Детонация — двигатель

статья доработана 23 января 13 года

СТАТЬЯ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИЛ ДЕТОНАЦИИ В РАБОТЕ СОВЕРШЕННОГО РОТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Как создать детонационный двигатель?

Процесс детонации при горении Рабочей Смеси в двигателях автомобилей и двигателях всякой другой силовой техники все специалисты упоминают лишь в негативном смысле. Стрекочущий металлический стук в двигателе, особенно при использовании плохого бензина с малым октановым числом, который предваряет грядущую вскоре поломку двигателя и надвигающийся капремонт мотора – всё это и ассоциируется с весьма негативным термином «детонация». Наиболее подвержены детонации сверхфосированные спортивные двигатели, или подвергнутые тюнингу с целью повышения мощности серийные двигатели, для которых во избежание последней приходится применять специальные и очень дорогие типы бензинов с высоким октановым числом – до 120 единиц.
Однако есть возможность, при которой использование процесса детонации бензино-воздушной смеси, может привести к конструированию предельно эффективного двигателя внутреннего сгорания. Причем подобной сверх эффективности нельзя будет добиться никаким супер — тюнингом или форсированием традиционного поршневого двигателя. И детонация из врага двигателя превратиться в крепкого помощника и надежного союзника, который будет трудиться на благо мотору.
* * *
Прежде всего разберемся — а что такое по своей сути есть процесс детонации.
В двигателе сжатая топливо — воздушная смесь имеет возможность сгорать в двух режимах, которые отличаются интенсивностью горения и скоростью этого процесса:
А) нормальное горение — фронт горения имеет скорость 20-40 м/сек.;
Б) взрывное (детонационное) сгорание — скорость около 2000 м/сек.;
При этом температура газов горения резко повышается — до 3500 — 4000 градусов Цельсия, против 2500 при обычном медленном типе горения.
Детонационное сгорание (или просто — детонация) называется так потому, что его характер резко отличается от процесса нормального, медленного и постепенного горения рабочей смеси. В нормальном процессе горения фронт пламени от искры свечи – распространяется по увеличивающемуся кругу последовательно и поступательно от этого центра поджига.

В процессе же детонации первоначальное горение от искры свечи, быстро переходит в объемный взрыв по всей толще сжатой рабочей смеси. При сгорании первой порции рабочей смеси – слоя вокруг искры свечи — сразу резко поднимается давление и температура в областях камеры сгорания еще не подверженных горению. Если углеводороды несгоревшей части топлива обладают недостаточной стойкостью к окислению присутствующим в рабочей смеси кислородом воздуха, начинается интенсивное разложение очень сильно сжатых паров бензина на так называемые перекиси (накапливание перекисных соединений), а затем их взрывной распад.
При высокой концентрации перекисных соединений происходит объемный взрыв, за счет их мгновенного самовоспламенения по всей толще этого объема. Самовоспламенение части рабочей смеси перед фронтом пламени приводит к взрывному горению оставшейся части топлива по всей его толще, к так называемому детонационному сгоранию.

Экспериментальным путем установлено, что при степени сжатия в 8,5 крат, когда давление сжатой Рабочей Смеси достигает 18-20 атмосфер, при использовании 92 бензина, детонационно сгоранет от 3 до 5% паров топлива. Что считается предельно приемлемым показателем. При достижении давлений сжатия в 34 атмосфер (степерь сжатия 22-23), то Рабочая Смесь из паров 92 бензина с воздухом будет на 100% сгорать детонационно — в режиме объемного взрыва.Во время детонации в сильно сжатой и перегретой рабочей смеси происходят сложные процессы, во время которых происходят различные химические превращения углеводородов топлива в более простые элементы с выделением молекул свободного кислорода и образуются разные виды чередующегося пламени. (Соколик А.С., Сгорание в транспортных поршневых двигателях. Изд. АН СССР, 1951, стр. 37.) Именно наблюдение таких процессов в случае детонации рождают мнения специалистов, которые указывают, что КПД перевода потенциальной энергии химических связей во внутреннюю энергию температуры горячих газов и потенциальную энергию высокого давления при детонационном горении (взрыве) – гораздо выше, чем при нормальном (медленном) горении. Т.е. взрывное (детонационное) горение дает ЗАМЕТНО БОЛЬШЕ ЭНЕРГИИ тепла и давления горячих газов, чем медленное горение.
Вот как процессы взрывного горения описываются в диссертации Головастова С. В. «Управление процессами воспламенения и детонации в газовых средах» на соискание звания кандидата физико-математических наук . [Место защиты: Объединенныйинститут высоких температур РАН].- Москва, 2008.: «При детонации газов термодинамическая эффективность сжигания заметно повышается, так как степень сжатия увеличивается в 20-30 раз, а время выделения энергии составляет 10’6-10″5 микросекунд. Преимущества детонационного сжигания топлива подробно описаны в [3]. Помимо термодинамической эффективности сжигания продукты детонации имеют еще и значительную кинетическую энергию, что дополнительно увеличивает полную эффективность сжигания».В стандартных поршневых двигателях ударные волны повышенного давления детонации «сбивают» пленку масла со стенок цилиндра (поршень начинает «драть» по цилиндру), повышают температуру двигателя и приводят к его перегреву, приводят к повышенной нагрузке на шарнирные сочленения кривошипно – шатунного механизма (КШМ) двигателя и пр. В некоторых случаях давление взрывным образом нарастает еще до минования поршнем ВМТ, а это приводит к резкой потере мощности и огромным перегрузкам на весь КШМ, так как первый импульс давления рабочих газов начинает крутить коленвал «в обратную сторону». Поэтому поршневые двигатели быстро выходят из строя и разрушаются от титанических сил детонационных процессов. Особенно это видно на примере «пережатых» моторов, которые были подвергнуты тюнингу под спортивные задачи, например — в стандартном двигателе при тюнинге была критически повышена степень сжатия для достижения высоких мощностных показателей в соревнованиях по стрит-рейсингу.
Так же повышенная температура — до 4000 градусов- приводит к быстрому прогоранию поршней и потере упругих свойств поршневых колец, а так же быстрому обугливанию масла на стенках цилиндра.

Если бы удалось использовать могучую энергию и высокий КПД детонационного режима сгорания топлива, то появился бы двигатель внутреннего сгорания, который бы значительно превысил нынешний уровень КПД современных поршневых двигателей, а удельная мощность (отношение веса двигателя к его мощности) в два раза бы превзошла современных лидеров этого показателя – газовые турбины с их 6 кВт на 1 кг веса. Если немного удариться в технологические фантазии, то можно было бы представить автомобильный или подвесной лодочный двигатель, который бы при весе в 12-15 килограммов имел мощность в 150 кВт (почти 200 л.с.) и расходовал 1,5 – 2 литра низкооктанового бензина на 100 км. Т.е расход топлива такого двигателя составлял бы 60-80 граммов топлива в час на одну лошадиную силу. При том, что сейчас в лучших по экономичности дизелях расход состаялет 160-170 граммов.
Однако детонационное сгорание на нынешнем уровне развития техники в области двигателестроения не применяется ввиду несовершенства конструкции всех нынешних типов ДВС. Ни наиболее распространенные поршневые двигатели, даже в варианте их тюнинга или в спортивных версиях, ни циклоидные двигатели Ванкеля (роторные с планетарным вращением ротора), ни газовые турбины не могут использовать этот сверхмощный и сверхэффективный процесс.

Единственный образец техники, который применяет и с пользой эксплуатирует такой принцип — это строительные машины типа «копр» (привод-двигатель для забивания свай: «дизель-молот»). В копрах энергия мощного взрыва рабочей смеси (из-за огромного сжатия от сильнейшего удара двухтонным молотом) подбрасывает на десяток метров обратно вверх этот тяжелый рабочий молот весом в две тонны. Заметьте — в таком привод-двигателе даже солярка сгорает в режиме детонации.
А еще энергия взрыва вполне эффективно применяется во всех типах стрелкового и артиллерийского вооружения. Вполне склонен к мгновенным взрывам на принципе детонации дымный порох, что и используется в военном деле последние 600 лет.

Но вот все существующие сегодня разновидности двигателей внутреннего сгорания не приспособлены для применения детонационного типа сгорания и использования огромных энергий этого процесса. И это не удивительно, ведь поршневая расширительная машина перешла в ДВС-ы «по наследству» от паровых двигателей, где взрывные процессы в рабочем пространстве пары «поршень – цилиндр» были невозможны в принципе и не рассматривались как подходящий рабочий процесс.

Вот поэтому в современных поршневых двигателях с их кривошипно-шатунными механизмами, да и в газовых турбинах, с их открытыми практически свободно в атмосферу камерами сгорания, использовать энергию детонационного взрыва либо крайне затруднительно, либо вообще- невозможно.

ПРЕДПОСЫЛКИ И ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ ДЕТОНАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Для того чтобы получить эффективно действующий двигатель внутреннего (или внешнего) сгорания, использующий детонационное сгорание топлива, и который превосходит самые форсированные и подвергнутые супер-тюнингу традиционные поршневые двигатели, нужно в подобном двигателе соблюсти несколько важных условий.
— А) камера сгорания должна не иметь движущихся частей, которые еще и нуждаются в смазке, и камера сгорания желательно не должна иметь потребности в охлаждении;
— Б) камера сгорания должна не некоторое время запираться, чтобы создавать замкнутый объем, в котором в условиях резко нарастающего давления и повышающейся температуры (изохорный процесс), могли полностью на все 100% сгорать пары топлива, даже при рабочей смеси очень бедного состава (мало паров бензина – много воздуха);
— В) главный рабочий орган двигателя должен двигаться очень быстро и легко – без необходимости осуществления чередующихся циклов «разгона- торможения» с преодолением сил инерции, чтобы успевать полноценно «утилизировать» и без разрушительных перегрузок (т.е. без старта с неподвижного положения) воспринимать энергию газов рабочего тела очень высокого давления;
При детонационных процессах во время объемного взрыва, да еще проходящих в запертом объеме, вся энергия химических связей углеводородов топлива при высоком коэффициенте избытка воздуха, (т.е. кислорода будет хватать на полное сжигание всех паров топлива) будет переходить в тепло и энергию высокого давления конечных газов горения. В итоге все пары топлива в двигателе будут полностью сгорать. Этот процесс будет давать 2-а результата:
— приводить к практическому отсутствию элементов неполного сгорания топлива в выхлопных газах, т.е. к их высокой экологической чистоте;
— приводить к созданию значительно большего давления и значительно повышенной температуре газов Рабочего Тела высокого давления в камере сгорании двигателя (по сравнению с показателями рабочего тела традиционных поршневых двигателей, рабтающих без детонации- на медленном режиме горения);
В случае, когда камера сгорания будет не охлаждаемой, и на время «взрыва» паров Рабочей Смеси запираемой (неизменного объема), то там можно будет весьма эффективно и полноценно сжигать очень бедную рабочую смесь при значительном и гарантированном коэффициенте избытка воздуха. Т.е. если камеру сгорания сделать керамической и довести ее до «белого каления» — т.е. довести её стенки до температуры в 1300-1500 градусов, то в ней в условиях запертого неизменяемого объема гарантированно и полноценно будет сгорать очень бедная Рабочая Смесь при средней степени её предварительного сжатия. Коэффициент избытка воздуха ожидается заметно выше чем у дизеля. Если в обычном поршневом двигателе массовое соотношение паров топлива и воздуха имеет вид 1 к 15, то в детонационном двигателе оно может достигнуть (по предварительным прикидкам) показателя в 1 к 40 (и даже выше), с соответствующим ростом экономичности работы мотора. Т.е. экономичность должна заметно превзойти дизельный двигатель — который на сегодня оказывается пока рекордсменом по показателям экономичности и топливной эффективности.

 

Когда подобный адиабатный (без охлаждения) и детонационный (взрывного типа сгорания Рабочей Смеси) двигатель будет получать из камеры сгорания большое количество Рабочего Рела (горячих газов высокого давления), то подобному двигателю нужно будет иметь значительный объем сектора расширения, где будет совершать весьма длинный рабочий ход главный рабочий орган двигателя. И заведомо, в таком двигателе объём сектора расширения должен заметно превышать объем сектора предварительного сжатия.
Поэтому из всего выше сказанного следует – чтобы превратить в полезную работу главного рабочего органа этот усиленное давление газов Рабочего Тела очень высокой температуры, подобному двигателю необходимо иметь большой рабочий ход главного рабочего органа. Но в поршневом двигателе это практически невозможно, так как в поршневой машине ход сжатия равен ходу расширения. Известная попытка решить эту проблему в рабочем цикле Аткинсона – Миллера получила весьма затратную схему организации процесса, а поэтому – поэтому она малоэффективна и сложно применима на практике.
ЕЩЕ ОДНА ТРУДНОСТЬ — это резкое — ПОЧТИ В 2 РАЗА — увеличение температуры рабочих газов в цилиндре. С обычных 2500 градусов до почти 4000. Это увеличение температуры никак не может прямым образом превратиться в дополнительную мощность двигателя. Ибо повышение температуры газов Рабочего Тела не ведет автоматически и прямо к повышеню их давления. В Японии в конце 80-х годов было сделано много вариантов «неохлаждаемых»- адиабатных двигателей, с корпусами из керамики и без системы охлаждения. Идея их создателей была такова — если двигатель не будет иметь охлаждения и потерь тепла через систему охлаждения, то — из-за увеличения температуры Рабочего Тела «автоматически» повысится давление рабочих газов на поршень, и «автоматом» увеличится мощность и КПД мотора. Но в итоге — только значительно повысилась температура выхлопных газов — до 1500-1700 градусов. А КПД поднялся только на 2-3 процента, что никак не компенсировало резкого удорожания мотора. Т.е. в детонационном двигателе нужно иметь механизм превращения в работу резко увеличившегося количества выделения тепла. Как видим — в поршневых моторах даже дотошным и новаторским японским автопроизводителям этого не получилось совершить.
СЛЕДОВАТЕЛЬНО, чтобы полноценно и эффективно использовать могучую силу детонационного процесса сгорания (объемного взрыва) паров топлива надо сконструировать и изготовить двигатель внутреннего(или внешнего) сгорания, в котором обязательно будут использоваться такие механизмы и элементы, что обеспечат следующие процессы:
— — неохлаждаемая (высокотемпературная) камера сгорания высокой прочности неизменного объема, в которой бы без ущерба для всех остальных движущихся частей двигателя, могли происходить «взрывы» паров топлива;
— — такая конструкция рабочих органов двигателя, которая бы обеспечивала возможность увеличенного технологического объема расширения Рабочего Тела, по отношению к технологическому объему предварительного сжатия;
— — такая конструкция элементов и такая организация рабочих (технологических) процессов двигателя, которые бы обеспечивали способность двигателя переводить сверхвысокую температуру раскаленных газов Рабочего Тела, в работу на главном валу;
Можно заметить, что первое условие при своей реализации создает в конструкции мотора что-то похожее на вынесенный отдельно от расширительной машины паровой котел двигателя внешнего сгорания.
В поршневой конструкции привычного нам 4-х тактного двигателя все перечисленные условия обеспечить невозможно. Именно поэтому традиционные поршневые двигатели боятся детонации (за исключением дизелей) и все как один нуждаются в интенсивном внешнем охлаждении.
Две цитаты из академических книг — два авторитетных источника 1929 и 1969 года выпуска — в подтверждение согласия науки о наилучшем процессе образования Рабочего Тела при горении Рабочей Смеси в замкнутом пространстве (изохорный процесс).
Скачайте сканы страниц на свой комп и читайте там, они откроются в большем размереОднако- при всей трудности своей реализации в работоспособную конструкцию двигателя — все изящество и мощь идеи адиабатного детонационного двигателя внутреннего сгорания, который эффективно работает на крайне обедненной смеси, имеет очень высокий КПД и значительную чистоту выхлопных газов, настолько привлекательна, что попытка сформулировать условия создания подобной силовой тепловой машины давно овладела автором этой статьи. Несколько лет назад я создал концепцию подобного двигателя, поэкспериментировал с несколькими действующими макетами разных типов конструкций, и на данный момент (январь 2013г.) идет изготовление очередного опытного образца такого двигателя. Предыдущие несколько моделей, уже помогли сформулировать более совершенную конструкцию нынешней компоновки двигателя.
Основной и Первой Особенностью этого двигателя будет обособление и выделение процесса «Горения -создание Рабочего Тела» в отдельный – 5-й такт. Этот такт будет происходить в отдельном технологическом объеме – вынесенной за пределы сектора расширения и периодически плотно запираемой камере сгорания неизменного объема. Эта камера планируется делаться из керамики, будет очень сильно разогреваться и не требовать охлаждения. Совмещение в одном рабочем такте разных процессов — процесса «горения» и процесса «расширения», определяют главные недостатки традиционных поршневых двигателей – смотри об этом мою отдельную статью «5-ти тактный роторный двигатель«. И как раз от этого «родового порока» поршневиков я и старался избавиться в своей конструкции роторного двигателя.
В такой камере за счет использовании низкооктановых дешевых бензинов можно устраивать детонацию крайне обедненной смеси в раскаленной камере сгорания при вполне средних степенях сжатия Рабочей Смеси — около 5 или 6 крат.

Вторая Особенность моей конструкции — это использование расширительной роторной машины – «типа Тверской» (коловратная машина), с различными по объему секторами сжатия и секторами расширения. Такой подход позволит при достаточно средней степени сжатия (в 5-6 крат), за счет использования дешевых низкооктановых бензинов, получать детонационное горение (объемные взрывы) весьма бедной Рабочей Смеси в запираемой камере сгорания, и затем организовать выброс Рабочего Тела (рабочих газов высокой температуры и высокого давления) в сектора расширения значительного объема, в которых осуществляется движение рабочего хода главным рабочим органом двигателя (лопастью ротора) весьма значительной длины.

Третяя Особенность этой конструкции —
«встраивание» в такт «расширение Рабочего Тела» специальной «паровой фазы«, которая за счет подачи воды будет переводить сверхвысокую температуру (до 4000 градусов) Рабочих Газов из камеры сгорания в значительно увеличенное давление Рабочего Тела многократно увеличенной массы. За счет парообразования подаваемой воды температура Рабочего Тела будет резко понижаться, а давление и суммарная масса Рабочего Тела, т.е. теперь уже паро-газовой смеси — резко увеличиваться. Что и будет приводить к возможности совершать дополнительную работу в секторе расширения. При этом двигатель будет «охлаждаться изнутри» и температура выхлопных газов будет не высокой — около 200-250 градусов.

При этом за один оборот главного вала двигателя будет осуществляться от 4 до 16 рабочих ходов с соответствующим этому показателю высоким крутящим моментом. Для справки: 4-х цилидровый 4-х тактный двигатель дает за один оборот главного вала ОДИН полный рабочий ход. Плечо приложения силы (плечо крутящего момента) чисто по геометрическим параметрам, в роторном двигателе такой конструкции в полтора – два раза больше, чем в поршневых машинах.
Исходя из выше описанного – крутящий момент такого двигателя за счет значительного увеличения плеча крутящего момента и наращивания числа рабочих тактов на один оборот главного вала, будет многократно больше, чем в традиционных поршневых двигателях. Поэтому и мощность подобной конструкции детонационного адиабатного роторного двигателя – будет многократно превосходить традиционные поршневые двигатели внутреннего сгорания.
Краткое резюме настоящей статьи можно изложить так — когда двигателистам удастся приручить детонационное (взрывное) горение воздушно-бензиновой смеси, и заставить предсказуемо и продуктивно работать такой процесс в камерах сгорания моторов, то возможно будет заявить о создании нового типа двигателя, небывалых до этого технических параметров. И такой двигатель будет многократно эффективнее — мощнее, легче, проще и экономичнее, чем преобладающие на данный момент поршневые двигатели, работающие на медленных процессах горения воздушно-бензиновой смеси.
Автор — Игорь Исаев

СЛЕДУЮЩАЯ СТАТЬЯ — статья №2
май 12 года
СТАТЬЯ
ПЕРСПЕКТИВЫ И ВОЗМОЖНОСТИ ПАРОВОГО ХОДА В ДВС.
Взгляд на «устройство» паровой фазы в рабочем цикле поршневых и роторных ДВС
Пока первую часть статьи — смотрите на ПРЕДЫДУЩЕЙ страничке сайта. Развитие темы статьи постарюсь продолжить в ближайшее время.