RU2242629C1

RU2242629C1 - Detonation combustion jet engine

Info

Publication number: RU2242629C1
Application number: RU2003110546/06A
Authority: RU
Inventors: В.Д. Корнилов (RU); В.Д. Корнилов
Original assignee: Корнилов Виталий Дмитриевич
Priority date: 2003-04-15
Filing date: 2003-04-15
Publication date: 2004-12-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering; road and water vehicles and aircraft.

SUBSTANCE: proposed engine contains cylinder liners, pistons, displacement type air super charger, unit injectors, self-contained combustion chamber, housing, charger, link drum, turbine, motor-generator, gear rim, fuel and oil pumps, compression ratio adjuster and cooling system. Detonation combustion of fuel in constant volume takes place in self-contained combustion chamber to which air delivered by air super charger. Air super charger is two-stage piston super charger consisting of carrying cylinder with piston of second stage and air chamber with first stage ring piston installed on carrying cylinder. Plane of beam of second stage piston and plane of ball pins of ring piston of first stage are arranged at angle of 90^o relative to each other. Said pistons move in different sides thus balancing their inertia forces. Spaces of second and first stages are interconnected by channels, and volume of air chamber is twice as great as volume of space of second stage. Carrying cylinder, being support of engine, consists of two liners, one press-fitted into the other. Channels, windows and holes are made in liners to form engine communication system. Charge consists of combustion chamber, phase rings with ball pins, channels and nozzles. Combustion chamber is fastened by flange on carrying cylinder, being connected by intake channels with space of second stage of air super charger. Said channels are closed by phase ring of balls with spherical seats playing the part of shutoff. Outlet channels of combustion chamber are opened by phase ring. Liquid cooling jacket is made in combustion chamber wall. Link drum is made cylindrical, split and it is installed on carrying cylinder on two bearings. Both parts of drum are fixed by pins over perimeter, and axial spherical link to drive pistons of air supercharger and two radial detachable links to drive fuel unit-injectors, oil pumps and ignition distributor are made inside drum. Engine drive turbine is installed outside link drum, being set into action by pressure of exhaust gases through several channels and nozzles. Engine is furnished with compression ratio adjuster consisting of two nuts turned onto link drum and carrying cylinder, and thrust ring.

EFFECT: provision of ecologically clean engine operation on lean mixtures.

2 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть применено на наземном, водном транспорте, летательных аппаратах.The invention relates to mechanical engineering and can be applied on land, water transport, aircraft.

Известны двухтактные двигатели внутреннего сгорания, в которых использованы кинематические схемы с кривошипно-шатунным механизмом и продувкой цилиндров воздухом через продувочные окна. (Устройство и ремонт автомобилей. М.: Высшая школа, 1987).Two-stroke internal combustion engines are known in which kinematic schemes with a crank mechanism and blowing cylinders with air through blowdown windows are used. (Device and car repair. M: Higher school, 1987).

В современных двигателях внутреннего сгорания повышение мощностных характеристик связано с совершенствованием электронных систем подготовки и подачи воздуха и топлива в цилиндры двигателя, очистки цилиндров от продуктов сгорания, увеличения степени сжатия и т.п. Основной проблемой является использование внутренней энергии применяемого топлива, сгорание которого в различных условиях давления и температуры может происходить плавно или носить взрывной ударный детонационный характер с выделением дополнительной тепловой энергии, появление которой в процессе работы обычного двигателя внутреннего сгорания считается вредным и приводящим к разрушению деталей кривошипно-шатунного механизма. В результате в топливо добавляются антидетонационные присадки, в конструкции двигателей применяют различные совмещенные с цилиндром камеры сгорания предкамеры, уменьшающие детонацию и жесткость работы двигателей. Тем самым внутренняя энергия топлива используется только в первоначальной стадии цепной реакции входящих в него молекул.In modern internal combustion engines, an increase in power characteristics is associated with the improvement of electronic systems for preparing and supplying air and fuel to the engine cylinders, cleaning the cylinders of combustion products, increasing the degree of compression, etc. The main problem is the use of the internal energy of the fuel used, the combustion of which under various conditions of pressure and temperature can occur smoothly or have an explosive shock detonation character with the release of additional thermal energy, the appearance of which during the operation of a conventional internal combustion engine is considered harmful and leads to the destruction of crank parts connecting rod mechanism. As a result, anti-knock additives are added to the fuel, various pre-chambers combined with the cylinder of the combustion chamber are used in the engine design, which reduce the detonation and engine stiffness. Thus, the internal energy of the fuel is used only in the initial stage of the chain reaction of the molecules included in it.

В предлагаемом реактивном двигателе детонационного сгорания применяется топливо (бензин, керосин, дизельное топливо, нефть, газ) без антидетонационных присадок. Сгорание топлива происходит при постоянном объеме в автономной камере сгорания, предварительно заряженной воздухом и топливом и отключенной от полости цилиндра, носит взрывной, детонационный характер. При детонационном сгорании цепная реакция молекул топлива и воздуха происходит быстрее и в более глубокой стадии с выделением дополнительной тепловой энергии. Согласно изобретению двигатель включает в себя гильзы цилиндров, поршни, нагнетатель воздуха объемного типа, насос-форсунки, автономную камеру сгорания, в которой происходит детонационное сгорание топлива при постоянном объеме, кожух, зарядный механизм, кулисный барабан, турбину, мотор-генератор, зубчатый венец, топливный и масляный насосы, механизм изменения степени сжатия и систему охлаждения. Воздух в автономную камеру сгорания подается при помощи нагнетателя воздуха объемного типа, который представляет собой двухступенчатый поршневой нагнетатель, состоящий из несущего цилиндра с поршнем второй ступени и установленной на несущем цилиндре воздушной камеры с кольцевым поршнем первой ступени. Полости второй и первой ступеней соединены каналами, а объем воздушной камеры в два раза больше объема полости второй ступени. Несущий цилиндр является опорой двигателя и состоит из двух гильз, запрессованных одна на другую, а в гильзах выполнены каналы, окна и отверстия, составляющие систему коммуникаций двигателя. Зарядный механизм состоит из камеры сгорания, фазовых колец с шаровыми пальцами, каналов и сопел. Камера сгорания полусферическая крепится фланцем к несущему цилиндру и соединена впускными каналами с полостью второй ступени нагнетателя воздуха. Впускные каналы закрываются впускным фазовым кольцом или шариками со сферическими седлами, выполняющими функции затвора. Выпускные каналы камеры сгорания открываются выпускным фазовым кольцом. В стенке камеры сгорания выполнена рубашка жидкостного охлаждения. Кулисный барабан выполнен цилиндрическим, разъемным и установлен на несущем цилиндре на двух подшипниках. Обе части барабана фиксируются штифтами по периметру, а внутри барабана выполнены осевая сферическая кулиса привода поршней нагнетателя воздуха и две радиальные съемные кулисы привода топливных насос-форсунок, масляных насосов и прерывателя зажигания. Снаружи кулисного барабана установлена турбина привода двигателя, которая приводится в действие давлением выпускных газов через несколько каналов и сопел. Двигатель оборудован механизмом изменения степени сжатия, который состоит из двух гаек, навернутых на кулисный барабан и несущий цилиндр, и упорного кольца. Плоскость балки поршня второй ступени и плоскость шаровых пальцев кольцевого поршня первой ступени расположены под углом 90° друг к другу. Поршни второй и первой ступени движутся в разные стороны, в результате чего их силы инерции взаимно уравновешиваются.The proposed detonation combustion engine uses fuel (gasoline, kerosene, diesel, oil, gas) without anti-knock additives. Fuel combustion occurs at a constant volume in an autonomous combustion chamber, pre-charged with air and fuel and disconnected from the cylinder cavity, has an explosive, detonation character. During detonation combustion, the chain reaction of fuel and air molecules occurs faster and in a deeper stage with the release of additional thermal energy. According to the invention, the engine includes cylinder liners, pistons, a volumetric air blower, pump nozzles, an autonomous combustion chamber in which detonation combustion of fuel occurs at a constant volume, a casing, a charging mechanism, a rocker drum, a turbine, a motor-generator, a gear ring , fuel and oil pumps, compression mechanism and cooling system. Air is supplied to the autonomous combustion chamber using a volume type air blower, which is a two-stage piston blower consisting of a supporting cylinder with a second stage piston and an air chamber mounted on a supporting cylinder with an annular first stage piston. The cavities of the second and first stages are connected by channels, and the volume of the air chamber is two times larger than the volume of the cavity of the second stage. The bearing cylinder is the engine support and consists of two sleeves, pressed one on top of the other, and the sleeves are made channels, windows and holes that make up the engine communications system. The charging mechanism consists of a combustion chamber, phase rings with spherical fingers, channels and nozzles. The hemispherical combustion chamber is flange-mounted to the carrier cylinder and is connected by inlet channels to the cavity of the second stage of the air blower. The inlet channels are closed by an inlet phase ring or balls with spherical seats that act as a shutter. The exhaust channels of the combustion chamber are opened by the exhaust phase ring. A liquid cooling shirt is made in the wall of the combustion chamber. The rocker drum is cylindrical, split, and mounted on a carrier cylinder with two bearings. Both parts of the drum are fixed with pins along the perimeter, and inside the drum there are axial spherical wings of the drive of the pistons of the air blower and two radial removable wings of the drive of fuel pump nozzles, oil pumps and an ignition chopper. Outside the rocker drum, an engine drive turbine is installed, which is driven by the pressure of the exhaust gases through several channels and nozzles. The engine is equipped with a mechanism for changing the compression ratio, which consists of two nuts, screwed onto the rocker drum and the bearing cylinder, and a thrust ring. The plane of the piston beam of the second stage and the plane of the ball fingers of the annular piston of the first stage are located at an angle of 90 ° to each other. The pistons of the second and first stage move in different directions, as a result of which their inertia forces are mutually balanced.

Устройство реактивного двигателя детонационного сгорания поясняется чертежами фиг.1 и фиг.2. На фиг.1 показан разрез двигателя, а на фиг.2 - вариант исполнения запорного органа для впускных каналов камеры сгорания.The device of a jet engine of detonation combustion is illustrated by the drawings of figure 1 and figure 2. In Fig.1 shows a section of the engine, and Fig.2 is an embodiment of a locking element for the intake channels of the combustion chamber.

Реактивный двигатель детонационного сгорания согласно изобретению состоит из кожуха, двухступенчатого поршневого нагнетателя воздуха, зарядного механизма, кулисного барабана, турбины, мотор-генератора, зубчатого венца, топливных и масляных насосов, форсунок, механизма изменения степени сжатия, системы охлаждения.The detonation combustion engine according to the invention consists of a casing, a two-stage piston air blower, a charging mechanism, a rocker drum, a turbine, a motor generator, a gear ring, fuel and oil pumps, nozzles, a compression ratio change mechanism, and a cooling system.

Нагнетатель воздуха состоит из несущего цилиндра 1 с системой коммуникаций, поршня 2 второй ступени, поршневой балки 3 с шаровыми пальцами 21 и наконечниками 22, воздушной камеры 7 с кольцевым поршнем 8 первой ступени с уплотнительными кольцами 18, штангами 15 и пальцами 16, шаровыми наконечниками 17. При этом полости второй и первой ступеней соединены каналами "а". Несущий цилиндр 1 является опорой двигателя и состоит из двух гильз 1а и 1д, запрессованных одна на другую, в гильзах выполнены каналы, окна и отверстия, составляющие систему коммуникаций двигателя. Воздушная камера 7 установлена на несущем цилиндре 1.The air blower consists of a carrier cylinder 1 with a communication system, a piston 2 of the second stage, a piston beam 3 with spherical fingers 21 and tips 22, an air chamber 7 with an annular piston 8 of the first stage with o-rings 18, rods 15 and fingers 16, ball tips 17 . In this case, the cavities of the second and first stages are connected by channels "a". The bearing cylinder 1 is a support for the engine and consists of two sleeves 1a and 1e, pressed one on top of the other, the sleeves are made channels, windows and holes that make up the communications system of the engine. The air chamber 7 is mounted on the carrier cylinder 1.

Зарядный механизм состоит из камеры сгорания 5, фазового кольца 6 впуска воздуха с шаровыми пальцами 9, впускных каналов "вп", выпускных каналов "вып" и сопел 10. Камера сгорания 5 полусферическая, прикрепленная фланцем 11 к несущему цилиндру 1, соединена впускными каналами "вп" с полостью "В" второй ступени нагнетателя воздуха. Вместо фазового кольца 6 в каналах "в" могут устанавливаться сферические седла 34 с шариками 33, выполняющими функции затвора при перепадах давления в полости "В" и камере сгорания 5 (см. фиг.2). Выпускные каналы "вып" открываются фазовым кольцом 12 с шаровыми пальцами 13 и соединены с соплами 10. В стенке камеры сгорания 5 выполнена рубашка "Н" жидкостного охлаждения.The charging mechanism consists of a combustion chamber 5, a phase ring 6 of air inlet with spherical fingers 9, inlet channels "vp", exhaust channels "vyp" and nozzles 10. The combustion chamber 5 is hemispherical, attached by a flange 11 to the bearing cylinder 1, is connected to the intake channels " VP "with a cavity" B "of the second stage of the air blower. Instead of a phase ring 6, spherical seats 34 with balls 33 can be installed in the channels “B”, which act as a shutter when the pressure drops in the cavity “B” and the combustion chamber 5 (see FIG. 2). The exhaust channels “vyp” are opened by a phase ring 12 with spherical fingers 13 and connected to the nozzles 10. A liquid cooling jacket “H” is made in the wall of the combustion chamber 5.

Кулисный барабан 4 цилиндрический, разъемный установлен на несущем цилиндре 1 на шариковых подшипниках 14, обе части барабана 4 фиксируются штифтами 19 по периметру. Внутри барабана 5 выполнена осевая сферическая кулиса К1 привода поршня 2 и кольцевого поршня 8, а также установлены радиальные съемные кулисы КЗ привода топливных насосов-форсунок 20 и К2 привода масляных насосов 23 и прерывателя распределителя 24 системы зажигания.The rocker drum 4 is cylindrical, detachable mounted on a bearing cylinder 1 on ball bearings 14, both parts of the drum 4 are fixed with pins 19 around the perimeter. Inside the drum 5, an axial spherical linkage K1 of the piston 2 drive and the annular piston 8 is made, as well as radial removable backstage KZ of the drive of the fuel pump nozzles 20 and K2 of the drive of the oil pumps 23 and the breaker of the distributor 24 of the ignition system.

Турбина 25 привода двигателя установлена снаружи кулисного барабана 4 и приводится в действие давлением выпускных газов через несколько каналов "вып" и сопел 10, снаружи также установлен зубчатый венец 26.The turbine 25 of the engine drive is installed outside the rocker drum 4 and is driven by the pressure of the exhaust gases through several channels "vyp" and nozzles 10, the ring gear 26 is also installed outside.

Механизм изменения степени сжатия состоит из гаек 27 и 28, навернутых на кулисный барабан 4 и несущий цилиндр 1, и упорного кольца 29.The mechanism for changing the compression ratio consists of nuts 27 and 28, screwed onto the rocker drum 4 and the bearing cylinder 1, and a thrust ring 29.

Мотор-генератор состоит из катушек 30 и магнита NS и выполняет функции стартера и генератора.The motor generator consists of coils 30 and an NS magnet and acts as a starter and generator.

Степень сжатия в полости "В" второй ступени в два раза больше степени сжатия воздушной полости "А" первой ступени, а объем полости "А" больше объема полости "В" в два раза.The degree of compression in the cavity "B" of the second stage is two times greater than the degree of compression of the air cavity "A" of the first stage, and the volume of the cavity "A" is two times larger than the volume of the cavity "B".

Реактивный двигатель детонационного сгорания работает следующим образом.A jet detonation combustion engine operates as follows.

В исходном положении поршень 2 второй ступени находится возле НМТ, продувочные окна "ПО" открыты, кольцевой поршень 8 первой ступени находится возле ВМТ, сжатый воздух из полости "А" по каналам "а" переходит в полость "В", в камере сгорания 5 впускные "вп" и выпускные "вып" каналы открыты, происходит продувка камеры сгорания 5 избыточным давлением воздуха. Далее поршень 2 движется к ВМТ, перекрывает продувочные окна "ПО", в камере сгорания 5 закрываются выпускные каналы "вып", происходит зарядка камеры сгорания 5 сжатым воздухом. Одновременно в камеру сгорания 5 впрыскивается топливо, которое смешивается с воздухом и проходит физико-химическую подготовку. Электрическая искра подается в камеру сгорания 5 так, чтобы период индукции горючей смеси закончился в момент прихода поршня 2 в ВМТ и впускные каналы "вп" закрылись фазовым кольцом 8, или шариками 33 седел 34, выполняющих функции затвора. Воздушная полость "В" отключена от камеры сгорания 5, последняя работает в автономном режиме и не зависит от положения поршня 2 нагнетателя воздуха. Начался процесс сгорания горючей смеси при постоянном объеме, который сопровождается взрывной, ударной волной и носит детонационный характер, приводящий к резкому увеличению температуры и давления и дополнительному выделению тепловой энергии. В конце сгорания открываются выпускные каналы "вып" и происходит процесс расширения газов, в процессе которого газы с большой скоростью мгновенно вылетают-выстреливают через сопла, импульсы силы реакции газов вызывают силу тяги и прямолинейное движение двигателя. Часть газов устремляется к турбине 25, которая вращает барабан 4 и рабочий цикл повторяется.In the initial position, the piston 2 of the second stage is located near the BDC, the purge windows "PO" are open, the annular piston 8 of the first stage is located near the BDC, the compressed air from the cavity "A" passes through the channels "a" into the cavity "B", in the combustion chamber 5 inlet "in" and outlet "vyp" channels are open, the combustion chamber 5 is purged with excess air pressure. Next, the piston 2 moves to the TDC, closes the “PO” purge windows, the “exhaust” exhaust channels are closed in the combustion chamber 5, and the combustion chamber 5 is charged with compressed air. At the same time, fuel is injected into the combustion chamber 5, which is mixed with air and undergoes physical and chemical preparation. An electric spark is supplied to the combustion chamber 5 so that the period of induction of the combustible mixture ends when the piston 2 arrives at the TDC and the intake channels “VP” are closed by a phase ring 8, or balls 33 of the seats 34, acting as a shutter. The air cavity "B" is disconnected from the combustion chamber 5, the latter operates autonomously and does not depend on the position of the piston 2 of the air blower. The process of combustion of the combustible mixture with a constant volume, which is accompanied by an explosive, shock wave and has a detonation character, leading to a sharp increase in temperature and pressure and an additional release of thermal energy. At the end of combustion, the exhaust ports open and the gas expansion process takes place, during which the gases instantly fly out and shoot through the nozzles at high speed, the pulses of the gas reaction force cause traction and rectilinear motion of the engine. Part of the gas rushes to the turbine 25, which rotates the drum 4 and the duty cycle is repeated.

Реактивный двигатель детонационного сгорания работает в реактивном и турбинном режимах на бедных смесях, экологически чистый и может быть применен как двигатель-модуль в кассетном исполнении для получения более мощного двигателя.The detonation combustion engine operates in reactive and turbine modes on lean mixtures, is environmentally friendly and can be used as a cassette-type engine module to produce a more powerful engine.

Claims

Двигатель, включающий в себя гильзы цилиндров, поршни, нагнетатель воздуха объемного типа, насос-форсунки, отличающийся тем, что он также включает в себя автономную камеру сгорания, в которой происходит детонационное сгорание топлива при постоянном объеме и в которую подается воздух при помощи нагнетателя воздуха объемного типа, кожух, зарядный механизм, кулисный барабан, турбину, мотор-генератор, зубчатый венец, топливный и масляный насосы, механизм изменения степени сжатия и систему охлаждения, при этом нагнетатель воздуха представляет собой двухступенчатый поршневой нагнетатель, который состоит из несущего цилиндра с поршнем второй ступени и установленной на несущем цилиндре воздушной камеры с кольцевым поршнем первой ступени, полости второй и первой ступеней соединены каналами, а объем воздушной камеры в два раза больше объема полости второй ступени, несущий цилиндр является опорой двигателя и состоит из двух гильз, запрессованных одна на другую, в гильзах выполнены каналы, окна и отверстия, составляющие систему коммуникаций двигателя, зарядный механизм состоит из камеры сгорания, фазовых колец с шаровыми пальцами, каналов и сопел, камера сгорания крепится фланцем к несущему цилиндру и соединена впускными каналами с полостью второй ступени нагнетателя воздуха, эти каналы закрываются фазовым кольцом или шариками со сферическими седлами, выполняющими функции затвора, выпускные каналы камеры сгорания открываются фазовым кольцом, в стенке камеры сгорания выполнена рубашка жидкостного охлаждения, кулисный барабан выполнен цилиндрическим, разъемным и установлен на несущем цилиндре на двух подшипниках, обе части барабана фиксируются штифтами по периметру, внутри барабана выполнены осевая сферическая кулиса привода поршней нагнетателя воздуха и две радиальные съемные кулисы привода топливных насос-форсунок, масляных насосов и прерывателя зажигания, снаружи кулисного барабана установлена турбина привода двигателя, которая приводится в действие давлением выпускных газов через несколько каналов и сопел, двигатель оборудован механизмом изменения степени сжатия, который состоит из двух гаек, навернутых на кулисный барабан и несущий цилиндр и упорного кольца, плоскость балки поршня второй ступени и плоскость шаровых пальцев кольцевого поршня первой ступени расположены под углом 90° друг к другу, указанные поршни движутся в разные стороны, в результате чего их силы инерции взаимно уравновешиваются.An engine including cylinder liners, pistons, a volumetric type air blower, pump nozzles, characterized in that it also includes an autonomous combustion chamber in which detonation combustion of fuel occurs at a constant volume and into which air is supplied by an air blower volumetric type, casing, charging mechanism, rocker drum, turbine, motor generator, ring gear, fuel and oil pumps, a mechanism for changing the degree of compression and cooling system, while the air blower represents a two-stage piston supercharger, which consists of a bearing cylinder with a piston of the second stage and an air chamber mounted on the bearing cylinder with an annular piston of the first stage, the cavities of the second and first stages are connected by channels, and the volume of the air chamber is two times the volume of the cavity of the second stage, the bearing cylinder It is a motor support and consists of two sleeves, pressed one on top of the other, the sleeves are made channels, windows and holes that make up the engine communications system, the charging mechanism consists of combustion chambers, phase rings with spherical fingers, channels and nozzles, the combustion chamber is flange-mounted to the carrier cylinder and connected by inlet channels to the cavity of the second stage of the air blower, these channels are closed by a phase ring or balls with spherical seats that act as a shutter, the exhaust channels of the combustion chamber open with a phase ring, a liquid cooling jacket is made in the wall of the combustion chamber, the rocker drum is cylindrical, detachable and mounted on a bearing cylinder with two bearings kach, both parts of the drum are fixed with pins around the perimeter, inside the drum there is an axial spherical link of the drive of the pistons of the air blower and two radial removable wings of the drive of the fuel pump nozzles, oil pumps and an ignition chopper, an engine drive turbine is installed outside the rocker drum, which is driven by pressure exhaust gases through several channels and nozzles, the engine is equipped with a compression ratio change mechanism, which consists of two nuts, screwed onto the rocker drum and bearing cylinder and the thrust ring, the plane of the beam of the second stage piston and the plane of the annular piston ball studs of the first stage are arranged at 90 ° to each other, said pistons move in opposite directions, whereby their inertia forces balance each other.