов, даже с наиболее высокой из них — раствор на основе азотной кислоты. Эта особенность твердых проводников, выполненных в виде проволоки, является одной из причин того, что теплота, выделенная в проволоке, составляет лишь около 40% энергии конденсаторной батареи /см. 5, стр.102/. Электропроводность G_B струй взвеси является переменной величиной и полностью зависит при том или ином растворе электролита от концентрации частиц в нем электропроводного материала.

Поэтому электрическое сопротивление струй взвеси, а следовательно, и количество теплоты, выделенной в струе /по закону Ома: J=U/V/, полностью определяется концентрацией порошка электропроводного материала. При этом электрический разряд через струи взвеси должен протекать в цепи с возможно меньшей индуктивностью L при малом эквивалентном сопротивлении, разряд затухающий периодический с периодом Т

Этот вид разряда обеспечивает наиболее быстрое нарастание силы тока J, а также мгновенной мощности Р=J²R_экв в струях взвеси и, наиболее, преобразование электрической энергии в тепловую /см. 5, стр.94,100, а также источник /6/, стр.13/.

Иными словами при соблюдении вышеуказанных условий при работе генератора электрических импульсов и подборе экспериментальным путем концентрации твердого электропроводного материала во взвеси — струй шликера, поз. 56, 71, 125, 141, 143, теплота, выделенная в струях, может намного превышать результаты, достигнутые при электрическом взрыве проволоки. Еще раз подчеркнем, что количество теплоты при взрыве проволок зависит от материала, который может быть из меди, константана, нихрома, вольфрама и др. В струях же взвеси при одном и том же растворе сильного электролита количество выделяемой при разряде теплоты зависит только от концентрации и применяемого материала порошков.

В конечном итоге применение струй из взвеси с заданной концентрацией и материалом порошков позволяет довести количество теплоты, выделенной в струях при электрическом взрыве, до значений, при которых и осуществляется работа двигателей на энергии воды растворов электролитов. Однако КПД преобразования энергии воды достигает только 15%, при использовании энергии конденсаторной батареи с преобразованием в теплоту лишь на 90%.

Из источника /7/ выпуска 1978 г. известно и отмечено выше, что генераторы электрических импульсов с искровыми разрядниками достигают КПД 80% /всего лишь/. Применение ГИ с высокими КПД, превышающими 90% /что вполне достижимо на современном уровне развития электроники/, надежно обеспечивает работу двигателей на взвесях водных растворах сильных электролитов с порошками электропроводных материалов, при использовании энергии конденсаторной батареи с преобразованием в теплоту лишь на 80%.

Итак налицо новый вид топлива, запасы которого на планете достаточно велики и при работе на нем стоимость компонентов воды — кислоты, основания или соли, а также порошков электропроводных материалов становится малозначащей.

Здесь в качестве форсунок могут работать все четыре типа их, показанных на фиг.10, 11, 14, 16 /электрический детонатор на фиг.11 тоже является форсункой, только в ней отсутствуют взрывная камера, например 48, и дополнительная топливная форсунка 50/.

Форсунка, показанная на фиг.16, по своей схеме может применяться для работы с жидким углеводородным топливом, впрыскиваемым во взрывную камеру 131 с помощью дополнительной форсунки 140, где поз. 145 — струи топлива, а также может использоваться для работы на взвесях, т.е. устойчивых взвесях порошков электропроводных материалов в среде концентрированных водных растворов сильных электролитов.

В ней струи взвеси под давлением подаются в цилиндрические каналы 135 через патрубки 133, вытекая через сопла 139 в виде струй 141, а через каналы 136 /фиг.17/ также одновременно вытекают струи взвести 143 под углом друг к другу, соприкасаясь в областях 142, 144. При проектировании форсунки следует обратить особое внимание на величину угла межу струями 141 и 143, добиваясь наименьшей длины струй и наибольшего угла между ними. Диаметр струй при работе на взвеси значительно отличается от диаметра тех струй, которые предназначены только для взрывного испарения и перегрева впрыскиваемых во взрывную камеру струй углеводородного топлива. При работе на шликере диаметр струй может превышать Д-2-3 мм и зависит от мощности двигателя и его быстроходности и тактности. Доп. форсунка 140 отключена. Вместе с тем эта форсунка по фиг. 16 может работать с дополнительной топливной форсункой 140,через которую вместо углеводородного топлива под давлением впрыскивается жидкая вода /струи 145/, а через струи 141 и 143 — взвеси.

В этом новом процессе термохимического разложения воды, которая впрыскивается форсункой 140, струи взвеси 141, 143 впрыскиваются опять же /как и при работе с углеводородным топливом/ небольшого диаметра Д+0,1-0,3 или более, но при температуре около Т+10⁴K или более, чем обеспечивает разложение /диссоциацию/ воды /струи 145/ и работу двигателя на продуктах термохимического /электротермического/ разложения струй воды и взвеси. Этот способ позволяет уменьшить расход электролитов и порошков электропроводных материалов.

Представляют интерес также процесс работы двигателя на углеводородном топливе, но с осуществлением взрывного испарения струй 145 не струями взвеси 141, 143, а струями жидких металлов. Например, на сплавах щелочных металлов. Так, сплав 22,8 Na 77,2% К имеет отрицательную температуру плавления -12,5° /см. В.Б.Козлов «Жидкие металлы в технической физике», Физика, Знание, М., 4, 1974 г., стр.13 /21//.

На фиг.22 показана электрическая свеча для поршневых двигателей со степенью сжатия С=6-9 /10/, которая позволяет обеспечить воспламенение горючих смесей: воздух + керосин, воздух + смесь 75% нефти /мазута/ и 25% бензина, в двигателях с внешним смесеобразованием. Электрическая свеча состоит из наружного корпуса 159, содержащего патрубок 160, в изоляционной части которого установлен шнек 161. Корпус под патрубком обработан под «ключ» /для ее завертывания и закрепления в крышке цилиндра/ — поз.162 и содержит металлический электрод 163. В корпусе размещен цилиндрический канал 164, с одной стороны которого установлен электрод 165, а с другой сопло 166, стенки которого и внутренняя поверхность патрубка выполнены из электроизоляционного материала 17. На фиг.22 также изображены: шайба 168, струя электропроводной жидкости 169. На фиг.23 изображена струя 169 при касании с металлическим электродом 163, которая на нем растекается в диск 170 с обеспечением плотного к электрического контакта /см. Г.И.Покровский «Гидродинамические механизмы». Физика, Знание, М. 2/1972 г., стр.18 /22//. Описанная электрическая свеча, а также и форсунка насоса /не показанного на чертежах/ работают следующим образом: через патрубок 160, обтекая шнек 161, электропроводная жидкость поступает под давлением в цилиндрический канал 164 и вытекает через сопло 166 в виде струи 169 на металлический электрод 163. Электрод 165 и корпус 159 электрической свечи-форсунки подключены к генератору электрических импульсов /не показанному на чертежах/, работающему синхронно с тактами двигателя. При достижение плотного контакта струи в виде диска 170 с электродом 163, от генератора электрических импульсов с помощью разрядника через струю 169 протекает разрядный ток, за счет энергии которого струя 169 практически мгновенно испаряется. Перегретые пары электролита /плазма/ с высокой температурой смешиваются с сжатой горючей смесью в камере сгорания двигателя и воспламеняют ее. Кроме жидкого топлива-керосина и указанной выше смеси, может использоваться газообразное топливо. Как известно, газообразные топлива образуют с воздухом горючие смеси, имеющие более широкие пределы воспламеняемости. Это позволяет работать газовым двигателем на обедненных горючих смесях, что наряду с повышенными степенями сжатия обеспечивает лучшую топливную экономичность по сравнению с карбюраторными двигателями /см. 13, стр.351/.

Здесь следует отметить, что из-за небольшого зазора между корпусом 159 и электродом 163 в качестве материала струи 169 могут использоваться «чистые» концентрированные водные растворы сильных электролитов на основе кислот, оснований и солей.

Сжигание твердого топлива

Выше уже отмечалось, что сжигание пылевидного твердого топлива так же, как и жидкого, осуществляется в газообразном состоянии /в США испытан двигатель, работающий на угольной пыли с подачей ее в цилиндре сжатым воздухом. Однако дело дальше эксперимента не пошло, так как для его работы необходимо, чтобы частицы угля были не более 3 мкм, а размол до такой степени чрезвычайно дорог. См «Двигатель», К.Чириков, Знание, Техника, М. 1983 /2, стр.32//.

Стремление к получению энергии за счет сжигания угля вполне обосновано, так как из имеющихся в недрах Земли 12,5 триллионов тонн условного топлива на долю угля приходится свыше 11 триллионов.

И все же доля угля в общем производстве топлива все время снижается за счет увеличения доли нефти и природного газа. Так как в угле, особенно в буром, велики балластные примеси /зольность от 7 до 38%, см. учебник «Общая химия», стр.447/, то для использования его в поршневых ДВС необходимо производить обогащение этих углей, а также обогащение сланцев, молодых бурых углей-лигнитов, а также торфа с получением торфяного кокса. Первичная подготовка угля, торфа и пр. к сжиганию в ДВС позволит добиться повышения содержания углерода, например, до 75-90% /как у каменного угля, имеющего самое широкое применение на ТЭС, ТЭЦ и др./, снижения балластных примесей до минимума /зольности/, вместе с содержанием серы.

Повышение процентного содержания в углях углерода способствует также повышению электропроводности его.

Рассмотрим два способа сжигания пылевидного угля в новых двигателях внутреннего сгорания.

1. Первый способ. После дробления и размола в обычной мельнице на куски диаметром менее 1,5 мм /см. И.И.Кириллов «Газовые турбины и газотурбины установки», т.2, «Машгиз», М. 1956 г., стр.88 /23//, угольный порошок поступает в смесительную емкость /не показанную на чертежах/, где смешивается с концентрированным водным раствором сильного электролита на основе кислот, оснований или солей. Полученная смесь перекачивается к насосу высокого давления /не показанному на чертежах/ и впрыскивается во взрывную камеру форсунки, выполненной, например, по фиг 14, в виде струй 125. При касании струй в области 126 замыкается разрядном цепь разрядного контура генератора электрических импульсов /не показанному на чертежах/, с осуществлением теплового взрыва струй. Энергия разрядного тока подбирается так, чтобы температура электрического взрыва была около 4000°С. При этой температуре все входящие в уголь компоненты испаряются. Сгорание же газообразного топлива не вызывает каких-либо затруднений в ДВС.

Подчеркнем две особенности процесса сгорания твердого топлива: энергия разрядного тока, как и теплота сгорания угля, используется в двигателе для получения полезной работы. К этой энергии добавляется энергия продуктов диссоциации раствора электролита. Как выше отмечено, при сжигании жидкого углеводородного топлива КПД преобразования тепла в механическую энергию при сжигании угля приближается к η_э=80%.

Второй особенностью рабочего процесса является механизм электрического взрыва струй 125. Материалом струй в данном способе является шликер, т.е. взвесь порошка твердого материала в растворе электролита, а именно взвесь порошка электропроводного материала, так как ископаемые угли содержат до 90-95% углерода и приближаются к графиту, имеющему сравнительно высокую электропроводность /см. 8, стр.432-434/. Другими словами разрядный ток проходит через цепь перемычек из раствора электролита и частицы угля с меньшим электрическим сопротивлением, чем чистый раствор электролита за счет более высокой электропроводности угля. Однако в этом процессе напряжение разряда существенно выше, чем при использовании струй с взвешенными в них частицами металлов /см. выше/. При высокой зольности угля электропроводность взвеси раствора с углем, имеющего большое электрическое сопротивление, в основном будет зависеть от электропроводности самого раствора электролита. Вместе с тем электрическое сопротивление такой взвеси намного меньше, чем струи и одного раствора, так как в этом случае намного уменьшается длина жидкого проводника тока. Эта особенность механизма разряда через струи шликера, в которых частицы твердого материала являются плохими проводниками электричества, позволяет использовать в новом двигателе не только угли с различным содержанием в них золы, но и древесину, камыш, сухую солому, размолотые на мельницах.

Однако из-за большого количества в этих горячих материалах балластных примесей коэффициент полезного действия двигателя существенно падает, так как часть энергии электрических разрядов бесполезно затрачивается на испарение золы вместе с находящимися в ней более 60 различными металлами, из них 16 в аномальных концентрациях, которые можно осаждать и улавливать в электрофильтрах и пр. устройствах, получая из золы целый комплекс редких металлов, особенно урана, тория и германия /см. Г.В.Киселев «Экология и экономика энергетики». Физика, «Знание», М. 1990, /5, стр.10/. После сгорания угля и др. горючих материалов в двигателе продукты термического разложения золы при расширении газов в цилиндрах, с понижением температуры конденсируются, однако при этом образуются частицы размером меньше 1 мкм, что не влияет на работу двигателя — см. 12,стр.54 и выше — описанный опыт использования угля в ДВС с размером частиц = 3 мкм.

2. Второй способ. По этому способу /фиг.14/ во взрывную камеру 123 одновременно впрыскиваются струи 125 — взвеси раствора электролита и частиц металлов, т.е. струи с высокой электропроводностью и струи 127, материалом которых является техническая вода с взвешенными в ней частицами порошкообразного угля. Электрический взрыв струй 125 обеспечивает испарение струй 127 вместе с частицами угля и образованием газообразного топлива, как и в первом способе.

Повышение мощности нового двигателя работающего на энергии воды

Выше отмечалось, что КПД преобразования тепла электрического разряда и продуктов термохимического /электротермического/ разложения взвеси раствора электролита с частицами металла, при детонационном сгорании этих продуктов в камере сгорания нового двигателя с коленчатым валом, имеющим изменяемый радиус кривошипа, достигает около 80%, а КПД использования энергии воды раствора электролита не превышает η_э=15%, с учетом того, что КПД генератора электрических импульсов /ГИ/ примерно равен 90%, а количество теплоты, выделяемой в струях шликера, достигает 80% энергии конденсаторной батареи. Причем с уменьшением КПД ГИ и понижением коэффициента преобразования энергии конденсаторной батареи в тепло КПД двигателя, где топливом в основном является вода раствора электролита, также резко уменьшается, например до 4-6% /что может оказаться на начальной стадии использования энергии воды в новом двигателе/.

Повышение мощности осуществляется путем дополнительного использования жидкого или твердого топлива, впрыскиваемого с помощью форсунок 50 /фиг.10/, 118 /фиг.14/, 140 /фиг.16/, и переходом работы двигателя на парогазовую смесь продуктов сгорания.

Другими словами форсирование двигателя осуществляется при совместном использовании энергии воды и углеводородного топлива. В любом случае, даже при минимальном КПД рабочего процесса на энергии воды, достигается заметное снижение расхода углеводородного топлива.

2. Сравнение нового двигателя с карбюраторным.

Одним из важнейших показателей качества топлива для карбюраторных двигателей является его детонационная стойкость. При несоответствии детонационной стойкости топлива степени сжатия двигатель выходит из строя. Таким образом на карбюраторном двигателе невозможно добиться КПД более 30-32% даже при факельном зажигании с использованием бедных горючих смесей /см. 13, стр.13 и стр.175-177/.

Газотурбинные установки /ГТУ/

Проблема создания газотурбинных установок, работающих на твердом топливе, является одной из важнейших, так как только решение этой проблемы даст возможность широко применять газовые турбины на центральных электростанциях. Проблема заключается не столько в сжигании твердого топлива, сколько в предохранении лопаток газовой турбины от износа под влиянием механического воздействия твердых частиц золы, содержащихся в потоке газа.

Исследования, проведенные в области сжигания твердого топлива для работы ГТУ, показали, что очень мелкие частицы вод /порядка 5 мкм/ быстро приобретают скорости газовых струй и поступают к входным кромкам лопаток при сравнительно небольших углах атаки, благодаря чему эффект от ударной эрозии резко уменьшается /см. 23, стр.886-87/. Выше подробно рассмотрен процесс сжигания твердого топлива в камерах сгорания поршневых двигателей с помощью форсунки, показанной, например, на фиг.14. Сжигание твердого пылевидного топлива в ГТУ практически ничем не отличается от сжигания его в ДВС.

Повышение КПД теплового взрыва струй

Выше был рассмотрен процесс регулирования электропроводности С_в растворов сильных электролитов, где отмечалось осуществленное значение общей длины струй, которую необходимо добиваться уменьшать. На фиг.14 пунктирными линиями показаны струи 171, которые направлены под углом к боковым стенкам 172, в которых также выполняются каналы для прокачки охлаждающей жидкости /условно не показано/. Такие струи также растекаются в диски /см. 22, стр.18/, поз.173, с осуществлением плотного электрического контакта, исключающего искрение и эрозию боковых стенок 172 взрывной камеры 123. При этом длина струй 171 вдвое меньше, чем общая длина струй 125, а напряжение разряда в этом способе контакта струй с противоположным электродом также снижается. Выше рассмотрены процессы разряда в сильных электролитах, в основном на основе азотной кислоты. Однако из множества электролитов на основе кислот, оснований и солей, повышение их электропроводности и роста КПД обеспечивается за счет введения в них добавок порошков металлов или графита, большое значение имеют и водные растворы хлористого натрия, азотнокислого натрия и многие другие, а также сложные растворы /см.7, стр.230-231, а также /17/, стр.36-54/, с различным процентным содержанием электролитов и порошков твердых электропроводных материалов: железа, алюминия, меди и пр., что можно установить путем экспериментальных исследований.

Технико-экономическая часть

Нынешний век, характеризующийся непрерывным ростом цен на нефть и газ, становится и веком развития все более совершенных машин, механизмов и пр. Рост цен на топливо будет непрерывно продолжаться, так как наиболее дешевая часть энергоресурсов в значительной мере исчерпана.

В нашей стране /СССР/ топливно-энергетический комплекс потреблял около половины всех капиталовложений, и «идти» за энергией приходится все дальше на Север и Восток, Некоторые исследователи высказывают мнение о сильнейшем истощении энергоресурсов даже на Крайнем Севере, в частности бывших огромных газовых месторождений.

Поэтому уже сейчас следует не только задуматься, но наконец-то обратить самое серьезное и ответственное внимание на использование творческого потенциала инженеров-изобретателей, проявив к ним такое же отношение, какое оказывается в промышленно развитых странах.

1. Главными достоинствами предлагаемых поршневых двигателей являются намного более высокий КПД, принципиально не достижимый ни одной существующей тепловой машиной. Их КПД может достигать 80% и более, в то время, как все другие двигатели, работающие по циклу Карно, никогда не могут превысить теоретического предела 42-44%.

Такой результат позволяет напрямую сократить эксплуатационные затраты на топливо и смазочное масло, в связи с переводом в двигателе жидкого и твердого топлива в газообразное, практически вдовое. Одновременно в 1,5-2 раза можно сократить затраты капиталовложений на топливно-энергетический комплекс и тем самым еще больше снизить эксплуатационные расходы на топливо для государственных и частных энергопотребителей путем снижения цен на топливо.

Неоспоримым преимуществом рабочего процесса, который здесь предлагается в новых двигателях, является его многотопливность. Причем следует подчеркнуть, что под словом «многотопливность» подразумевается не только использование любых продуктов переработки нефти, но и твердых видов углеводородов, не говоря уже об использовании природного газообразного топлива с намного большим коэффициентом полезного действия.

Перевод работы новых двигателей на твердое топливо позволяет уже в ближайшее время многократно сократить добычу нефти и газа /сохранив их для следующих поколений/, избавиться от безумного использования природного газа на центральных электростанциях и, таким образом избавиться от глобальных потрясений на мировом рынке цен на топливо, принимая в особое внимание, что угля хватит более чем на 400 лет. При этом описанные выше газотурбинные установки, работающие на твердом топливе, обеспечивают вытеснение газового топлива на ТЭС и ТЭЦ в самое короткое время, а новые поршневые двигатели — в ближайшее время, причем не только на ТЭС, ТЭЦ, но и во всех областях применения двигателей внутреннего сгорания, причем в первую очередь необходимо перевести автомобильный транспорт на новые двигатели, так как автомобилизация особенно промышленно развитых стран может привести к остановке самой промышленности.

Использование энергии воды расширяет область многотопливности двигателей за счет применения принципиально нового рабочего процесса и неизвестных ранее новых конструкций форсунок, в которых используется для испарения всех видов углеводородных топлив электрический взрыв струй концентрированных растворов сильных электролитов с взвешенными в них частицами металлов или графита — наиболее электропроводных материалов, обеспечивающих путем подбора концентраций исходных компонентов растворов достижение наибольшего значения КПД преобразования энергии разрядного тока конденсаторной батареи генератора электрических импульсов в тепловую энергию. За счет этого происходит диссоциация водного раствора струй и образование «гремучего газа», т.е. водородного топлива. Этот процесс необходимо осуществлять в охлаждаемой форсунке, например фиг.14, с использованием струй поз.171:

— детонационного метода сгорания «гремучего газа» путем применения ударных волн генерируемых или с помощью той же форсунки или за счет работы электрического детонатора-форсунки по фиг. 11;

— коленчатого вала с переменным радиусом кривошипов, обеспечивающего повышение КПД двигателя за счет использования сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс кривошипного механизма. Он же позволяет использовать дополнительную работу продуктов сгорания при продолжительном расширении газов в цилиндрах двигателя, что позволяет еще больше повысить КПД двигателя.

Изложенное позволяет добиться при КПД генератора электрических импульсов около 90% использования в новом двигателе энергии воды с эффективным КПД — 15% и более.

Использование воды растворов имеет принципиальные преимущества по сравнению с ядерным топливом. Ее не нужно добывать, как-либо обрабатывать и транспортировать на большие расстояния, ее использование не дает радиоактивных отходов, способ нейтрализации которых так до сих пор не найден. Наконец серьезную опасность представляют атомные электростанции при их случайном или намеренном разрушении. Если говорить о ресурсах энергии воды, то применение новых двигателей позволит навсегда решить проблему обеспечения человечества энергией.

Экология нового двигателя

Автомобилизация, растущая на планете непомерными темпами, в городах развитых стран достигла катастрофических величин: 300-500 шт. на тысячу человек населения. Повсеместно ощущается нехватка горючего, автомобилизация привела к тому, что среди всех видов загрязнений 90% окиси углерода, 80% углеводородов, 30% окислов азота в атмосферу городов приносится с выхлопными газами автомобилей.

Надо откровенно сказать, что в первую очередь виной всему этому является не только отсутствие на громадном большинстве автомобилей средств очистки выхлопных газов, но и крайне низкий КПД эксплуатируемых карбюраторных и дизельных двигателей .

Эксплуатация нового двигателя на всех видах углеводородного топлива только за счет намного большего КПД, обеспечит при той же мощности двигателей автомобилей вдвое, а по сравнению с бензиновыми двигателями, второе меньший объем выбрасываемых в атмосферу выхлопных газов.

При детонационном сгорании стехиометрической, а именно газовой смеси, в камерах сгорания нового двигателя существенно уменьшается выброс в атмосферу СО, нет сажного выхлопа и выброса углеводородов.

Установка на автомобилях дополнительных средств очистки выхлопных газов навсегда оградит человечество от вредных выбросов.

1. Детонационный двигатель внутреннего сгорания, содержащий, по меньшей мере, один цилиндр и тронковый кривошипно-шатунный механизм, цилиндровую крышку с камерой сгорания и форсункой, системы воздухоснабжения с впускным и выпускным клапанами, транспортирования и нагнетания газообразной смеси перегретых паров топлива и паров концентрированных водных растворов сильных электролитов, турбо- или волновой компрессор, генератор электрических импульсов, подключенный к электродам форсунки, отличающийся тем, что он снабжен встроенной в цилиндровую крышку камерой сгорания с окнами, равномерно размещенными по окружности, сообщающимися с кольцевой полостью и форсункой, а днище крышки в кольцевой полости выполнено с окнами, равномерно размещенными по окружности и направленными под углом к ней, при этом выпускной клапан снабжен трубопроводом, подсоединенным к турбо- или волновому компрессору, а впускной — к системе воздухоснабжения.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что форсунка снабжена дополнительной топливной форсункой и взрывной камерой и патрубками, в которых смонтированы шнеки, сообщающиеся с цилиндрическими каналами, с одной стороны которых установлены электроды, а с другой — сопла, направленные под углами или друг к другу, или к стенкам взрывной камеры, при этом цилиндрические каналы с соплами снабжены системой охлаждения.

3. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что кривошип коленчатого вала выполнен в виде двух элементов, стянутых пружиной и анкерным болтом с возможностью скольжения относительно друг друга, а шатунная шейка коленчатого вала соединена с раздвижной частью кривошипа.

детонационный двигатель внутреннего сгорания — патент РФ 2066383 —

Использование: силовые установки автомобилей. Сущность изобретения: двигатель содержит 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. Камеры сгорания цилиндров двигателя снабжены детонаторами, инициирующими детонацию горючей смеси, воздействующую направленными ударными волнами на поршни, передающие мощность детонации гидротурбине посредством рабочей жидкости. 1 ил.

Рисунок 1

Формула изобретения

Детонационный двигатель внутреннего сгорания, 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.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к автомобильному транспорту и предназначено для использования в качестве силовой установки автомобилей.

Известны двигатели внутреннего сгорания с гидравлической передачей, содержащие по меньшей мере две пары цилиндров, в которых размещены поршни, разделяющие внутренний объем цилиндров на камеры сгорания и подпоршневые полости, сообщенные между собой при помощи кольцевой гидромагистрали, например, авт. свид. N 672362, 1979 г.

Повышение качественных характеристик этого двигателя сводится к обеспечению устойчивой работы на заданном режиме и повышению экономичности на переменных нагрузках путем взаимосвязанного изменения фаз газораспределения и топливоподачи, что малоэффективно, так как качественные характеристики двигателей внутреннего сгорания зависят от увеличения степени сжатия горючей смеси, ограничиваемой антидетонационной стойкостью применяемого топлива.

Задача изобретения создание двигателя с высокими качественными характеристиками за счет применения детонационного горения. Скорость детонации углеводородных топлив достигает 3000 м/с и не зависит от начального давления, в результате высокой скорости выделения энергии при детонации развивается большая мощность с высоким КПД.

Поставленная задача достигается тем, что детонационный двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере блок спаренных цилиндров с разделительными поршнями, образующими газовые полости с камерами сгорания, сообщенные между собой и гидротурбиной при помощи магистралей рабочей жидкости, камеры сгорания цилиндров двигателя снабжены детонаторами, инициирующими детонацию горючей смеси в камерах сгорания, воздействующую направленными ударными волнами на поршни, передающие мощность детонации гидротурбине, посредством рабочей жидкости.

Детонатор по виду воздействия может быть любой конструкции: электроразрядный, газодинамический, химический. На чертеже представлен газодинамический детонатор, разработанный в 40-х годах Институтом химической физики АН СССР, под названием «Устройство, основанное на предварительном получении детонационной волны в трубе малого сечения, с последующим выпуском ее в объем любой формы». Он представляет собой короткий отрезок трубы малого сечения, со сплошной по длине внутренней резьбовой нарезкой, с электросвечой зажигания на периферийном конце трубы.

На чертеже представлена конструктивная схема детонационного двигателя внутреннего сгорания, содержащего количество цилиндров, кратное двум: 1 цилиндр, 2 форсунка, 3 детонатор, 4 продувочные окна, 5 выхлопные окна, 6 поршень, 7 сопло, 8 рабочая жидкость, 9 гидротурбина.

Работа двигателя по двухтактному циклу начинается включением зажигания, в нижний цилиндр подается порция сжатого воздуха, воздействующего на поршень, который посредством рабочей жидкости 8 приводит в движение поршень 6, перекрывающий продувочные 4 и выхлопные 5 окна, создающий в цилиндре 1 воздушную подушку, куда через форсунку 2 вспрыскивается топливо, создавая заряд горючей смеси, возникающая при воспламенении в детонаторе детонационная волна инициирует детонацию всего заряда, возникающая при детонации ударная волна направленным действием на поршень передает мощность детонации рабочей жидкости 8, преобразованной соплом 7 в скоростной напор, приводящий в действие гидротурбину 9.

Завершая рабочий ход, поршень 6 открывает продувочные 4 и выхлопные окна 5, продукты детонации через выхлопные окна 5 удаляются из цилиндра 1 воздухом, поступающим через продувочные окна 4, отработавшая в гидроцилиндре 9 рабочая жидкость 8 поступает в нижний цилиндр, создавая своим воздействием на поршень воздушную подушку, и весь процесс повторяется.

Детонационный двигатель внутреннего сгорания

Главная » Разное » Детонационный двигатель внутреннего сгорания

Детонационный роторный двигатель внутреннего сгорания

ООО «Аналог» было организовано в 2010 году для производства и эксплуатации придуманной мной конструкции опрыскивателей для полей, идея которого закреплена Патентом РФ на полезную модель № 67402 в 2007 году.

Теперь, мною же разработана концепция роторного ДВС, в котором возможна организация детонационного (взрывного) сжигания поступающего топлива с повышенным выделением (примерно в 2 раза) энергии давления и температуры отработавших газов с сохранением работоспособности двигателя. Соответственно, с увеличением, примерно в 2 раза, КПД теплового двигателя, т.е. примерно до 70%. Реализация этого проекта требует больших финансовых затрат на его проектирование, подбор материалов и изготовление опытного образца. А по характеристикам и применимости, это двигатель, более всего, авиационный, а также, вполне применимый для автомобилей, самоходной техники и т.д., т.е. является необходимым на современном этапе развития техники и требований экологии.

Главными его преимуществами будут простота конструкции, экономичность, экологичность, высокий крутящий момент, компактность, низкий уровень шума даже без использования глушителя. Защитой от копирования будут его высокая технологичность и специальные материалы.

Простота конструкции обеспечивается его роторной конструкцией, в которой все детали двигателя совершают простое вращательное движение.

Эклологичность и экономичность обеспечивается 100%-ным мгновенным сгоранием топлива в прочной, высокотемпературной (порядка 2000 гр С), неохлаждаемой, отдельной камере сгорания, запираемой на это время клапанами. Охлаждение такого двигателя предусмотрени изнутри (охлаждение рабочего тела) любыми, необходимыми для этого, порциями воды, поступающими в рабочую секцию перед выстрелом очередных порций рабочего тела (газов горения) из камеры сгорания, с получением при этом, дополнительного давления водяного пара и полезной работы на рабочем валу.

Высокий крутящий момент даже на малых оборотах обеспечивается (сравнительно с поршневым ДВС), большим и постоянного размера плечом воздействия рабочего тела на рабочую лопатку. Этот фактор позволит для любого наземного транспорта обойтись без сложной и дорогой трансмиссии или, как минимум, существенно её упростить.

Несколько слов о его конструкции и работе.

ДВС имеет цилиндрическую форму с двумя роторно-лопаточными секциями, одна из которых служит для впуска и предварительного сжатия топливо-воздушной смеси и представляет собой известную и работоспособную секцию обычного роторного компрессора; другая, рабочая, представляет собой модернизированную ротационную паровую машину Марциневского; а между ними находится статичный массив прочного термостойкого материала, в котором выполнена отдельная, запираемая на время горения, камера сгорания с тремя невращающимися клапанами, 2 из которых свободные, по типу лепестковых, и один управляемый для стравливания давления перед впуском очередной порции ТВС.

При работе двигателя поворачивается рабочий вал с роторами и лопатками. Во входной секции лопатка засасывает и сжимает ТВС и, при увеличении давления выше давления камеры сгорания (после стравливания из неё давления) рабочая смесь загоняется в горячую (порядка 2000 гр С) камеру, поджигается искрой, мгновенно взрывается. При этом, впускной клапан закрывается, открывается выпускной клапан, а перед его открытием в рабочую секцию впрыскивается необходимое количество воды. Получается, что, в рабочую секцию выстреливаются под большим давлением сверхгорячие газы, а там порция воды, которая превращается в пар и парогазовая смесь приводит во вращение ротор двигателя, одновременно охлаждая его. По имеющейся информации уже есть материал, способный длительно выдерживать температуру до 10000 гр С, из которого нужно сделать камеру сгорания.

В мае 2018 г подана Заявка на изобретение. Заявка сейчас в стадии рассмотрения по существу.

Данная заявка на инвестиции подаётся для обеспечения финансирования НИОКР, создания опытного образца, его доводки и настройки до получения работоспособного образца данного двигателя. По времени этот процесс может занять год-два. Финансирование вариантов дальнейшей разработки модификаций двигателя для различной техники могут и должны будут разрабатываться отдельно под конкретные её образцы.

Дополнительные сведения

Реализация этого проекта — это проверка изобретения практикой. Получение работоспособного опытного образца. Полученный материал можно предложить всей отечественной машиностроительной отрасли для разработки моделей транспортных средств с эффективным ДВС на основе договоров с разработчиком и уплатой комиссионных сборов.

Можно выбрать своё, наиболее перспективное направления проектирования ДВС, скажем авиационное моторостроение для СЛА и предлагать выпускаемый двигатель, а также устанавливать этот ДВС на собственную разработку СЛА, опытный образец которого находится в стадии сборки.

Необходимо отметить что рынок личных самолётов в мире только начал развиваться, а у нас в стране он находится в зачаточном состоянии. И, в т.ч. именно, отсутствие подходящего ДВС сдерживает его развитие. А в нашей стране, с её бескрайними просторами, такая авиация будет востребована.

Аналитика рынка

Реализация проекта — это получение принципиально нового и крайне перспективного ДВС.

Сейчас упор идёт на экологию, и в качестве альтернативы поршневому ДВС предлагается электродвигатель, но ведь эту необходимую для него энергию нужно где-то выработать, накопить для него. Львиная доля электроэнергии вырабатывается на ТЭС, далеко не экологичных, что приведёт к значительным загрязнениям в местах их расположения. А срок службы накопителей энергии не превышает 2-х лет, где хранить этот вредный хлам? Результат предлагаемого проекта — эффектиыный и безвредный и, что не менее важно, удобный и привычный ДВС. Нужно только залить низкосортное топливо в бак.

Результат проекта — это перспектива замены всех поршневых двигателей в мире именно на такой. Это перспектива использовать могучую энергию взрыва в мирных целях, а конструктивное решение для этого процесса в ДВС предлагается впервые. Тем более что это сравнительно недорого.

Это изобретение. Конструкция, позволяющая использовать детонацию в двигателе внутреннего сгорания предлагается впервые.

Во все времена, одной из главных задач конструирования ДВС было приблизиться к условиям детонационного горения, но не допускать её возникновения.

Продажа лицензий на право производства.

Детонационный двигатель: мифы и реальность.

Детонационный двигатель часто рассматривают как альтернативу  стандартному двигателю внутреннего сгорания или  ракетному. Он оброс множеством мифов и легенд. Рождаются и живут эти легенды только по тому, что распространяющие их люди или забыли школьный курс физики, или вообще прогуляли его полностью!

Рост удельной мощности или тяги ⇧

Заблуждение первое.

Из роста скорости сгорания топлива вплоть до 100 раз, можно будет поднять удельную (в расчете на единице рабочего объема) мощность двигателя внутреннего сгорания. Для работающих на детонационных режимах ракетных двигателей в 100 раз вырастит тяга на единицу массы.

Примечание: Как всегда, не понятно о какой массе идет речь — о массе рабочего тела или всей ракеты в целом.

Связи между тем с какой скоростью горит топливо и удельной мощностью нет вообще никакой.

Есть связь между степенью сжатия и удельной мощностью. Для бензиновых двигателей внутреннего сгорания степень сжатия около 10. В двигателях, использующих детонационный режим, ее можно увечить приблизительно в 2 раза, что как раз реализуется в дизельных двигателях, которые имеют степень сжатия уже около 20. Собственно работают в режиме детонации. То есть, конечно, степень сжатия повысить можно, но после того как произошла детонация, это никому не нужно! Ни о каких 100 раз не может быть и речи!!  Более того, рабочий объем ДВС, скажем, 2л, объем всего двигателя литров 100 или 200. Экономия по объему составит 1%!!! А вот дополнительный «расход»(толщина стенок, новые материалы и тд) будет мериться не в процентах, а в разах или десятках раз!!

Для справки. Произведенная работа пропорционально, грубо говоря, V*P (у адиабатического процесса присутствуют коэффициенты, но сути сейчас не меняет). Если объем уменьшить в 100 раз, значит начальное давление должна вырасти в те же 100 раз! (чтобы произвести такую же работу).

Литровую мощность можно поднять если вообще отказаться от сжатия или оставить его на том же уровне, но подавать углеводороды (в большем количестве) и чистый кислород в весовом соотношении около 1:2,6-4, в зависимости от состава углеводородов, или вообще жидкий кислород (где уже это было:-)). Тогда можно и литровую мощность повысить, и КПД (за счет роста «степени расширения» которая может достигать 6000!). Но на пути стоит как способность камеры сгорания выдержать такие давления и температуры, так и необходимость «питаться» не атмосферным кислородом, а запасенным чистым или вообще жидким кислородом!

Собственно некое подобие этого — использование закиси азота. Закись азота — это просто способ поставить повышенное количество кислорода в камеру сгорания.

Но никакого отношения к детонации эти способы не имеют!!

Можно предложить дальнейшее развитие таких экзотических способов повышения литровой мощности — использовать вместо кислорода фтора. Это более сильный окислитель, т.е. реакции с ним идут с большим выделением энергии.

Увеличение скорости истечения реактивной струи ⇧

Залужение второе. В двигателях ракет, использующих детонационные режимы работы, в результате того, что режим сгорания происходит на скоростях выше скорости звука в данной среде (которая зависит от температуры и давления), в камере сгорания параметры давления и температуры увеличиваются в несколько раз, повышается скорость выходящей реактивной струи. Это пропорционально улучшает все параметры подобного двигателя, в том числе, снижает его массу и расход, а значит и необходимый запас топлива.

Как уже отмечалось выше нельзя повысить степень сжатия более чем в 2 раза. Но опять-таки скорость истечения газов зависит от подведенной энергии и их температуры! (Закон сохранения энергии). При том же количестве энергии (том же количестве топлива) повысить скорость можно только понизив их температуру. Но этому уже препятствуют законы термодинамики.

Детонационные ракетные двигатели — будущее межпланетных полетов ⇧

Заблуждение третье.

Только ракетные двигатели на детонационных технологиях позволяют получить скоростные параметры требуемые для межпланетных перелетов на основе химической реакции окисления.

Ну это заблуждение хотя бы логически последовательное. Вытекает из первых двух.

Никакие технологии не способны ничего уже выжать из реакции окисления! По крайней мере для известных веществ. Скорость истечения определяется энергетическим балансом реакции. Часть этой энергии, согласно законам термодинамики, можно перевести в работу (кинетическую энергию). Т.е. даже если вся энергия перейдет в кинетическую, то это предел на основе закона сохранения энергии и никакими детонациями, степенями сжатия и тд его нельзя преодолеть.

Кроме энергетического баланса очень важный параметр — «энергия на нуклон». Если сделать небольшие расчеты, то можно получить что реакция окисления атома углерода(C) дает в 1,5 раза больше энергии чем реакция окисления молекулы водорода (h4). Но из-за того что продукт окисления углерода (СО2) в 2,5 раза тяжелее продукта окисления водорода (Н2О), скорость истечения газов из водородных двигателей на 13%. Правда, надо еще учитывать теплоемкость продуктов горения, но это дает совсем небольшую поправку.

Другие статьи:

Первый в мире детонационный ракетный двигатель

11 ноября 2016 Автор: nlo-mir Технологии

Что на самом деле стоит за сообщениями о первом в мире детонационном ракетном двигателе, испытанном в России

В конце августа 2016 года мировые информационные агентства облетела новость: на одном из стендов НПО «Энергомаш» в подмосковных Химках заработал первый в мире полноразмерный жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) с использованием детонационного горения топлива. К этому событию отечественная наука и техника шла 70 лет. Идея детонационного двигателя была предложена советским физиком Я. Б. Зельдовичем в статье «Об энергетическом использовании детонационного сгорания», опубликованной в «Журнале технической физики» еще в 1940 году. С тех пор во всем мире шли исследования и эксперименты по практической реализации перспективной технологии. В этой гонке умов вперед вырывались то Германия, то США, то СССР. И вот важный приоритет в мировой истории техники закрепила за собой Россия. В последние годы чем-то подобным нашей стране удается похвастать не часто.

На гребне волны

В чем же состоят преимущества детонационного двигателя? В традиционных ЖРД, как, впрочем, и в обычных поршневых или турбореактивных авиадвигателях, используется энергия, которая выделяется при сжигании топлива. В камере сгорания ЖРД при этом образуется стационарный фронт пламени, горение в котором происходит при неизменном давлении. Этот процесс обычного горения называется дефлаграцией. В результате взаимодействия горючего и окислителя температура газовой смеси резко возрастает и из сопла вырывается огненный столб продуктов сгорания, которые и образуют реактивную тягу.

Детонация — это тоже горение, но происходит оно в 100 раз быстрее, чем при обычном сжигании топлива. Этот процесс идет так быстро, что детонацию часто путают со взрывом, тем более что при этом выделяется столько энергии, что, к примеру, автомобильный мотор при возникновении этого явления в его цилиндрах и в самом деле может разрушиться. Однако детонация — это не взрыв, а вид горения столь стремительного, что продукты реакции даже не успевают расшириться, поэтому этот процесс, в отличие от дефлаграции, идет при постоянном объеме и резко возрастающем давлении.

На практике это выглядит следующим образом: вместо стационарного фронта пламени в топливной смеси внутри камеры сгорания формируется детонационная волна, которая движется со сверхзвуковой скоростью. В этой волне сжатия и происходит детонация смеси горючего и окислителя, а это процесс с термодинамической точки зрения куда более эффективный, чем обычное сжигание топлива. КПД детонационного сгорания на 25–30% больше, то есть при сжигании одинакового количества топлива получается больше тяги, а благодаря компактности зоны горения детонационный двигатель по мощности, снимаемой с единицы объема, теоретически на порядок превосходит обычные ЖРД.

Уже одного этого оказалось достаточно, чтобы привлечь самое пристальное внимание специалистов к этой идее. Ведь тот застой, который сейчас возник в развитии мировой космонавтики, на полвека застрявшей на околоземной орбите, в первую очередь связан с кризисом ракетного двигателестроения. В кризисе, кстати, находится и авиация, не способная перешагнуть порог трех скоростей звука. Этот кризис можно сравнить с ситуацией в поршневой авиации в конце 1930-х годов. Винт и двигатель внутреннего сгорания исчерпали свой потенциал, и только появление реактивных двигателей позволило выйти на качественно новый уровень высот, скоростей и дальности полетов.

Конструкции классических ЖРД за последние десятилетия были вылизаны до совершенства и практически подошли к пределу своих возможностей. Увеличить их удельные характеристики в будущем возможно лишь в очень незначительных пределах — на считаные проценты. Поэтому мировая космонавтика вынуждена идти по экстенсивному пути развития: для пилотируемых полетов на Луну приходится строить гигантские ракеты-носители, а это очень сложно и безумно дорого, во всяком случае для России. Попытка преодолеть кризис с помощью ядерных двигателей наткнулась на экологические проблемы. Появление детонационных ЖРД, быть может, и рано сравнивать с переходом авиации на реактивную тягу, но ускорить процесс освоения космоса они вполне способны. Тем более что у этого типа реактивных двигателей есть еще одно очень важное преимущество.

ГРЭС в миниатюре

Обычный ЖРД — это, в принципе, большая горелка. Для увеличения его тяги и удельных характеристик нужно поднимать давление в камере сгорания. При этом топливо, которое впрыскивается в камеру через форсунки, должно подаваться при большем давлении, чем реализуется в процессе сгорания, иначе струя топлива просто не сможет проникнуть в камеру. Поэтому самым сложным и дорогим агрегатом в ЖРД является вовсе не камера с соплом, которое у всех на виду, а топливный турбонасосный агрегат (ТНА), спрятанный в недрах ракеты среди хитросплетения трубопроводов.

К примеру, у самого мощного в мире ЖРД РД-170, созданного для первой ступени советской сверхтяжелой ракеты-носителя «Энергия» тем же НПО «Энергия», давление в камере сгорания составляет 250 атмосфер. Это очень много. Но давление на выходе из кислородного насоса, качающего окислитель в камеру сгорания, достигает величины 600 атм. Для привода этого насоса используется турбина мощностью 189 МВт! Только представьте себе это: колесо турбины диаметром 0,4 м развивает мощность, в четыре раза большую, чем атомный ледокол «Арктика» с двумя ядерными реакторами! При этом ТНА — это сложное механическое устройство, вал которого совершает 230 оборотов в секунду, а работать ему приходится в среде жидкого кислорода, где малейшая не искра даже, а песчинка в трубопроводе приводит к взрыву. Технологии создания такого ТНА и есть главное ноу-хау «Энергомаша», обладание которым позволяет российской компании и сегодня продавать свои двигатели для установки на американских ракетах-носителях Atlas V и Antares. Альтернативы российским двигателям в США пока нет.

Для детонационного двигателя такие сложности не нужны, поскольку давление для более эффективного сгорания обеспечивает сама детонация, которая и представляет собой бегущую в топливной смеси волну сжатия. При детонации давление увеличивается в 18–20 раз без всякого ТНА.

Чтобы получить в камере сгорания детонационного двигателя условия, эквивалентные, к примеру, условиям в камере сгорания ЖРД американского «Шаттла» (200 атм), достаточно подавать топливо под давлением… 10 атм. Агрегат, необходимый для этого, по сравнению с ТНА классического ЖРД — все равно что велосипедный насос рядом Саяно-Шушенской ГРЭС.

То есть детонационный двигатель будет не только мощнее и экономичнее обычного ЖРД, но и на порядок проще и дешевле. Так почему же эта простота в течение 70 лет не давалась в руки конструкторам?

Пульс прогресса

Главная проблема, которая встала перед инженерами, — как совладать с детонационной волной. Дело ведь не только в том, чтобы сделать двигатель прочнее, чтобы он выдержал повышенные нагрузки. Детонация — это не просто взрывная волна, а кое-что похитрее. Взрывная волна распространяется со скоростью звука, а детонационная со сверхзвуковой скоростью — до 2500 м/с. Она не образует стабильного фронта пламени, поэтому работа такого двигателя носит пульсирующий характер: после каждой детонации необходимо обновить топливную смесь, после чего запустить в ней новую волну.

Попытки создать пульсирующий реактивный двигатель предпринимались задолго до идеи с детонацией. Именно в применении пульсирующих реактивных двигателей пытались найти альтернативу поршневым моторам в 1930-е годы. Привлекала опять же простота: в отличие от авиационной турбины для пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (ПуВРД) не нужны были ни вращающийся со скоростью 40 000 оборотов в минуту компрессор для нагнетания воздуха в ненасытное чрево камеры сгорания, ни работающая при температуре газа свыше 1000˚С турбина. В ПуВРД давление в камере сгорания создавали пульсации в горении топлива.

Первые патенты на пульсирующий воздушно-реактивный двигатель были получены независимо друг от друга в 1865 году Шарлем де Луврье (Франция) и в 1867 году Николаем Афанасьевичем Телешовым (Россия). Первую работоспособную конструкцию ПуВРД запатентовал в 1906 году русский инженер В.В. Караводин, годом позже построивший модельную установку. Установка Караводина вследствие ряда недостатков не нашла применения на практике. Первым ПуВРД, работавшим на реальном летательном аппарате, стал немецкий Argus As 014, основанный на патенте 1931 года мюнхенского изобретателя Пауля Шмидта. Argus создавался для «оружия возмездия» — крылатой бомбы «Фау-1». Аналогичную разработку создал в 1942 году советский конструктор Владимир Челомей для первой советской крылатой ракеты 10Х.

Конечно, эти двигатели еще не были детонационными, поскольку в них использовались пульсации обычного горения. Частота этих пульсаций была невелика, что порождало характерный пулеметный звук при работе. Удельные характеристики ПуВРД из-за прерывистого режима работы в среднем были невысоки и после того, как конструкторы к концу 1940-х годов справились со сложностями создания компрессоров, насосов и турбин, турбореактивные двигатели и ЖРД стали королями неба, а ПуВРД остались на периферии технического прогресса.

Любопытно, что первые ПуВРД немецкие и советские конструкторы создали независимо друг от друга. Кстати, и идея детонационного двигателя в 1940 году пришла в голову не одному только Зельдовичу. Одновременно с ним те же мысли высказали Фон Нейман (США) и Вернер Деринг (Германия), так что в международной науке модель использования детонационного горения назвали ZND.

Идея объединить ПуВРД с детонационным горением была очень заманчивой. Но фронт обычного пламени распространяется со скоростью 60–100 м/с и частота его пульсаций в ПуВРД не превышает 250 в секунду. А детонационный фронт движется со скоростью 1500‒2500 м/с, таким образом частота пульсаций должна составлять тысячи в секунду. Реализовать такую скорость обновления смеси и инициации детонации на практике было затруднительно.

Тем не менее попытки создания работоспособных пульсирующих детонационных двигателей продолжались. Работа специалистов ВВС США в этом направлении увенчалась созданием двигателя-демонстратора, который 31 января 2008 года впервые поднялся в небо на экспериментальном самолете Long-EZ. В историческом полете двигатель проработал… 10 секунд на высоте 30 метров. Тем не менее приоритет в данном случае остался за Соединенными Штатами, а самолет по праву занял место в Национальном музее ВВС США.

Между тем уже давно была придумана другая, гораздо более перспективная схема детонационного двигателя.

Как белка в колесе

Мысль закольцевать детонационную волну и заставить ее бегать в камере сгорания как белка в колесе родилась у ученых в начале 1960-х годов. Явление спиновой (вращающейся) детонации теоретически предсказал советский физик из Новосибирска Б. В. Войцеховский в 1960 году. Почти одновременно с ним, в 1961 году, ту же идею высказал американец Дж. Николлс из Мичиганского университета.

Ротационный, или спиновый, детонационный двигатель конструктивно представляет собой кольцевую камеру сгорания, топливо в которую подается с помощью радиально расположенных форсунок. Детонационная волна внутри камеры движется не в осевом направлении, как в ПуВРД, а по кругу, сжимая и выжигая топливную смесь перед собой и в конце концов выталкивая продукты сгорания из сопла точно так же, как винт мясорубки выталкивает наружу фарш. Вместо частоты пульсаций мы получаем частоту вращения детонационной волны, которая может достигать нескольких тысяч в секунду, то есть практически двигатель работает не как пульсирующий, а как обычный ЖРД со стационарным горением, но куда более эффективно, поскольку на самом деле в нем происходит детонация топливной смеси.

В СССР, как и в США, работы над ротационным детонационным двигателем шли с начала 1960-х годов, но опять же при кажущейся простоте идеи ее реализация потребовала решения головоломных теоретических вопросов. Как организовать процесс так, чтобы волна не затухала? Необходимо было понимание сложнейших физико-химических процессов, происходящих в газовой среде. Тут расчет велся уже не на молекулярном, а на атомарном уровне, на стыке химии и квантовой физики. Процессы эти более сложны, чем те, что происходят при генерации луча лазера. Именно поэтому лазер уже давно работает, а детонационный двигатель — нет. Для понимания этих процессов потребовалось создать новую фундаментальную науку — физико-химическую кинетику, которой 50 лет назад еще не существовало. А для практического расчета условий, при которых детонационная волна не будет затухать, а станет самоподдерживающейся, потребовались мощные ЭВМ, появившиеся лишь в последние годы. Вот какой фундамент необходимо было положить в основание практических успехов по укрощению детонации.

Активные работы в этом направлении ведутся в Соединенных Штатах. Этими исследованиями занимаются Pratt & Whitney, General Electric, NASA. К примеру, в научно-исследовательской лаборатории ВМФ США разрабатываются спиновые детонационные газотурбинные установки для флота. В ВМФ США используется 430 газотурбинных установок на 129 кораблях, в год они потребляют топлива на три миллиарда долларов. Внедрение более экономных детонационных газотурбинных двигателей (ГТД) позволит сберечь гигантские средства.

В России над детонационными двигателями работали и продолжают работать десятки НИИ и КБ. В их числе и НПО «Энергомаш» — ведущая двигателестроительная компания российской космической промышленности, со многим предприятиями которой сотрудничает банк ВТБ. Разработка детонационного ЖРД велась не один год, но для того чтобы вершина айсберга этой работы засверкала под солнцем в виде успешного испытания, потребовалось организационное и финансовое участие небезызвестного Фонда перспективных исследований (ФПИ). Именно ФПИ выделил необходимые средства для создания в 2014 году специализированной лаборатории «Детонационные ЖРД». Ведь несмотря на 70 лет исследований, эта технология до сих пор остается в России «слишком перспективной», чтобы ее финансировали заказчики вроде Министерства обороны, которым нужен, как правило, гарантированный практический результат. А до него еще очень далеко.

Укрощение строптивой

Хочется верить, что после всего сказанного выше становится понятна та титаническая работа, которая проглядывает между строк краткого сообщения об испытаниях, прошедших на «Энергомаше» в Химках в июле — августе 2016 года: «Впервые в мире был зарегистрирован установившийся режим непрерывной спиновой детонации поперечных детонационных волн частотой около 20 кГц (частота вращения волны — 8 тысяч оборотов в секунду) на топливной паре „кислород — керосин“. Удалось добиться получения нескольких детонационных волн, уравновешивавших вибрационные и ударные нагрузки друг друга. Специально разработанные в центре имени М. В. Келдыша теплозащитные покрытия помогли справиться с высокими температурными нагрузками. Двигатель выдержал несколько пусков в условиях экстремальных вибронагрузок и сверхвысоких температур при отсутствии охлаждения пристеночного слоя. Особую роль в этом успехе сыграло создание математических моделей и топливных форсунок, позволявших получать смесь необходимой для возникновения детонации консистенции».

Разумеется, не стоит преувеличивать значение достигнутого успеха. Создан лишь двигатель-демонстратор, который проработал относительно недолго, и о его реальных характеристиках ничего не сообщается. По информации НПО «Энергомаш», детонационный ЖРД позволит поднять тягу на 10% при сжигании того же количества топлива, что и в обычном двигателе, а удельный импульс тяги должен увеличиться на 10–15%.

Но главный результат состоит в том, что практически подтверждена возможность организации детонационного горения в ЖРД. Однако путь до использования этой технологии в составе реальных летательных аппаратов предстоит еще долгий. Другой важный аспект заключается в том, что еще один мировой приоритет в области высоких технологий отныне закреплен за нашей страной: впервые в мире полноразмерный детонационный ЖРД заработал именно в России, и этот факт останется в истории науки и техники.

Другие статьи:

Кратко к вопросу о детонационых двигателях

В связи с непонятками у народа по детонационным двигателям, решил малость поумничать простым языком, чисто от себя и даже без ссылок на авторитеты. Детонационными называются двигатели в штатном режиме которых используются детонационное сгорание топлива. Сам двигатель может быть (теоретически) любым , — двс, реактивным, да хоть паровым. Теоретически. Однако, до настоящего времени все известные коммерчески приемлемые двигатели таких режимов сгорания топлива, в простонародье именуемого «взрывом», не использовали в силу их … м-м-м…. коммерческой неприемлемости..Что дает применение детонационного сгорания в двигателях? Сильно упрощая и обобщая, примерно следующее:1. Замена обычного горения детонационным за счет особенностей газодинамики фронта ударной волны, увеличивает теоретическую предельно достижимую полноту сгорания смеси, что позволяет повысить КПД двигателя, и снизить расход, примерно на 5-20%. Это актуально для всех типов двигателей, как ДВС, так и реактивных.2. Скорость сгорания порции топливной смеси увеличивается примерно в 10-100 раз, значит теоретически можно для ДВС увеличить литровую мощность (или удельную тягу на килограмм массы для реактивных двигателей) примерно в такое же количество раз. Этот фактор актуален тоже для всех типов двигателей.3. Фактор актуальный только для реактивных двигателей всех типов: так как процессы горения идут в камере сгорания на сверхзвуковых скоростях, а температуры и давления в камере сгорания возрастают в разы, то появляется отличная теоретическая возможность многократно увеличить и скорость истечения реактивной струи из сопла. Что в свою очередь ведет к пропорциональному росту тяги, удельного импульса, экономичности, и/или снижению массы двигателя и требуемого топлива. Все эти три фактора очень важны, но носят не революционный, а так сказать эволюционный характер. Революционными являются четвертый и пятый фактор, и относятся они только к реактивным двигателям:4. Только применение детонационных технологий позволяет создать прямоточный (а значит, — на атмосферном окислителе!) универсальный реактивный двигатель приемлемой массы, размеров и тяги, для практического и широкомасштабного освоения диапазона до-, сверх-, и гиперзвуковых скоростей 0-20Мах.5.Только детонационные технологии позволяют выжать из химических ракетных двигателей (на паре топливо-окислитель) скоростные параметры требуемые для их широкого применения в межпланетных перелетах.П.4 и 5. теоретически открывают нам а) дешевую дорогу в ближний космос, и б)дорогу к пилотируемым пускам к ближайшим планетам, без необходимости делать монструозные сверхтяжелые ракетоносители массой over 3500 tonnes.Недостатки детонационных двигателей вытекают из их достоинств:1. Скорость горения настолько высока, что чаще всего эти двигатели удается заставить работают лишь циклически: впуск-горение-выпуск. Что как минимум втрое снижает максимально достижимую литровую мощность и/или тягу, иногда лишая смысла саму затею.2. Температура, давление и скорости их нарастания в камере сгорания детонационных двигателей таковы, что исключают прямое применение большинства известных нам материалов. Все они слишком слабы для построения простого, дешевого и эффективного двигателя. Требуется либо целое семейство принципиально новых материалов, либо применение пока неотработанных конструкторских ухищрений. Материалов у нас нет, а усложнение конструкции опять таки часто лишает смысла всю затею.Однако есть область в которой без детонационных двигателей не обойтись. Это экономически оправданный атмосферный гиперзвук с диапазоном скоростей 2-20 Max. Поэтому битва идет по трем направлениям:1. Создание схемы двигателя с непрерывной детонацией в камере сгорания. Что требует суперкомпьютеров и нетривиальных теоретических подходов для расчета их гемодинамики. В этой области проклятые ватники как всегда вырвались вперед, и впервые в мире теоретически показали, что непрерывная детогация вообще возможна. Изобретение, открытие, патент, — все дела. И приступили к изготовлению практической конструкции из ржавых труб и керосина.2. Создание конструктивных решений делающих возможными применение классических материалов. Проклятые ватники с пьяными медведями и тут первыми придумали и сделали лабораторный многокамерный двигатель, который уже работает сколь угодно долго. Тяга как у двигателя Су27, а вес такой, что его в руках держит 1 (один!) дедушка. Но так как водка была паленая, то двигатель получился пока пульсирующий. Зато, сволочь работает настолько чисто, что его можно включать даже на кухне (где ватники его собственно и запилили в промежутках между водкой и балалайкой)3. Создание суперматериалов для будущих двигателей. Эта область наиболее тугая и наиболее секретная. О прорывах в ней информации я не имею.

Исходя из вышеозвученного рассмотрим перспективы детонационного, поршневого ДВС. Как известно, нарастание давления в камере сгорания классических размеров, при детонации в ДВС происходит быстрее скорости звука. Оставаясь в том же конструктиве, не существует способа заставить механический поршень, да ещё со значительными связанными массами, двигаться в цилиндре с примерно такими же скоростями. ГРМ классической компоновки тоже не может работать на таких скоростях. Поэтому прямая переделка классического ДВС на детонационный с практической точки зрения бессмысленна. Нужно заново разработать двигатель. Но как только мы этим начинаем заниматься, то оказывается что поршень в этой конструкции просто лишняя деталь. Поэтому ИМХО, поршневой детонационный ДВС — это анахронизм.

Автор: Homo 2.0 Первоисточник: https://m.aftershock.news/?q=node/429525

Заметили ошЫбку Выделите текст и нажмите Ctrl+Enter

Смотрите также

• Как заменить поршневые кольца
• Автомобили с хорошей шумоизоляцией
• Габариты чери тигго т11
• Можно ли поставить машину на учет с другим двигателем в 2017 году
• Супротеком как пользоваться
• Моторы рендж ровер
• Необслуживаемая аккумуляторная батарея что это
• Джип ренегат 2017
• Lifan myway автомат
• Присадка в коробку передач
• Настройка гбо ловато

«Питер — АТ»

ИНН 780703320484

ОГРНИП 313784720500453

Что такое детонация и 8 способов ее остановить!

| How-To

Детонация — ругательство в отношении хот-родов. Никто не любит говорить об этом, потому что, когда это происходит, это обычно означает, что произошла некоторая потеря внимания во время сборки двигателя или автомобиля. К тому времени, как вы услышите характерный предсмертный хрип двигателя в муках детонации, повреждение, скорее всего, уже нанесено. Ответ заключается в том, чтобы предотвратить детонацию до того, как она произойдет, но если уже слишком поздно, есть вещи, которые вы можете сделать, чтобы предотвратить повторение взрыва, но сначала немного предыстории.

Каковы симптомы детонации?

Детонация, иногда называемая детонацией или преждевременным зажиганием, представляет собой стук, который иногда можно услышать во время ускорения и открытия дроссельной заслонки. В отличие от обычного шума выхлопа, детонация представляет собой более высокий скрипучий звук, исходящий из моторного отсека. При детонации могут произойти серьезные внутренние повреждения, в том числе оплавление электродов свечи зажигания, растрескивание поршневых колец, расплавление или растрескивание поршней, забивание шатунных подшипников и разрушение прокладок головки блока цилиндров. Если вы слышите детонацию, немедленно уберите педаль газа или заплатите за последствия.

Повреждение от детонации происходит из-за того, что днище поршня, кольца и подшипники подвергаются сильному избыточному давлению в камере сгорания. Это избыточное давление возникает слишком рано, задолго до того, как поршень начнет движение вниз для рабочего такта. Это нарастание давления во время такта сжатия также выделяет огромное количество тепла — на самом деле, слишком много, чтобы система охлаждения двигателя могла своевременно рассеяться. Затем каждое последующее срабатывание этого цилиндра должно бороться с остаточным теплом от события детонации в предыдущем цикле, таким образом блокируя рабочее состояние этого цилиндра в неконтролируемой детонации.

Если у вас когда-либо случался стук в двигателе, вы уже знакомы с этим явлением. Если убрать ногу с педали газа, а затем снова нажать ее, стук в двигателе не улучшится; он остается там до тех пор, пока нежелательный источник воспламенения (тепло) в поврежденном цилиндре не исчезнет. С другой стороны, если при определенном рабочем состоянии начало детонации происходит, например, за 15 градусов до верхней мертвой точки (ВМТ), она может не прекратиться до тех пор, пока событие воспламенения не будет задержано до 5 градусов ВМТ. Такое поведение называется детонационным гистерезисом, и ваш единственный реальный вывод здесь заключается в том, что кратковременное снятие газа (в надежде, что детонация исчезнет) является бесплодным усилием.

Что вызывает детонацию?

Тип повреждения двигателя, вызванный детонацией, происходит, когда источник тепла в среде сгорания воспламеняет топливно-воздушный заряд до инициирования системой зажигания двигателя. Важно понимать, что детонация является результатом нежелательного источника тепла (электрод свечи зажигания, край камеры сгорания, неровность литья), а не ошибки в программировании зажигания, хотя ваша программа зажигания может сыграть свою роль.

В двигателе с оптимизированными характеристиками пиковая мощность достигается, когда давление в цилиндре достигает максимума при правильном угле поворота коленчатого вала. Когда шатун и кривошип расположены под углом 90 градусов друг к другу, поршень имеет наибольшее механическое преимущество перед коленчатым валом. Суть всего этого в том, что вам нужно мысленно проработать это событие в обратном направлении и найти подходящее время для воспламенения топливного заряда, чтобы пиковое давление возникало после того, как поршень пройдет верхнюю мертвую точку (ВМТ) и до того, как шатун и кривошип окажутся в положении. прямой угол. Несоблюдение этого требования может привести к повреждению, подобному тому, что показано выше на разрушенном поршневом кольце.

Когда давление в цилиндре достигает пика перед ВМТ, происходит что-то плохое. Почему? Это может быть одна или несколько из следующих причин: слишком низкое октановое число топлива, недостаточная система охлаждения, плохо спроектированная камера сгорания, слишком горячая свеча зажигания, слишком сильное статическое сжатие, слишком малое перекрытие между впускным и выпускным выступами кулачка, слишком бедное соотношение воздух/топливо, слишком большой предварительный нагрев всасываемого заряда или, в лучшем случае, неправильная кривая зажигания.

8 Способы уменьшения детонации

Если в вашем двигателе возникла детонация, вы можете предпринять ряд действий, чтобы предотвратить ее. Мы расположили их здесь в порядке сложности, от самого простого до самого серьезного, но имейте в виду, что часто детонация и создаваемые ею повреждения являются результатом плохо подобранной комбинации двигателей. Производители оригинального оборудования тратят тысячи часов на испытания двигателей в различных режимах работы, в то время как самостоятельные усилия могут упускать из виду важные аспекты, такие как качество движения смеси или тщательное рассмотрение времени срабатывания клапана. Эти вещи должны быть запаяны в конструкцию двигателя перед сборкой, а не закреплены бинтом постфактум.

Уменьшить опережение зажигания

Если вам повезет, ваша детонация будет вызвана не самовоспламенением от горячей точки в камере сгорания, а кривой зажигания, которая обеспечивает слишком большое базовое опережение зажигания. Если это так, простое уменьшение базового времени приведет к прекращению детонации. Однако в большинстве случаев именно отключение подачи вакуума вызывает это состояние в первую очередь. В этом сценарии участвует новичок-энтузиаст, который отключает продвижение вакуума, а затем увеличивает базовое время для компенсации. Вся причина увеличения вакуума на стандартном двигателе заключается в том, чтобы обеспечить достаточное время опережения в условиях легкого дросселя, когда атмосфера за дроссельной заслонкой разрежена; двигателю требуется дополнительное время для создания давления в цилиндре до рабочего такта.

Повышение октанового числа топлива

Октановое число топлива является точным выражением его склонности к самовоспламенению. Чем выше число, тем больше его способность сопротивляться выключению света. По мере увеличения степени сжатия или наддува должно увеличиваться и октановое число топлива. Устранить детонацию двигателя можно так же просто, как использовать топливо с более высоким октановым числом. В 1970-х и 1980-х годах, когда цены на топливо взлетели до небес, многие люди искали способы сэкономить деньги. Это часто принимало форму экономии на октановом числе топлива. К счастью для нас, с тех пор утекло много воды и производители разработали двигатели с улучшенными антидетонационными характеристиками. Такие вещи, как электронный впрыск топлива, замедление детонации и электроника определения октанового числа, сделали детонацию от топлива с низким октановым числом редким явлением. У вас старый автомобиль с детонацией, попробуйте использовать проверенное топливо с более высоким октановым числом.

Используйте более холодную свечу зажигания

Наконечник электрода свечи зажигания является основным источником самовоспламенения. Тепло может быстро накапливаться, и если ему некуда деваться, оно будет делать свое дело за счет заряда воздуха/топлива. Звучит довольно иронично, поскольку это то, что должна делать свеча зажигания, только вы хотите иметь контроль над , когда делает это. По этой причине свечи зажигания рассчитаны на различные тепловые диапазоны, а их изоляторы тщательно разработаны для управления потоком тепла от электрода в головку блока цилиндров. Слишком горячая свеча будет удерживать слишком много тепла, вызывая детонацию. Часто достаточно заменить свечу на более холодный температурный диапазон, чтобы предотвратить нежелательную детонацию. Имейте в виду, однако, что слишком холодная свеча может вызвать противоположную проблему загрязнения, когда свеча вообще не может воспламенить заряд воздуха/топлива.

Оптимизация соотношения воздух/топливо

В современных двигателях с впрыском топлива достижение оптимального соотношения воздух/топливо редко является проблемой, так как кислородные датчики двигателя будут постоянно работать, поддерживая соотношение воздух/топливо в заданном диапазоне. идеальный диапазон в большинстве сценариев вождения. Однако более старым автомобилям с карбюратором может потребоваться помощь, особенно если детонация является регулярной проблемой. Здесь проблема заключается в обедненной смеси, когда впрыск топлива или какая-либо другая калибровка приводят к тому, что в цилиндр поступает недостаточно топлива. В результате получается горячий двигатель, который быстро нагревается, что может вызвать детонацию. Лучший способ диагностировать детонацию в такой ситуации – установить широкополосный кислородный датчик и контролировать его в периоды высокой нагрузки двигателя. Бедная смесь при полностью открытой дроссельной заслонке может вызвать детонацию даже при передаточном отношении 13:1, и это должно указывать на то, что в цилиндр поступает недостаточно топлива. Вы должны убедиться, что ваш двигатель работает на богатой смеси — хорошее число, которое можно получить на полном газу для безнаддувного двигателя, — 12,5: 1.

Увеличить мощность охлаждения

Перегрев является основной причиной детонации, и часто одной из основных причин является система охлаждения, которая не справляется со своей задачей. Если мощность вашего двигателя недавно была увеличена, но ваш радиатор все еще стоит на складе, возможно, пришло время для обновления в этой области. За исключением замены радиатора, лучший вентилятор, более эффективный кожух вентилятора или смачивающий агент охлаждающей жидкости могут иметь достаточный эффект для уменьшения или устранения детонации. Объяснение диагностики системы охлаждения выходит за рамки этой истории, но мы дадим вам один большой совет: сначала попотейте над мелочами. В гонке за производительностью часто такие мелочи, как уплотнение кожуха, работа термостата, включение муфты вентилятора или кавитация водяного насоса, приводят к детонации.

Уменьшить степень сжатия

Если вы зашли так далеко, а детонация все еще есть, у вас не будет другого выхода, кроме как приступить к внутреннему ремонту или изменению комбинации двигателей. Уменьшение степени сжатия — это самый простой способ прекратить детонацию, потому что давление в цилиндре и теплота — это, по сути, разные выражения одного и того же. На протяжении многих лет мы приводили доводы в пользу увеличения степени сжатия для увеличения мощности, но чрезмерное применение этого совета может иметь непредвиденные последствия, если не будут предприняты надлежащие шаги (более высокое октановое число топлива, более качественное движение смеси, сплавы). головки блока цилиндров и электроника, предназначенная для защиты двигателя). Если не считать замены головок цилиндров и поршней, лучше всего начать с более толстого набора прокладок головки цилиндров и обработать камеры сгорания шлифовальной машиной, уделяя особое внимание острым краям.

Увеличить перекрытие кулачков кулачка

Высокопроизводительный распределительный вал с увеличенным сроком службы и подъемной силой — один из наших любимых способов повысить производительность двигателя, но иногда выбор кулачка может вызвать непреднамеренные проблемы. Более распространенной проблемой является кулачок, который слишком велик для сжатия, из-за чего фазы газораспределения слишком агрессивны для статической степени сжатия, и происходит потеря низких частот. Иногда, однако, распределительный вал имеет большой угол разделения кулачков, который может задерживать слишком много заряда в цилиндре. Как узнать, что перекрытие слишком короткое? Быстрый тест давления запуска скажет вам: все, что превышает 180 фунтов на квадратный дюйм, является признаком того, что вы находитесь в области гоночного двигателя с высокой степенью сжатия, которому может потребоваться гоночное топливо. Хорошее, безопасное значение для традиционного уличного двигателя с насосным газом составляет от 150 до 170 фунтов на квадратный дюйм. Если давление проворачивания слишком высокое, вам нужен кулачок, который удерживает меньше воздуха/топлива в камере сгорания.

Улучшение движения смеси

Все исправления, которые мы упомянули до сих пор, являются тем, что я называю «нисходящими» исправлениями, что означает, что они больше похожи на повязку, чем на реальное лечение. Я обнаружил, что большинство случаев детонации можно отнести к режиму горения, который испытывает судьбу через портовый поток, который вызывает отделение топлива от воздуха. Движение воздуха и топлива через отверстие, карман клапана и камеру сгорания является сложным, и если топливо не может равномерно смешиваться с воздухом в результате процесса, называемого завихрением (в случае четырехклапанного двигателя кувыркается), плохая производительность и последует детонация. Гашение — еще одно родственное действие, которое происходит как раз в тот момент, когда поршень достигает ВМТ. Заряд, застрявший между поршнем и крышкой головки блока цилиндров, выдавливается в открытую часть камеры сгорания в последний момент перед воспламенением, давая заряду последний шанс смешаться. Когда хорошая хореография завихрения и гашения не происходит, происходит детонация. Единственное правильное лекарство — это набор головок цилиндров, в котором реализованы последние усовершенствования движения смеси.

Непосредственный впрыск: (не)будущее детонации

Возможно, это скорее эпилог, чем лекарство от детонации, но производители оборудования безостановочно работают над этой проблемой, и они добились невероятных успехов, доступных нам. прямо сейчас. Новейшие двигатели, выпущенные в Детройте (линейка силовых установок Ecoboost с непосредственным впрыском топлива Ford и Gen V LT1 от GM, и это лишь два из них) почти полностью устранили детонацию благодаря тому, что топливо не добавляется в уравнение до последнего возможного момента. Это просто в концепции, если не в механической конструкции, но когда в цилиндре нет топлива, трудно получить нежелательное событие, предшествующее воспламенению. В случае двигателей с прямым впрыском топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания под давлением в тысячи фунтов на квадратный дюйм. В результате топливо может быть доставлено почти мгновенно и нацелено на область поршня, которая не может обеспечить достаточное количество тепла для предварительного зажигания.

Мы сильно упрощаем преимущества двигателя DI, которые выходят далеко за пределы устойчивости к детонации, но легко понять, почему эти двигатели могут иметь повышенную степень сжатия, которая уничтожила бы более ранние, если бы они работали на обычном откачиваемом газе. Это факт, что мы быстро приближаемся к эре двигателей внутреннего сгорания, которые сделают детонацию делом прошлого, но мы все еще должны понимать это для наших любимых винтажных V-8!

Популярные страницы

• лучших электромобиля — самые популярные модели электромобилей

• Сколько стоит Tesla? Вот разбивка цен

• Лучшие гибридные автомобили — модели гибридных автомобилей с самым высоким рейтингом

• Каждый электрический внедорожник, который можно купить в США в 2022 году

• Это самые экономичные пикапы, которые вы можете купить 909

  Это внедорожники с лучшим расходом топлива

Популярные страницы

• лучших электромобиля — самые популярные модели электромобилей

• Сколько стоит Tesla? Вот разбивка цен

• Лучшие гибридные автомобили — модели гибридных автомобилей с самым высоким рейтингом

• Каждый электрический внедорожник, который можно купить в США в 2022 году

• Это самые экономичные пикапы, которые вы можете купить 909

  Это внедорожники с лучшим расходом топлива

Детонация | lycoming.

com

Что такое детонация?

Детонация – это внезапное сгорание или взрыв топливного заряда внутри цилиндра. При нормальном сгорании свечи зажигания воспламеняют топливный заряд, и топливо имеет постоянное и равномерное сгорание, поскольку поршень движется через рабочий ход, а химическая энергия эффективно преобразуется в механическую. Проще говоря, когда происходит детонация, топливный заряд быстро воспламеняется в результате неконтролируемого взрыва, вызывая ударную или ударную силу поршня, а не постоянный толчок. Легкая детонация может никак не проявляться в салоне самолета. Детонация от умеренной до сильной может быть замечена как неровность двигателя, вибрация или потеря мощности и, в конечном итоге, повреждение двигателя. Пилот всегда должен обращать внимание на неожиданно высокие температуры головки цилиндров (CHT) или температуры выхлопных газов (EGT), которые могут быть признаком детонации.

Что вызывает детонацию и как ее предотвратить?

Процесс сгорания внутри поршневого двигателя довольно динамичен, и многие факторы могут способствовать детонации. В этой статье будут затронуты некоторые из наиболее распространенных причин, а не краткий список.

Во-первых, предположим, что самолет и двигатель заправлены правильно и что октановое число топлива соответствует или превышает октановое число двигателя. Инструкция по обслуживанию Lycoming 1070 содержит исчерпывающий список видов топлива, одобренных для наших двигателей, а также другую важную информацию.

С учетом того, что топливо является правильным выбором для двигателя, для пилота причиной детонации номер один является чрезмерное обеднение при высоких настройках мощности. Пилот должен всегда придерживаться указаний утвержденного руководства по эксплуатации для правильных настроек наклона и мощности. Чтобы ознакомиться с рекомендациями Lycoming, обратитесь к текущим редакциям соответствующего руководства оператора Lycoming и Инструкции по обслуживанию 1094. Если пилот считает, что двигатель может детонировать, он или она может предпринять следующие действия.

• Увеличить моторную смесь.
• Уменьшите мощность до более низкого значения.
• Уменьшите или остановите набор высоты и увеличьте скорость движения вперед для лучшего охлаждения.

Для механика причиной детонации номер один будет любая проблема, которая может привести к неожиданной обедненной работе цилиндра. Чаще всего это вызвано частично засоренной форсункой или утечкой всасываемого воздуха. Каждый раз, когда топливные форсунки снимаются, их следует очищать и проверять поток. Во время проверок механик должен искать признаки утечки на впуске; обычно отмечается синим окрашиванием топлива на впускных трубах. Любые аномалии должны быть исправлены перед дальнейшим полетом.

Мы также видели случаи, когда треснутые или иным образом поврежденные свечи зажигания создавали «горячие точки» в двигателе и происходила детонация. Вот почему никогда не рекомендуется использовать вилку, упавшую на твердый пол или иным образом поврежденную.

Двигатели Lycoming соответствуют требованиям FAA по запасу детонации или превышают их. Следовательно, если двигатель обслуживается и эксплуатируется в соответствии с нашими опубликованными рекомендациями, в двигателе никогда не должно быть детонации.

Как мой механик или мастерская по капитальному ремонту двигателей узнают о детонации?

Детонация отрицательно влияет на двигатель. Легкая детонация может вызвать преждевременный износ подшипников и втулок. Сильная или продолжительная детонация может привести к повреждению головки блока цилиндров и поршней. В некоторых крайних случаях шатун может погнуться или сломаться, головка блока цилиндров может треснуть или выйти из строя, или могут сломаться посадочные поверхности поршневых колец.

При каждом снятии цилиндра механик должен воспользоваться возможностью осмотреть цилиндр и поршни на наличие признаков неисправности. Вот некоторые вещи, которые можно проверить.

• Хотя это может выглядеть не очень хорошо, отложения свинца или отложения при сгорании являются нормальным явлением в двигателях Lycoming. Отсутствие этих отложений тоже не обязательно хорошо. Головка блока цилиндров и поршень должны быть проверены на «пескоструйный» вид. Отсутствие отложений или чистая головка и поверхность поршня могут указывать на детонацию. При использовании неэтилированного топлива отложения должны быть…
• Детонационные повреждения обычно проявляются на кромках поршней и на головке блока цилиндров между отверстиями для свечей зажигания и клапанами.

По дополнительным вопросам об уходе и техническом обслуживании вашего двигателя Lycoming обращайтесь в нашу службу технической поддержки по адресу: [email protected] или по телефону +1-800-258-3279.

Сеть поддержки продуктов

Где бы вы ни находились, у вас есть доступ к исключительному опыту и знаниям о двигателях Lycoming. Получите самое всестороннее обслуживание клиентов и поддержку в отрасли авиации общего назначения.

Подробнее

Обмен

Воспользуйтесь нашей программой замены двигателя, чтобы заказать новый, восстановленный или капитально отремонтированный двигатель, чтобы увеличить время работы и сократить время простоя.

Свяжитесь с нами

Что это вызывает и как это предотвратить

У него несколько названий — стук, звон, детонация и т. д., и многие термины могут сделать событие довольно безобидным. Правда в том, что при умеренных и высоких нагрузках постоянный количество детонаций может привести к катастрофическому отказу двигателя, обычно в виде сломанных шатунных подшипников, треснувших колец или отверстий в поршне.

Почти в каждом двигателе с искровым зажиганием средней и большой мощности в течение всего срока службы возникают случайные детонации. Это одна из тех вещей, которых никогда нельзя полностью избежать, но все же их можно легко контролировать и удерживать в безопасных пределах с помощью датчиков и ответственной настройки. Для начала полезно понять, что происходит внутри камеры сгорания, вызывая этот разрушительный стук.

Что это такое
В зависимости от нагрузки и настройки двигателя свеча зажигания срабатывает в диапазоне от 45 до 5 градусов до верхней мертвой точки (ВМТ) такта сжатия и воспламеняет воздушно-топливную смесь.

Во время нормального цикла сгорания фронт пламени расширяется от точки воспламенения к стенкам цилиндра и днищу поршня, этот процесс горения может занять до 90 градусов вращения коленчатого вала, чтобы полностью сгореть. Детонация определяется как любое самовозгорание, происходящее после того, как процесс горения уже начался, и не зависит от начального фронта пламени. Это неконтролируемое событие может произойти из любой точки камеры и обычно вызвано высокой температурой и/или давлением в цилиндре.

Что он делает
Теперь, когда у вас есть общее представление о детонации и двух ее основных причинах (нагрев и давление), мы можем поговорить о разрушительных последствиях, связанных с ней. Повреждение вызвано не энергией, выделяемой при детонации, а скоростью, с которой выделяется энергия (энергетический потенциал такой же, как и при обычном цикле сгорания). Детонация часто считается эквивалентом удара по верхней части поршня взрывным молотком.

Как обнаружить

Слева: датчик детонации, обычно используемый на автомобилях с EFI. Справа: электронные детекторы, обычно используемые тюнерами.

Когда происходит детонация, слышен щелчок. В вашем среднем двигателе EFI обнаружение детонации зависит от использования одного или нескольких датчиков детонации, установленных в определенных местах на двигателе. Эти датчики в основном представляют собой тип микрофона, который откалиброван для улавливания определенного диапазона частот, которые, как известно, связаны с детонацией. Когда датчик обнаружит достаточно большое количество детонаций, ЭБУ начнет увеличивать угол опережения зажигания и/или добавлять больше топлива, в зависимости от используемого ЭБУ.

Профессиональные тюнеры часто используют датчики детонации (det cans) для обнаружения детонации в сильно модифицированных двигателях. Эти детонаторы могут быть электронными или механическими, в первом используется микрофон для передачи звука через пару наушников, а во втором просто используется медное крепление и трубка для передачи звука, улавливаемого медью, в наушники. Детекторы также могут помочь ускорить процесс повторной калибровки датчика детонации.

Как это контролировать
При настройке двигателя есть два основных источника тепла и давления, подача топлива и угол опережения зажигания.

Опережение зажигания для контроля давления
При настройке опережения зажигания вы должны помнить о том, насколько вы опережаете опережение зажигания — большее опережение не всегда означает большую мощность. Идея состоит в том, чтобы синхронизировать искру в нужный момент до ВМТ, чтобы обеспечить достаточное время горения для достижения пикового давления в цилиндре в оптимальной точке ВМТ.

Заводская карта опережения зажигания от JDM Mitsubishi Evo X 2008 г. (градусы BTDC). Обратите внимание, что по мере увеличения нагрузки и оборотов опережение синхронизации уменьшается. Ускоренные приложения, как правило, имеют меньшее время пиковой нагрузки из-за повышенного давления в цилиндре, связанного с принудительной индукцией.

Превышение опережения зажигания приведет к слишком раннему возникновению искры, заставляя давление внутри цилиндра нарастать быстрее, чем может распространяться фронт пламени. Это создаст два источника давления в цилиндре, работающих одновременно (ход поршня и сгорание), в результате чего давление и температура в цилиндре превысят точку самовоспламенения несгоревшего топлива, все еще оставшегося в цилиндре, и мгновенно сожгут его. Это самовозгорание является детонацией и является одной из наиболее распространенных причин выхода из строя поршня, штока и подшипника.

Примеры выхода из строя подшипника из-за детонации. Слева: Усталость промежуточной футеровки на основе меди в триметаллических подшипниках. Справа: локализованный чрезмерный износ из-за деформации шатуна в результате детонации.

Заправка топливом для контроля температуры
При настройке двигателя топливо используется для контроля температуры. Добавление большего количества топлива создает более богатую смесь и охлаждает камеру, удаление топлива обедняет смесь и добавляет больше тепла.

Haltech предлагает отличную аналогию, которая поможет вам понять этот процесс. «Думай об этом, как о выпечке торта. Когда вы закончите выпекать, вы открываете духовку и достаете кекс, чтобы он остыл. Температура воздуха внутри духовки составляет 180 градусов по Цельсию, поэтому и пирог, и стальная форма для кекса имеют температуру 180 градусов, но если вы положите руки на 180-градусный воздух, вы не обожжетесь. Однако металлическая форма для торта, безусловно, обожжет вам руки, как и сам торт через пару секунд».

Из этого следует вынести тот факт, что воздух является ужасным проводником тепла, потому что 180-градусный воздух в духовке не обожжет вас, как форма для торта при той же температуре. Топливо является гораздо лучшим проводником тепла, поэтому, в общих чертах, чем больше топлива вы добавите, тем больше тепла будет отведено от стенок цилиндра, поршней, клапанов и т. д.

Заводская топливная карта от EDM Mitsubishi Evo X 2008 года (в масштабе для AFR). Обратите внимание, что по мере увеличения нагрузки и оборотов подача топлива увеличивается (богаче). Двигатели с форсированным двигателем обычно требуют обогащения топливной смеси не менее чем на 10 % для борьбы с детонацией, вызванной повышением температуры цилиндров, создаваемой принудительной индукцией.

Однако можно добавить слишком много топлива, особенно в областях с низкой нагрузкой, например, на холостом ходу или в крейсерском режиме, и вы можете вызвать детонацию или даже расплавить поршень, если вы слишком бедны при более высоких нагрузках. Задача тюнеров — откалибровать несколько различных компонентов двигателя (MAF, VE, VVT, наддув, подачу топлива, угол опережения зажигания и т. д.) для достижения наиболее эффективных целевых значений времени подачи топлива и момента зажигания для двигателя и его конкретных модификаций.

Заключение
Детонация может привести к катастрофическому отказу двигателя, если ее не остановить. Вот почему в большинстве современных двигателей предусмотрена заводская настройка отказоустойчивости, позволяющая увеличивать угол опережения зажигания или добавлять топливо, когда датчик детонации обнаруживает слишком большое количество детонаций. Чтобы предотвратить детонацию модифицированных двигателей, требуется настроить заводские калибровки и привести ваш двигатель в равновесие с вашими новыми модификациями.

Детонация и предварительное зажигание

Есть много способов испортить отличный двигатель, но сегодня я хочу поговорить о двух самых опасных из них. Детонация и предварительное зажигание, часто взаимозаменяемые и/или используемые для описания одного и того же явления, на самом деле являются совершенно разными вещами, которые приводят к схожим результатам. Оба они называются ненормальным сгоранием, и они чрезвычайно вредны для вашего двигателя. Чтобы лучше объяснить как детонацию, так и предварительное зажигание, мне нужно также объяснить нормальное сгорание.

Нормальное сгорание:

Нормальное сгорание – это сгорание топливно-воздушной смеси в камере сгорания. Нормальное сгорание начинается с того, что фронт пламени возникает у свечи зажигания и равномерно и неуклонно распространяется наружу по всей камере сгорания. Это очень похоже на надувание воздушного шара. Когда вы дуете, воздушный шар расширяется от источника воздуха очень контролируемым и равномерным образом. В идеальном мире событие сгорания сжигает весь воздух и топливо в цилиндре, не оставляя ничего (это происходит со стехиометрической смесью лямбда 1). Тепло от процесса сгорания передается от фронта пламени к поршню, от поршня к стенке цилиндра, а оттуда в систему охлаждения. Распространенное заблуждение о горении состоит в том, что речь идет о взрыве. Это просто неправда… В идеале, когда свеча зажигания воспламеняет смесь, пламя заполняет цилиндр очень быстро, но очень контролируемо.

Детонация:

Определение: Самовозгорание остаточного газа или остаточной воздушно-топливной смеси в камере сгорания.

Детонация всегда происходит после того, как свеча зажигания начала нормальное сгорание. Нормальное горение расширяется, но газы на краю фронта пламени сжимаются и начинают самовозгораться. Вероятно, это вызвано избыточным теплом и давлением. Однако самое важное, что следует помнить о детонации, это то, что она возникает после того, как фронт пламени был инициирован свечой зажигания.

Существует множество факторов, которые вместе создают идеальный сценарий для возникновения детонации. Хотя конструкция двигателя и октановое число топлива играют значительную роль, наиболее распространенной причиной является слишком большое опережение зажигания. Чрезмерно опережающее опережение зажигания вызывает слишком раннее выгорание, что приводит к слишком быстрому увеличению давления. Это очень высокий/очень резкий скачок давления, который часто приводит к повреждению двигателя.

Как вы можете видеть на изображении, график вверху имеет гладкий профиль давления и считается нормальным сгоранием. Однако нижний график показывает нормальное повышение давления до тех пор, пока после искры не произойдет детонация. Затем вы видите большой скачок давления из-за ненормального сгорания. Этот всплеск давления заставляет конструкцию двигателя резонировать, как если бы это был камертон. Этот резонанс улавливается датчиком детонации и передается в ЭБУ.

Датчики детонации вызывают большое беспокойство у многих энтузиастов. Возможность видеть то, что они видят, с помощью устройства мониторинга, такого как Cobb Tuning AccessPort, дает людям представление о том, что происходит с их двигателем в любое время. Это окно позволяет вам видеть вещи, которые вы обычно никогда не замечаете или о которых не заботитесь. Меня очень часто спрашивают о продолжающейся детонации, которая происходит при частичной нагрузке. К счастью, детонация не всегда разрушительна. Низкие уровни детонации происходят все время и даже могут поддерживаться в течение длительного времени без причинения ущерба. Частичный стук дроссельной заслонки является нормальным явлением для многих автомобилей, и хотя иногда он может быть вызван фактической детонацией, в большинстве случаев это просто шум, поскольку двигатель резонирует на определенных оборотах. Это также будет проявляться в точках переключения, когда двигатель значительно перемещается между переключениями передач на WOT, и это не должно вызывать беспокойства. Тем не менее, детонация становится серьезной причиной для беспокойства, когда вы начинаете работать при более высоких нагрузках. Если вы видите значительный стук при широко открытой дроссельной заслонке (WOT), вам следует обратиться к специалисту по настройке.

Ущерб: Есть несколько основных отказов, вызванных детонацией. Меньшая из точек отказа — это точечная коррозия или истирание на днище поршня. Вы также увидите эту точечную коррозию на выпускных клапанах, так как это более горячая сторона цилиндра с воздушно-топливной смесью, охлаждающей сторону впуска. Язвенность выглядит так, как будто поршень попал под выстрел из дробовика.

Еще одна точка повреждения при детонации — приземление кольца. Часто из-за резких скачков давления вы получаете раздавленные или сломанные кольцевые площадки. В менее тяжелых случаях вы все равно увидите сломанные кольца. Это часто происходит с литыми поршнями, поскольку они никогда не предназначались для того, чтобы выдерживать такое давление в цилиндре, особенно такие внезапные и резкие изменения давления.

Вместе с детонацией приходит тепло. Скачки давления разрушают пограничный слой газа, который гасит фронт пламени и защищает относительно холодный поршень от относительно горячего горения. По мере того, как этот пограничный слой разрушается и все больше и больше тепла поглощается поршнем, вы увидите деформацию поршня и задиры на стенках цилиндра, что неизбежно приводит к необходимости переборки двигателя. Из-за этого вы также увидите более высокие температуры охлаждающей жидкости, поскольку системе охлаждения приходится выполнять больше работы с избыточным теплом.

Индикаторы: Более высокие уровни детонации слышны и будут звучать как стук четвертей по стеклу. Вы не можете услышать его в большинстве новых автомобилей из-за изолированных кабин, поэтому, когда вы его слышите, это, скорее всего, более высокий уровень детонации. Если у вас есть тюнинговое устройство, которое отслеживает детонацию, например, Cobb Tuning Accesport, вы видите реакцию двигателя только на воспринимаемый шум. Однако стоит обратить внимание, поскольку двигатель по какой-то причине пытается спастись от чего-то, уменьшая опережение зажигания.

Предварительное зажигание:

Определение: Предварительное зажигание — это воспламенение топливно-воздушной смеси до зажигания свечи зажигания.

Событие предварительного зажигания выглядит примерно так…

Топливно-воздушная смесь поступает в камеру сгорания, когда поршень находится в такте впуска вниз. Затем поршень возвращается вверх для такта сжатия. Чем больше сжата смесь, тем труднее ее воспламенить, поэтому при поршне, находящемся в нижней части такта сжатия, смесь действительно воспламеняется легче, чем при приближении к верхней мертвой точке (ВМТ). Горячая точка в цилиндре, такая как раскаленный кончик свечи зажигания, может воспламенить эту смесь с низкой степенью сжатия очень рано, до того, как свеча зажигания сработает. Теперь восходящее движение поршня борется с расширяющейся силой сгорания. Это добавляет двигателю огромное количество тепла и нагрузки, и по этой причине преждевременное зажигание приводит к гораздо более высокому давлению в цилиндре, чем детонация. Давление от предварительного зажигания не такое быстрое, как при детонации. Вместо этого давление очень высокое и имеет гораздо большую продолжительность.

Ущерб: Ущерб от преждевременного зажигания гораздо более серьезный и мгновенный, чем от детонации. Как правило, при предварительном зажигании вы увидите оплавленные отверстия в поршнях, оплавленные свечи зажигания, и отказ двигателя происходит почти сразу.

Из-за большей продолжительности воздействия тепла и давления, возникающих при предварительном зажигании, вы заметите гораздо больше расплавленных деталей, тогда как при детонации вы получите больше деталей, которые просто разлетаются на части.

Индикаторы: На самом деле никаких признаков раннего предупреждения с преждевременным зажиганием нет. Лучшее, что вы можете сделать, чтобы предотвратить это, — убедиться, что двигатель настроен так, чтобы свести к минимуму потенциальные горячие точки. Автомобили OEM поставляются с соответствующими тепловыми диапазонами свечей зажигания и всеми настройками, позволяющими свести к минимуму/устранить преждевременное зажигание. Поэтому важно убедиться, что у вас есть правильные свечи зажигания и правильные зазоры при замене свечей и добавлении большего наддува и, следовательно, более высоких температур цилиндров в камеру сгорания.

Средство предотвращения детонации двигателя внутреннего сгорания (Патент)

Средство предотвращения детонации двигателя внутреннего сгорания (Патент) | ОСТИ. GOV

перейти к основному содержанию

• Полная запись
• Другое связанное исследование

В этом патенте описывается двигатель внутреннего сгорания, включающий в себя: цилиндр, поршень, совершающий возвратно-поступательное движение внутри цилиндра, цилиндр и поршень, образующие камеру для сжатия газообразного топлива, и свечу зажигания, установленную в цилиндре для воспламенения и сгорания газообразного топлива. топливо, свеча зажигания имеет внешнюю часть, сообщающуюся с камерой, и внешнее положение, выходящее из цилиндра, нормальное давление сгорания определяемой величины, создаваемое внутри камеры в ответ на сгорание топлива, давление детонации определяемой величины возможность создания внутри камеры, при этом давление детонации имеет большую величину, чем давление сгорания, а также усовершенствования для предотвращения возникновения детонации в двигателе. Улучшения включают: а. проход, проходящий через свечу зажигания и включающий i. впускное отверстие во внутренней части свечи зажигания, и ii. выпускное отверстие на внешней части свечи зажигания; и б. Клапанное средство, переносимое свечой зажигания, для нормального закрытия канала и давления открытия, достигаемого внутри камеры, причем давление открытия имеет величину, промежуточную по величине по отношению к величине давления сгорания и давления детонации.

Изобретатели:

Филлипс, Х.Л.

Дата публикации:

13.10.1987

Идентификатор OSTI:

5977055

Номер(а) патента:

США 4699096

Правопреемник:

НОЯБРЯ; НОВ-88-086453; ЭДБ-88-009380

Тип ресурса:

Патент

Отношение ресурсов:

Дата подачи заявки на патент: Дата подачи 18 февраля 1986 г.

Страна публикации:

США

Язык:

Английский

Тема:

33 УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЕ ДВИГАТЕЛИ; ДВИГАТЕЛИ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ; СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ; ДИЗАЙН; ВЗРЫВЫ; ЦИЛИНДРЫ; ЭКСПЛУАТАЦИЯ; ПОРШНИ; КОНТРОЛЬ ДАВЛЕНИЯ; ДАВЛЕНИЕ; КЛАПАНЫ; КОНТРОЛЬ; КОНТРОЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ; ДВИГАТЕЛИ; ОБОРУДОВАНИЕ; РЕГУЛЯТОРЫ ПОТОКА; ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ; ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ; 330101* — Двигатели внутреннего сгорания — искровое зажигание

Форматы цитирования

• MLA
• АПА
• Чикаго
• БибТекс


Phillips, HL Средство предотвращения детонации для двигателя внутреннего сгорания . США: Н. П., 1987.
Веб.

Копировать в буфер обмена


Филлипс, HL Средство предотвращения детонации двигателя внутреннего сгорания . Соединенные Штаты.

Копировать в буфер обмена


Филлипс, HL 1987.
«Средства предотвращения детонации двигателя внутреннего сгорания». Соединенные Штаты.

Копировать в буфер обмена

@статья{osti_5977055,
title = {Средства предотвращения детонации двигателя внутреннего сгорания},
автор = {Филлипс, HL},
abstractNote = {В этом патенте описывается двигатель внутреннего сгорания, включающий в себя: цилиндр, поршень, совершающий возвратно-поступательное движение внутри цилиндра, цилиндр и поршень, образующие камеру для сжатия газообразного топлива, и свечу зажигания, установленную в цилиндре для зажигания и сгорания. газообразного топлива, свеча зажигания имеет внешнюю часть, сообщающуюся с камерой, и внешнее положение, выходящее из цилиндра, нормальное давление сгорания определяемой величины, создаваемое внутри камеры в ответ на сгорание топлива, давление детонации с определяемой величиной, способной создаваться в камере, при этом давление детонации имеет большую величину, чем давление сгорания, а также улучшения для предотвращения возникновения детонации в двигателе. Улучшения включают: а. проход, проходящий через свечу зажигания и включающий i. впускное отверстие во внутренней части свечи зажигания, и ii. выпускное отверстие на внешней части свечи зажигания; и б. Клапанное средство, переносимое свечой зажигания, для нормального закрытия канала и давления открытия, достигаемого внутри камеры, причем давление открытия имеет величину, промежуточную по величине по отношению к величине давления сгорания и давления детонации.},
дои = {},
URL = {https://www.osti.gov/biblio/5977055},
журнал = {},
номер =,
объем = ,
место = {США},
год = {1987},
месяц = ​​{10}
}


Копировать в буфер обмена

Полный текст можно найти в Ведомстве США по патентам и товарным знакам.

Экспорт метаданных

Сохранить в моей библиотеке

Вы должны войти в систему или создать учетную запись, чтобы сохранять документы в своей библиотеке.

Аналогичных записей в сборниках OSTI.GOV:

• Аналогичные записи

Разница между стуком и детонацией

Ключевая разница — стук и детонация
 

Стук и детонация часто сбивают с толку, но это два разных термина, которые используются для объяснения проблем в двигателях. Детонация — это создание вибраций или резких звуков в двигателе из-за неправильного инициирования сгорания в ответ на зажигание от свечи зажигания. Стук не следует путать с преждевременным зажиганием. Детонация — это преждевременное или самовоспламенение топлива в камере сгорания двигателя. Ключевое отличие между детонацией и детонацией заключается в том, что детонация приносит несколько недостатков двигателю, таких как перегрев точек свечи зажигания, эрозия поверхности камеры сгорания и грубая, неэффективная работа, тогда как детонация может вызвать истирание, механические повреждения и перегрев в двигателе. двигатели.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Обзор и ключевые отличия
2. Что такое детонация
3. Что такое детонация
4. Сходства между детонацией и детонацией
5. Сравнение бок о бок – стук и детонация в табличной форме
6. Резюме

Что такое стук?

Стук – это издаваемые резкие звуки из-за неравномерного сгорания топлива в цилиндре двигателя транспортного средства. Это происходит из-за того, что топливовоздушная смесь внутри цилиндра не инициирует должным образом сгорание в ответ на воспламенение от свечи зажигания. Свеча зажигания — это устройство, которое может подавать электрический ток   от системы зажигания к камере сгорания для воспламенения воздушно-топливной смеси от электрической искры. Проще говоря, детонация — это вибрация двигателя из-за волн давления, возникающих в результате неравномерного сгорания. Это производит слышимый стук.

Причин, вызывающих стук в двигателях, может быть несколько. Одной из причин являются неисправные свечи зажигания. Свечи зажигания со временем могут стареть и ломаться. Срок службы свечи зажигания зависит от состояния и типа свечи зажигания. Еще одна возможная причина стука – использование низкооктанового топлива.

Октановое число/октановое число : Это цифра, показывающая антидетонационные свойства топлива, основанная на сравнении со смесью изооктана и гептана. Бензин с нефтеперерабатывающих заводов имеет разное октановое число. Чем выше октановое число топлива, тем большее сжатие оно может выдержать до воспламенения.

Еще одной причиной стука является нагар в цилиндре. В большинстве случаев для предотвращения нагара, который может засорить цилиндр, используются чистящие средства от нагара. Но может образоваться еще небольшое количество отложений. Когда эти отложения образуются, в цилиндре остается меньше места для воздуха и топлива. Следовательно, может произойти сжатие топлива, что может привести к детонации.

Рисунок 01: Автомобильный двигатель

Детонация приводит к некоторым недостаткам двигателя, например,

• Перегрев свечных колодцев
• Эрозия поверхности камеры сгорания
• Грубая, неэффективная работа

Что такое детонация?

Детонация – это процесс преждевременного или самовоспламенения топлива в камере сгорания двигателя. Часто это происходит из-за использования топлива с низким октановым числом. Это означает, что топливо начинает гореть до воспламенения свечи зажигания и электрического тока. Детонация характеризуется мгновенным взрывным воспламенением.

Рисунок 02: Камера сгорания

Некоторыми причинами детонации являются использование низкосортного моторного топлива и перегрев наконечников свечей зажигания. Низкосортные моторные топлива вызывают износ деталей двигателя. Перегретый наконечник свечи зажигания может вызвать преждевременное зажигание. Ниже приведены некоторые превентивные меры для обозначений:

• Использование высококачественного моторного топлива
• Улучшение топливовоздушной смеси в цилиндре
• Уменьшить угол опережения зажигания
• Снижение нагрузки на двигатель

В чем сходство детонации и детонации?

• Детонация и детонация возникают в двигателях автомобилей.
• И детонация, и детонация могут вызвать неблагоприятную работу двигателя.

В чем разница между стуком и детонацией?

Стук против детонации
Стук – это резкие звуки, возникающие из-за неравномерного сгорания топлива в цилиндре двигателя автомобиля.	Детонация — это процесс преждевременного или самовоспламенения топлива в камере сгорания двигателя.
Влияние на двигатель
Детонация приводит к ряду недостатков двигателя, таких как перегрев точек свечи зажигания, эрозия поверхности камеры сгорания и грубая, неэффективная работа.	Детонация может вызвать истирание, механическое повреждение и перегрев двигателей.
Профилактика
Детонацию можно предотвратить заменой свечей зажигания, предотвращением образования нагара, использованием топлива с высоким октановым числом и т. д.	Обозначение можно предотвратить за счет использования высококачественных моторных топлив, увеличения соотношения воздух-топливо в цилиндре, уменьшения угла опережения зажигания и снижения нагрузки на двигатель.

Резюме —

Детонация и  Детонация

Детонация и детонация — это проблемы в двигателях, которые часто встречаются в транспортных средствах.