Способ зажигания горючей смеси в камере сгорания и система для его осуществления

 

Изобретение относится к тепловым двигателям (машинам), работающим на жидких, газообразных, смесевых, твердых и др. горючих компонентах топлива, использующих в качестве источника зажигания в камерах сгорания тепловую энергию лазерного луча. Сущность изобретения: в способе зажигания горючей смеси в камере сгорания теплового двигателя формирование импульса энергетического воздействия на горючую смесь осуществляют путем регулировки по мощности и времени в соответствии с эмпирическим выражением: N = C₁·t²·exp(-C₂·N ·t/m·RT) где N - мощность энергетического воздействия, Вт; C₁ - коэффициент, эмпирические значения которого должны находиться в пределах 5·10⁹ - 1,25·10¹⁰, Вт/c; t - время, с; C₂ - безразмерный коэффициент, эмпирические значения которого должны находиться в пределах 6·10⁷ - 8·10⁷; N₀ - минимальная энергия зажигания горючей смеси, Вт; m - мгновенная масса горючей смеси, кг; R - газовая постоянная, Дж/кгК; T - температура, К.

В системе для реализации способа энергетический источник, с заданной формой импульса, выполнен в виде автономного блока с электронным формой импульса, выполнен в виде автономного блока с электронным устройством формированием импульса и связан оптически с камерой сгорания, в камере сгорания выполнено герметичное окно из оптически прозрачного материала (технического алмаза) с теплопpоводностью λ ≅ 20 Вт/см К и коэффициентом линейного расширения α ≥ 10^-4 1/K и α ≅ 10^-6 1/K. 2 с.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к тепловым двигателям (машинам), работающим на жидких, газообразных, смесевых, твердых и других горючих компонентах топлива, использующих в качестве источника зажигания в камерах сгорания (КС) генерацию тепловой энергии от химических, электрических, акустических и др. источников.

В связи с интенсивным развитием авиационного, ракетно-космического, автомобильного двигателестроения и других видов силовых и энергетических установок, особенно с многоразовым их включением, приобретает повышенную актуальность вопросы увеличения надежности зажигания (воспламенения) топливной смеси в КС, регулирования времени генерирования и подачи к источнику зажигания теплового импульса, его дозировки, сокращения массы, стоимости и энергопотребления системы зажигания.

Известны следующие способы зажигания [1]
пиротехнический с помощью пиропатрона, горящего в течение нескольких секунд с температурой ≈ 2000^oC, воспламенение которого осуществляется подачей электропитания на нить накаливания;
химический, когда для зажигания используются самовоспламеняющиеся компоненты топлива;
электроискровой способ зажигания с помощью электрической свечи, воспламеняющей топливо при подаче электроэнергии от внешнего источники зажигания;
акустический и др.

Пиротехнический способ зажигания применяется в основном в двигателях одноразового включения.

Химический способ зажигания применяется в двигателях многоразового включения и, как правило, используемые компоненты (пусковое топливо) для воспламенения основного (рабочего) топлива токсичны и пажаровзрывоопасны, как например, фтористые или кислотные компоненты.

В качестве прототипа выбраны электроискровой (электрический) способ и система зажигания, широко используемые в двигателях внутреннего сгорания [2]
Способ зажигания компонентов топлива в КС теплового двигателя, выбранный за прототип, заключается в подготовке горючей смеси по составу, задании ей термодинамических параметров, отвечающих минимуму энергетического воздействия зажигания на формировании импульса энергетического воздействия на горючую смесь для обеспечения зажигания.

Подготовка и подача горючей смеси в КС или форкамеру двигателя по составу осуществляется, исходя из отношения весовых расходов компонентов топлива Кg G₀/G_r, т.е. отношения расходов окислителя к горючему, что обеспечивает их полное сгорания, при этом термодинамические параметры ее должны отвечать эксплуатационным характеристикам топлива. Под термодинамическими параметрами горючей смеси понимается давление подачи на входе в двигатель, температура компонентов, расходы и др.

Эти параметры обеспечиваются гидравлической настройкой системы подачи топлива, экспериментально подтверждаются и отвечают минимуму энергетического воздействия для его зажигания.

Для прототипа зажигание обеспечивается подачей электрического импульса, номинальное напряжение которого 12 В (от аккумулятора или генератора), с промежуточным повышением напряжения (например в бобине зажигания), с дозированием энергетического импульса через распределитель и прерыватель зажигания, подаваемым на свечу зажигания в КС двигателя.

При этом форма энергетического импульса зажигания прототипа представляет собой трапецию (фиг. 1), у которой контролируется (обеспечивается настройкой) только величина мощности энергетического воздействия и не контролируются режимы подъема и спада мощности.

У прототипа форма профиля мощности импульса энергетического воздействия для "углеводородного горючего + кислород воздуха" ("УГВ + O₂") может быть представлена математической формулой:
N C·N₀·(t₂ t₁)/t,
где N мощность энергетического воздействия, Вт;
C > 1 безразмерный коэффициент регулирования энергии зажигания, обеспечивающий заданный режим зажигания не требующий контроля и принимаемый максимально возможным для широкого диапазона атмосферных и температурных условий;
N₀ минимальная энергия зажигания горючей смеси, Вт;
t₁ заданное время начала импульса, с;
t₂ заданное время окончания импульса, с;
t текущее время, с.

Данные параметры задаются при термодинамических расчетах двигательной установки, исходя из тяговой характеристики конкретного двигателя или силовой установки.

Система зажигания горючей смеси в камере сгорания теплового двигателя, выбранная за прототип, содержащая энергетический источник импульса зажигания
аккумулятора при запуске, наземный или бортовой генератор при работе, устройство дозирования и распределения, преобразователь энергии и проводник энергетического импульса, например, прерывателя (бобины зажигания, электропровода и электрические свечи).

Рассмотренный способ и система зажигания (прототип), имеют ряд существенных недостатков.

Недостатки способа:
стабильность зажигания, число включений ограничены и зависят от атмосферных условий, т.е. температуры, влажности и давлении;
ограничена точность дозировки импульса зажигания при уменьшении его продолжительности из-за переменной влажности атмосферы;
невозможно регулирование мощности источника зажигания в процессе его работы;
повышенный расход энергии на зажигание при нормальных атмосферных условиях (давление, температура и влажность).

Недостатки системы:
трущиеся места распределителя зажигания подвергаются интенсивному износу;
частый выход из строя катушек зажигания (сгорание обомоток), электроцепей и конденсаторов;
зависимость от внешних условий (помехи электростатические и радиоприему);
из конструктивных недостатков системы следует отметить некомпактность, многозвенность и, как следствие, ненадежность и недолговечность.

Техническим результатом изобретения является устранение перечисленных выше недостатков, т. е. повышение надежности зажигания горючей смеси в КС, долговечность и улучшение эксплуатационных характеристик системы зажигания.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе зажигания горючей смеси в КС теплового двигателя, заключающемся в подготовке горючей смеси по составу, задании ей термодинамических параметров, отвечающих минимуму энергетического воздействия зажигания на горючую смесь, дозировании и выдерживании временного интервала, формировании импульса энергетического воздействия на горючую смесь, в отличие от прототипа, формирование импульса энергетического воздействия на горючую смесь осуществляют путем регулировки по мощности и времени в соответствии с эмпирическим выражением:
N C₁·t²·exp(- C₂· N₀·t/m·RT)
где N мощность энергетического воздействия, Вт;
C₁ эмпирический коэффициент, равный 5·10⁹ - 1,15·10¹⁰ Вт/c²;
t текущее время, с;
C₂ безразмерный эмпирический коэффициент, равный 6·10⁷ 8·10⁷;
N₀ минимальная энергия зажигания горючей смеси в КС, Вт;
m мгновенная масса горючей смеси в КС, кг;
R газовая постоянная смеси до ее зажигания, Дж/кг К;
T температура, К.

Технический результат может быть достигнут тем, что в системе для реализации способа зажигания горючей смеси в КС теплового двигателя, содержащей энергетический источник импульса зажигания с устройством дозирования и распределения импульса энергетического воздействия, в отличии от прототипа, источник зажигания с заданной формой импульса выполнен в виде автономного блока с электронным устройством формирования импульса и связан оптически с КС, в КС выполнено герметичное окно из оптически прозрачного материала с теплопроводностью λ ≅ 20 Вт/см К и коэффициентом линейного расширения α ≥ 10^-4 1/K и α ≅ 10^-8 1/K.

Необходимость регулирования заданного выше энергетического импульса зажигания возникает, например, при полете летательного аппарата (ЛА) и изменении его массы в процессе выработке топлива, требующего сохранение допустимых перегрузок для его конструкции.

Это достигается дросселированием или формированием тяги двигателя по командам системы управления (СУ) и, соответственно, с необходимостью регулировании мощности импульса зажигания.

Наиболее близко по своей природе в формировании импульса энергетического воздействия на горючую смесь может отвечать лазерное излучение, которое легко поддается регулировке, дозировке и распределению с использованием электронных устройств и микроЭВМ, что дает в итоге выигрыш в суммарной массе системы зажигания, а также быстродействии исполнения команд и надежности их выполнения.

Наиболее близким по теплофизическим параметрам и свойствам материалом, обеспечивающим приведенные выше требования, является технический алмаз.

Применение алмаза объясняется тем, что процесс зажигания топлива в КС происходит при резком подъеме давления в КС и быстром росте температуры в центре оптического окна. Особенно это характерно при многоразовой системы зажигания.

Низкие значения коэффициентов теплопроводности λ ≅ 20 Вт/см К и линейного расширения α ≥ 10^-4 и α ≅ 10^-8 1/K у алмаза обеспечивают сохранение герметичности при таких условиях эксплуатации, т.е. исключается возможность появление зазоров и негерметичностей в местах стыка сопрягаемых элементов конструкции различных по своей природе материалов при наличии высоких температурных напряжений.

Использование какого-либо другого материала по результатам экспериментальных испытаний не обеспечивало сохранение герметичности, прозрачности, термостойкости в процессе работы двигателя. При проведении отработки предложенной системы зажигания с целью снижения стоимости эксперимента применялось окно, выполненное из кварца, теплофизические свойства которого наиболее близким к алмазу, но кварц уступает эксплуатационным характеристикам алмаза по надежности и долговечности.

Зависимость мощности энергетического воздействия лазерного луча по времени показана на графиках фиг. 2 при С₂ const и фиг. 3 при С₁ 1,25·10¹⁰, 1·10¹⁰, 5·10⁹ и C₂ 6·10⁷, 7·10⁷, 8·10⁷, эмпирически проверенных для пары компонентов "УГВ + O₂".

Так при увеличении значения коэффициента С₁ увеличивается пик энергетического импульса и его крутизна (фиг. 2), а при увеличении коэффициента С₂ (фиг. 3) пик энергетического уровня не только уменьшается, но и одновременно растягивается по времени.

Так, в принципе, может происходить регулирование мощности импульса зажигания по времени по командам СУ по заданному алгоритму работы при изменении тяги двигателя (или скорости) в процессе полета ЛА.

Варьируя значениями эмпирических коэффициентов в заданных пределах (см. табл. ), можно обеспечить зажигание при пороговом энергетическом уровне для любой пары компонентов топлива, поскольку минимальные энергии зажигания наиболее распространенных топливных пар отличаются незначительно.

Система, реализующая предлагаемый способ, приведена на фиг. 4. Система состоит из автономного энергетического источника 1, с электронным устройством формирования импульса, с проводником энергетического импульса, представляющего собой волновод в виде полого штуцера 2, окна с алмазом 5 для ввода в КС 3 лазерного излучения, с зажимной гайкой для фиксации алмаза и герметизации волновода.

Формирование с регулированием импульса энергетического воздействия осуществляется автономным источником зажигания с электронным устройством (блоком), выполняющим функции преобразователя, усилителя, дозатора, регулятора и распределителя зажигания.

Примером исполнения такого электронного устройства может быть электронный логический блок (с преобразователем, усилителем, с обработкой сигналов, выдачей команд управления и др.), используемый в бортовой системе пожаровзрывопредупреждения (СПВП) изделия "Энергия" [3]
Для обеспечения контроля зажигания по факту воспламенения топлива или наличию давления в КС предусматривается штуцер 6.

Функционирование предложенного способа и системы зажигания с использованием лазерного луча осуществляется следующим образом. Энергетический источник 1 формирует (генерирует, регулирует, дозирует и распределяет для случая многокамерного двигателя) энергетический импульс в виде лазерного излучения, которое вводится в КС 3 через волновод 2, окно с алмазом 5 и производит зажигание топлива.

Наличие воспламенения топлива в КС двигателя от лазерного луча проверяется контрольным устройством 7, которое может быть использовано для организации обратной связи с источником зажигания и повторной подачи лазерного импульса.

В качестве контрольного устройства 7, например, для КС ракетных двигателей могут применяться датчики пламени, находящиеся в эксплуатации в бортовой СПВП [3] которые контролируют наличие возгораний в отсеках и дают сигнал в СУ для выдачи команд на средства пожаротушения.

Кроме датчиков пламени контроль процесса воспламенения и горения топлива может осуществляться косвенно по наличию давления в КС с помощью традиционных датчиков давления.

Источники информации
1. Г.Б.Синярев и др. Жидкостные ракетные двигатели. Оборонгиз, 1965.

2. В.А.Вершигора и др. Автомобили "Жигули". М. Транспорт, 1992.

3. 11К25.0000 О ПЗ8, Эскизный проект, НПО "Энергия", 1989.

Формула изобретения

1. Способ зажигания горючей смеси в камере сгорания теплового двигателя, заключающийся в подготовке горючей смеси по составу, задании ей термодинамических параметров, отвечающих минимуму энергетического воздействия зажигания на горючую смесь, дозировании и выдерживании временного интервала, формировании импульса энергетического воздействия на горючую смесь, отличающийся тем, что формирование импульса энергетического воздействия на горючую смесь осуществляют путем регулировки по мощности и времени в соответствии с эмпирическим выражением:
N=C₁ · t² · exp(-C₂ · N₀ · t/m · RT),
где N мощность энергетического воздействия, Вт;
C₁ коэффициент, эмпирические значения которого должны находиться в пределах 5 · 10^{9 o}C 1,25 · 10¹⁰ Вт/см²;
t время, с;
C₂ безразмерный коэффициент, эмпирические значения которого должны находиться в пределах 6 · 10⁷ 8 · 10⁷;
N₀ минимальная энергия зажигания горючей смеси, Вт;
m мгновенная масса горючей смеси, кг;
R газовая постоянная смеси до ее зажигания, Дж/кгК;
T температура, К.

2. Система зажигания горючей смеси в камере сгорания теплового двигателя, содержащая энергетический источник импульса зажигания с устройством дозирования и распределения импульса энергетического воздействия, отличающаяся тем, что источник зажигания с заданной формой импульса выполнен в виде автономного блока с электронным устройством формирования импульса и связан оптически с камерой сгорания, в камере сгорания выполнено герметичное окно из оптически прозрачного материала с теплопроводностью λ ≅ 20Вт/см K и коэффициентом линейного расширения λ ≥ 10^-41/K и α ≅ 10^-81/K.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5