Телефон: +7(3952) 44-11-84
Адрес: г. Иркутск,ул.Тухачевского, 3
E-mail: baikal-disel@narod.ru

ДЕТОНАЦИЯ В ДВИГАТЕЛЕ – ЗЛО ИЛИ БЛАГО?

    Процесс детонации в двигателях автомобилей и двигателях иной техники мы привыкли упоминать лишь в негативном смысле. Дребезжащий металлический стук в двигателе, особенно при использовании низкокачественного бензина, который чреват неминуемой скорой поломкой двигателя – всё это и связывается с очень неприятным словом «детонация».    Особенно склонны к детонации мощные 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. 

1_4.jpg
   Но существует возможность, при которой использование процесса детонации бензино-воздушной смеси, может привести к созданию невероятно эффективного двигателя внутреннего сгорания. Причем таких показателей невозможно будет добиться никаким супер - тюнингом или форсированием стандартного «поршневика». И детонация из врага двигателя превратиться в крепкого помощника и надежного союзника. 
                                                                              * * *
   Но вначале коротко рассмотрим, что же такое процесс детонации. Итак, сжатая рабочая бензино - воздушная смесь может сгорать в двух режимах, которые отличаются интенсивностью горения и скоростью этого процесса: 
А) нормальное горение - фронт горения имеет скорость 20-30 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 обычной медленной форме горения.

    Детонационное сгорание 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.
2_7.jpg
    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 с парами 92 бензина будет на 100% сгорать в режиме детонации - 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.

    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. 
3_4.jpg
    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 тип техники, который применяет и с пользой эксплуатирует такой принцип - это строительные машины типа «копр» (машина 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. И 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 возможный рабочий процесс вообще. 
4_1.jpg


    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 невозможно. 

УСЛОВИЯ 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 тюнингу традиционные поршневые двигатели, в таком двигателе должно быть соблюдено несколько 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 на 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 горения 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 приводить к двум эффектам:
- к практическому отсутствию продуктов неполного сгорания топлива в выхлопных газах, т.е. к их высокой экологической чистоте;
- к значительно более высоким параметрам Рабочего Тела - т.е. газов горения в камере сгорания двигателя, усиленному давлению там и повышенной температуре;

    Если же камера сгорания будет не охлаждаемой, но на время «взрыва» запираемой, 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» - температура 1300-1500 градусов, то в ней в условиях запертого объема гарантированно и полноценно будет сгорать очень бедная Рабочая Смесь при средней степени её 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 достигать (по предварительным прикидкам) 1 к 50, с соответствующим ростом экономичности работы мотора. Т.е. экономичность должна заметно превзойти дизельный двигатель -сегодняшний рекордсмен по экономичности.

    Далее – если такой адиабатный (без охлаждения) и детонационный (взрывного типа сгорания рабочей смеси) двигатель будет получать из камеры сгорания большое количество рабочего тела (продуктов горения – горячих газов высокого давления), то подобному двигателю нужно будет иметь значительный объем камеры расширения, где будет совершать длинный рабочий ход главный рабочий орган двигателя. И заведомо, в таком двигателе объём камеры расширения должен заметно превышать объем камеры сжатия. 
Следовательно – чтобы превратить в полезную работу главного рабочего органа этот усиленное давление большого количества газов, нужно такому двигателю иметь большой рабочий ход двигателя. Но в поршневом двигателе это практически невозможно, так как в поршневой машине ход сжатия равен ходу расширения. Известная попытка решить эту проблему в цикле Аткинсона – Миллера имеет весьма затратную схему организации процесса, а поэтому – малоэффективна и сложно применима.

5_1.jpg
    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 ника не может прямым образом превратиться в дополнительную мощность двигателя. В Японии в конце 80-х годов было сделано много вариантов "неохлаждаемых"- адиабатных двигателей, с корпусами из керамики и без системы охлаждения. Идея была такой: если не охлаждать дввигатель, то значит - из-за увеличения температуры рабочего тела повысится давление рабочих газов на поршень, и 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%, что никак не компенсировало резкого удорожания мотора. Т.е. в детонационном двигателе нужно иметь механизм превращения в работу резко увеличившегося количества выделяемого тепла. Как видим- в поршневых моторах даже японцам это не удалось сделать. 

    ИТАК, для того чтобы эффективно использовать могучую силу детонационного процесса сгорания (взрыва) паров топлива нужно сконструировать двигатель внутреннего(или внешнего) сгорания, в котором обязательно будут применены конструкции, которые обеспечивают следующие процессы:
--- - неохлаждаемая (высокотемпературная) камера сгорания высокой прочности неизменного объема, в которой бы без ущерба для 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 сжатия;
--- - такая организация рабочих (технологических) процессов двигателя, которая бы обеспечивала возможность переводить сверхвысокую температуру раскаленных газов рабочего тела, в работу на главном валу;
Можно заметить, что первое условие при своей реализации дает нечто 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 без исключения требуют интенсивного внешнего охлаждения. 
Но сама красота 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 концепцию такой тепловой машины давно овладела автором этой статьи. В настоящее время я создал концепцию подобного двигателя и на данный момент идет изготовление опытного образца такого двигателя. Перед этим было уже несколько моделей, которые уже помогли сформулировать более совершенную конструкцию.

    Основной и первой особенностью этого двигателя будет выделение процесса (такта)"Горение - образование Рабочего Тела высокой температуры и высокого давления" в отдельный – 5-й такт. Этот такт будет происходить в отдельном технологическом объеме – вынесенной за пределы сектора расширения и в периодически плотно запираемой камере сгорания неизменного объема. Эта камера планируется делаться из керамики, будет очень сильно разогреваться и не требовать охлаждения. Традиционное сегодня совмещение в одном рабочем такте разных процессов: «горения» и «расширения» обуславливают главные недостатки традиционных поршневых двигателей – смотри об этом мою отдельную статью. Именно от этого недостатка я как раз и старался избавиться в новой конструкции.
В такой камере за счет использовании низкооктановых дешевых бензинов можно устраивать детонацию паров крайне обедненной Рабочей Смеси в раскаленной камере сгорания при вполне средних степенях сжатия Рабочей Смеси - около 5 или 6 крат.

    Вторая особенность этой конструкции - применение роторного механизма расширительной машины – «типа Тверской», с различными по объему секторами сжатия и секторами расширения. Это позволит при достаточно средней степени сжатия (в 5-6 крат), при использовании дешевых низкооктановых бензинов, получать детонационное горение весьма бедной рабочей смеси в запираемой камере сгорания, и затем выброс рабочего тела (газов горения высокой температуры) в сектора расширения значительного объема, в которых осуществляется движение рабочего хода 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 повышенной давление Рабочего Тела увеличенной массы. За счет парообразования подаваемой воды температура Рабочего Тела будет резко понижаться, а давление и масса Рабочего Тела - 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. 
6_5.jpg
    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.
Следовательно – крутящий момент такого двигателя за счет значительного увеличения плеча крутящего момента и количества рабочих тактов на один оборот главного вала, будет многократно больше, чем в традиционных поршневых двигателях. А, следовательно, и мощность – будет многократно превосходить такие традиционные двигатели.
Если удастся приручить детонационное (взрывное) горение воздушно-бензиновой смеси, и заставить предсказуемо и продуктивно работать такой процесс в камерах сгорания, то возможно получить новый тип двигателя, небывалых до этого технических параметров. И такой двигатель обещает быть многократно прогрессивнее - мощнее и экономичнее, чем существующие сегодня поршневые двигатели, работающие на медленных процессах горения воздушно-бензиновой смеси.


 Игорь Исаев."Роторные двигатели. Прошлое,настоящее,будущее...."