Способ детонационной работы и детонационный двигатель внутреннего сгорания Российский патент 2023 года по МПК F02B19/02 F02D15/04 

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению, конкретно к способам работы поршневых многотопливных двигателей внутреннего сгорания с принудительным воспламенением топливовоздушной смеси.

Экспериментами установлено, что при степени сжатия в 8,5, когда давление рабочей смеси достигает 18-20 атмосфер, при использовании 92 бензина детонационно сгорает от 3 до 5 % паров топлива - предельно приемлемы показатель, а при достижении давления сжатия 34 атмосфер (степень сжатия 22-23), то рабочая смесь с парами 92 будет на 100% в режиме детонации - объемного взрыва.

Соколик А.С. Сгорание в транспортных поршневых двигателях. Изд.АН СССР 1951 г., стр. 37. (1)

Детонационная стойкость или октановое число марок бензина и соответствующая им степень сжатия (далее СС) определены и используются при конструировании д.в.с.

Октановое число Степень сжатия АИ 76 8,0-8,5 АИ 80 8,5-9,0 АИ 92 10-10,5

Октановое число и степень сжатия. AUTU-BLOGGTR/RU YOTOUBE (2)

Сжатая рабочая топливовоздушная смесь может сгорать в двух режимах отличающихся интенсивностью горения и скоростью этого процесса:

А) нормальное горение - со скоростью 20-30 м/сек.

Б) взрывное (детонационное) сгорание со скоростью около 2000 м/сек.

При этом температура газов горения резко повышается до 3500-4000 град. Цельсия.

«….Если бы удалось использовать могучую энергию и высокий кпд детонационного режима горения топлива то появился бы двигатель внутреннего сгорания, который бы значительно превысил нынешний уровень кпд современных поршневых двигателей, удельная мощность (отношение веса двигателя к его мощности) современных лидеров этого показателя - газовые турбины с их 6 кВт на 1 кг веса.

Возможен ли детонационный двигатель? И. Исаев (3)

Известны двигатели внутреннего сгорания с золотниковым (бесклапанным) газораспределением, которое осуществляется постоянно вращающимися цилиндрическими, коническими или дисковыми золотниками.

А.С. Орлин «ДВС. Конструирование и расчеты на прочность поршневых двигателей. М., Машиностроение, 1984 г., стр. 284 -287. (4)

К основным недостаткам золотникового газораспределения следует отнести расходы на обеспечение высокой точности изготовления, проблемы с охлаждением и смазкой и низкая степень герметичности цилиндрических и конических золотников, а также неработоспособность в режиме детонационного воспламенения топливовоздушной смеси.

Известны:

1. Двигатель внутреннего сгорания по Патенту РФ № 2159857 с регулируемыми:

степенью сжатия перемещением головки; фазами газораспределения перемещением относительно друг друга профилированных окон впуска вставленных в друг друга золотника, втулки и цилиндра и с винтовым нагнетателем воздуха на торце золотника вращающегося вокруг цилиндра.

ДВС с золотниковым газораспределительным механизмом. Патент РФ №2159857, 2000 г., Миронов А.А. (5)

2. Двигатель внутреннего сгорания по АС СССР 1590571 с установленными в отверстиях головки впускным и выпускным вращающимися цилиндрическими золотникам с впускным и выпускным радиальными окнами и имеющий каждый нагнетающий и отсасывающий винтовые лопасти.

ДВС с золотниковым газораспределительным механизмом. Патент РФ № 2159857, 1988 г., Миронов А.А. (6)

Технической проблемой известных двигателей является невозможность работы в режиме детонационного воспламенения топливовоздушной смеси т.к. основной целью их конструкций является противодействие к возникновению детонационного воспламенения в многотопливных двигателях.

Наиболее близкими техническими решениями являются двигатели внутреннего сгорания с регулируемой степенью сжатия и фазами газораспределения с автоматическим обеспечением их к октановому или цетановому числу топлива и оборотам двигателя с индивидуальной головкой цилиндра и кинематически связанной с механизмом управления его вращением, с системами питания со смесителем топлив и зажигания:

1. С воспламенением топливовоздушной смеси от сжатия с центральной клапан -форсункой с гидроприводом в головке цилиндра.

А.С. СССР 1268766 Миронов А.А. ДВС с регулируемой степенью сжатия. 1986 г. (7)

2. С принудительным воспламенением топливовоздушной смеси с центральной клапан - свечой зажигания с гидроприводом в головке цилиндра.

АС СССР 1416722 Миронов А.А. ДВС с регулируемой степенью сжатия. 1988 г. (8)

Технической проблемой приведенных известных двигателей является невозможность работы в режиме детонационного воспламенения топливовоздушной смеси т.к. основной целью их конструкций является противодействие к возникновению детонационного воспламенения в многотопливных двигателях.

Цель - повышение мощности, экономичности, надежности и экологической чистоты.

1. Способ заключается в том, что при достижении в камере сгорания 1,0 - 1,5 МПа после впрыска топлива с создание бедной топливовоздушной смеси, от полости камеры сгорания отделяют две детонационные камеры , осуществляют принудительное искровое воспламенение в камере сгорания при достижении в камере сгорания давления 2,0 МПа, осуществляют детонационное воспламенение в первой детонационной камере после 25 град. оборота вала двигателя от ВМТ при поступления в ее полость газов из камеры сгорания с давлением 5,0 МПа и с температурой выше 1000 град. Цельсия , а во второй детонационной камере детонационное воспламенение осуществляют после 50 град. оборота вала двигателя от ВМТ при поступлении в ее полость газов из камеры сгорания с давлением 5,0 МПа и с температурой выше 1000 град Цельсия.

2. Двигатель снабжен втулкой головки цилиндра, детонационной системой, состоящей из плоского детонационного диска с осевым отверстием и с двумя диаметральными внутренними детонационными камерами имеющими впускные и детонационные отверстия причем детонационный диск установлен на втулке и кинематически связан с механизмом его вращения, а на торце головки цилиндра размещены впускной клапан, совмещенный со свечей зажигания и два диаметральных детонационных отверстия.

3. Двигатель снабжен выпускным коллектором и выпускным цилиндрическим золотником с профилированными выпускными щелями, кинематически связанным с механизмом его вращения, причем выпускной коллектор охватывает выпускной цилиндрический золотник, а в середине цилиндра выполнены выпускные радиальные щели.

4. Втулка головки цилиндра разделяет полость системы надува ограниченную корпусом на две не сообщающиеся полости - нагнетательную ограниченную втулкой головки, и полость (охлаждения детонационного диска.

5. Система регулирования фазы впуска, степени сжатия и многотопливности, выполнена с возможностью управления гидроприводом впускного клапана совмещенного со свечей зажигания.

Предлагаемое изобретение работает следующим образом.

Цилиндро-поршневая группа состоит из кривошипно-шатунного механизма 1, цилиндра 2 с радиальными выпускными щелями 3, поршня 4, головки цилиндра 5 с осевым впускным клапан - свечей зажигания 6 связанной с гидроприводом 7 и системой зажигания*, впускной полостью 9, двумя 10 отверстиями, размещенными диаметрально оси на одной окружности вокруг клапан - свечи 6 и цилиндрической полой втулкой 11 с размещенной осевой клапан - свечей 6.

Детонационная система состоит плоского детонационного диска 12 с диаметральными внутренними детонационными камерами 13 и 14, каждая с впускными 15 и детонационными 16 отверстиями и осевым отверстием, установленным на втулку 11 головки 5.

Система наддува состоит из цилиндрического корпуса 17 вставленного на диск 12 с внутренней 19 винтовой лопастью и торцевой шестерней 20 кинематически связанной с механизмом 21 управления его вращения.

Камера сгорания 22 ограничена поверхностью днища головки 5, цилиндра 2 и поршня 4.

Втулка 11 с радиальными отверстиями 18 головки цилиндра 5 разделяет полость системы наддува ограниченного корпусом 17 на две не сообщающиеся полости нагнетательную 23 и охлаждения 24 диска 12.

Имеется выпускной коллектор 25 охватывающий выпускной цилиндрический золотник 26 с радиальными выпускными щелями 27 и кинематически с механизмом 28 его поворотов вокруг цилиндра 2.

Система внешнего смесеобразования 29 через коллектор 30 сообщается с полостью впуска головки 5.

Графическая часть предполагаемого изобретения представлена на чертежах.

На фиг.1 показана принципиальная схема предполагаемого изобретения;

На фиг. 2 показано сечение А-А;

На фиг.3 - сечение В-В;

На фиг.4 - сечение С-С;

На фиг.5 - сечение Д-Д;

На фиг.6 показаны индикаторные диаграммы дизельного прототипа и предполагаемого изобретения.

Предлагаемое изобретение работает следующим образом.

Соотношение хода поршня и диаметра поршня Хп/Дп не менее 1,3. Двухтактный цикл совершается за один оборот детонационного диска 12 равного обороту двигателя.

Многотопливность. При смене топлива с маркой от А66 до АИ 95 изменение геометрической степени сжатия/СС от 1,5 МПа для А66 и 2,3 МПа для АИ 95 т.е. расчетное расстояние хода поршня 4 с момента конца впуска регулируется концом фазы впуска клапан - свечей 6 управляемого гидроприводом 7, при котором бедная топливовоздушная не может самовоспламенится детонационно

Фаза выпуска. Выхлопных газов с регулируемыми угловыми параметрами начала и конца фазы, т.е. продолжительности выпускным золотником 26 с механизмом управления 28 поворота вокруг цилиндра 2 с радиальными выпускными щелями 27.

Фаза продувки. Регулируемая золотником 26.

Фаза впуска. Регулируется в зависимости от требуемой для определенной марки бензина достижения давления в камере сгорания 22 1,5 МПа для А 66 и 2,3 МПа для АИ 95.

Фаза сжатия. При дальнейшем вращении диска 12 при достижении СС обеспечивающего давление в камере сгорания 22 для А66 МПа 1,1 и для АИ 95 1,5 МПа совмещаются полости детонационных отверстий 19 головки 6 и впускных отверстий 15 детонационных камер 13 и 14 детонационного диска 12 и топливовоздушная смесь наполняет камеры 13 и 14.

Система внешнего смесеобразования 29 обеспечивает бедную топливовоздушную смесь с коэффициентом избытка воздуха не менее К ив не менее 1,5, которая через коллектор 30 и полость 10 головки и 5 при открытом клапан - свече 6 поступает в камеру сгорания 22.

При дальнейшем вращении диска 12 камеры 13 и 14 отделяются от камеры сгорания 22.

Рабочий ход.

1. ПЕРВОЕ детонационное воспламенение производится принудительно при достижении поршнем ВМТ, с упреждением, клапан - свечей 6 управляемой системой зажигания и достигнутое для марки А66 давление 1,8 МПа и для АИ95 2,3 МПа гарантируют 100% детонационное сгорание бедной топливовоздушной смеси в камере сгорания 22 с достижением макс. давления Р макс. не более 10 МПа.

2. ВТОРОЕ детонационное воспламенение производится в детонационной камере 13 диска 12 с разницей от ВМТ в 25 град. при совмещении отверстия детонационного отверстия 10 голвки 5 с отверстием 15 камеры 13, в результате которого в меру 13 поступают горячие до 1000 град. Цельсия под давлением н менее 5,0 МПа газы из камер сгорания 22 инициирующие детонационное воспламенение бедной топливовоздушной смеси к детонационной камере диска 12. Детонационная струя из камеры 13 проходит в камеру сгорания 22 и давление поднимается не выше 100 МПа.

3. ТРЕТЬЕ детонационное воспламенение производится в детонационной камере 14 диска 12 с разницей в 25 град от детонационного воспламенения в камере 13 и в 50 град. от ВМТ от детонационного воспламенения в камере сгорания 22 при совмещении отверстия детонационного отверстия 10 головки 5 с отверстием 15 камеры 14, в результате которого в меру 14 поступают горячие до 1000 град. Цельсия под давлением н менее 5,0 МПа газы из камер сгорания 22 инициирующие детонационное воспламенение бедной топливовоздушной смеси к детонационной камере диска 12. Детонационная струя из камеры 14 проходит в камеру сгорания 22 и давление поднимается не выше 10 МПа.

Детонационное сгорание бедной топливовоздушной смеси и объем топлива уменьшенный при его образовании обеспечивает не превышение макс. Давления свыше 10,0 МПа обеспечивающее надежность работы двигателя.

Давление свыше 5,0 МПа воздействует на поршень в течении 60 град. перемещения поршня 9 от ВМТ т.е. оборота двигателя что не менее чем в 3 раза больше чем в обычном дизельном двухтактном двигателе с Р макс не превышающим 5,0 МПа.

Воздух винтовой лопастью 19 нагнетается в полость 24 и через радиальное отверстие цилиндрической втулки 11 головки 5 в полость 23 с клапан - свечой 6 через впускную полость 9 при открытом клапане - свече 6 поступает в камеру сгорания 22.

Дальнейшие после 60 град оборота от ВМТ и до НМТ термодинамические процессы в рабочем ходе аналогичны термодинамическим процессам поршневых двигателей внутреннего сгорания с воспламенением топливовоздушной смеси от сжатия с наддувом.

Предлагаемое изобретение обеспечивает:

1. Не менее чем 3-кратное увеличение мощности т.к. в камере сгорания предполагаемы способ детонационной работы и поршневой д.в.с. ее реализующий обеспечивают давление газов не ниже 5,0 МПа в течение не менее 55 град. оборота двигателя по сравнению с обычным д.в.с м воспламенением от сжатия, у которых давление свыше 5,0 МПа держится не более 15 град. оборота.

2. Надежность обеспечивается за счет создания бедной топливовоздушной смеси с К ив не менее 1,5 что ограничивает Р макс не более 10,0 МПа что соответствует расчетному Р макс соответствующему коэфф. Запаса прочности.

3. Не менее чем трехкратное снижение топлива т.к. при равном расходе топлива детонационное сгорание обеспечивает не менее чем трехкратное повышение мощности.

Преимущества подтверждаются термодинамическими расчетами дизельного ПРОТОТИПА и предполагаемого изобретения при СС= 21 Хп = 75 мм и Дп = 50 мм.

«Тепловой и динамический расчет ДВС» БГТУ, МО Республики Беларусь (9)

Таблица 1 Расчетные индикаторные показатели. №№ ПАРАМЕТРЫ ПРОТОТИП
№ 2159857 Предполагаемое
изобретение 1 Диаметр поршня, Дп, в мм 50 50 2 Ход поршня, Хп, в мм 75 75 3 Хп/Дп 1,5 1,5 4 Степень сжатия/СС 20 20 5 Топливо ДТ А72 - АИ92 6 Макс. индикаторное давление Pimax, МПа 6,0 9,0 7 Мощность индикаторная, Ni, в кВт 10 30 8 Удельный расход топлива, грамм/кВт 180 гр/кВт 60 гр/кВт 9 Продолжительность воздействия Р свыше 5 МПа в град об. 15 60

4. Повышение экологической чистоты выхлопных газов т.к. бедная топливовоздушная смесь с детонационным воспламенением и горением происходит при температуре свыше 2000 град. Цельсия, что гарантированно способствует, при избытке воздуха, т. Е. кислорода, полное окисление составляющих бензин углеводородных соединений.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Способ работы детонационного двигателя внутреннего сгорания осуществляется принудительным детонационным воспламенением при степени сжатия и давлении в камере сгорания, превышающими допустимое давление без детонационного горения. При достижении в камере (2) сгорания давления 1,0 – 1,5 МПА после впрыска топлива с созданием бедной топливовоздушной смеси, от полости камеры (2) сгорания отделяют две детонационные камеры (13), (14). Осуществляют принудительное искровое воспламенение в камере сгорания (2) при достижении давления в камере сгорания 2,0 Мпа. В первой детонационной камере (13) осуществляют детонационное самовоспламенение после 25 град. оборота вала двигателя от ВМТ при поступлении в ее полость газов из камеры (2) сгорания с давлением 5,0 Мпа и с температурой выше 1000 град. Цельсия. Во второй детонационной камере (14) детонационное самовоспламенение осуществляют после 50 град оборота вала двигателя от ВМТ при поступлении в ее полость газов из камеры сгорания (2) с давлением 5,0 Мпа и с температурой выше 1000 град. Цельсия. Раскрыт двигатель внутреннего сгорания для реализации способа. Технический результат заключается в повышении мощности, экономичности и надежности. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

1. Способ работы детонационного двигателя внутреннего сгорания, осуществляемого принудительным воспламенением при степени сжатия и давления в камере сгорания, превышающих допустимое давление без детонационного горения, отличающийся тем, что при достижении в камере сгорания 1,0-1,5 МПа после впрыска топлива с созданием бедной топливовоздушной смеси, от полости камеры сгорания отделяют две детонационные камеры, осуществляют принудительное искровое воспламенение в камере сгорания при достижении в камере сгорания давления 2,0 МПа, осуществляют детонационное воспламенение в первой детонационной камере после 25 град. оборота вала двигателя от ВМТ при поступления в ее полость газов из камеры сгорания с давлением 5,0 МПа и с температурой выше 1000 град. Цельсия, а во второй детонационной камере детонационное воспламенение осуществляют после 50 град, оборота вала двигателя от ВМТ при поступлении в ее полость газов из камеры сгорания с давлением 5,0 МПа и с температурой выше 1000 град Цельсия.

2. Двигатель внутреннего сгорания для реализации способа по п. 1 с регулируемой степенью сжатия и с продувкой, содержащий цилиндр, головку цилиндра, механизм вращения, впускной клапан, совмещенный со свечей зажигании и установленный в головке системой регулирования фазы впуска, степени сжатия и многотопливности, отличающийся тем, что снабжен втулкой головки цилиндра, детонационной системой, состоящей из плоского детонационного диска с осевым отверстием и с двумя диаметральными внутренними детонационными камерами, имеющими впускные и детонационные отверстия, причем детонационный диск установлен на втулке и кинематически связан с механизмом его вращения, а на торце головки цилиндра размещены впускной клапан, совмещенный со свечей зажигания и два диаметральных детонационных отверстия.

3. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что снабжен выпускным коллектором и выпускным цилиндрическим золотником с профилированными выпускными щелями, кинематически связанным с механизмом его вращения, причем выпускной коллектор охватывает выпускной цилиндрический золотник, а в середине цилиндра выполнены выпускные радиальные щели.

4. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что втулка головки цилиндра разделяет полость системы надува, ограниченную корпусом на две не сообщающиеся полости – нагнетательную, ограниченную втулкой головки, и полость (24) охлаждения детонационного диска.

5. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что система регулирования фазы впуска, степени сжатия и многотопливности выполнена с возможностью управления гидроприводом впускного клапана, совмещенного со свечей зажигания.