Двигун з імпульсною детонацією, працюючий на повітряно-паливній суміші

1. Двигун (1) з імпульсною детонацією і запалюванням, що контролюється, працюючий на легкозаймистій повітряно-паливній суміші, який містить: - камеру (2) згоряння, закриту на одному зі своїх кінців ударною стінкою (3), і - щонайменше дві переддетонаційні трубки (4, 5), які забезпечені низькоенергетичними засобами (10) запалювання і сполучаються з камерою (2) згоряння одним зі своїх кінців (4I, 5I), відкритим в камеру (2) згоряння і повернутим до ударної стінки (3), при цьому розташування переддетонаційних трубок (4, 5) таке, що хвилі, що проходять через них, відбиваються ударною стінкою (3) в камеру (2) згоряння, причому: - в переддетонаційних трубках (4, 5) полум'я приводиться в стан поширення, близький до умов теплового блокування, не прагнучи досягнути режиму детонації; і C2 2 (19) 1 3 93627 4 низькоенергетичних засобів запалювання, наприТаким чином, довжина, яку повинна мати пеклад на зразок свічки запалювання двигуна внутреддетонаційна трубка, може бути зменшена до рішнього згоряння. величини, що становить 20-30 її діаметрів d1. У відомому двигуні з імпульсною детонацією У всіх випадках «міра блокування» визначатакого типу встановлена щонайменше одна пеється як співвідношення між поперечним переріреддетонаційна трубка діаметра, меншого, ніж у зом проходу, обмеженим перешкодою, і поперечкамери згоряння вказаного двигуна, причому пеним перерізом проходу вказаної переддереддетонаційна трубка виходить в камеру згорянтонаційної трубки. ня і забезпечена низькоенергетичними засобами Експериментально доведено, що найбільш запалювання, розташованими на одному кінці пепереважна міра блокування становить від 0,45 до реддетонаційної трубки. 0,5 при рознесенні, відповідному одному діаметру. Коли легкозаймиста повітряно-паливна суміш, Незважаючи на те, що, як правило, вважаєтьяка міститься в переддетонаційній трубці, запалюся, що ударна хвиля детонації є плоскою і займає ється за допомогою низькоенергетичних засобів весь поперечний переріз переддетонаційної трубзапалювання, в цій трубці створює режим ламінаки, фактично формуються декілька ударних хвиль, рного факела під дією дуже малої швидкості пощо розповсюджуються подовжньо і поперечно, при ширення, порядку від декількох см/с до декількох цьому поперечні хвилі періодично стикаються. мм/с. Детонаційна хвиля, таким чином, має трьохміПо мірі поширення такого полум'я через перну структуру, ця структура дуже сильно залежить реддетонаційну трубку, спочатку спостерігається від динаміки розкладання легкозаймистої суміші, і, прискорення, пов'язане з розширенням продуктів отже, від характеристичного часу хімічної реакції. згоряння (що мають меншу густину, ніж свіжі гази) Точки, розташовані на кожному перерізі між під дією «поршневого» ефекту, який змушує фронт головною детонаційною хвилею і поперечними полум'я дестабілізуватися, складатися (під дією хвилями, називаються «потрійними точками», в'язкості і граничних шарів на стінках), таким чишлях цих потрійних точок визначає періодичну ном, полум'я стає турбулентним; площа його поструктуру, відому як «детонаційна клітка», довживерхні зростає так само, як і швидкість вивільненна L і ширина  (приблизно становить від 0,6 до ня енергії, все це додатково сприяє збільшенню 0,7 L) якої взаємозв'язані з характеристичним чайого прискорення. сом, що обмежує хімічні реакції в легкозаймистій Швидкість полум'я, таким чином, переходить суміші, тобто, по суті, згодом її виникнення. від декількох см/с до декількох сотень м/с і досягає Для того щоб автономна і рівномірна детонарежиму, відомого як режим «теплового блокуванція розповсюджувалася по переддетонаційній труня». Полум'я потім розповсюджується з швидкістю, бці, необхідно, щоб діаметр цієї трубки був більблизькою до швидкості звуку, відносно відпрацьошим, ніж ширина  детонаційної клітини. ваних газів, а саме, порядку від 800 м/с до 900 м/с Детонація, відома як «гранична» детонація, може для повітряно-паливного середовища. розповсюджуватися вздовж трубок менших розміЦе дуже швидко приводить до сильних хвиль рів, але ці явища відносно нестабільні і вимагають тиску в свіжих газах, що становлять порядку декіособливих умов. лькох Бар. Ширина клітки  повітряно-паливних сумішей Режим поширення, такий як цей, відносно не(для густини близько стехіометричної густини) стабільний і може перерости в режим детонації. становить порядку від 50 мм до 60 мм (при помітНа відміну від попереднього прискорення, цей пеному виключенні метану, який має розмір клітини рехід є раптовим (що називається «вибух всеребільше 280 мм, і певних газоподібних алкінів і алдині вибуху»), хвиля тиску стає ударною хвилею, і кенів, таких як етилен і ацетилен), і це, таким чишвидкість полум'я переходить від 800-900 м/с до ном, накладає мінімальну умову на діаметр d1 1800-2000 м/с. переддетонаційної трубки, призначений для підтЗагалом це явище відоме як «перехід від швиримання поширення детонаційної хвилі. дкого горіння до детонації», і на досвіді доведено, Якщо детонація змогла сформуватися у вкащо у випадку плоскої трубки, відстань, необхідна заній переддетонаційній трубці - що передбачає, для спостереження цього явища, становить пощо вказаний діаметр d1 її більше, ніж ширина  рядку від декількох метрів до декількох десятків детонаційної клітки - ця детонація потім повинна метрів, в залежності від використовуваних сумібути передана у вказану камеру згоряння, діаметр шей. якої d2 набагато більший вказаного діаметра d1. Для того щоб знизити цю відстань (і час), неВиявилося, що якість передачі залежить від обхідну для одержання переходу від швидкого критичного значення Кс співвідношення між вказагоріння до детонації, необхідно прискорити переним діаметром d1 переддетонаційної трубки і шихід від ламінарного полум'я до турбулентного пориною  детонаційної клітини. Дослідження, здійслум'я, і потім досягнути режиму теплового блокунені спочатку Митрофановим і Солоухіним в 1960вання як можна більш швидко, і, зрештою, му році, а потім розширені Моеном і Кністаутасом здійснити «вибух всередині вибуху». в 1980-му році, показали, що це критичне значення Для здійснення цього однією з широко викориКс дорівнює 13. Таким чином, виявилося, що це стовуваних технологій є технологія, що полягає в критичне значення зв'язане з регулярністю комірзастосуванні спіралі (відомої як «спіраль Щьолкічастої структури і може змінюватися від 13 до 24, в на») або перешкод в формі круглих деталей, рівзалежності від сумішей і їх розбавлення. номірно рознесеної для того, щоб штучно збільшиТаким чином: ти турбулентність в переддетонаційній трубці. 5 93627 6 розміри переддетонаційних трубок, втілених у ви- якщо d1 > Кс,  існує невелика кількість роз'наході, набагато менші розмірів переддетонаційєднання між ударною хвилею і полум'ям, оскільки них трубок, що використовуються в попередньому вона заломлюється між переддетонаційною трубрівні техніки. Більш того двигун відповідно до дакою і камерою згоряння, але комірчаста структура ного винаходу, обладнаний щонайменше двома хвилі зберігається. Детонація передається в непереддетонаційними трубками, набагато більш змінному вигляді в камеру згоряння діаметра d2; надійний в експлуатації, ніж двигун з однією пе- якщо d1 = Кс. , існує роз'єднання між ударреддетонаційною трубкою. ною хвилею і полум'ям; однак, при певних умовах, Для того щоб зменшити розмір двигуна з імпудетонація може повторно запалати; льсною детонацією відповідно до даного винахо- зрештою, якщо d1 < Кс. , полум'я від'єднано ду, переддетонаційні трубки, переважно, розташовід ударної хвилі, і остання не має достатньої амвуються по боках відносно вказаної камери плітуди для того, щоб повторно запалити суміш. згоряння, щонайменше приблизно вздовж останУдар слабшає і стає акустичною хвилею. Детонаньої, це додатково полегшує подачу у вказані пеція руйнується, оскільки вона розсіюється між переддетонаційні трубки повітря і палива. реддетонаційною трубкою і камерою згоряння. У переважному втіленні даного винаходу, двиТаким чином, можна бачити, що в двигунах з гун з імпульсною детонацією містить дві переддеімпульсною детонацією вищевказаного типу протонаційні трубки в бічних положеннях, які діаметблема полягає в ініціації детонації в переддетонарально протилежні відносно вказаної камери ційній трубці, і потім в змушенні цієї детонації роззгоряння. повсюджуватися до камери згоряння двигуна, що Переважно, кожна переддетонаційна трубка приводить до істотних розмірних обмежень, відновідкрита на кінці, протилежному кінцю, зверненому сно діаметра і довжини переддетонаційної трубки, до ударної стінки, і низькоенергетичні засоби заці розмірні обмеження роблять цю трубку дуже палювання розташовані в проміжній точці між цигроміздкою. ми двома кінцями, наприклад в середній частині Все це приводить до істотних проблем з необвказаної трубки. Внаслідок такого розташування, хідним простором, особливо оскільки, у відомих вплив градієнтів тиску за ведучою хвилею обмедвигунах з імпульсною детонацією, вказана пежений, і прискорення полум'я в переддетонаційній реддетонаційна трубка встановлюється зовні катрубці посилюється. Додатково, вказані переддемери згоряння, на її осьовому продовженні для тонаційні трубки, таким чином, сприяють тязі двитого, щоб входити в камеру по центру. Така геомегуна. трія, звичайно ж, громіздка, і, більше того викликає Переважно, для одержання надійного і рівнотруднощі в подачі у вказану переддетонаційну мірного запалення, вказані низькоенергетичні затрубку повітря і палива. соби запалювання містять, для кожної переддетоЗадачею даного винаходу є подолання цих наційної трубки, дві діаметрально протилежні недоліків. свічки запалювання. З цією метою, відповідно до винаходу, двигун Звичайно, в двигуні з імпульсною детонацією з імпульсною детонацією і запалюванням, що конвідповідно до винаходу, встановлюються послідотролюється, працюючий на повітряно-паливній вні внутрішні перешкоди, що визначають міру блосуміші, містить: кування. Відповідно до однієї з ознак даного вина- камеру згоряння, закриту на одному з своїх ходу внутрішні перешкоди розташовані таким кінців ударною стінкою, і чином, щоб міри блокування меншали симетрично - щонайменше дві переддетонаційні трубки, від низькоенергетичних засобів запалювання до забезпечені низькоенергетичними засобами запакожного з кінців вказаної переддетонаційної трублювання, що сполучаються з камерою згоряння ки. Розрахунки і експерименти показали, що переодним з своїх кінців, відкритим в камеру згоряння і важним є наступне: повернутим до ударної стінки, при цьому розташу- з кожного боку від засобів запалювання в зовання переддетонаційних трубок таке, що хвилі, нах, розташованих поруч з ними, міра блокування що проходять через них, відбиваються ударною повинна бути високою, порядку 0,58 або більше; стінкою в камері згоряння, що характеризується - в зонах, розташованих поруч з кожним з кінтим, що: ців переддетонаційних трубок, міра блокування - в переддетонаційних трубках полум'я привоповинна бути низькою, порядку 0,25; і диться в стан поширення, близький до умов теп- між зонами, розташованими поруч з засобалового блокування, не прагнучи досягнути режиму ми запалювання, і зонами, розташованими поруч з детонації; і вказаними кінцями, міра блокування повинна бути - детонація легкозаймистої суміші, яка міссередньою, порядку 0,44. титься в камері згоряння, ініціюється в точці камеФігури прикладених креслень полегшать розури згоряння, в якій тиск і температура підіймаютьміння того, як винахід може бути втілений на пракся до дуже високих значень за допомогою ударних тиці. На цих фігурах, ідентичні посилання означахвиль, що утворюються в переддетонаційних трують подібні елементи. бках, які потім відбиваються і фокусуються ударФігура 1 зображає схематичний вигляд в осьоною стінкою у вказаній точці. вому розрізі одного втілення двигуна з імпульсною Таким чином, відповідно до даного винаходу, детонацією відповідно до даного винаходу. суть полягає не в одержанні детонації в детонаФігура 2 зображає схематичний розріз по лінії ційних трубках, а просто в одержанні швидкого ІІ-ІІ з фігури 1. горіння. Це допомагає уникнути вищезгаданих нестач, зв'язаних з розмірами, при цьому загальні 7 93627 8 Фігура 3 ілюструє роботу двигуна з імпульсною щуються до ударної стінки 3, відбиваються і фокудетонацією відповідно до даного винаходу, за досуються за допомогою останньої в точці 19 вказапомогою часткового зображення з фігури 1. ної камери 2 згоряння, проходячи через отвори 6 і Фігура 4 зображає схематичний подовжній ро8. Таким чином, тиск і температура в точці 19 пізріз переддетонаційної трубки для двигуна з імпудіймаються до дуже високих значень, такі тиск і льсною детонацією відповідно до винаходу. температура можуть ініціювати детонацію в повітДвигун 1 з імпульсною детонацією відповідно ряно-паливній суміші, що знаходиться в камері 2 до даного винаходу, показаний схематично на фізгоряння. гурах 1 і 2, містить камеру 2 згоряння, закриту на Як показано на фігурі 4, кожний з засобів 10, одному з своїх кінців ударною стінкою 3 і відкриту 11 запалювання може переважно стримати дві на кінці, протилежному цій стінці. Двигун 1 додатсвічки 20, 21 запалювання, які діаметрально проково містить дві переддетонаційні трубки 4 і 5, ротилежні відносно відповідної переддетонаційної зташовані по боках відносно камери 2 згоряння, в трубки 4, 5. положеннях, діаметрально протилежних відносно Фігура 4 більш схематично ілюструє внутрішні цієї камери. Таким чином, кожна переддетонаційна перешкоди 22, розташовані в переддетонаційних трубка 4, 5 розташована вздовж камери 2 згорянтрубках 4 і 5, для регулювання міри блокування ня. BR вздовж цих трубок. Кінець 4l переддетонаційної трубки 4, поверПерешкоди 22, розташовані по кожний бік від нутий до ударної стінки 3, виходить в камеру 2 засобів 10, 11 запалювання в зонах 23, мають дозгоряння через отвір 6, в той час як кінець 4Е вкасить високу міру блокування (щонайменше 0,58). заної трубки 4, протилежний ударній стінці 3, відкЦе зроблено для того, щоб сформувати струмінь ритий в формі отвору 7. гарячих газів і, таким чином, одержати ламінарноПодібним чином, кінець 5l переддетонаційної турбулентний перехід якнайшвидше. Великі міри трубки 5, повернутий до ударної стінки 3, виходить блокування (до 0,72) будуть посилювати цей в камеру 2 згоряння через отвір 8, в той час як ефект, але за рахунок швидкості витіснення газів, кінець 5Е вказаної трубки 5, протилежний ударній що відпрацювали. Оскільки ця зона є зоною, в якій стінці 3, відкритий в формі отвору 9. весь пристрій зазнає запалення, необхідно забезПереддетонаційні трубки 4 і 5 забезпечені нипечити те, що як можна менша кількість відпразькоенергетичними засобами 10 або 11 запалюцьованих газів залишиться в ній. вання, відповідно. Засоби 10 і 11 запалювання Наступні перешкоди 22, розташовані в промірозташовані в проміжній точці в трубках 4 і 5, віджних зонах 24, мають дещо меншу середню міру повідно, переважно в їх середній частині. блокування (наприклад 0,44), це значення вважаСистема 12 подачі палива і система 13 подачі ється близьким до оптимального. Ряд перешкод повітря можуть живити камеру 2 згоряння і детонеобхідний для того, щоб полум'я могло прискоринаційні трубки 4 і 5. тися від швидкості в декілька десятків м/с до декіПристрій керування 14 циклічно приводить в лькох сотень м/с. дію засоби 10 і 11 запалювання і подавальні сисРяд перешкод 22, розташованих в зонах 25 кітеми 12 і 13. нців 4l, 4Е; 5l, 5Е має ще меншу міру блокування Для кожної іскри, що створюється засобами 10 (наприклад 0,25), оскільки в цій зоні полум'я вже і 11 запалювання в переддетонаційних трубках 4 і має велику швидкість, що означає, що дуже вели5, заповнених повітряно-паливною сумішшю, ка міра блокування спричинить сповільнення. остання є місцем швидкого горіння, полум'я і тепФокусування хвиль від переддетонаційних лова хвиля якого переміщується з швидкістю звутрубок 4, 5 і їх подальше відображення від ударної ку, в обох напрямах, в переддетонаційних трубках стінки 3 і від стінок забезпечує формування гаря4 і 5. Відповідні ударні хвилі, символічно позначені чої точки 19 і ініціацію детонації в камері 2 до того, стрілками 15 і 16 на фігурі 3, які проходять у наяк хвилі розширення, що повертаються, утворені прямі до отворів 7 і 9, відповідно, сприяють тязі на відкритому кінці кожної трубки запалювання, двигуна 1. Відповідні ударні хвилі, символічно позвплинуть негативним чином на це явище ініціації. начені стрілками 17 і 18 на фігурі 3 і, які перемі 9 93627 10 11 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 93627 Підписне 12 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601