Детонация в двигателях внутреннего сгорания
Наиболее эффективным и экономически выгодным способом повышения детонационной стойкости авто- мобильных бензинов является добавление к ним антидетонационных присадок — антидетонаторов. Антидетонаторами называют такие вещества, которые нри добавлении к бензину в относительно небольших количествах значительно повышают его детонационную стойкость. Поиски способов устранения детонации в двигателях внутреннего сгорания при помощи присадок начались около 50 лет назад, и сразу же была обнаружена высокая эффективность тетраэтилсвинца (ТЭС). Однако весьма существенный недостаток ТЭС — его токсичность — заставлял все эти 50 лет продолжать поиски других антидетонаторов, менее токсичных, чем Т . Было испытано несколько тысяч самых разнообразных соединений различных классов. Наиболее эффективными оказались металлоорганические соединения. [c.127]Ярким примером такого воздействия является торможение окислительных реакций добавками незначительных количеств некоторых веществ — ингибиторов, или антиоксидантов.
Поиски присадок для устранения детонации в двигателях внутреннего сгорания проводятся уже более 70 лет. Наиболее эффективные антидетонаторы найдены среди органических производных свинца, олова, таллия, висмута, селена, теллура, марганца, железа, кобальта, никеля, меди, хрома и других металлов.
Другим примером процесса с разветвленными цепями может служить окисление газообразных углеводородов. Кинетика этого процесса сходна с кинетикой окисления водорода. Для замедления слишком энергичного развития цепей, приводящего к детонации в двигателях внутреннего сгорания, в бензин вводят ингибитор — тетраэтилсвинец, который реагирует с радикалами и вызывает обрыв цепей. [c.286]
Проведенные в лабораториях Национального авиатехнического института я опубликованные им исследования детонации в двигателях внутреннего сгорания имеют целью показать, что яри сгорании в цилиндре возникает несколько волн давления.
Вторым обстоятельством, имевшим такой же результат, нужно считать появление в это время в литературе взглядов о связи детонации в двигателе внутреннего сгорания с низкотемпературным предпламенным (т.
е. до его пламенного сгорания) окислением топлива. При этом предполагалось, а впоследствии было и объективно показано, что такое предпламенное изменение топлива происходит по типу холоднопламенного окисления. В таком случае, следовательно, рациональные поиски путей борьбы с детонацией, этим грозным фактором, лимитирующим развитие [c.159]
Иногда требуется повысить температуру самовоспламенения паров бензина для того, чтобы исключить явление детонации в двигателе внутреннего сгорания. Для этих целей применяются антидетонаторы. [c.90]
Кинетика окисления газообразных углеводородов сходна с кинетикой окисления водорода в том смысле, что также включает разветвленные цепные реакции, но она значительно сложнее. Для замедления слишком энергичного развития цепей (приводящего к детонации в двигателях внутреннего сгорания) в бензин вводят тетраэтилсвинец, который быстро реагирует с атомами и радикалами, что вызывает обрыв цепей.
[c.313]Изооктан — ценная добавка к бензинам, препятствующая их детонации в двигателях внутреннего сгорания. [c.353]
Высокая эффективность тетраэтилсвинца при подавлении детонации в двигателе внутреннего сгорания явилась стимулом для детального изучения его антиокислительного действия в различных условиях.
Реакцию термического разложения используют для получения тонких пленок чистого металла. Широкое применение нашел тетраэтилсвинец. Его добавляют к бензину для уменьшения детонации в двигателях внутреннего сгорания (антидетонатор). [c.262]
Поэтому вряд ли удивительно, что рассмотрение реакций, определяющих характеристики углеводородных топлив как источников мощностей, является больше умозрительным, чем количественным. Внимание было сосредоточено на исключении нежелательных особенностей окисления, например детонации в двигателях внутреннего сгорания при высоких степенях сжатия в результате больших усилий это было достигнуто эмпирическим путем, хотя некоторые усовершенствования были сделаны уже на ранних стадиях этих исследований.
Явление детонации в двигателях с искровым зажиганием обусловлено самовоспламенением несгоревшего газа впереди фронта пламени, двигающегося от источника зажигания. Это самовоспламенение вызывает механически вредную детонационную волну и нарушает граничные слои газов вблизи поршня и у стенок цилиндра, приводя к более быстрому распространению тепла от горячих газов к металлу. Наличие волн детонации было убедительно доказано высокоскоростной фотосъемкой [56]. [c.473]
К явлениям распространения пламени и привел к открытию детонации и в дальнейшем к ее всестороннему изучению. К той же категории явлений относится детонация газовых и пылевидных смесей в условиях различных производств, как и детонация в двигателе внутреннего сгорания, приводящая к быстрому износу и разрушению двигателя. Не входя в рассмотрение явления детонации с точки зрения практики, здесь коснемся только тех его сторон, которые в той или иной мере связаны с химией и кинетикой процессов горения. [c.
503]
Возникновение детонации в двигателе внутреннего сгорания является препятствием для применения высоких степеней сжатия и, следовательно, получения высокого коэффициента использования сжигаемого топлива.
Таким образом, экспериментальные факты свидетельствуют о том, что основную ответственность за подавление детонации в двигателе внутреннего сгорания следует возлагать на металлические продукты распада антидетонаторов, обладающие высокой химической активностью. При этом особой активностью отличаются металлы, имеющие переменную валентность по кислороду, — свинец, железо, марганец, хром. [c.155]
ДЕТОНАЦИЯ В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ [c.674]
Моторное топливо должно обладать максимальной устойчивостью к детонации. Детонация в двигателях внутреннего сгорания связана с преждевременным воспламенением горючей смеси. Это вызывает снижение мощности мотора и его преждевременного износа. [c.
57]
Ингибиторами процессов окисления могут служить самые разнообразные по своей химической природе вещества амины, хи-ноны, фенолы, нафтолы, органические и неорганические кислоты, сульфиды и многие другие соединения. Ингибирование реакций окисления ничтожными количествами добавляемых примесей, имеет больщое значение для практики, так как позволяет решать проблемы стабилизации малоустойчивых продуктов (крекинг-бензинов, смазочных масел, акролеина и др.), борьбы с детонацией в двигателях внутреннего сгорания, предохранения каучука от старения, пищевых жиров от окисления и т. д. [c.15]
Бензиновые карбюраторные поршневые двигатели еще на долгое время сохранят большое значение, особенно для легковых автомобилей. Поэтому следует продолжать работу по улучшению этиловой жидкости и по изысканию новых, более эффективных антидетонаторов. Большой интерес представляет вода. Вода давно и широко используется для гашения детонации в двигателях внутреннего сгорания.
Ш н а у ф е р К. Процессы горения и детонации в двигателях внутреннего сгорания. ОНТИ, 1934. [c.98]
Желательно дальнейшее исследование взрывных пределов. Беглый обзор рис. 21 и 23 показывает, что кривая высокотемпературного предела разрывается довольно резко при низких давлениях, если встречается зона холодных пламен. Как можно было ожидать, настоящему взрыву предшествует достаточно тяжелая реакция холодных пламен, дающая так называемое двухстадийное воспламенение. Можно предположить, что развитие взрыва сильно зависит от накопления промежуточных продуктов в течение первой стадии или стадии холодного пламени. Очевидно, что эта последовательность событий будет иметь тесную связь с развитием детонации в двигателях внутреннего сгорания (сжатие конечного газа). Однако исследование этих вопросов несколько выходит за рамки того материала, который мы здесь рассматриваем.
Влияние характера строения отдельных составных частей топлива на его детонацию в двигателе внутреннего сгорания мало изучено. Установлено, что возникновение детонации находится в зависимости от характера предварительного окисления топлива, вероятно в результате образования перекисей, происходящего во время всасывания н сжатия, а также от индукционной стадии сгорания. Образовавшиеся в течение этого периода нестойкие группы кислородных соединений до сгорания взрываются и тем самым вызывают энергичную активацию рабочей с.меси, в результате которой взрывная волна переходит в детонационную.
Проблема торможения реакций имеет большое теоретическое и практическое значение. Достаточно напомнить два применения торможения реакций на практике. Добавление ингибиторов, тормозящих окисление, к легкоокисляющимся крекинг-бензинам позволяет сравнительно долго хранить их [1].
При помощи отрицательных катализаторов можно тормозить реакцию окисления в газовой фазе и таким образом вести борьбу с детонацией в двигателях внутреннего сгорания. [c.40]
В американской литературе имелось неправильное указание на то, что жирные амины не тормозят окисление. В частности, указывалось, что будто бы они не являются ингибиторами детонации в двигателях внутреннего сгорания. Паши опыты показали, что амины жирного ряда практически почти так же эффективны, как амины ароматического ряда. [c.46]
В. Я. Гиттис и Р. С. Яковлевым [21], Б. А. Айвазовыми М. Б. Нейман [22] и др. была подмечена связь между способностью топлив образовывать холодное пламя и их склонностью к детонации в двигателе внутреннего сгорания. [c.345]
Наконец, третьей, также первоочередной задачей, которая в середине 30-х годов встала перед исследованием, являлось выяснение химической и кинетической природы отличий, установленных к этому времени для верхне- и нижнетемпературных процессов окисления углеводородов.
Помимо интереса познавательного характера, немаловажной причиной остроты, которую приобрел этот вопрос, явилось уже давно имевшееся в литературе представление о связи детонации в двигателе внутреннего сгорания с процессами медленного окисления, протекающими впереди фронта пламени в еще не сгоревшей части топливо-воздушно смеси. Эта идея, после открытия явления двухстадийного низкотемпературного воснламенения была рядом авторов расширена дополнительным и впоследствии экспериментально подтвержденным предположением о том, что в случае детонационного режима предпламенное окисление топлива в двигателе протекает по механизму нижнетемпературного окисления. Это несомненно придало актуальность задаче изучения сходства и различия в химизме процессов, составляющих содержание верхне- и нижнетемпературного окисления углеводородов. [c.93]
Протекание окислепия углеводородов путем ступенчатого окисления образующихся из них альдегидов не может объяснить происхождения детонации в двигателе внутреннего сгорания, так как альдегиды не оказывают продетонационного эффекта [4].
[c.204]
ИЗООКТАН (2,2,4-триметилпентан) — один из изомеров октана, бесцветная жидкость, напоминающая по запаху бензин, т. кип. 99,24° С. Служит стандартом для определения антидетонацион-ных свойств бензинов, которые для И. приняты за 100 единиц шкалы октановых чисел, характеризующих устойчивость топлив к детонации в двигателях внутреннего сгорания. Для н-гептана, имеющего низкую детонационную устойчивость, этот показатель принят равным нулю. [c.104]
В 20-х годах многие исследователи склонялись в пользу перекисной концепции, которую, в частности, использовали для объяснения детонации в двигателях внутреннего сгорания. Образование пероксидов при окислении воздушных смесей различных соединений наблюдали X. Календер (1928 г.), Е.В. Мардлес 0928 г.), П. Монден-Монваль (1929 г.). [c.373]
В заключение этой главы кратко рассмотрим детонационное распространение пламени в газовых смесях. Явление детонации газов, открытое в 1881 г.
Малларом и Ле Шателье [905] и независимо от них Вертело и Вьей [390], имеет огромное практическое значение, которое обусловлена необходимостью подавления детонации ввиду ее разрушительного действия. Детонация пыле-воздушных смесей в угольных шахтах представляет собой особенно яркий случай детоиации, когда борьба с нею становится настоятельной необходимостью. Имен1ю катастрофические взрывы в шахтах и послужили тем стимулом, который возбудил интерес к явлениям распространения пламени и привел к открытию детоиации и в дальнейшем к ее всестороннему изучению. К той же категории явлений относится детонация газовых и пылевидных смесей в условиях различных производств, как и детонация в двигателе внутреннего сгорания, приводящая к быстрому износу и разрушению двигателя. Не входя в рассмотрение явления детонации с точки зрения практики, здесь коснемся только тех его сторон, которые в той или иной мере связаны с химией и кинетикой процессов горения в детонационной волне. [c.636]
Попытаемся изложить химические основы действия антидетонаторов и систематизировать имеющиеся разрозненные факты из этой области с позиций нашей концепцпп первичности деструктивных процессов в двигателе.
Для этого нет необходимости детально разбирать все выдвигавшиеся в разное время теории детонации в двигателе внутреннего сгорания. Их авторы пыта- [c.152]
В предыдущем изложении приведены основные свойства детонационной волны для случая ее возникновения в длинной, горизонтально расположенной трубе. Уменьшая длину трубы и несколько увеличивая ее-диаметр, можно ностеиенно прийти к цилиндрической бомбе, т. е. к аппарату, который по своим размерам и форме является подобием цилиндра двигателя внутреннего сгорания, а вводя новые параметры — периодическую подачу газовой смеси и постоянное изменение ее плотности и темнературы в связи с движением поршня в цилиндре, — можно подойти, наконец, к явлениям воспламенения горючей смеси и детонации в двигателе внутреннего сгорания. [c.674]
Добавление 0,001—0,2% соединения типа дихлорида трн-4-(трег-амилфенокси) молибдена к бензину, содержащему обычное количество тетраэтилсвинца, значительно снижает детонацию в двигателях внутреннего сгорания, вызываемую воспламенением раскаленных отложений на поверхности двигателя з.
Грет-Бутилнирокате-хинат добавляется к смазочным маслам в качестве ингибитора коррозии и окисления [c.276]
Чтобы предотвратить детонацию в двигателях внутреннего сгорания и тем самым повысить степень сжатия, к горючему добавляют вещества, называемые антидетонаторами. Наиболее часто применяемый антидетонатор—тетраэтилсвинец (ТЭС) РЬ(СгН5)4, представляющий собой тяжелую ядовитую жидкость. [c.375]
Впервые теория Баха — Энглера была применена к процессам газофазного окисления только в 20-х годах для объяснения явления детонации в двигателях внутреннего сгорания. Согласно предположению X. Каллендара [21], причина взрыва горючей смеси заключается в мгновенном распаде органических перекисей, образовавшихся в период медленного предпламенпого окисления углеводородов прямым включением кислорода в молекулу углеводорода [c.216]
В качестве еще одного примера применения теории цепных реакций можно привести способ уменьшения детонации в двигателях внутреннего сгорания.
Для этого к бензину добавляют небольшие количества карбонила железа или тетраэтилсвинца. При сгорании этих веществ (вместе с парами бензина) образуются инертные молекулы окислов, которые способствуют дезактивации и уменьшают в.зрывной характер горения в двигателях. [c.181]
откуда она берется, чем опасна и как с ней бороться
Многие полагают, что современному двигателю, обвешанному датчиками, никакие детонации не страшны: электроника всё вытянет.Но это, к сожалению, не так.
Редакция
Нажимаете на педаль газа и тут же слышите звонкие постукивания в моторе? Это она и есть – детонация.
И не нужно повторять «эксперимент» раз за разом – плохо может кончиться…
Что это такое?
Детонация – это взрывообразное изменение параметров бензовоздушной смеси, заменяющее собой спокойное горение. Резко растет давление, возникает ударная волна, подскакивает температура. При этом появляются новые очаги самовоспламенения смеси. А когда ударная волна добирается до поверхности камеры сгорания, как раз и появляется упомянутый выше характерный стук.
В правильно отрегулированном моторе сгорание смеси завершается на грани детонации. Но стоит ее перешагнуть, как двигатель может отправиться на капремонт, а то и на свалку. Мотор, работающий с сильной детонацией на больших нагрузочных режимах, выходит из строя за считанные минуты. При этом опасность исходит как от механических нагрузок, так и от сильного перегрева деталей. Как правило, страдают поршни: теплоотвода у них нет, а температура плавления материала, из которого они изготовлены, относительно невысокая.
Рушатся перегородки между поршневыми кольцами, трескаются тарелки клапанов, прогорает прокладка головки блока цилиндров, разрушаются поршневые пальцы и шатунные вкладыши.
Кто виноват?
Основная причина, о которой говорят еще с жигулевских времен, это бензин с октановым числом ниже рекомендованного. Удивляться нечему: ведь октановое число – это главная характеристика антидетонационной стойкости бензина. В прошедшие времена жигулевские моторы страдали от бездумного применения бензина А-76 вместо АИ-93: его доставали по дешевке и не думали о последствиях. Сегодня многие владельцы также выискивают топливо подешевле, выбирая АЗС с привлекательными ценниками и заливая 92-й вместо 95-го.
Другая распространенная причина возникновения детонации – плохое состояние двигателя. Накопившийся после зимы нагар, моторное масло в камере сгорания – всё это провоцирует неконтролируемое воспламенение смеси. Кроме того, возникновению детонации могут способствовать неудачно проведенный тюнинг или ремонт мотора, вследствие которых степень сжатия становится выше расчетной.
Наконец, неумелые попытки снизить расход бензина при движении в натяг на небольших скоростях также могут привести к нежелательным последствиям
Как избежать?
Современные моторы оснащены датчиками детонации, сигналы которых заставляют контроллер, в частности, менять угол опережения зажигания в сторону более позднего. Но эти датчики не всесильны, они работают в узком диапазоне, а потому на каком-нибудь 66-м бензине машина все равно нормально не поедет. К тому же глушить мотор даже при сильной детонации они не будут: это небезопасно. Вдруг, например, вы идете на обгон по встречке, а вам уже сигналят фарами: ты чего, мол? В таких ситуациях глушить мотор никак нельзя: машина должна оставаться управляемой. Поэтому он будет продолжать работать даже с сильной детонацией, а это, как уже отмечалось, очень опасно для его «здоровья».
Советы, как водится, довольно простые. Главное – никогда специально не заправляться бензином с пониженным октановым числом.
Разработчик мотора всегда учитывает возможность кратковременных отклонений от нормы по октану, а потому несколько единичек отклонения мотор переживет. Но если, к примеру, заливать тот же 92-й вместо 95-го постоянно, то вместо него однажды можно нарваться, скажем, на какой-нибудь 88-й. А это – приговор двигателю.
При возникновении детонации надо сразу же забыть про любые резкие ускорения. Чтобы исключить подозрения на негодный бензин, желательно сразу же разбавить его чем-то заведомо пригодным, причем можно даже залить даже 98-й. Если детонация исчезнет, то виновник ясен. Если нет – не откладывайте визит на сервис.
Редакция рекомендует:
Хочу получать самые интересные статьи
Взрыву вопреки — Авторевю
Что позволяет современным бензиновым двигателям работать без особых проблем на топливе с разным октановым числом? Откуда такая всеядность — и почему нынешние двигатели почти равнодушны к детонации?
Детонация стала самым страшным врагом инженеров сразу после изобретения двигателя внутреннего сгорания в XIX веке.
Для большей отдачи увеличивали степень сжатия, вслед за которой росли давление и температура смеси в цилиндре в конце такта сжатия, — и после подачи искры топливовоздушная смесь детонировала. То есть воспламенялась практически мгновенно по всему объему камеры сгорания: этакий мини-взрыв, разрушающий детали двигателя.
Проблему усугубило появление наддува: сперва на авиационных моторах (в годы Первой мировой войны), а затем и на автомобильных. Чем выше давление в цилиндре, тем больше мощность — но и склонность к детонации тоже возрастает. Конструкторам пришлось уменьшать степень сжатия и применять высокооктановый бензин, но этого было недостаточно.
Oldsmobile F-85 Jetfire 1962 года — первый серийный легковой автомобиль с турбомотором: степень сжатия у двигателя V8 объемом 3,5 л уменьшать не стали, но применили систему впрыска воды (схема справа). Мощность по сравнению с атмосферником увеличилась со 188 до 218 л.с., крутящий момент — с 312 до 408 Нм
Oldsmobile F-85 Jetfire 1962 года — первый серийный легковой автомобиль с турбомотором: степень сжатия у двигателя V8 объемом 3,5 л уменьшать не стали, но применили систему впрыска воды (схема справа).
Мощность по сравнению с атмосферником увеличилась со 188 до 218 л.с., крутящий момент — с 312 до 408 Нм
Оставалось регулировать угол опережения зажигания. Ведь чем позже проскакивает искра, тем медленнее растет давление в цилиндре, да и его пик меньше — а значит, снижается вероятность детонации.
Но вот незадача: мощность двигателя при этом тоже уменьшается. Так что в предельных режимах — например, на взлете, когда необходима максимальная отдача, — с детонацией боролись… с помощью обычной воды! Ее впрыскивали во впускной коллектор, она испарялась в камере сгорания, снижая температуру топливовоздушной смеси, — и предотвращала детонацию.
Тем временем химики тоже не сидели без дела. В 1921 году сотрудники компании General Motors Чарльз Кеттеринг и Томас Мидгли обнаружили, что добавление химического соединения под названием тетраэтилсвинец в бензин существенно повышает его антидетонационную стойкость — иными словами, увеличивает октановое число.
Через пару лет в GM вместе с компанией DuPont наладили промышленное производство этой добавки к бензину под маркой Этил — намеренно не упоминая слова «свинец». Ведь этот тяжелый металл вызывает опасные отравления.
Экологи начали бить тревогу с конца 60-х годов, а в 1973 году в американском Агентстве по защите окружающей среды (EPA) подготовили первый акт о запрете этилированного топлива. Но его дешевизна и усилия лоббистов химической и автомобильной промышленности были настолько велики, что заметно уменьшить использование тетраэтилсвинца в Штатах удалось только к началу 90-х. Помогло то, что тетраэтилсвинец «отравлял» каталитическое покрытие сот нейтрализаторов и препятствовал их внедрению в качестве систем очистки отработавших газов.
Toyota Crown Turbo 1980 года с системой контроля детонации при помощи резонансного пьезодатчика. Рядная двухлитровая «шестерка» M-TEU с турбонаддувом и впрыском топлива развивала 147 л.с. и 211 Нм
В конце концов тетраэтилсвинец запретили.
В США — с 1996 года, в Евросоюзе — с 2000. У нас этилированный бензин нельзя производить и распространять с 2003 года. К сожалению, в слаборазвитых государствах, таких, как Алжир, Ирак, Северная Корея и Афганистан, это ядовитое топливо все еще в ходу.
Да и не был этилированный бензин панацеей — двигателисты не оставляли попыток придумать иное средство для борьбы с детонацией. Например, на купе Oldsmobile F-85 Jetfire 1962 года турбомотор (!) V8 3.5 мощностью 218 л.с. с высокой даже по нынешним меркам степенью сжатия 10,25:1 был оснащен системой впрыска смеси воды и метанола! Спирт был нужен, для того чтобы защитить систему от замерзания в холодное время года. В 1978 году аналогичный впрыск воды применила и шведская компания Saab, выпустившая ограниченной серией трехдверку 99 Turbo S.
Но эти модели были настоящим эксклюзивом, а большинство автолюбителей в 60-е и 70-е годы боролись с детонацией самостоятельно.
Как? Прислушиваясь. Зазвучал знакомый «металлический» детонационный звон — значит, либо на улице стало очень жарко (высокая температура окружающего воздуха — верный союзник детонации), либо бензин в баке ненадлежащего качества.
Нужно было открыть капот и подкрутить специальное регулировочное колесико на трамблере — так называемый октан-корректор — в сторону уменьшения угла опережения зажигания. Если водитель все делал правильно, то детонация исчезала. А заводская настройка угла опережения зажигания, разумеется, была очень мягкой: чтобы даже в тяжелых условиях, например, в жарком климате и при полной загрузке автомобиля, исключить риск детонации.Полная версия доступна только подписчикамПодпишитесь прямо сейчас
я уже подписанДетонация двигателя — причины и способы устранения, датчик детонации
Причины появления детонации двигателя
Двигатели внутреннего сгорания (д.в.с.) могут быть выведены из строя из-за возникающей при сгорании рабочей смеси детонации. Более высокие степени сжатия, улучшающие топливную экономичность двигателя, и изменение качества используемого топлива увеличивают склонность двигателя к детонации.
При высоких степенях сжатия пределы детонации часто находятся внутри установленного диапазона моментов зажигания (для минимального расхода топлива) или сдвинуты в сторону более позднего зажигания. Средства защиты двигателя от детонации предотвращают детонационное сгорание рабочей смеси при всех условиях работы двигателя.
Контроль детонации в двигателе и способ устранения
Датчик детонации, размещенный в соответствующем месте блока цилиндров, реагирует на возникающие при детонации высокочастотные колебания блока и трансформирует их в электро сигналы, поступающие в ECU. Так называемое «измерительное окно» синхронизировано с вращением коленчатого вала и полосовой фильтр используется для выделения данных, характеризующих детонацию. Эта информация затем сравнивается с сигналами, получаемыми во время сгорания без детонации. Управляющая цепь имеет исполнительные устройства, регулирующие работу двигателя и исключающие детонацию.
Схема действия системы защиты двигателя от детонации
При возникновении детонации момент зажигания смещается в сторону запаздывания в течение определенного числа тактов, после чего постепенно возвращается в первоначальное положение.
Особенно важно, что смещение момента зажигания может происходить индивидуально для каждого цилиндра двигателя, позволяя другим цилиндрам работать в соответствии с оптимальным моментом зажигания.
Контроль за детонацией в двигателях с турбокомпрессором
В таких двигателях помимо регулирования момента зажигания осуществляют изменение давления надувочного воздуха. ECU, регулируя момент зажигания, одновременно воздействует на электромагнит, открывающий заслонку в системе выпуска и перепускающий отработавшие газы в обход турбины компрессора. Это уменьшает давление наддува, и, следовательно, вероятность детонации.
Когда данная система используется в комбинации с цепями управления дроссельной заслонкой, она регулирует давление наддува, одновременно уменьшая противодавление для улучшения топливной экономичности.
Система защиты от детонации легко сочетается с электронным зажиганием; такое устройство часто используется в системах Motronic.
Датчик детонации
Датчик детонации размещается в таком месте, которое обеспечивает оптимальное определение детонации во всех цилиндрах двигателя.
Колебания блока цилиндров двигателя при детонации передаются к кольцевому пьезокерамическому диску, где они индуцируют переменное напряжение, которое затем подается по экранированному кабелю в ECU.
Датчик детонации:
1 – инерционная масса; 2 – заливка компаундом; 3 – пьезокерамический элемент; 4 – контакты; 5 — выводы
Для обнаружения детонации в двигателях с большим числом цилиндров могут потребоваться два датчика детонации. Работа этих датчиков синхронизирована с вращением распределительного вала, что позволяет осуществлять корреляцию сигналов датчиков детонации с отдельными цилиндрами.
Функции контроля
Водитель должен быть информирован о любой неисправности в системе защиты двигателя от детонации. В случае нарушения работы системы защиты ECU устанавливает постоянный более поздний момент зажигания. Индикатор на приборной панели автомобиля информирует водителя о нарушениях в работе системы или о тех случаях, когда замкнутая управляющая цепь при своей работе достигает пределов диапазона управления.
Детонация двигателя
Детонация – это самопроизвольное возгорание внутри цилиндра ПОСЛЕ срабатывания свечи зажигания. Это похоже на предварительное зажигание, но отличается.
При нормальном зажигании свеча зажигания срабатывает непосредственно перед тем, как поршень достигает ВМТ. Пламя проходит через камеру сгорания, воспламеняя топливно-воздушную смесь. Это вызывает постоянное увеличение давления в цилиндре и толкает поршень вниз при рабочем такте.
Когда происходит детонация, часть воздуха/топлива воспламеняется до того, как до него доходит нормальное горение.Это вызывает кратковременный, но интенсивный скачок давления в цилиндре.
Детонация также называется «Стук двигателя», «Стук» или «Стук» из-за звука, который она издает.
Как это указано?
- Стук или звон
- Падение температуры выхлопных газов (EGT)
- Сломанные поршневые кольца и/или свечи зажигания
- Повреждение поршня и/или клапанов
Чем это вызвано?
Детонация может быть вызвана несколькими факторами.
Несколько распространенных причин:
Превышение опережения зажигания
Если опережение зажигания слишком велико, свеча зажигания срабатывает слишком рано. Это приводит к тому, что пламя гаснет раньше времени. Оставшееся топливо может взорваться.
Бедная воздушно-топливная смесь
Обогащенная воздушно-топливная смесь работает холоднее, чем обедненная. Бедная смесь может стать слишком горячей и взорваться.
Слишком сильное сжатие
Сжатие вызывает нагрев. Если топливовоздушная смесь сжата слишком сильно, она может детонировать.
Перегрев двигателя
Низкий уровень охлаждающей жидкости или неисправность водяного насоса могут привести к перегреву двигателя. Слишком много тепла может привести к детонации воздуха/топлива в камере.
Топливо с низким октановым числом
Октановое число – это показатель «детонационной стойкости». Переход на топливо более высокого качества может помочь детонации двигателя.
Как это влияет на производительность?
Двигатель предназначен для работы определенным образом. Поскольку детонация прерывает эту конструкцию, она лишает двигатель мощности.
Большинство двигателей могут справиться с незначительной детонацией. Современные двигатели с впрыском топлива могут определять детонацию и регулировать соотношение воздух/топливо и угол опережения зажигания. Однако если детонацию не зафиксировать, это приведет к повреждению двигателя. Всего одна крупная детонация может привести к значительному ущербу.
Идентификатор ответа 5007 | Опубликовано 30.05.2018 12:58 | Обновлено 12.11.2019 14:46
Импульсный детонационный двигатель — ISSI
Импульсный детонационный двигатель Анимация предоставлена Фредом Шауэром (AFRL/PRTS) Что такое ФДЭ PDE расшифровывается как импульсный детонационный двигатель.Рабочий цикл нашего PDE показан на анимации выше.
Сначала в трубку впрыскивается продувочный воздух (синий), чтобы изолировать выхлопные газы от следующего заряда топлива/воздуха. После завершения этого процесса продувки трубка заполняется предварительно смешанной газообразной смесью топлива и воздуха (зеленый цвет). Клапаны закрываются, и обычная автомобильная свеча зажигания воспламеняет смесь, вызывая ее дефлаграцию. Дефлаграция — это знакомое повседневное возгорание, наблюдаемое при зажигании спички. В этот момент работа PDE начинает отличаться от работы обычного двигателя.
Волна дефлаграции в результате процесса, называемого переходом дефлаграции в детонацию (DDT), ускоряется до явления, известного как детонация. В отличие от дефлаграции, которая распространяется с дозвуковой скоростью и вызывает пиковое повышение давления только в два-три раза по сравнению с атмосферным, детонация распространяется со скоростью 5-6 Маха и вызывает пиковое повышение давления от 30 до 100 атм. Через очень короткое время детонационная волна выходит из трубы, оставляя газ высокого давления и температуры в детонационной трубе.
Выброс этого высокоэнергетического газа создает тягу. На двигателе летного проекта каждую секунду производится по 20 детонаций в каждой из четырех трубок. Таким образом, каждую секунду происходит 80 детонаций. Эти быстрые импульсы силы создают тягу для движения самолета.
Нет. Во время Второй мировой войны Германия, а затем и Соединенные Штаты оснастили несколько систем вооружения двигателями, называемыми импульсными реактивными двигателями. Предпосылка импульсного реактивного двигателя очень похожа на основу PDE.Однако в импульсном реактивном двигателе топливо сгорает, а не детонирует. Дефлаграции вызывают пиковое повышение давления только на 2-3 атм и происходят на дозвуковых скоростях. С другой стороны, детонация вызывает пиковое повышение давления на 30 и более атм и распространяется со скоростью 5 Маха или быстрее. Таким образом, несмотря на низкую стоимость и простоту PDE, импульсные реактивные двигатели не достигают высокой эффективности и сверхзвукового рабочего диапазона, связанных с технологией PDE.
PDE предлагают широкий спектр потенциальных преимуществ как для военных, так и для коммерческих потребителей двигателей.Во-первых, как показано на графике справа, PDE имеют гораздо более широкий диапазон эффективности, чем реактивные двигатели. На самом деле прогнозируется, что PDE будут поддерживать превосходную эффективность во всем диапазоне от статической тяги до 4 Маха.
Хотя PDE менее эффективны, чем реактивные двигатели на низких скоростях, они обеспечивают более высокую производительность при высоких числах Маха. В диапазоне 2-4 Маха ни одна другая технология двигателя не может похвастаться более высокой производительностью. Кроме того, в отличие от ГПВРД или ПВРД, которым для достижения крейсерской скорости требуется отдельный двигатель, ПДЭ может взлетать своим ходом.Наконец, PDE содержат очень мало движущихся частей. В отличие от реактивных двигателей, для которых требуется множество компонентов, изготовленных из специальных материалов и предназначенных для работы на высоких частотах вращения, ПДЭ просты и просты в обслуживании.
Фактически, первые исследовательские PDE на базе ВВС Райт-Паттерсон были построены почти полностью из готовых автомобильных компонентов.
ISSI предоставляет несколько сотрудников, которые играют ключевую роль в проекте полета, который является государственным исследовательским проектом, финансируемым отделом науки о горении Управления исследовательской лаборатории ВВС.Кроме того, Scaled Composites консультирует по вопросам использования своего самолета Long EZ, предоставляет летчиков-испытателей и проводит летные испытания. Управление воздушных транспортных средств на базе ВВС Райт-Паттерсон делится своим опытом в области акустических и вибрационных измерений и обеспечивает дополнительное финансирование проекта. Наконец, Universal Technology Corporation (UTC) предоставляет несколько членов команды в области дисплеев и связей с общественностью. Эта программа была бы невозможна без объединения усилий и талантов многочисленных ученых, инженеров, техников и администраторов, которые работают в промышленности, учатся в научных кругах и служат США.
С. правительство в форме или без нее.
Целями проекта полета PDE являются приведение в движение самолета с помощью PDE, исследование акустического и вибрационного воздействия PDE на планер и пилота, а также демонстрация потенциала PDE сообществу исследователей горения. Эта демонстрация, первая в своем роде, представляет собой первый шаг к разработке PDE как жизнеспособной технологии движения.. Хотя самолет не будет сертифицирован для полетов, будет получен сертификат летной годности FAA Phase II.
Следует отметить, что это не демонстрация движка. PDE был построен с низкими затратами и с точки зрения исследования, проверки концепции. Несмотря на то, что двигатель достаточно надежен, чтобы соответствовать надзору и нормам FAA/EA, он не предназначен для массового производства или длительной эксплуатации. Система была разработана для демонстрации дозвукового полета PDE со скоростью примерно 200 миль в час.
Двигатель имеет ограниченную площадь клапана и не предназначен для демонстрации возможностей высокой тяги.
Да, цель этого проекта состояла в том, чтобы продемонстрировать жизнеспособность технологии PDE, а не исследовать оптимизацию конструкции PDE. Таким образом, двигатель был построен с использованием недорогих стандартных автомобильных компонентов. Эти детали можно легко заменить и модифицировать, и они легко доступны, что делает их идеальными для исследовательской среды.
Это работает? Да, ISSI с 1998 года успешно запускает исследовательские PDE в AFRL/PRTS без использования обогащения кислородом, бризантных взрывчатых веществ или слишком длинных детонационных труб. Фактически, в то время как многие группы измеряют свои тестовые запуски в секундах, PDE, разработанные персоналом ISSI, производят тягу в течение нескольких часов. Первый в мире полет PDE, установленного на самолет Rattan LongEZ , был успешно завершен 31 января 2008 года компанией ISSI в сотрудничестве с Исследовательской лабораторией ВВС и компанией Scaled Composites.
Подробнее см. здесь.
Стабилизированная детонация для гиперзвуковых двигателей
Значение
В настоящее время активизируются международные усилия по разработке надежных двигательных установок для гиперзвуковых и сверхзвуковых полетов. Такая система позволила бы летать через нашу атмосферу на очень высоких скоростях и позволяла бы эффективно входить и выходить из планетарных атмосфер. Возможность основывать такую систему на детонации, самой мощной форме горения, потенциально может обеспечить более высокую термодинамическую эффективность, повышенную надежность и снижение выбросов.В этой работе сообщается о важном шаге в достижении этой цели: открытии экспериментальной конфигурации и условий потока, которые генерируют стабилизированную наклонную детонацию, явление, которое может произвести революцию в высокоскоростных двигателях будущего.
Abstract
Будущие наземные и межпланетные путешествия потребуют высокоскоростных полетов и входа в планетарные атмосферы с помощью надежных управляемых средств.
Это в значительной степени зависит от наличия надежных силовых установок для гиперзвуковых и сверхзвуковых полетов.Учитывая доступность топлива в качестве топлива, мы, вероятно, будем полагаться на какую-то форму химического или ядерного двигателя, что означает использование различных форм экзотермических реакций и, следовательно, волн горения. Такими волнами могут быть дефлаграции, которые являются дозвуковыми волнами реакции, или детонации, которые являются сверхвысокоскоростными сверхзвуковыми волнами реакции. Детонация — чрезвычайно эффективный, высокоэнергетический способ реакции, обычно связанный с интенсивными взрывами и сверхновыми. Двигательные установки на основе детонации в настоящее время представляют значительный интерес из-за их потенциального использования для большей двигательной мощности по сравнению с системами на основе дефлаграции.Понимание воспламенения, распространения и стабильности детонационных волн имеет решающее значение для использования их движущего потенциала и зависит от нашей способности изучать их в лабораторных условиях.
Здесь мы представляем уникальную экспериментальную конфигурацию, гиперзвуковую высокоэнтальпийную реакционную установку, производящую фиксированную в пространстве детонацию, что имеет решающее значение для контроля и использования реактивной мощности. В гиперзвуковом потоке водорода и воздуха создается стоячая косая детонационная волна, стабилизированная на рампе.Диагностика потока, такая как высокоскоростная теневая диаграмма и хемилюминесцентная визуализация, показывает инициирование и стабилизацию детонации и подтверждается сравнением с моделированием. Этот прорыв в экспериментальном анализе позволяет найти возможный путь для разработки и интеграции технологии сверхскоростной детонации, позволяющей создавать гиперзвуковые двигательные установки и усовершенствованные энергетические системы.
Достижение высокоскоростного полета на сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях в настоящее время является национальным приоритетом и международным направлением.Для достижения этой конечной цели необходимы высокоэнергетические режимы движения транспортных средств (1).
Один набор новых концепций, двигатели на основе детонации, может сыграть важную роль в том, чтобы сделать исследование космоса и межконтинентальные путешествия такими же обычными, как сегодня междугородние путешествия (2).
Двигательные установки на основе детонации представляют собой трансформационную технологию для поддержания технологического превосходства высокоскоростных двигательных и силовых установок (3). Эти системы включают газотурбинные двигатели, реактивные двигатели с форсажной камерой, прямоточные и прямоточные воздушно-реактивные двигатели и прямоточные ускорители.Детонация — это инновационная схема гиперзвукового двигателя, которая значительно увеличивает эффективность термодинамического цикла (от 10 до 20%) по сравнению с традиционными циклами, основанными на дефлаграции (4, 5). Даже для применений, где нет дополнительных термодинамических преимуществ, циклы на основе детонации показали, что они обеспечивают повышенную эффективность сгорания, как детонационные двигатели с вращающимся поршнем (6).
Развитие исследований сверхскоростных детонационных систем поможет реализовать и развить это технологическое преимущество перед существующими двигательными и силовыми установками.
Детонация – это сверхзвуковая волна горения, состоящая из ударной волны, вызываемой выделением энергии в результате тесно связанных химических реакций. Эти волны распространяются со скоростью, во много раз превышающей скорость звука, часто достигая скорости 5 Маха, как в случае водородно-воздушной топливной смеси. Двигатель, работающий с потоком 5 Маха, соответствует числу Маха полета от 6 до 17 (7⇓–9). Это сравнимо с получасовым перелетом из Нью-Йорка в Лондон и в 5 раз быстрее, чем среднее время, затрачиваемое легендарным Конкордом на то же самое путешествие.Идея использования детонационных волн для движения и производства энергии не нова (3), хотя реализация этой концепции была трудной. Значительное внимание исследователей привлекли три основные категории концепций детонационных двигателей: импульсные детонационные двигатели (5, 10⇓–12), вращающиеся детонационные двигатели (13⇓–15) и двигатели со стоячей и наклонной детонационной волной (ODWE) (3, 7, 16⇓–18).
ODWE представляет особый интерес благодаря своей теоретической способности разгонять гиперзвуковые самолеты до скоростей, необходимых для космических самолетов и других многоразовых космических ракет-носителей.На рис. 1 показан концептуальный гиперзвуковой аппарат с ODWE, а также связь с экспериментальными и расчетными результатами этого исследования. Задача разработки этих концепций двигателей заключается в поиске надежных механизмов инициирования детонации и надежной стабилизации этих волн в высокоскоростных условиях с высокой энтальпией, которые можно было бы ожидать от этих концепций двигателей.
Схема концепции двигателя с косой детонацией. Экспериментальные и расчетные области ODW выделены вместе с их расположением в тракте двигателя.
Лабораторные эксперименты и численное моделирование показали ряд режимов инициирования детонации, а численное моделирование прояснило важные основополагающие принципы их стабилизации (19⇓⇓⇓⇓⇓–25). Несмотря на эти достижения, проблема усугубляется исторической сложностью достижения стабилизированной детонации в экспериментальной установке, которая создает реалистичные условия полета, которые можно адаптировать для использования в реальном двигателе.
Предыдущие экспериментальные исследования не смогли продемонстрировать стабилизированную косую детонационную волну (ODW) в течение длительного периода из-за использования в них ударных/расширительных трубок или снарядов (7, 22, 26⇓–28).Эти типы средств имеют ограниченное время работы, порядка микросекунд или миллисекунд. Еще одной серьезной трудностью в стабилизации детонационной волны является распространение волны вверх по потоку через пограничный слой, что приводит к незапуску двигателя. Недавние эксперименты показали переход от дефлаграции к детонации в гиперзвуковом потоке и неустойчивую детонацию, распространяющуюся вверх по потоку (24). Несколько численных исследований показали потенциально устойчивую ODW, но не имеют экспериментального подтверждения (21, 23, 29, 30). Это оставляет неопределенность в отношении стабильности ODW, которую необходимо решить с помощью экспериментов, способных создать соответствующие условия и поддерживать их в течение длительного периода.
В этом документе представлены результаты исследования, демонстрирующего экспериментально контролируемое инициирование и стабилизацию детонации в гиперзвуковом потоке для ситуации, аналогичной предлагаемым условиям полета для этих концепций транспортных средств с активным временем работы в несколько секунд.
Экспериментальные результаты фиксируют стабилизированную детонацию, как показано на теневой диаграмме и изображениях хемилюминесценции, и дополнительно подтверждаются и объясняются теорией и численным моделированием системы. В высокоэнтальпийной гиперзвуковой реакционной установке для воспламенения и стабилизации ODW используется рампа под углом 30°, схематически показанная на рис.2 А . Нагруженный ударами поток с высоким числом Маха вызывает повышение температуры, чтобы воспламенить и стабилизировать детонацию в поступающей водородно-воздушной смеси. Комбинация согласования числа Маха потока с условиями MCJ и подпиткой низкого пограничного слоя приводит к стабилизированной детонации. Измерения статического давления подтверждают повышение давления, вызванное детонационной волной. Высокоточное компьютерное гидродинамическое моделирование использовалось для получения дополнительных подробных сведений о процессе инициирования и стабилизации детонации.
( A ) HyperReact.
( B ) Нереагирующее поле течения и ( C ) стабилизированный ODW.
Стабилизация детонации в гиперзвуковом потоке
Детонация стабилизируется на рампе в гиперзвуковом потоке, как показано на рис. 2. Изображения на рисунке показывают градиенты плотности потока (теневой график) с наложенной хемилюминесценцией химических реакций. На рис. 2 B показан базовый нереагирующий гиперзвуковой поток, в котором работала камера форсажа, а основной впрыск топлива не активировался, что привело к отсутствию дополнительных химических реакций в рабочей части.На рис. 2 C показано то же гиперзвуковое течение с включенным топливом, в результате которого возникла стабилизированная ОДВ. Гиперзвуковой поток создается осесимметричным сужающимся-расширяющимся соплом со скоростью 5 Маха, как показано на рис. 2 A . Топливо и воздух предварительно смешиваются немного выше по потоку от горловины форсунки, как подробно описано в «Материалы и методы» .
Угол поворота рампы θ=30°. Давление торможения потока (P0) составляет 5,63 МПа, а температура торможения (T0) составляет 1060 K, в результате чего эффективное число Маха на выходе равно 4.4, значение, ожидаемое в тракте двигателя транспортного средства, летящего с числами Маха в диапазоне от 6 до 17, в значительной степени зависит от конструкции впускного отверстия двигателя (7⇓–9). Показанный здесь случай с топливом имеет молярный состав смеси основных компонентов h3/O2/N2/h3O=13,2/9,3/62,0/14,7% (что дает глобальное отношение эквивалентности h3/O2 ϕTS=0,71).
Перед заправкой установки было проанализировано поле нереагирующего потока, чтобы подтвердить, что косая ударная волна, создаваемая рампой, соответствует теоретическому решению для адиабатической наклонной ударной волны для 30-градусной рампы.Для заданного отношения площадей сопла (A/A* = 25) нереагирующий гиперзвуковой поток показывает прогнозируемый угол косого скачка уплотнения (β) в 42° для числа Маха входящего потока 4,4 с отношением удельных теплоемкостей (γ) 1,3.
После подачи топлива над рампой инициируется ODW, который поддерживается в течение всего времени экспериментального испытания, примерно 3 с. Во время реакции наибольшая интенсивность сигнала хемилюминесценции наблюдается непосредственно над рампой из-за наличия в этом месте детонационной волны.Устойчивая детонация показана реагирующей ударной структурой (RS2) на рис. 2 C . Когда входящий поток проходит через S2, он попадает в индукционную область. В индукционной области смесь нагревается за счет повышения температуры поперек скачка уплотнения. Этот нагрев позволяет протекать процессу реакции путем самовоспламенения и образования детонационной волны с более крутым углом RS2 (73°) (31). Скорость потока рассчитана как равная 99,7% теоретической скорости волны детонации для свободно распространяющейся нормальной детонации в этой смеси UCJ.Профиль статического давления, показанный на рис. 3 D , измеренный ниже по потоку от рампы, показывает явный рост давления, вызванный реакцией, по сравнению с кривым базового нереагирующего давления в течение продолжительности испытания без активации топлива.
Пиковое давление достигает 2,7-кратного базового давления без реакции и 10,5-кратного выходного давления сопла. Баланс скоростей и измерения повышения давления являются сильным подтверждением образования детонации.
( A – C ) Структура детонации для трех стадий во время прогона и ( D ) реагирующей рабочей части отношение статического давления (давление реагирующего корпуса [PR]/давление нереагирующего корпуса [PNR] ]) против.время.
Механизм наклонной детонации
ODW поддерживается на время активной заправки. На рис. 3 показана последовательность изображений вместе с рефлектограммой давления для реагирующего случая. Фронт детонации оставался над поверхностью рампы в течение всего времени реакции. Пока детонация поддерживается, положение фронта детонации слегка колеблется на протяжении цикла циклическим образом. Структура ударной волны впереди динамически реагирует на колебания фронта детонации, как это видно на временных рядах теневых изображений на рис.
3. Ведущий фронт реакции остается в точке перегиба между скачками S2 и RS2, а реакции по поверхности рампы циклически распространяются вверх и вниз по потоку. Считается, что реакция проходит от цикла к циклу, варьируя детонацию от недостаточной к чрезмерной из-за турбулентного характера реагирующего потока. Дополнительное горение происходит за денотативным фронтом реакции, над ведущим фронтом реакции и у верхней стенки. Сигнал хемилюминесценции фильтруется, чтобы выделить самые сильные люминесцентные излучения, которые находятся в видимом диапазоне длин волн, в то время как широкие спектры встречаются в УФ-диапазоне длин волн.Следовательно, на этих изображениях не видно свечения от широких частиц в тестовом сечении.
Важным аспектом устойчивости детонационной волны является достижение идеального баланса состава смеси и тепловыделения для реакции в потоке с большими числами Маха. Высокое тепловыделение приведет к перегруженной детонации, которая будет распространяться вверх по потоку, навстречу потоку.
И наоборот, низкое тепловыделение приведет к тому, что реакция пойдет вниз по течению и сгорит. Модель сжимаемого потока используется для прогнозирования пределов, при которых может быть достигнута стабильность ODW (20).Модель дает теоретическую оценку диапазона углов поворота и чисел Маха потока, в котором возможна стабильность ODW для данного состава смеси, статической температуры и количества тепла, выделяемого при детонации. Полоса устойчивости определяется как условия, существующие на ударной поляре, показанной на рис. 4, между θCJ и θMax. При заданном числе Маха потока θCJ — это минимальный угол поворота, при котором рассчитанная детонация может быть стабилизирована, а θMax — максимальный угол поворота, при котором ODW будет оставаться прикрепленным к аппарели.Ударная поляра возникает из числа Маха Чепмена-Жуге (CJ), MCJ, которое представляет собой число Маха, при котором детонация будет свободно распространяться в покоящейся смеси того же состава и той же статической температуры.
Числа Маха потока ниже этого значения не имеют стабильного решения. Поскольку значение MCJ сильно зависит от состава смеси, необходимо учитывать уровень предварительного смешивания. Это было достигнуто с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света h3 измерения профиля топлива в тестовой секции, более подробно обсуждаемой в Материалы и методы .Чтобы определить соответствующее значение MCJ для этого тестового примера, были рассчитаны средние локальные отношения эквивалентности (ϕTSL_AVG) от стены испытательного участка до 0,16-кратной высоты испытательного участка и от стены до 0,30-кратного высоты испытательного участка. Эти высоты соответствуют полной высоте рампы и приблизительной высоте, на которой формируются реакция и тройная точка, и были выбраны так, чтобы охватить топливо, которое с наибольшей вероятностью пройдет через область индукции и детонационную волну. Для нижнего сегмента ϕTSL_AVG был рассчитан равным 0.24, а для верхнего сегмента ϕTSL_AVG = 0,44, что дает локальные значения MCJ 2,95 и 3,68 соответственно.
На рис. 4 показаны пределы стабильности ODW с диапазоном обоих значений, выделенным в области, заштрихованной красным. Число Маха потока и угол рампы θ для эксперимента не изменяются. Это помещает условия испытаний (M=4,4, θ=30°) в теоретические пределы стабильности, созданные ударными полярами для этих условий.
. MCJ увеличивается с увеличением ϕTSL_AVG, смещая полярность в направлениях, указанных стрелками.Сплошные линии представляют условия для ϕTSL_AVG = 0,24 с градиентами, продолжающимися до условий для ϕTSL_AVG = 0,44. Маркер с голубым ромбом представляет условия испытаний.
Численное моделирование
Численное моделирование было выполнено в условиях, приближенных к условиям, достигнутым на экспериментальной установке, для подтверждения экспериментальных результатов и сравнения, в частности, структуры ODW. Моделирование решает уравнения реакции Навье-Стокса для сжимаемой жидкости путем численного интегрирования с точностью пятого порядка по пространству и второго порядка по времени на декартовой динамически адаптирующейся расчетной сетке.
Этот метод подробно обсуждается в гл. 32. Максимальный размер расчетной ячейки 1,4 мм, минимальный 11 мкм. Реакции моделируются с помощью упрощенной откалиброванной химико-диффузионной модели (CDM), в которой используется одна скорость реакции Аррениуса для преобразования реагентов в продукты. CDM широко использовался в исследованиях детонации, показывая, что он воспроизводит требуемые свойства горения, такие как скорость волны детонации и температура пламени (33⇓–35), и недавно использовался для изучения характеристик воспламенения и стабильности ODW, когда на поверхности присутствует пограничный слой. поверхность клина (32).Для этого исследования CDM был оптимизирован для водородно-воздушной смеси.
Сверхзвуковое реактивное течение над аппарелью было смоделировано идеализированным образом, в прямоугольной области с диагональным втеканием с левой и правой границ, с использованием граничного условия на нижней стенке для моделирования взаимодействия потока с аппарелью. Таким образом, область и условия были построены так, как если бы они были повернуты на 30°, чтобы смоделировать угол наклона на ортогональной сетке, показанной на рис.
5 A . Визуализация результатов на рис.5 B был повернут в экспериментальную систему отсчета и обрезан для более точного представления экспериментов.
( A ) Расчетная область, наложенная на геометрию наклона испытательного участка. ( B ) Результаты моделирования, показывающие температурное поле ODW. ( C ) Экспериментальное теневое изображение структуры ODW с наложением результатов моделирования B .
Моментальный снимок численного результата показан на рис. 5 B , и это же изображение наложено на экспериментальный теневой график на рис.5 C с выровненными соответствующими структурами. Отсутствие турбулентности, присутствующей в моделировании, по сравнению с ее обилием в экспериментах, потребовало попытки компенсировать локальные эффекты сжимаемости и колебания температуры в экспериментах путем моделирования притока с более высокой статической температурой. Об этом свидетельствует минимальная температура, ограниченная на цветовой карте рис.
Таким образом, энтальпия поступающей топливно-воздушной смеси в моделировании увеличивается по сравнению с экспериментальной установкой, чтобы компенсировать неспособность моделирования воспроизвести турбулентность эксперимента, которая, как было показано, способствует воспламенению смеси за счет образование вихревых ударов и эффекты локальной сжимаемости (36). Число Маха притока равно 5 (число Маха, возникающее в экспериментальной установке после полного расширения набегающего воздушного потока), а статическое давление соответствует экспериментальному.Горящий пограничный слой присутствует из-за большого количества вязкого нагрева, происходящего вдоль границы прилипания, наложенной на поверхность рампы. Выше пограничного слоя набегающий поток проходит индукционную область, в которой происходит самовоспламенение потока с образованием фронта реакции, который круче и пересекает опережающий косой скачок уплотнения. Это пересечение образует тройную точку чрезвычайно высокого давления и температуры, из которой распространяется ОДВ.
На рис. 5 C видно, что ведущая косая ударная волна, тройная точка и ODW очевидны как в эксперименте, так и в моделировании, и все они являются важными характеристиками традиционной структуры ODW.В моделировании наблюдается четкая структура детонационной ячейки, характерная для распространяющейся детонационной волны.
Режимы гиперзвукового реагирующего течения
В процессе преследования устойчивых детонационных волн, описанных в этой статье, был изучен широкий диапазон условий. Во время этого процесса наблюдались три основные формы поведения реакции, показывающие эволюцию и управляемость различных режимов горения в широком диапазоне условий. На рис. 6 показаны условия, проверенные на установке.Угол поворота потока поддерживался постоянным при θ=30°, в то время как давление торможения, температура торможения и состав смеси варьировались. При относительно низких общих температурах, полных давлениях и коэффициентах эквивалентности, представленных режимом I на рис.
6, на поверхности рампы происходят реакции дефлаграции.
( Левый ) Рабочие условия протестированы с рампой для θ=30° с картой стабильности для реагирующих условий испытаний. ( Право ) Наложенная теневая хемилюминесценция основных режимов работы: режим I, наклонное ударно-индуцированное горение; режим II, ударно-индуцированное горение диска Маха; и режим III, ODW.
При повышении температуры и давления происходит взрывное возгорание. Для случаев в режиме II реакция носит колебательный характер. Начиная с точки инициации на дальней стенке, реакция начинает нагнетать давление и распространяться вперед. Поступательная волна реакции пересекается с косым скачком скачка, генерируемым рампой, и образует диск Маха. Диск Маха — это обычный удар с высокотемпературным восстановлением, обеспечивающим более высокую скорость реакции и более быстрое выделение тепла, что приводит к распространению перегруженной детонации вверх по потоку.Скорость распространения этих реакций превышает 80% скорости детонации КС.
Ударно-связанная реакция входит в сопло, а затем отступает обратно вниз по потоку, чтобы либо погасить, либо повторить цикл.
Режим III реализуется при самых высоких испытательных давлениях (от 5,6 до 5,9 МПа) и суммарных температурах от 1050 до 1100 К. В пределах испытательного участка наблюдается устойчивая косая детонация при значениях ϕTS примерно от 0,7 до 1,2. Случай, использованный для иллюстрации устойчивого ODW, относится к режиму III.Дополнительное давление торможения в этом режиме, по сравнению со всеми остальными случаями, является решающим фактором в установлении стабильного ODW при температурах и числах Маха потока данной установки.
Реакции в этом режиме вызывают повышение давления в тестовой секции по сравнению с базовым случаем без реакции при одинаковых общем давлении и температуре. На рис. 7 A показано отношение пикового статического давления в испытательной секции в случаях реакции в режиме III по отношению к базовому статическому давлению.
В режиме III рост давления остается примерно в 2,7 раза выше, чем в базовом случае. На рис. 7 B показано среднее значение отношения давлений для всех измеренных случаев режима III за время работы. Профиль показывает постоянное и повторяющееся повышение давления после впрыска водородного топлива.
( A ) Нормированное повышение давления для случаев ODW (режим III). ( B ) Средняя степень сжатия в режиме III в зависимости от времени.
Материалы и методы
Для этого исследования используется гиперзвуковая реакционная установка с высокой энтальпией (HyperReact) в Университете Центральной Флориды (UCF), как показано на рис.8. Установка состоит из пяти основных компонентов, а именно, в порядке их расположения вдоль осевого направления установки, проточного подогревателя, камеры смешения, основной ступени впрыска топлива, сужающегося-расширяющегося (СД) сопла и оптически доступный тестовый раздел. Проточный подогреватель состоит из коаксиального факела водородно-воздушной струи, окруженного равномерно расположенными спутными воздушными струями, потребляющими 44% кислорода.
Подогреватель регулируют для достижения диапазона температур торможения от 800 до 1200 К, что соответствует статической температуре от 180 до 320 К в испытательной секции.Смесительная камера состоит из квадратного канала с внутренней высотой 45 мм и длиной 350 мм. Этот сегмент установки позволяет подавать гомогенную смесь прямо в сопло CD. Впрыск основного топлива, используемый для последующих реакций, вводит дополнительное топливо перед входом в сопло CD, чтобы обеспечить предварительное смешивание. Сопло КД имеет осесимметричное квадратное сечение по всей длине сопла. Характерной шкалой длины сопла является высота 45 мм как на входе, так и на выходе, а высота горловины 9 мм.Соотношение площадей входа и выхода к горловине составляет 25:1. Сужающаяся часть сопла CD предназначена для создания равномерного профиля скорости в горловине и минимизации роста пограничного слоя, как подробно описано Беллом и Мехтой (37). Расширяющаяся часть сопла состоит из трехмерного контура, полученного с помощью аналитического метода Фельша (38), и используется кубическая функция согласования (39) для плавного перехода между двумя сегментами сопла.
Дополнительную информацию о конструкции сопла можно найти в исх.40. Сопло CD предназначено для обеспечения выходного числа Маха М = 5,0 для сухого воздуха при температуре 300 К (24, 40). Эффективное число Маха зависит от отношения теплоемкости смеси, поступающей в сопло для испытания, в зависимости от температуры и состава, что дает диапазон от 4,3 до 4,6. Сопло КД выдает гиперзвуковую потоковую смесь в оптически доступную рабочую часть, состоящую из квадратного канала высотой 45 мм и длиной 159 мм. Топливо, используемое для ступени подогревателя и основного впрыска топлива, равно 99.99% водород сверхвысокой чистоты. Воздух подается из резервуара источника давления при 34,45 МПа.
Схема экспериментальной установки HyperReact.
Расходы топлива и воздуха, подаваемые на объект, измеряются через прецизионные дроссельные отверстия. Воздушное отверстие имеет диаметр 4,57 мм. Отверстия для топливопроводов подогревателя и основного впрыска топлива различаются по размеру, чтобы приспособиться к широкому диапазону расхода топлива, необходимому для охвата диапазона испытанных условий.
Используемые размеры топливных отверстий варьируются от 0.Диаметр от 56 до 1,57 мм в зависимости от фракции смеси. Давление перед каждым дросселирующим отверстием измеряется с помощью датчиков абсолютного давления Dwyer 626 с диапазоном от 0 до 20,68 МПа и точностью 1% от полного диапазона. Отношения эквивалентности как для предварительной горелки (ϕгорелка), так и для условий ниже по потоку в испытательной секции (ϕTS) рассчитываются исключительно на основе количества O2 и h3 в потоке в этих местах, а мольная доля найденных дополнительных частиц предоставляется в формате (%h3/%O2/%N2/%h3O).Уровень предварительного смешивания топлива приводит к топливному профилю испытательного участка, который показан на рис. 9, который был экспериментально определен с помощью измерений спектроскопии комбинационного рассеяния во время нереагирующей работы локальной концентрации h3. Локальный коэффициент эквивалентности предварительно смешанной смеси (ϕTSL) вблизи поверхности рампы затем используется для расчета ϕTSL_AVG, определяемой как средняя концентрация топлива между стенкой испытательного участка при y/h = 0 и выбранной верхней границей.
Характеристики ODW, включая пределы стабильности MCJ и ODW, рассчитывали с использованием значений ϕTSL_AVG, определенных этим методом.
Схема места измерения топлива и локальная концентрация топлива, подобранная по кривой. Также показаны пределы, используемые для определения ϕTSL_AVG.
Рампа с углом поворота 30° используется для стабилизации детонационной волны. Пандус охватывал всю ширину испытательного участка и располагался на расстоянии 44 мм ниже выходной плоскости CD. Высота пандуса зафиксирована на уровне 7,5 мм, чтобы избежать коэффициента засорения выше 17% в пределах испытательного участка. Задняя грань аппарели облегчена под углом 3° относительно стенки рабочей части.Это позволяет потоку частично расширяться по его длине. Измерения статического давления в тестовой секции производятся в средней плоскости верхней стенки тестовой секции, отмеченной красной точкой на рис. 8.
ODW записывается с использованием одновременного высокоскоростного шлирена и хемилюминесцентного изображения в видимом диапазоне с длиной волны от 450 до 875 нм. Рабочая часть имеет окна из плавленого кварца на боковых стенках для полного оптического доступа к области опроса длиной 105 мм и высотой 45 мм. Шлирен-система состоит из установки Z-типа с двумя 152.Сферические зеркала диаметром 4 мм с фокусным расстоянием 1,52 м и мощный светодиодный источник света Luminus PT-121-G. И шлирен-изображения, и хемилюминесцентные изображения снимаются с помощью высокоскоростных камер Photron SA1.1, записывающих со скоростью 30 килокадров в секунду. Шлирен-камера оснащена объективом Nikon от 70 до 300 мм от f/4 до f/5,8 и позволяет получать изображения с разрешением 640 × 288 пикселей, что дает пространственное разрешение примерно 164 мкм/пиксель. Хемилюминесцентная камера, оснащенная объективом Nikon Nikor 50 мм f/1,2, работала с разрешением 350 × 163 пикселей, в результате чего приблизительное пространственное разрешение составляло 300 мкм/пиксель.
Доступность данных
Все данные исследования включены в статью и Приложение SI .
Благодарности
Эксперименты спонсировались Управлением научных исследований ВВС (FA9550-16-1-0441 и FA9550-19-1-0322, руководитель программы д-р Чипин Ли). Анализы поддержаны премией NSF 1914453. Поддержка аспирантов была предоставлена Консорциумом космических грантов НАСА Флориды через стипендию для улучшения диссертации и стипендию президента UCF для докторантов.Поддержку доктору Джонатану Сосе оказала Военно-морская исследовательская лаборатория (NRL) Karles Fellowship. Поддержка г-на Кристиана Бахмана, который выполнил вычислительное моделирование, была предоставлена базовой программой NRL.
Сноски
Вклад авторов: Д.А.Р., Дж.С., К.Б., Г.Б.Г. и К.А.А. проектное исследование; Д.А.Р., М.Т. и Дж.С. проведенное исследование; К.Б. и Г.Б.Г. предоставил новые реагенты/аналитические инструменты; Д.А.Р., Дж.С., К.Б., Г.Б.Г. и К.А.А. проанализированные данные; и Д.А.Р., Дж.С. и К.А.А. написал бумагу.
Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.
Эта статья является прямой отправкой PNAS.
Эта статья содержит вспомогательную информацию в Интернете по адресу https://www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.2102244118/-/DCSupplemental.
- Copyright © 2021 Автор(ы). Опубликовано ПНАС.
Первый в мире «невозможный» вращающийся детонационный двигатель срабатывает
Команда из Флориды, работающая с ВВС США, утверждает, что построила и испытала экспериментальную модель вращающегося детонационного ракетного двигателя, который использует вращающиеся взрывы внутри кольцевого канала для создать сверхэффективную тягу.
Подавляющее большинство двигателей, конечно же, используют сгорание, а не детонацию для достижения своих целей по мощности. Горение — это относительно медленный и контролируемый процесс, возникающий в результате реакции между топливом и кислородом при высоких температурах, и эта технология очень хорошо изучена и отработана.
Детонация, с другой стороны, происходит быстро, хаотично и гораздо менее предсказуемо.
Взрыв вместо ожога, это массивный выброс энергии, который вы получаете, когда разрушаете химические связи, удерживающие молекулу взрывчатого вещества, придавая ей импульс энергии — электрический или кинетический — в виде достаточно мощной ударной волны, чтобы дестабилизировать эти связи.Детонация превосходна, когда вы хотите разрушить кучу вещей, и гораздо сложнее поддерживать точный контроль над ней.
Но когда нужно разорвать цепи земного притяжения и отправиться в космос, каждый грамм веса делает вещи намного сложнее и дороже. Детонация высвобождает значительно больше энергии из значительно меньшей массы топлива, чем при сгорании, поэтому более 60 лет ученые-ракетчики работали над идеей вращающейся детонационной ракеты как потенциального способа уменьшить вес и увеличить тягу.
Механически простой, вращающийся детонационный двигатель динамически очень сложен и требует точной синхронизации и скорости подачи топливаПрофессор Карим Ахмед, Университет Центральной Флориды
По сути, такое устройство начинается с того, что один цилиндр находится внутри другого, большего размера, с зазором между ними и небольшими отверстиями или прорезями, через которые можно протолкнуть детонационную горючую смесь.
Некоторая форма воспламенения создает детонацию в этом кольцевом зазоре, в результате чего газы выталкиваются из одного конца кольцеобразного канала, создавая тягу в противоположном направлении.Но он также создает ударную волну, которая распространяется по каналу со скоростью, примерно в пять раз превышающей скорость звука, и эту ударную волну можно использовать для воспламенения большего количества детонаций по самоподдерживающейся, вращающейся схеме, если топливо добавляется в нужных местах в нужное время. .
Впервые созданный инженерами Мичиганского университета в 1950-х годах, вращающийся детонационный двигатель соблазнительно прост в механическом смысле, но оказалось, что эту самораспространяющуюся детонационную волну невероятно трудно создать и поддерживать.
Кажется, до сих пор. Команда из Университета Центральной Флориды, работающая вместе с Программой вращающихся детонационных ракетных двигателей в Исследовательской лаборатории ВВС, утверждает, что построила и испытала рабочую лабораторную модель.
Это 3-дюймовая медная испытательная установка, использующая в качестве топлива смесь водорода и кислорода, которая является наиболее эффективным ракетным топливом для ракетных двигателей верхней ступени.
«В исследовании впервые представлены экспериментальные доказательства безопасной и функционирующей детонации водородного и кислородного топлива в ракетном двигателе с вращающейся детонацией», — говорит Карим Ахмед, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники UCF, возглавлявший исследование. исследовательская работа.«Детонация поддерживается непрерывно, пока вы не отключите топливо. Мы испытали до 200 фунтов силы, но тяга увеличивается линейно с массовым расходом топлива».
Трехдюймовая медная испытательная установка развила усилие до 200 фунтов силы, но тяга будет увеличиваться линейно по мере добавления топливаПрофессор Карим Ахмед, Университет Центральной Флориды
Секрет, по мнению исследователей, заключался в простой настройке.
«Мы должны настроить размеры форсунок, выпускающих ракетное топливо, чтобы улучшить смешивание локальной водородно-кислородной смеси», — говорит Ахмед. «Итак, когда для этой свежей смеси происходит вращающийся взрыв, он все еще поддерживается. Потому что, если у вас немного неправильный состав смеси, она будет иметь тенденцию к дефлаграции или медленному горению вместо детонации».
«Всего за несколько месяцев до этого несколько американских экспертов по ракетным двигателям публично заявили, что двигатели с водородно-кислородной детонацией невозможны», — рассказывает Ахмед New Atlas.«Однако в статье представлены экспериментальные доказательства и без сомнения продемонстрировано, что детонация кислорода и водорода происходит внутри вращающегося детонационного ракетного двигателя».
«Результаты этих исследований уже получили отклик в международном исследовательском сообществе», — говорит Уильям Харгус, руководитель программы вращающихся детонационных ракетных двигателей Исследовательской лаборатории ВВС, который является соавтором исследования.
«Из-за этих результатов несколько проектов в настоящее время пересматривают детонационное сгорание водорода в ракетных двигателях с вращающейся детонацией.Я очень горжусь тем, что связан с этим высококачественным исследованием».
Ахмед говорит нам, что эта конструкция двигателя оценивается как возможная замена ракете Aerojet Rocketdyne RL-10, которая была впервые разработана в 1962 году. Современные версии все еще находятся в стадии разработки. производство верхних ступеней ракет Atlas V и Delta IV, разрабатываются дополнительные версии для ракет Exploration, OmegA и Vulcan, но проверенный ракетный двигатель с вращающейся детонацией может изменить правила игры.
«U.S. Air Force планирует провести летные испытания запуска ракеты к 2025 году, — говорит Ахмед, — и мы вносим свой вклад в достижение этой цели». случаях, когда высокая мощность и низкий расход топлива могут иметь большое значение.В 2012 году Исследовательская лаборатория ВМС подсчитала, что вращающиеся детонационные двигатели могут сэкономить ВМФ 15-20 процентов от годового расхода на топливо в размере около 2 миллиардов долларов США, если они будут модернизированы на месте.
газотурбинных двигателей, на которых работают более 100 крупных кораблей.Их также потенциально можно использовать в гиперзвуковых и сверхзвуковых полетах или даже для производства электроэнергии, и Ахмед говорит нам, что у этой конструкции есть потенциал и в качестве двигателя разгонной ступени, но для этого потребуется другой тип топлива.
Посмотрите короткое замедленное видео запуска ракеты ниже.
Вращающийся детонационный двигатель
Команда опубликовала свои результаты в журнале Combustion and Flame .
Источник: Университет Центральной Флориды
Детонационный двигатель косой волны может разблокировать самолет со скоростью 17 Маха новый детонационный двигатель с наклонной волной, который может разогнать самолет до 17-кратной скорости звука, потенциально превосходя ГПВРД в качестве метода гиперзвукового движения.
Дефлаграция – высокотемпературное сжигание топлива с кислородом – это относительно медленный, безопасный и контролируемый способ высвобождения химической энергии и превращения ее в движение, поэтому эта приятная, мирная форма горения лежит в основе многих наших транспортных технологий.Но если вы хотите высвободить максимально возможную энергию из единицы топлива, вы получите гораздо лучшую отдачу от…
Детонация быстрая, хаотичная и часто разрушительная. Для этого не обязательно нужен кислород, достаточно одного взрывчатого вещества и какого-то энергетического толчка, достаточно большого, чтобы разрушить химические связи, удерживающие вместе и без того нестабильную молекулу. Он создает экзотермические ударные волны, которые разгоняются до сверхзвуковых скоростей, высвобождая огромное количество энергии.
Люди пытались обуздать грубую силу детонации — самой мощной формы горения — более 60 лет, но оказалось чрезвычайно сложно обуздать бомбу. Импульсно-детонационные двигатели создают серию повторяющихся взрывов, похожих на импульсную струю, и они уже были испытаны на самолетах, в частности, в проекте Scaled Composites Long-EZ «Borealis», построенном Исследовательской лабораторией ВВС США и Innovative Scientific.
Солюшнс Инкорпорейтед в 2008 году.
Вращающиеся детонационные двигатели, в которых ударные волны от одного взрыва настраиваются для запуска дальнейших детонаций в кольцеобразном канале, считались невозможными для создания до тех пор, пока исследователи из Университета Центральной Флориды (UCF) не пошли дальше и не продемонстрировали прототип в прошлом году в устойчивой эксплуатации. Примерно к 2025 году должны пройти испытания при запуске ракеты, вращающиеся детонационные двигатели должны быть более эффективными, чем импульсные детонационные двигатели, просто потому, что камеру сгорания не нужно очищать между детонациями.
Теперь другая группа из UCF, в том числе некоторые из тех же исследователей, которые построили вращающийся детонационный двигатель в прошлом году, заявляет, что им удалось впервые в мире продемонстрировать неуловимый детонационный двигатель третьего типа, который может превзойти их всех, теоретически открывая вверх по пути к самолетам, летящим со скоростью до 13 000 миль в час (21 000 км / ч), что в 17 раз превышает скорость звука.
Двигатель со стоячей волной, или детонационный двигатель с косой волной (OWDE), предназначен для создания непрерывной детонации, стабильной и фиксированной в пространстве, что позволяет создать безжалостно эффективную и управляемую силовую установку, генерирующую значительно больше энергии и использующую меньше топлива, чем позволяют современные технологии.
Команда UCF утверждает, что они успешно стабилизировали детонационную волну в условиях гиперзвукового потока, удерживая ее на месте, а не заставляя ее двигаться вверх по течению (где она могла вызвать взрыв источника топлива) или вниз по течению (где она теряла свое взрывное преимущество и выдыхаться до дефлаграции).
Принципиальная схема экспериментального прототипа HyperReactУниверситет Центральной Флориды
Для этого команда построила экспериментальный прототип, который они назвали Высокоэнтальпийной гиперзвуковой реактивной установкой, или сокращенно HyperReact.
HyperReact длиной менее метра (3,3 фута) можно условно описать как полую трубку, разделенную на три секции, каждая из которых имеет точную внутреннюю часть.
Первая секция представляет собой смесительную камеру диаметром 350 мм (13,8 дюйма) – канал квадратного сечения со сторонами 45 мм (1,8 дюйма). Здесь предварительная горелка воспламеняет струю водородного топлива, предварительно смешанного с воздухом. Еще четыре воздушных канала вокруг жиклера предгорелки разгоняют поток до соответствующих скоростей.
Вторая секция представляет собой сужающееся-расширяющееся (CD) сопло с осесимметричным квадратным поперечным сечением до упора.Основная топливная форсунка добавляет 99,99-процентное водородное топливо сверхвысокой чистоты к горячему, быстрому воздуху под высоким давлением, проходящему по трубке непосредственно перед тем, как он попадает в сопло CD, которое быстро сужается до высоты 9 мм (0,35-0,35 мм). в) горло, прежде чем снова расходиться до 45-мм квадрата. Эта форма предназначена для ускорения смеси до 5,0 Маха перед тем, как отправиться в финальную «испытательную секцию», где происходит детонация.
Испытательная секция принимает эту гиперзвуковую воздушно-топливную смесь и запускает ее вверх по трапу под углом 30 градусов на нижней стороне квадратной трубы.Настроив скорость потока и воздушно-топливную смесь, команда смогла найти параметры, которые манипулировали взаимодействием волн давления в камере, чтобы произвести немыслимое: стабильный, непрерывный взрыв, который оставался почти неподвижным, слегка колеблясь в циклическом порядке, в течение передняя кромка рампы.
Наложенные теневые хемилюминесцентные изображения показывают условия в испытательной камере при нереагирующем воздушном потоке со скоростью 5 Маха, а затем с добавлением топлива для создания наклонной детонационной волныУниверситет Центральной Флориды
По сравнению с условиями, измеренными при выключенной основной топливной форсунке, пиковое давление составило 2.за аппарелью в 7 раз выше, а давление на выходе из сопла в 10,5 раз выше.
Скорость потока рассчитывалась равной 99,7% от теоретической скорости волны детонации для свободно распространяющегося нормального взрыва в данной смеси.
«Впервые было показано, что детонация стабилизируется экспериментально», — говорит Карим Ахмед, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники UCF и один из авторов новой исследовательской работы. «Наконец-то мы можем удерживать детонацию в космосе в виде косой детонации.Это почти как замораживание мощного взрыва в физическом пространстве».
В то время как детонация обычно длится всего несколько микро- или миллисекунд, команде UCF удалось поддерживать ее экспериментально до тех пор, пока топливо не отключилось примерно через три секунды. Этого достаточно, чтобы доказать, что устройство работает, сказал Ахмед LiveScience, и если бы команда продолжала поддерживать подачу топлива, это разрушило бы кварцевые окна по бокам тестовой секции, которые были там, чтобы обеспечить оптическое изображение испытаний.Замена испытательного участка чем-то полностью металлическим позволила бы детонации поддерживаться намного дольше.
По словам Ахмеда, дизайн прототипа достаточно близок к тому, как мог бы выглядеть полномасштабный серийный OWDE. Задача теперь будет заключаться в том, чтобы научиться динамически изменять топливную смесь, скорость потока и угол наклона, чтобы детонация оставалась стабильной, надежной и контролируемой в широком диапазоне рабочих условий и управляющих воздействий.
Вверху: структура детонации для трех фаз во время пробного запуска.Внизу: статическое давление в испытательной камере резко возрастает и поддерживается на протяжении всего потока топливаУниверситет Центральной Флориды
Теоретически некоторое время о OWDE говорили как о потенциально более совершенной форме гиперзвукового двигателя по сравнению с ГПВРД. ГПВРД, как правило, теряют эффективность по мере увеличения воздушной скорости, потенциально достигая максимума около 14 Маха. Экспериментальные результаты, опубликованные UCF, указывают на самолет Sodramjet (прямоточный реактивный двигатель с наклонной детонацией), способный летать со скоростью от 6 до 17 Маха.
Что все это значит? Что ж, гиперзвуковые воздушные путешествия на скорости до 17 Маха не просто откроют дверь для потенциальных полетов менее 30 минут между Нью-Йорком и Лос-Анджелесом. Это также позволит космическим самолетам эффективно летать прямо на орбиту, не привязываясь к ракетным ускорителям. И, конечно же, это может иметь серьезные последствия для национальной безопасности и глобального баланса ядерных сил.
Как отметил наш собственный Дэвид Сонди в этом потрясающем объяснении гиперзвуковых полетов от 2017 года, в мире нет ни радара, ни системы противоракетной обороны, которые могли бы справиться с гиперзвуковой ракетой на данный момент.Более того, вам даже не понадобится боеголовка, чтобы вызвать разрушения, сопоставимые с ядерной бомбой. «Вся эта скорость и вся эта инерция превращает любую исследовательскую платформу, разведывательный блок или пассажирский самолет в потенциальное кинетическое оружие», — пишет Сонди. «Им не нужна взрывчатка, чтобы уничтожить цель.
Все, что им нужно сделать, это поразить ее. Другими словами, любой гиперзвуковой аппарат является самостоятельным оружием при соответствующих модификациях».
Действительно, исследование финансировалось не только Национальным научным фондом и Консорциумом космических грантов НАСА Флориды, но и Управлением научных исследований ВВС.Так что эти взрывные двигатели в бутылках явно представляют военный интерес.
Документ находится в открытом доступе по адресу PNAS .
Источник: Университет Центральной Флориды
грн — Новости
Студент магистратуры в области машиностроения и аэрокосмической техники Эван Унру со своим вращающимся детонационным двигателем в Исследовательском центре Джонсона в UAH.
Михаил Мерсье /
грн.В Университете Алабамы в Хантсвилле (UAH), входящем в систему Университета Алабамы, впервые были испытаны ракетные двигатели нового типа.
Он называется «Вращающийся детонационный двигатель» (RDE), и Эван Унру, студент магистратуры в области машиностроения и аэрокосмической техники (MAE) UAH, говорит, что ему потребовалось около года, чтобы спроектировать и построить его в Исследовательском центре двигателей UAH (PRC).
Унру консультирует доктор Роберт Фредерик, директор PRC.
Начальное финансирование было предоставлено доктором Гейбом Сюй, адъюнкт-профессором машиностроения и аэрокосмической техники и научным сотрудником КНР, в рамках Учрежденной программы Национального научного фонда по стимулированию конкурентных исследований: подключение Вселенной плазмы к плазменной технологии в Алабаме.
«После того, как я закончил опытно-конструкторские испытания двигателя. Доктор Сюй и его ученица Микаэла Сполдинг будут использовать двигатель для этой программы, чтобы исследовать влияние переходного плазменного воспламенения на реакции детонации в камере сгорания», — говорит Унру.
Помимо Унру, доктора Фредерика и доктора Сюй, в команду RDE входит доктор Дэвид Лайнберри, инженер-исследователь КНР; Тони Холл, инженер-испытатель КНР; Джеймс Вентерс, младший научный сотрудник КНР; Джон Бакли, руководитель цеха технического проектирования и прототипирования UAH; Скотт Клафлин, директор по инновациям в области энергетики в Aerojet Rocketdyne; и Сполдинг, аспирант, который также работает над исследованиями детонационного двигателя в КНР.
пришел в неофициальном качестве, добавив: «Исследовательский центр двигателей открыт для работы с компаниями, которые заинтересованы в исследованиях и разработке детонационных двигателей».
Двигатель был впервые испытан в Исследовательском центре Джонсона в гривне в конце августа, и с тех пор он провел несколько запусков.
RDE — это дразнящая инженерная концепция, которая может преобразить ракетную тягу, предлагая лучшую топливную экономичность, чем твердотопливные или жидкостные двигатели непрерывного горения, если можно лучше контролировать присущие им нестабильности, которые заставляют их работать.Вместо непрерывного горения в RDE используется непрерывный вращающийся взрыв для создания сверхзвукового газа и создания тяги.
Первый испытательный запуск вращающегося детонационного двигателя в Исследовательском центре имени Джонсона.
Фото предоставлено Исследовательским центром двигателей
«Концепция RDE может облегчить разработку более эффективных ракетных двигателей. Это позволило бы ракетам летать выше, быстрее и эффективнее, тем самым обеспечив более широкий доступ к космосу, чем то, что мы видим сегодня», — говорит Унру, который закончил свою студенческую карьеру в MAE в UAH, прежде чем поступить в магистратуру.
«Еще предстоит преодолеть практические препятствия, прежде чем детонационные двигатели станут жизнеспособным вариантом, но если бы их не было, нам не нужно было бы их исследовать. Мы надеемся преодолеть эти препятствия, лучше поняв, как работает процесс детонации внутри этих двигателей».
Двигатель UAH предназначен для использования в качестве испытательного стенда, который позволит исследователям КНР изучить различные явления, связанные с детонационным сгоранием в RDE, говорит Унру.
Большинство двигателей RDE имеют цилиндрическую форму, но родной двигатель Унру в Игл-Крик, штат Орегон, имеет форму гоночной трассы.
«Разработав форму гоночной дорожки, мы можем добавить оптические окна в прямые участки, которые позволяют нам напрямую наблюдать за детонационной волной внутри камеры сгорания», — говорит он.
«В частности, этот оптический доступ позволит нам наблюдать взаимодействие между волной детонации и факелами распыления топлива, когда оно впрыскивается в двигатель».
Другим нововведением является использование соосно-сдвиговых форсунок, распыляющих форсунок, которые впрыскивают топливо в двигатель.Коаксиальные форсунки ранее широко использовались в традиционных конструкциях ракетных двигателей, в первую очередь в двигателях Rocketdyne J-2 на ракете Saturn V и в основных двигателях американских космических челноков, но обычно не в RDE.
Разработанный для универсальности в исследованиях, двигатель работает на различных видах топлива. В настоящее время он проходит испытания на жидком пропане и газообразном кислороде.
Как правило, жидкостный или твердотопливный ракетный двигатель или камера сгорания реактивного двигателя используют явление дефлаграции для реакции топлива с окислителем, говорит Унру.
«Явление дефлаграции обычно представляет собой дозвуковой процесс горения, который распространяется через механизмы теплопередачи», — говорит он.
Наблюдайте за испытательным пуском вращающегося детонационного двигателя.
Напротив, он говорит, что реакция детонации в РДЭ состоит из сильной сверхзвуковой ударной волны, которая адиабатически сжимает смесь топлива и окислителя, доводя ее до температуры воспламенения. Адиабатические системы более эффективны, потому что они передают энергию окружающей среде в виде работы без передачи тепла или массы.
«За этим ударом высокого давления происходит реакция, и расширяющиеся газы реакции, в свою очередь, толкают ударную волну вперед, продолжая распространение детонации. Эта реакция детонации происходит намного быстрее, чем реакции на основе дефлаграции, используемые в настоящее время в камерах сгорания реактивных и ракетных двигателей», — говорит Унру.
«Теоретически реакция детонации более эффективна, потому что она вызывает меньшее увеличение энтропии, чем реакция дефлаграции», — говорит он.«Кроме того, химическая реакция при детонации происходит в зоне высокого давления сразу за ударной волной».
Думайте о ударной волне детонации в RDE, как о поршне в автомобильном двигателе. Горение происходит при давлении, которое выше, чем начальное давление смеси топлива и окислителя, потому что каждая предшествующая ударная волна сжимает входящую смесь перед сгоранием, явление, известное как сгорание с усилением давления.
«Из термодинамики мы знаем, что когда химическая потенциальная энергия преобразуется в тепловую энергию во время сгорания, чем выше давление сгорания, тем эффективнее может быть преобразовано выделяющееся тепло в полезную работу», — говорит Унру.
«Итак, горение на основе детонации более эффективно, чем горение при дефлаграции, из-за меньшего увеличения энтропии при преобразовании химической потенциальной энергии в тепловую энергию и потому, что явление повышения давления способствует более эффективному преобразованию этой тепловой энергии в полезную работу».
Но теорию трудно применить на практике. До сих пор никто не разработал RDE, который был бы более эффективным.
Проблема заключается в том, что в RDE топливо должно взрываться сверхзвуковым, а не дозвуковым сгоранием.
«Как и следовало ожидать, взрывающееся топливо труднее понять и контролировать, — говорит Унру. «RDE — это одна из концепций двигателя, которая обещает быть конструкцией, которая может детонировать топливо контролируемым образом и, наконец, обеспечивает практическую реализацию теоретического обещания повышения эффективности за счет детонации».
Теория RDE существует с 1940-х годов, и некоторые примитивные эксперименты проводились в прошлом, но Унру говорит, что современное оборудование для сбора данных, улучшенное моделирование и большая историческая коллекция исследований приводят к возрождению исследований RDE.Теперь у инженеров есть возможность проектировать двигатели, работающие в режиме вращающейся детонации.
«Следующая задача, — говорит он, — состоит в том, чтобы лучше понять явление детонации, чтобы мы могли выяснить, как наконец построить двигатель, который будет более эффективным, чем традиционные двигатели, основанные на дефлаграции».
инженеров впервые испытали «невозможный» детонационный двигатель
В лаборатории только что запустили ракетный двигатель, который когда-то считался невозможным.Инженеры построили и успешно испытали так называемый вращающийся детонационный двигатель, который создает тягу за счет самоподдерживающейся волны детонации, распространяющейся по круглому каналу.
Поскольку для этого двигателя требуется гораздо меньше топлива, чем для двигателей внутреннего сгорания, используемых в настоящее время в ракетах, в конечном итоге он может стать более эффективным и гораздо более легким средством доставки наших кораблей в космос.
«В исследовании впервые представлены экспериментальные доказательства безопасной и функционирующей детонации водородного и кислородного топлива в ракетном двигателе с вращающейся детонацией», — сказал аэрокосмический инженер Карим Ахмед из Университета Центральной Флориды.
Идея вращающегося детонационного двигателя восходит к 1950-м годам.
Он состоит из кольцеобразной — кольцевой — упорной камеры, образованной двумя цилиндрами разного диаметра, уложенными друг в друга, образующими зазор между ними.
Газовое топливо и окислитель впрыскиваются в эту камеру через небольшие отверстия и воспламеняются. Это создает первую детонацию, которая производит сверхзвуковую ударную волну, которая отскакивает от камеры. Эта ударная волна вызывает следующую детонацию, которая вызывает следующую, и так далее, создавая продолжающуюся сверхзвуковую ударную волну для создания тяги.
Это должно производить больше энергии при меньшем количестве топлива по сравнению со сжиганием, поэтому военные США исследуют и финансируют это; это новое исследование финансировалось ВВС США, и это не единственный подобный проект, которым занимаются военные.
На практике, однако, есть причина, по которой ракеты обычно работают от внутреннего сгорания, в котором топливо и окислитель смешиваются для получения более медленной контролируемой реакции для создания тяги.
Детонация хаотична, и ее намного сложнее контролировать. Чтобы все это не взорвалось — в буквальном смысле — у вас перед носом, все должно быть точно откалибровано.
Используемое топливо, соотношение окислителя, размер отверстий, размер кольцевой камеры, размер и форма реактора, время и место впрыска топлива — все это необходимо учитывать и изменять по отношению друг к другу. Например, для разных типов топлива могут потребоваться отверстия для впрыска разного размера или формы.
Над тонкой настройкой работают Ахмед и его команда. Они создали тщательный баланс водорода и кислорода и опробовали его на своем испытательном двигателе, небольшом 7,6-сантиметровом (3-дюймовом) вращающемся детонационном ракетном двигателе, созданном по образцу двигателя, разработанного Исследовательской лабораторией ВВС США.
«Мы должны настроить размеры струй, выпускающих ракетное топливо, чтобы улучшить смешивание для местной водородно-кислородной смеси», — объяснил Ахмед.
«Итак, когда эта свежая смесь подвергается вращательному взрыву, она все еще сохраняется.Потому что, если смесь вашего состава немного отличается, она будет иметь тенденцию к дефлаграции или медленному горению, а не к детонации». впрыснули метановый индикатор в водород и использовали высокоскоростную камеру для захвата детонационных волн.Их изображения, как они говорят, показывают непрерывные пятиволновые детонации, вращающиеся в одном направлении, движущиеся в направлении против часовой стрелки.
Если это возможно В расширенном масштабе эта технология могла бы значительно облегчить полезную нагрузку ракеты и снизить затраты на запуск ракеты, но у нее есть и другие потенциальные применения.В 2012 году ВМС США прогнозировали, что вращающиеся детонационные двигатели могут привести к 25-процентному сокращению расхода топлива на его кораблях и сократить ежегодный расход топлива на 300-400 миллионов долларов США на 2 миллиарда долларов.
«Результаты этих исследований уже получили отклик в международном исследовательском сообществе», — сказал Уильям Харгус из Исследовательской лаборатории ВВС по программе вращающихся детонационных ракетных двигателей.