Роторный детонационный двигатель внутреннего сгорания
Изобретение относится к роторным двигателям сгорания с разделенным циклом. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит входную и рабочую секции, в которых находятся вращающиеся роторы с рабочими лопатками, разделенные средней стенкой, которая выполнена в виде секции, в которой расположена камера с детонационным сгоранием, запирающаяся на время полного сгорания топливовоздушной смеси тремя клапанами. Один клапан предназначен для впуска топливовоздушной смеси из входной секции в камеру сгорания, второй клапан – для выпуска рабочего тела в рабочую секцию, а третий клапан – для стравливания газов с остаточным давлением из камеры сгорания в атмосферу перед впуском в камеру сгорания очередной порции топливовоздушной смеси. Камера сгорания выполнена из материала, выдерживающего сверхвысокие механические и температурные нагрузки, возникающие при детонационном сгорании. Для обеспечения такого процесса сгорания камера не имеет сопряженных вращающихся элементов, требующих смазки. Охлаждение двигателя осуществляется впрыском необходимого количества воды в рабочую секцию с получением при этом дополнительного давления водяного пара. 2 ил.
Область техники: Изобретение относится к сфере двигателестроения, а именно к области роторных двигателей внутреннего сгорания.
Уровень техники: В настоящее время наиболее широко в качестве стационарных энергоустановок и силовых приводов транспортных средств используются поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), газотурбинные двигатели (ГТД) и паровые турбины. Классические поршневые ДВС двухтактного и четырехтактного цикла известны с 60-х и 70-х годов XIX века (С. Балдин, «Двигатели внутреннего горения», Прага, Имка-пресс, 1923 г). Подвижный цилиндрический поршень совершает линейные возвратно-поступательные движения внутри неподвижного цилиндра. Поршень соединен шатуном с коленчатым валом. При горении предварительно сжатой смеси паров топлива и воздуха в герметично замкнутом пространстве между поршнем и цилиндром за счет повышения давления горячих газов осуществляется одновременное с процессом горения линейное рабочее движение поршня, которое кривошипно-шатунным механизмом превращается во вращательное движение коленвала. Поршневые двигатели с объемным расширением рабочей камеры (в которых на сегодняшний момент степень сжатия равна степени расширения) характеризуются недостаточно высокими начальными параметрами давления и температуры рабочих газов в процессе сгорания сильно сжатой рабочей смеси. Чем сильнее сжимается 1 ВС, тем быстрее и лучше она сгорает. Но сжимать ТВС удается только до определенного предела, после которого появляется взрывоподобное сгорание ТВС, называемое детонацией. При детонации возникают огромные механические нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма и цилиндрово-поршневой группы, приводящие к их механическому разрушению. Плюс к этому получается в 2 раза большая температура рабочих газов, от которой сгорает смазка с трущихся поверхностей деталей, происходит их оплавление, заклинивание или прогар. Ясно, что детонационное сгорание если и возможно, то только в каком-то отдельном, замкнутом до определенного момента объеме, прочность и термостойкость которого позволяет выдержать такие нагрузки и отсутствуют подвижные детали, требующие смазки. Однозначно, поршневой ДВС не может претендовать на определение «эффективный двигатель» по конструктивным признакам. Но он не в состоянии претендовать на это и по показателю параметров рабочего тела как в результате сгорания ТВС, так и на выходе из двигателя, потому что во всех существующих ныне конструкциях двигателей внутреннего сгорания на выхлоп идут газы при температуре от 800 до 1100 С°. По этой причине тепловой баланс современного поршневого двигателя внутреннего сгорания в среднем варианте конструктивного исполнения получается таким: 30% - тепло, переводимое в полезную работу; 30% - тепло, отводимое во вне через систему охлаждения; 40% - тепло, отводимое во вне с выпуском отработавших газов горения. Т.е. средний термодинамический КПД современных двигателей внутреннего сгорания не превышает 30-35%. И если варианты по снижению температуры выходящих газов периодически появляются, то вариантов по увеличению начального давления рабочего тела нет - мешает детонация.
«При детонационном сгорании сжатой и перегретой ТВС происходят сложные процессы во время которых образуются разные виды чередующегося пламени». (С. Соколик, Сгорание в транспортных поршневых двигателях. Изд. АН СССР, 1951 г, стр 37). Скорость распространения пламени увеличивается с 20-40 до 2000 м/сек при температуре до 4000 гр. С.
Известно, что при высокой (порядка 2000 гр С) температуре можно успешно сжигать даже очень бедную ТВС, даже при сравнительно небольшом ее сжатии и топливе невысокого качества. «Детонационное горение дает заметно больше энергии тепла и давления рабочих газов, чем обычное медленное горение», www.rotor-motor.ru. «Детонация-двигатель».
По законам термодинамики, тепловой двигатель, чтобы иметь высокий термодинамический КПД, должен наиболее эффективно использовать энергию горения топлива, чтобы получить как можно более высокие начальные параметры рабочего тела (давление и температуру) и низкие конечные такие параметры на выходе из ДВС.
Таким образом получается, что при проектировании теплового двигателя мы должны стремиться к получению в нем мгновенного, взрывного сгорания ТВС для получения наиболее высоких начальных параметров рабочего тела.
Но как, конструктивно, поставить детонацию на службу эффективности ДВС?
Из сказанного выше вытекает ответ. Нужно сжигать ТВС в высокотемпературной, высокопрочной, не имеющей подвижных трущихся частей (не нуждающихся в смазке) и запирающейся на время горения, камере сгорания. Вариант конструктивного решения этой важнейшей инженерной задачи предлагается впервые.
Ближайшим аналогом, по конструктивным особенностям, предлагаемого в качестве изобретения Роторного Детонационного Двигателя Внутреннего Сгорания, является роторный двигатель Уайдла. Совпадающими существенными признаками между заявляемым изобретением и рассматриваемым ближайшим аналогом, является наличие в их конструкции двух секций с лопаточными роторами, закрепленными на одном общем валу, одна из которых служит только для всасывания, сжатия и подачи ТВС в КС, а другая секция превращает энергию рабочего тела во вращательное движение рабочего вала.
Отличительными существенными признаками является то, что в двигателе Уайдла КС представляет собой канал в стенке между секциями, ограниченный ближайшими лопатками секций, а в заявляемом Роторном Детонационном Двигателе Внутреннего Сгорания стенка между секциями выполнена в виде еще одной неподвижной секции, в которой выполняется прочная, выдерживающая механические и температурные нагрузки взрывного сгорания ТВС, со стенками или покрытием этих стенок, материалом, выдерживающим длительно температуру до 4000 гр С, камера сгорания, которая соединена каналами с боковыми секциями, а каналы имеют возможность перекрываться клапанами впуска и выпуска по принципу действия лепестковых, т.е. под действием разности давлений (или управляемых). Кроме них в КС должен быть еще один управляемый клапан, который служит для стравливания избыточного давления рабочего тела из КС в атмосферу непосредственно перед впуском свежей порции ТВС в КС.
Такая отдельная, прочная, высокотемпературная КС необходима, по теории теплового двигателя, для получения максимально высоких начальных параметров рабочего тела (давления и температуры газов горения), что ведет к КПД, стремящемуся к максимальному значению из-за максимально высокого значения давления рабочего тела. Такая КС приводит к получению не только существенно увеличенного давления рабочего тела, к чему мы стремимся в первую очередь, но при этом получаем и сверхвысокую температуру рабочего тела, которая будет помехой для длительной и безаварийной работы ДВС.
Для безаварийной работы двигателя из-за высокой температуры, а также для получения еще большего КПД, в таком Роторном Детонационном Двигателе Внутреннего Сгорания есть возможность и необходимость применения охлаждения уже полностью сгоревшей рабочей смеси в КС и сильно перегретого рабочего тела, впрыском воды в рабочую секцию перед выстрелом очередной порции рабочего тела по принципу, описанному в Патенте на изобретение RU 2491431 «Способ работы роторного двигателя внутреннего сгорания».
Таким образом, применяя в Роторном Детонационном Двигателе Внутреннего Сгорания детонационную КС, охлаждение водой рабочего тела и поверхностей деталей рабочей секции с целью перевода внутренней энергии рабочего тела в потенциальную энергию давления водяного пара, при температуре парогазовой среды на выходе из двигателя стремящейся к температуре окружающей среды, реально получить КПД, стремящийся к 100%.
Сущность изобретения.
Задачей изобретения, которая реализована в этой конструкции, является создание высокоэффективной конструкции роторного двигателя внутреннего сгорания, с КПД более 50%, в котором появляется возможность просто, с минимальными затратами и с предельно малым усложнением конструкции, встроить в технологический цикл двигателя отдельную, детонационную, высокотемпературную, запираемую на время горения ТВС камеру сгорания, повышая начальные параметры рабочего тела для более эффективной работы теплового ДВС.
Особенность изобретения - именно возможность изготовления и встраивания в конструкцию роторного двигателя отдельной, запираемой, высокотемпературной КС любых размеров и формы, из любого, доступного для этих параметров рабочего тела, материала или материала покрытия стенок для полного и эффективного сжигания поступающего топлива.
Техническим результатом применения такого инженерного решения является максимальное упрощение конструкции всего ДВС, технологии изготовления КС, в которой возможно эффективное сжигание очень бедной ТВС с получением максимально высоких параметров рабочего тела и КПД Роторного Детонационного Двигателя Внутреннего Сгорания, повышения удельной мощности, экономичности и экологичности ДВС. При этом, впервые в рабочий цикл ДВС удается включить процесс детонационного сжигания ТВС, который всегда в истории двигателестроения был бичом ДВС, его бедой, от которой старались избавиться всеми способами. Предлагаемое техническое решение позволит извлечь в разы большую энергию из скрытой в топливе энергии химических связей, сведет к нулю выброс несгоревших вредных веществ.
Таким образом, конструкция Роторного Детонационного Двигателя Внутреннего Сгорания, состоящего из трех секций, в промежуточной секции которого располагается камера сгорания, запираемая на время горения ТВС клапанами, изготовленная из материала, выдерживающего механические нагрузки и высокую температуру, возникающие при детонационном сгорании ТВС, позволяет получить значительное увеличение начальных параметров рабочего тела (давления рабочих газов).
Для достижения еще большего эффекта работы теплового двигателя и для безаварийной работы ДВС необходимо и возможно применить охлаждение рабочей секции изнутри впрыскиванием необходимого количества воды, скажем, на одну из лопаток рабочей секции для получения паровой фазы рабочего цикла и внутреннего охлаждения рабочей секции двигателя (паровая фаза), тогда как на другую лопатку будут воздействовать газы горения. Т.е. на один оборот рабочего вала такого ДВС будет 1 такт в 180 градусов от воздействия сгоревшего топлива и 1 такт 180 градусов паровой фазы от испарения воды от горячих стенок рабочей секции.
Есть возможность использовать в этом ДВС другой вариант подачи воды в рабочую секцию описанный в изобретения RU 2491431 «Способ работы роторного двигателя внутреннего сгорания», т.е. подача воды в рабочую секцию до момента входа в нее очередной порции раскаленного рабочего тела под большим давлением из КС, но уже под каждую из двух лопаток рабочей секции или 2 раза за 1 оборот рабочего вала.
В. СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Реализация, заявленного изобретением, конструкции Роторного Детонационного Двигателя Внутреннего Сгорания, возможна к осуществлению через применение известных и новых материалов и технологий их обработки для возможности изготовления КС, в которой возможно использовать детонационное сгорание ТВС.
Принцип работы и сама работа крайних секций этого Д ВС известна в механике достаточно давно и успешно применяется в пневмомашинах, например пневматический инструмент, компрессоры.
Реализация практического исполнения предлагаемой встраиваемой в конструкцию роторного двигателя КС, возможна на условиях применения известных на сегодняшний день технологиях и современных материалов, например керамики.
На прилагаемых к данному разделу патентной заявки чертежах представлены продольный разрез (Фиг. 1) и три сечения двигателя (Фиг. 2) по трем его секциям (входной, камеры сгорания и рабочей) с элементами: рабочим валом (элемент 1), насаженными на него роторами входной (элемент 2) и рабочей (элемент 12) секций, с установленными в роторах лопатками, соответственно, входной (элемент 14) и рабочей (элемент 11) секций. Корпуса секций входной (элемент 15), рабочей (элемент 13) и КС (элемент 16) разделены между собой стенками (элемент 3 и 9). В корпусе камеры сгорания выполнена непосредственно сама КС (элемент 5), которая имеет 3 клапана: впускной (элемент 4), выпускной (элемент 10). стравливающий (элемент 8) и свеча зажигания (элемент 7). На рабочем валу имеется кулачок (элемент 6), управляющий стравливающим клапаном. Впуск ТВС во входную секцию через впускное отверстие (элемент 17), а выпуск отработавших газов и пара из рабочей секции через выпускные отверстия (элементы 18 и 19). Вода в рабочую секцию подается через форсунку (элемент 20).
В такой конструкции двигателя, заявляемого изобретением, Роторный Детонационный Двигатель Внутреннего Сгорания, рабочий процесс может протекать по двум вариантам, следующим образом.
Работа двигателя по первому варианту: на 1 полный оборот рабочего вала - 1 такт 180 градусов поворота рабочего вала - сжигание ТВС и 1 такт 180 градусов поворота рабочего вала - паровой фазы.
При работе двигателя поворачивается рабочий вал вместе с роторами секций и находящимися в них лопатками. Лопатка входной секции начинает сжимать ТВС, всасываемую через впускное отверстие. Ее давление повышается, открывается впускной клапан и ТВС загоняется в КС, где происходит ее воспламенение разрядом свечи зажигания. КС, в этот момент заперта всеми тремя клапанами, а ее температура порядка 2000 гр. С, поэтому смесь сгорает взрывоподобно. Давление в КС резко поднимается, впускной клапан закрывается и открывается выпускной клапан. Рабочие газы выстреливаются в рабочую секцию и, через лопатку рабочей секции, приводят во вращение ротор рабочей секции с рабочим валом. На подходе к КС второй лопатки, в КС кулачком на рабочем валу открывается стравливающий клапан и избыточное давление в рабочей секции закрывает выпускной клапан, остаточное давление из КС стравливается в атмосферу, а ТВС со второй лопатки входной секции загоняется в КС. В это самое время в рабочей секции эту верхнюю точку проходит вторая лопатка и сюда впрыскивается порция воды через форсунку, которая, испаряясь от нагретых деталей рабочей секции увеличивает давление в рабочей секции, закрывается выпускной клапан КС, давление пара приводит во вращение ротор рабочей секции и охлаждает детали рабочей секции. Отработавшие газы и пар из рабочей секции выбрасываются в атмосферу через выходное отверстие, а при дальнейшем движении лопатки, через второе выходное отверстие.
Работа двигателя по второму варианту: на 1 оборот рабочего вала два такта сжигания ТВС в КС по 180 градусов поворота рабочего вала. С использованием изобретения RU 2491431 «Способ работы роторного двигателя внутреннего сгорания», наиболее предпочтительна.
При работе двигателя поворачивается рабочий вал вместе с роторами секций и находящимися в них лопатками. Лопатка входной секции начинает сжимать ТВС, всасываемую через впускное отверстие. Ее давление повышается и под его действием открывается впускной клапан и ТВС загоняется в КС, где происходит ее воспламенение разрядом свечи зажигания. КС, в этот момент заперта всеми тремя клапанами, а ее температура порядка 2000 гр. С, поэтому смесь сгорает взрывоподобно. В этот момент в рабочей секции происходит впрыск порции воды в рабочую секцию через форсунку, за рабочую лопатку, где давление невелико или есть разрежение. В КС поджигается ТВС и давление в КС резко поднимается, впускной клапан закрывается и открывается выпускной клапан. Рабочие газы выстреливаются в рабочую секцию и приводят во вращение ротор рабочей секции с рабочим валом. На подходе второй лопатки входной секции к КС открывается стравливающий клапан, и избыточное давление в рабочей секции закрывает выпускной клапан, а остаточное давление из КС стравливается в атмосферу, ТВС со второй лопатки загоняется в освободившуюся КС, а стравливающий «лапан закрывается. В этот момент в рабочую секцию поступает очередная порция воды, в КС поджигается ТВС, поступившая в КС со второй лопатки входной секции и процесс повторяется, т.е. в рабочую секцию поступает давление из КС, испаряется поступившая вода, еще больше увеличивается давление парогазовой смеси и вращает рабочий вал. Отработавшие газы и пар из рабочей секции выбрасываются в атмосферу через выходные отверстия.
Таким образом, отдельная «горячая» КС способствует быстрому и полному сгоранию ТВС, а роторная конструкция данного ДВС приводит к его конструктивному упрощению, позволяет ввести в рабочий цикл паровую фазу, увеличить максимальные обороты и мощность двигателя, улучшить экономичность и экологичность. Кроме этого, такой ДВС будет иметь высокий крутящий момент из-за относительного большого плеча действия силы давления рабочего тела, при малых габаритах и большой диапазон рабочих оборотов за счет уменьшения оборотов холостого хода и увеличения максимально допустимых оборотов..
Главная особенность изобретения - конструктивные особенности и расположение отдельной, запирающейся на время горения рабочей смеси, не имеющей сопряженных вращающихся деталей, камеры сгорания в отдельной секции, в которой ее можно выполнить из любого материала, любой формы для обеспечения возможности детонационного сгорания сильно обедненной ТВС.
Роторный двигателя внутреннего сгорания, содержащий входную и рабочую секции, в которых находятся вращающиеся роторы с рабочими лопатками, разделенные средней стенкой, отличающийся тем, что средняя стенка между секциями выполнена в виде секции, в которой выполнена камера с детонационным сгоранием, запирающаяся на время полного сгорания топливовоздушной смеси тремя клапанами, при этом один клапан предназначен для впуска топливовоздушной смеси из входной секции в камеру сгорания, второй клапан – для выпуска рабочего тела в рабочую секцию, а третий клапан – для стравливания газов с остаточным давлением из камеры сгорания в атмосферу перед впуском в камеру сгорания очередной порции топливовоздушной смеси.
