Pikap24.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое детонационный реактивный двигатель

ПУЛЬСИРУЮЩИЙ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЙ ДЕТОНАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2012 года по МПК F02K7/04

Изобретение относится к технике, преимущественно военной, а именно к двигателям летательных аппаратов, и может быть использовано, вероятнее всего, в качестве двигателя небольших беспилотных летательных аппаратов, таких как зенитные, авиационные и тактические ракеты, беспилотные разведчики, летающие мишени и т.п., а также в качестве сбрасываемых дополнительных двигателей.

Известен пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (далее ПуВРД) немецкой крылатой ракеты времен Второй мировой войны Фау-1 (см. Г.Б.Синярев, М.В.Добровольский. Жидкостные ракетные двигатели. — Оборонгиз, 1957, с.19, 20). Он представляет собой открытый с обоих торцов канал круглого поперечного сечения, включающий последовательно расположенные входной диффузор, клапанную решетку, камеру сгорания и выходное устройство, состоящее из конфузора и выхлопной трубы, а также систему топливоподачи и систему зажигания с электрозапалом, установленным в камере сгорания. В общем случае входное и выходное устройства двигателя могут иметь форму, отличную от прототипа, поэтому в дальнейшем будем называть их принятыми терминами воздухозаборник и сопло.

Клапанная решетка представляет собой конструкцию из несущих элементов — поперечных стержней, подвижных элементов — плоских упругих пластин постоянной толщины, прикрепленных к боковым граням стержней попарно параллельно друг другу на расстоянии, равном толщине стержня, и опорных проставок, размещенных посредине между парами пластин параллельно им. В каждой паре между пластинами имеется глухой зазор, обращенный назад. Пластины и проставки образуют продольные каналы для прохода воздуха.

Набегающий на двигатель поток проходит через воздухозаборник и клапанную решетку в камеру сгорания. Туда же подается легкоиспаряющееся топливо, после чего топливовоздушная смесь воспламеняется искрой электрозапала. Быстро расширяющиеся во все стороны продукты сгорания, попадая в глухой зазор между пластинами, тормозятся, в результате чего давление там возрастает. Это вызывает изгиб пластин в стороны до контакта с опорными проставками или боковыми стенками. Воздушные каналы клапанной решетки оказываются перекрытыми. Продукты сгорания истекают через сопло в атмосферу, а их давление на закрытую клапанную решетку создает импульс тяги двигателя.

После падения давления пластины клапанной решетки под действием своей упругости, а также разрежения, создаваемого в камере инерцией истекающих газов, возвращаются в исходное положение. В камеру поступает очередная порция воздуха и цикл повторяется.

Клапанная решетка служит основным, но не единственным элементом узла, создающего тягу пульсирующего двигателя и включающего также боковые стенки, детали крепления и др. Кроме того, функцию создания тяги в таком двигателе могут выполнять и другие устройства. Поэтому в дальнейшем будем пользоваться общим термином «тяговый узел» (как часть двигателя) и конкретным — клапанная решетка тягового узла.

Достоинствами ПуВРД с механическими клапанными решетками являются простота и дешевизна, небольшой вес, надежность. Их недостаток — плохие тяговые характеристики, а именно низкая удельная и лобовая тяга, высокий удельный расход топлива, импульсный характер тяги, но главное — низкий ресурс клапанов.

Также известны конструкции ПуВРД, использующие аэродинамические клапаны, «Нестационарное распространение пламени», под ред. Дж.Г.Маркштейна, М., МИР, 1968, с.401-407. Кроме того, ПуВРД, в которых осуществлена замена механических клапанов на аэродинамические, описаны в патентах США №2796735, 1957; №2796734, 1957; №2746529, 1956; №2822037, 1958; №2812635, 1957; №3093962, 1963.

К недостаткам таких ПуВРД следует отнести низкую амплитуду пульсаций давления и, соответственно, низкий термодинамический КПД (коэффициент полезного действия).

Повысить удельную и лобовую тягу и снизить удельный расход топлива можно путем увеличения амплитуды пульсаций давления, которое достигается путем увеличения скорости сгорания топливовоздушной смеси в камере сгорания ПуВРД, при переходе к детонационному горению, осуществленному за счет воспламенения топливовоздушной смеси горящими высокотемпературными струями. Увеличение же амплитуды пульсаций приводит к росту термодинамического КПД и соответственно, к снижению удельного расхода топлива.

Техническим результатом изобретения является повышение термодинамического КПД путем увеличения амплитуды пульсаций давления.

Читать еще:  Что такое форсировка двигателя мотоцикла

Поставленная техническая задача решается за счет интенсификации процесса массопереноса в камере сгорания, приводящего к росту скорости квазидетонационного горения и соответствующих изменений конструкции ПуВРД и его тягового узла. При этом, под «квазидетонационном» горением подразумевается горение с повышенными скоростями продвижения фронта пламени, составляющими в случае ПуВРД 60-100 м/с. Организация такого режима горения происходит за счет интенсивного массопереноса в камере сгорания. Скорость фронта пламени пропорциональна скорости массопереноса.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном ПуВРД, содержащем, в частности, цилиндрическую камеру сгорания, резонаторную трубу, впускную трубу и форсунки, камера сгорания в головной части разделена на два объема трубчатым или пластинчатым пакетом, при этом первый по ходу течения объем в головной части имеет топливную форсунку и соединен с впускной трубой и форкамерой, установленной напротив форсунки, а второй объем камеры сгорания по ходу течения за трубчатым или пластинчатым элементом снабжен свечами зажигания, установленными за топливными форсунками, и имеет стенки, выполненные с кольцевыми гофрами, и далее соединен с резонаторной трубой.

Сравнение научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках МКИ показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности «новизна».

Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенное устройство имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование их в заявленной совокупности признаков дает возможность получить новый технический результат, следовательно, предложенное техническое решение имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.

Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».

Другие особенности и преимущества заявляемого изобретения станут понятны из следующего детального описания, приведенного исключительно в форме неограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие предпочтительный вариант реализации, на котором показана схема предлагаемого пульсирующего воздушно-реактивного детонационного двигателя (ПуВРДД).

На фиг.1 представлена схема заявляемого ПуВРДД;

на фиг.2 показан увеличенный фрагмент головной части ПуВРДД по фиг.1 с изображением форкамеры и впускной трубы;

на фиг.3 показано поперечное сечение А-А трубчатого пакета, а на фиг.4 — пластинчатого пакета.

Позициями на фиг.1-4 показаны:

1 — второй объем камеры сгорания,

2 — запальные свечи зажигания,

3 — топливные форсунки, установленные во втором объеме камеры сгорания,

4 — кольцевые гофры,

5 — резонаторная труба,

6 — трубчатый или пластинчатый пакет,

7 — первый объем камеры сгорания,

8 — топливная форсунка, установленная в первом объеме камеры сгорания,

9 — передняя торцевая стенка,

10 — впускная труба,

11 — чашки аэродинамического клапана,

12 — внутренние кольцевые полости (буферные полости),

14 — соединительный канал.

ПуВРДД, представленный на фиг.1-4, содержит камеру сгорания, выполненную из двух объемов. Второй объем 1 камеры сгорания содержит запальные свечи зажигания 2 и топливные форсунки 3. Боковые стенки второго объема 1 за запальными свечами зажигания 2 выполнены с кольцевыми гофрами 4, переходящими в резонаторную трубу 5. Второй объем 1 камеры сгорания отделен от первого объема 7 камеры сгорания трубчатым или пластинчатым (плоскощелевым) пакетом 6. Внутри первого объема 7 камеры сгорания, на ее наружной стенке, установлена топливная форсунка 8, а на передней торцевой стенке 9 закреплена впускная труба 10 с аэродинамическим клапаном из набора профилированных чашек 11 с внутренними кольцевыми полостями (буферными полостями) 12. Также на торцевой стенке 9, напротив топливной форсунки 8, выполнена форкамера 13, соединяющаяся с первым объемом 7 камеры сгорания соединительным каналом 14.

Рабочий цикл ПуВРДД осуществляется следующим образом.

Набегающий воздушный поток через впускную трубу 10 поступает в первый объем 7 камеры сгорания и далее, проходя сквозь трубчатый или пластинчатый пакет 6, попадает во второй объем 1 камеры сгорания. При подаче топлива через топливные форсунки 3 и 8 в обоих объемах 1 и 7 камеры сгорания образуется топливовоздушная смесь. Подача искры на запальные свечи зажигания 2 приводит к вспышке топливовоздушной смеси во втором объеме 1 камеры сгорания. При этом фронт пламени распространяется и вниз и вверх по потоку. При движении вверх пламя проходит через трубчатый или пластинчатый пакет 6 и воспламеняет топливовоздушную смесь в первом объеме 7 камеры сгорания. Вспышка топливовоздушной смеси в первом объеме 7 камеры сгорания приводит к выбросу продуктов сгорания, воздуха и топлива сквозь щели или трубчатые каналы пакета 6 внутрь второго объема 1 камеры сгорания, где в данный момент происходит процесс дефлаграционного горения. Это ускоряет процесс горения во втором объеме 1 камеры сгорания и далее при движении фронта пламени вдоль кольцевых гофр 4, выполняющих роль «Спирали Щепкина», происходит дальнейшее ускорение горения и переход к детонации.

Читать еще:  Возможные неисправности двигателя камаза 740

Детонационный взрыв приводит к выбросу продуктов сгорания через резонаторную трубу 5 и впускную трубу 10. При этом происходит заполнение форкамеры 13 смесью воздуха, топлива и высокотемпературных продуктов сгорания. Для уменьшения выброса через впускную трубу 10 она традиционно может быть выполнена с аэродинамическим клапаном в виде набора чашек 11 с внутренними кольцевыми (буферными) полостями 12.

По мере падения давления в первом объеме 7 камеры сгорания начинается ее продувка воздухом из впускной трубы 10 и одновременно выброс высокотемпературных продуктов из форкамеры 13 на топливную форсунку 8, что приводит к интенсификации испарения топлива. Последующее поступление воздуха во второй объем 1 камеры сгорания, куда подается топливо через форсунки 3, приводит к созданию благоприятных условий для воспламенения от запальной свечи зажигания 2. Таким образом, новое воспламенение топлива от запальных свечей зажигания 2 приводит к повторению рабочего цикла.

Описанный рабочий цикл реализует на практике недавно обнаруженный механизм ускорения перехода процесса горения в детонацию при прохождении через трубчатый или пластинчатый пакет 6. Этот механизм описан в книге «Импульсные детонационные двигатели», под редакцией С.М.Фролова, ст. Т.Фудживара «Исследования импульсных детонационных двигателей в Японии», Торус Пресс, М., 2006, с.502. Он позволял в 10 (десять) раз сократить преддетанационное расстояние.

В заявляемой конструкции ПуВРДД применение подобного механизма интенсификации горения позволило получить скорости циклически следующих детонационных фронтов со скоростями до 1500 м/с.

Разумеется, изобретение не ограничивается описанным примером его осуществления, показанным на прилагаемой фигуре. Остаются возможными изменения различных элементов либо замена их технически эквивалентными, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения.

Основные причины детонации

Среди различных причин возникновения детонации специалисты отмечают неправильно выставленный угол опережения зажигания на бензиновых двигателях (угол опережения впрыска топлива на дизельных ДВС), сбои в процессе смесеобразования, снижение эффективности работы системы охлаждения, а также целый ряд других возможных причин.

Детонацию двигателя принято условно разделять на допустимую и критическую. Под допустимой детонацией следует понимать кратковременное (иногда малозаметное) явление. Критическая детонация может проявляться постоянно, только при увеличении нагрузок на мотор, на холостом ходу, а также во время работы ДВС в различных режимах.

В списке основных причин появления детонации отмечены:

  • нарушения условий эксплуатации мотора;
  • использование бензина с отличным от рекомендуемого октановым числом;
  • особенности конструкции силового агрегата;

Эксплуатация двигателя

Детонацию можно услышать на полностью исправном моторе во время эксплуатации агрегата под нагрузкой. Смесь в цилиндрах обычно детонирует на затяжном подъеме при движении с такой скоростью, которая не соответствует выбранной передаче.

Другими словами, детонация двигателя отчетливо заметна в том случае, когда водитель пытается заехать на подъем с низкой скоростью без переключения на пониженную передачу и давит на газ. Обороты коленвала в этот момент низкие, двигатель «не тянет», то есть не набирает мощность и не разгоняет автомобиль. К общему звуку работы мотора в этом случае добавляется звонкий металлический детонационный стук, похожий на стук поршневых пальцев. Такой звук становится результатом ударов взрывной волны, которая с высокой частотой бьет по стенкам камеры сгорания.

Читать еще:  Шаговый двигатель лабораторная работа

Также необходимо отметить, что склонность к детонации топливно-воздушной смеси напрямую зависит от исправной работы систем зажигания и охлаждения. Смесь может детонировать в цилиндрах при наличии следующих факторов:

  • раннее зажигание;
  • перегрев двигателя;
  • обильный нагар в камере сгорания;
  • сильная закоксовка двигателя, в результате чего увеличилась степень сжатия;

Скопление нагара в камере сгорания приводит к уменьшению объема самой камеры и повышению степени сжатия. Вторым по значимости фактором, влияющим на детонацию, является значительное повышение температуры в камере сгорания при наличии отложений. В отдельных случаях нагар может буквально тлеть, заставляя смесь в цилиндрах воспламеняться неконтролируемо. Получается, детонация при определенных условиях провоцирует появление калильного зажигания, которое также является аномальным самопроизвольным воспламенением смеси.

Дополнительно необходимо учесть тот факт, что детонация двигателя может возникнуть в результате установки свечей зажигания с неподходящим для данного типа двигателя калильным числом. Отдельно на детонацию может повлиять внесение различных изменений в топливную аппаратуру, а также «чиповка» ЭБУ и другие манипуляции, влияющие на смесеобразование в целях экономии топлива. Условно называемая тюнерами «экономичная прошивка» означает, что в блок управления двигателем вносится ряд корректив, затрагивающих топливные карты. Результатом становится обедненная смесь на разных режимах работы ДВС, снижаются динамические характеристики автомобиля.

Во время работы ЭБУ двигателя на заводских настройках смесь рассчитана на «мягкое» воспламенение, благодаря чему температура внутри камеры сгорания остается в заданных рамках. При серьезных нагрузках в двигателе после прошивки зачастую возникает детонация на слишком «бедной» смеси. Обедненная смесь приводит к перегреву деталей. Указанный перегрев при последующем впрыске топлива может вызвать самопроизвольное воспламенение топливного заряда.

Октановое число бензина

Одной из наиболее распространенных причин детонации двигателя является использование бензина с низким октановым числом, которое не рекомендовано для данного типа ДВС. Добавим, что указанный параметр не так важен для дизельного двигателя, так как основной характеристикой дизтоплива выступает цетановое число.

Дело в том, что солярка изначально более устойчива к детонации. В дизеле воспламенение происходит в результате сжатия и нагрева от такого сжатия топливной смеси. По этой причине дизельные двигатели конструктивно имеют более высокую степень сжатия.

Получается, заправка 92-м бензином автомобиля, двигатель которого имеет высокую степень сжатия и допускается использование горючего с октановым числом только 95 и выше, приведет к появлению детонации во время работы мотора под нагрузкой.

Необходимо отдельно учитывать, что детонация может проявляться даже в случае заправки топливом с необходимым октановым числом. В этой ситуации дело может быть в низком качестве горючего, так как на АЗС часто используют различные способы для искусственного повышения октанового числа. Среди таковых особо отмечают добавку в бензин жидкого газа (пропан, метан). Указанные газы являются летучими, то есть испаряются через небольшой промежуток времени. В итоге топливный бак быстро оказывается заполненным бензином с низким октановым числом, хотя изначально заправляемое топливо соответствовало рекомендуемому для данного типа ДВС.

Особенности конструкции ДВС

Детонация может возникать в двигателе благодаря целому ряду конструктивных особенностей силового агрегата. В списке основных решений отдельно выделяются:

  • степень сжатия конкретного ДВС;
  • форма самой камеры сгорания и днища поршня;
  • особенности размещения свечей зажигания;
  • турбонаддув;

Высокофорсированные бензиновые атмо и турбодвигатели имеют более высокую степень сжатия сравнительно со штатными атмосферными аналогами, вследствие чего демонстрируют повышенную предрасположенность к детонации. Такие ДВС предполагают эксплуатацию исключительно на качественном бензине с высоким октановым числом.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector