Что называется камерой сгорания
Камера сгорания двигателя
Содержание
Класификация
По принципу действия
Камеры сгорания непрерывного действия в свою очередь класифицируют:
По назначению
По направлению потока воздуха и продуктов сгорания
По конструктивных особенностях корпуса и жаровой трубы
Камеры сгорания периодического действия в свою очередь класифицируют:
По используемому топливу
По конструкции бензиновые камеры сгорания разделяют:
По конструкции дизельные камеры сгорания разделяют:
По способу смесеобразования
Камера сгорания непрерывного действия
Камера сгорания непрерывного действия относятся к числу важнейших узлов авиационных и космических двигательных установок, специальных и транспортных газотурбинных установок, которые находят широкое применение в энергетике, химической промышленности, на ж.-д. транспорте, морских и речных судах.
Принцип работы
Камера сгорания является узлом газотурбинного двигателя (ГТД), в котором происходит приготовление и сжигание топливовоздушной смеси. Для приготовления топливовоздушной смеси в камеру сгорания подводится через форсунки топливо и поступает воздух из компрессора. В процессе запуска двигателя поджог топливовоздушной смеси производится электрической искрой (или пусковым устройством), а при дальнейшей работе процесс горения поддерживается непрерывно вследствие контакта образующейся топливовоздушной смеси с раскаленными продуктами сгорания. Образовавшийся в камере сгорания газ направляется в турбину компрессора.
Устойчивость и совершенство процессов в камере сгорания в значительной степени обеспечивают надежную и экономичную работу газотурбинного двигателя.
Требования, предъявляемые к камере сгорания непрерывного действия
Камера сгорания периодического действия
Камера сгорания работающей на бензине
Конструкции камер сгорания автомобильных двигателей различны. У двигателей с верхним расположением клапанов применяют центральные камеры, а также камеры полуклинового и клинового типов. При нижнем расположении клапанов основной объем камеры сгорания смещен в сторону от оси цилиндра (Г-образная форма); такая конструкция камеры способствует усилению завихрения горючей смеси и улучшает смесеобразование. На современных двигателях широко применяют камеры сгорания полуклинового и клинового типов.
Широко применявшаяся ранее полуклиновая камера сгорания претерпевает в настоящее время изменения. Камера такой формы применяется у двигателей спортивных, гоночных автомобилей для достижения высокой удельной мощности. При использовании в головке цилиндра двух распределительных валов и большом угле развала клапанов можно разместить в головке цилиндра клапаны большого диаметра. При этом поверхность камеры сгорания по отношению к ее объему достаточно мала. Обеспечивается также хорошее втекание заряда через клапаны в цилиндр, поскольку ему не препятствуют стенки цилиндра или камеры сгорания. Впускной и выпускной каналы имеют небольшую длину и малую поверхность. Двигатели с такой камерой сгорания имеют довольно высокий КПД.
Камера сгорания дизельного топлива
У дизельных двигателях требования к форме камеры сгорания определяются процессом смесеобразования. Для создания рабочей смеси в них отводится очень малое время, так как почти сразу после начала впрыска топлива начинается сгорание, и остаток топлива подается уже в горящую среду. Каждая капля топлива должна войти в соприкосновение с воздухом как можно быстрее, чтобы выделение теплоты произошло в начале хода расширения.
Пленочное смесеобразование применяется в ряде конструкций камер сгорания, когда почти все топливо направляется в пристеночную зону. В центральную часть камеры сгорания попадает приблизительно 5–10% впрыскиваемого форсункой топлива. Остальная часть топлива распределяется на стенках камеры сгорания в виде тонкой пленки (10–15 мкм). Первоначально воспламеняется часть топлива, попавшая в центральную часть камеры сгорания, где обычно отсутствует движение заряда и устанавливается наиболее высокая температура. В дальнейшем, по мере испарения и смешения с воздухом, горение распространяется на основную часть топлива, направленную в пристеночный слой. При пленочном смесеобразовании требуется менее тонкое распыливание топлива. Применяют форсунки с одним сопловым отверстием. Давление впрыска топлива не превышает 17–20 МПа.
Пленочное смесеобразование по сравнению с объемным обеспечивает лучшие экономические показатели двигателя, упрощает конструкцию топливной аппаратуры.
Основным недостатком являются низкие пусковые свойства двигателя при низких температурах в связи с малым количеством топлива, участвующего в первоначальном сгорании. Этот недостаток устраняют путем подогрева воздуха на впуске или за счет увеличения количества топлива, участвующего в образовании начального очага сгорания.
Комбинированное смесеобразование получается при меньших диаметрах камеры сгорания, когда часть топлива достигает ее стенки и концентрируется в пристеночном слое. Другая часть капель топлива располагается во внутреннем объеме заряда. На поверхности камеры оседает примерно 50% топлива. При впуске в камере не создается вращательного движения заряда. Заряд приводится в движение при вытеснении его из надпоршневого пространства в камеру сгорания, и создается вихрь. Скорость движения заряда достигает 40–45 м/с.
Отличительной особенностью от пленочного смесеобразования является встречное движение струй топлива и заряда, вытесняемого из надпоршневого пространства, что способствует увеличению количества топлива, взвешенного в объеме камеры сгорания, и сближает процесс с объемным смесеобразованием. Форсунки применяют с распылителями, имеющими 3–5 сопловых отверстий
Камеры сгорания с обьемным смесеобразованием. В дизельных двигателях с такими камерами топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания форсункой с рабочим давлением 15–30 МПа, имеющей многодырчатые распылители (5–7 отверстий) с малым диаметром сопловых каналов (0.15–0.32 мм). Столь высокие давления впрыска применяются ввиду того, что в данном случае распыливание топлива и перемешивание его с воздухом достигается главным образом за счет кинетической энергии, сообщаемой топливу при впрыске. Для равномерного распределения топлива в камере форсунки таких двигателей часто выполняют с несколькими отверстиями.
Требования ко всем камерам сгорания двигателя
Основные требованиями для всех камер сгорания непрерывного действия являются:
Физика камеры сгорания. Часть 1
Хотелось бы раз и навсегда разобраться в вопросе: что же происходит в камере сгорания?
1. Сложившееся определение:
Камера сгорания — объём, образованный совокупностью деталей двигателя или печи (в последнем случае камера сгорания называется топкой) в котором происходит сжигание горючей смеси или твёрдого топлива. Конструкция камеры сгорания определяется условиями работы и назначением механизма/печи в целом; как правило используются жаропрочные материалы.
Камера сгорания — устройство, предназначенное для организации процесса горения ТВС.
2. Сложившаяся геометрия камеры сгорания:
Камера сгорания в ДВС напрямую связана с рабочим объемом и степенью сжатия. Обычно, именно они определяют объем камеры сгорания.
Определение степени сжатия:
e = (Раб.объем + Объем К.С.) / Объем К.С.
Объем К.С. = Раб.объем / (e — 1)
Итого, говоря простым языком, это тот объем, который возможно заполнить газом в цилиндре, когда поршень в ВМТ.
3. Моё представление о геометрии камеры сгорания:
Не хочу осуждать или обвинять тех, кто заложил это понятие, но я вижу для себя понятие камеры сгорания, как динамическую систему, и создавшееся понятие — это только её часть в определенный момент времени — в ВМТ поршня в такте сжатия.
Мне проще понимать понятие «камеры сгорания», как та область, где происходит сгорание топливно-воздушной смеси. А так как процесс сгорания продолжается гораздо дольше положения поршня в ВМТ, то следует пересмотреть стандартное понятие.
Представим движение поршня в вертикальной плоскости двигателя в виде формулы:
S (t) = R [(1-cos wt) + R/4L (1 — cos 2wt)],
где R — радиус кривошипа, L — длина шатуна, w — частота вращения КВ. В данном случае Sмин — это положение поршня в ВМТ, Sмакс — положение поршня в НМТ.
Раб.объем — это произведение квадрата радиуса диаметра поршня на его полный ход. Объем увеличивается при движении поршня вниз, а уменьшается при движении поршня вверх. Поэтому запишем закон изменения объема:
F(t) = Vр x [(1-cos wt) + R/4L (1 — cos 2wt)]/ 2 + Vр / (e — 1)
Эта функция описывает изменение объема камеры сгорания во времени. Уточню, что стандартное понятие К.С. — это значение данной функции при t = 0, т.е. в ВМТ.
4. Временные критерии существования камеры сгорания.
Предположу, что камера сгорания — явление непостоянное, основываясь на том, что камера сгорания превращается в «камеру сжатия», «камеру впуска», «камеру выпуска» и так далее (Возможно, далее мы рассмотрим и эти понятия). Как определить критерии её существования?
Очевидно, что правильнее определить его так — это то время, когда происходит сгорание. Но вот тут-то и начинаешь запинаться. Насколько мне понятны процессы, происходящие в ДВС, сгорание как таковое не заканчивается при окончании рабочего хода. Более того, такие понятия, как детонация и дизилинг вообще смещают точки начала и конца существования камеры сгорания! Но давайте обратимся к теории четырехтактного ДВС и остановимся на идеальной тепловой машине, у которой сгорание начинается с воспламенения от искры и заканчивается открытием выпускного клапана. Т.е. так ДОЛЖНА работать задумка инженеров, но, к сожалению, не всегда это так.
tначала = t зажигания
tконца = t начала открытия вып клапана
Следовательно, если представить время четырех тактов работы ДВС как период, равный T, при этом КВ совершает два оборота, то время существование камеры сгорания будет равно:
tначала = T x (1/2 — УОЗ/360), где УОЗ — угол опережения зажигания в градусах
tконца = T x (3/4 — уф/360), где уф — фаза открытия выпускного клапана в градусах.
Подробнее о фазах распредвалов можно прочесть, к примеру, здесь:stroy-technics.ru/article/fazy-gazoraspredeleniya
Т.е. формула К.С., описанная выше, с учетом временных интервалов имеет следующий вид:
F(t) = Vр x [(1-cos wt) + R/4L (1 — cos 2wt)]/ 2 + Vр / (e — 1) для t = [ T (t) x (1/2 — УОЗ/360); T (t) x (3/4 — уф/36) )
Если мы рассмотрим двигатель, не имеющим корректировки УОЗ и уф, то так оно и есть, но тогда мы как раз столкнёмся с явлениями детонации и неполным сгоранием смеси при разных частотах обращения КВ. На самом деле, даже при корректировках этих значений на конкретном дискретном цикле, выражение записано правильно (не определены лишь сами значения УОЗ и уф). При этом мы учитываем, как писалось выше, идеальную машину, в которой происходит полное сгорание смеси при данных УОЗ и уф. При этом важно помнить, что состав смеси так же влияет на эти процессы, но об этом будем рассуждать позже.
Что ещё мы упустили при описании камеры сгорания? В нашей формуле частота постоянна — и это огромное упущение! Ведь именно в момент существования камеры сгорания происходит ускорение частоты вращения коленчатого вала и его замедление, если мы меняем количество топливо-воздушной смеси (ТВС). Исключение составляет лишь движение с постоянной скоростью или работа ДВС на холостом ходу, хотя даже в этом случае, как мне кажется, небольшое увеличение частоты происходить должно для компенсации потерь в остальных режимах, хотя эти флуктуации и гасятся маховиком, выполняя функцию «конденсатора» инерции.
Т.е. ещё одним параметром, зависящим от времени, является частота вращения КВ. Кроме того, период вращения КВ — есть обратная функция частоты, поэтому перепишем выражение:
F(t) = Vр x [(1-cos w(t) t) + R/4L (1 — cos 2w(t) t)]/ 2 + Vр / (e — 1) для t = [ T (t) x (1/2 — УОЗ/360); T (t) x (3/4 — уф/36) )
5. Частота вращения коленчатого вала.
Частота вращения коленчатого, равно как и период, являются основополагающими для работы ДВС. Они зависят от состава, количества и времени впуска топливо-воздушной смеси, от УОЗ, от начала и окончания фаз выпуска, от разряжения или давления в выпускной системе, от момента перекрытия клапанов, от массы и балансировки маховика, от длины шатуна, диаметра поршня, от их масс и состава материалов и, конечно же, нагрузки на двигатель. Возможно, далее я отчаюсь на попытку осознания полного выражения для частоты, но в данный момент меня интересует физика камеры сгорания, поэтому запомним выражение для камеры сгорания, а далее рассмотрим только процессы для К.С., т.е. мы будем иметь начальную частоту и понимать, как она меняется во время существования К.С.
Физика камеры сгорания. Часть 2
Как упоминалось выше, в данном рассмотрении физических процессов ДВС камера сгорания — это изменяемая во времени функция, которая существует весь процесс сгорания топливно-воздушной смеси.
Продолжим изучение процессов.
6. Топливовоздушная смесь.
Камера сгорания — это камера, где происходит сгорание — это очевидно. В нашем случае гореть будет топливовоздушная смесь ТВС.
За годы выпуска ДВС и тонны сожжённого топлива инженеры пришли к выводу, что более полно происходит сгорание ТВС в соотношении 14,7:1 (Воздух:топливо) (подробнее: mik-romanchuk.narod.ru/stex/) На самом деле, мне до конца не понятно, почему именно 14,7? На сколько я помню из химии, воздух — это не только кислород, там ещё много всякой всячины, а для горения нам нужен только он. Очевидно, что взяли среднее значение 23,10% содержания в водухе кислорода (см. Вики: ru.wikipedia.org/wiki/%D0…B%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B4), а уже из него получилось стехиометрическое соотношение 14,7 к 1. Отсюда, кстати, и беда наших бедных автомобилей современности, которые задыхаются в пробках, засасывая углекислый и угарный газ впереди стоящей машины, которые резко меняют характер поведения при езде по горным дорогам, а уж как должны начинать детонировать на свежем воздухе в окружении зелёных насаждений! Но, последнее время появилось спасение — корректирующий элемент обратной связи ДВС — лямбда-зонд, а порой и не один.
Для того, чтобы не вводить в заблуждение соотношением, ничего не имеющим к горению, пересчитаем это соотношение как 3,4:1 кислородотопливной смеси КТС (топливокислородной не хочу называть, дабы не путать — 3,4 — кислород, 1 — топливо, а не наоборот).
Это соотношение в дальнейшем возьмем за эталонное, т.е. все процессы будем рассматривать с учетом того, что соотношение 3,4:1 соблюдается системой управления ДВС, и как — в данном случае нас не колышет.
Степень сжатия (e) — это соотношение геометрических характеристик (объема), но сжатие газов в ДВС политропно (близко к адиабатическому процессу), и изменение давления происходит не пропорционально изменению объема. Поэтому качественной характеристикой является именно компрессия.
С учетом потерь на различные процессы в ДВС компрессия выражается как произведение начального давления и степени сжатия в степени 1,3 (1,3 — это показатель политропы минус 1):
Аналогичным образом, кстати, меняется температура:
Tс = To x e^1.3
8. Октановое число (ОЧ).
Самое из абстрактных понятий, которое я встречал в теории ДВС — это ОЧ. Все, что нам о нём известно, что оно определяет детонационную стойкость топлива, и что имеется прямая связь между степенью сжатия мотора. Но что же такое детонационная стойкость?
Говоря простым языком, детонационная стойкость — это способность ТВС противостоять самовоспламенению. А, ну тогда всё понятно… На самом деле, никому и ничего не понятно. Как говорится, а сколько это в попугаях?
Что нам нужно от данного параметра? Нам нужно чётко понимать, при каком давлении или же давлении-температуре происходит детонация, а до какого нет. Это очень важно, так как от этого в построении моторов зависит и степень сжатия, и таблица УОЗ. А в нашем случае это нужно для понимания начальных условий К.С.
К сожалению, я не нашел такой информации, поэтому будем собирать истину по кускам. Наиболее популярны в сети графики зависимости ОЧ от степени сжатия, как этот:
Кроме этого нашел интересную статью «За рулем» (gaz21.ru/articles/engine/…bor-stepeni-szhatija.html), где приводится нетипичная формула для ОЧ, так как помимо степени сжатия учитывается диаметр поршня:
О.ч. = 78 + 0,25хD — 6000/(e^3)
Т.е. к примеру мотор БМВ М30В34 со степенью сжатия 10 и диаметром поршня 92 должен использовать АИ95, а вот его собрат М30В28 со степенью сжатия 9,3 и диаметром поршня 86 или же М30В34 со степенью сжатия 9 (модели Е34) — уже 92.
Возможно, это действительно имеет смысл, но так как другой формулы у нас нет, будем помнить её.
Зажигание — начало всех начал! Сколько моторов в своей жизни я отстроил, сколько трамблеров покрутил! Сколько трамблеров перебрал! Без зажигания не было бы сгорания в бензиновом двигателе. Плохо отстроенное зажигание — это плохая динамика, нестабильные обороты, большой расход, плохой запуск, работы после выключения зажигания, выстрелы в глушители, плевки в карбюраторы или разрушение элементов двигателя, как прогар поршня, прокладки ГБЦ или клапанов. А сколько насмотрелись профессионалы на СТО! Самым незабываемым знакомством с зажиганием у меня было практически в детстве на ИЖ ЮПИТЕР-3 (Кто в теме, тот поймет мои мученья).
Зажигание имеет два основных параметра: зазор электрода свечи и момент зажигания (УОЗ).
Первый определяется свойствами системы зажигания: напряжением катушки/катушек (правильнее, с точки зрения физики, — напряжением вторичной обмотки трансформатора), контактное или безконтактное и пр. Скажу сразу, что не все свечи, которые из «коробочки» имеют правильный зазор, а это немаловажно, так как именно этот параметр определяет энергию, передаваемую ТВС. Если зазор меньше, то дуга будет меньше необходимого, а значит контакт искры будет с меньшим количеством ТВС, что сделает процесс воспламенения «вялым», если больше — могут возникнуть пропуски зажигания, так как приложенного напряжения будет недостаточно для пробоя среды ТВС под давлением.
Угол опережения зажигания — это безусловный лидер интереса чип-тюнеров, автолюбителей и, конечно же, автопроизводителей. УОЗ определяет, на сколько качественно сгорит смесь, отсюда и динамика и минимальный расход при правильной его настройке. Зачем вообще нужен этот угол? Когда рисуют четыре такта, у многих непросвященных возникает ощущение, что искра воспламеняется в ВМТ конца такта сжатия. Но, к сожалению, ТВС воспламеняется не мгновенно, а по принципу цепной реакции, т.е. та часть, что воспламенилась от искры, увеличивает температуру и давление, что приводит к воспламенению остальной части ТВС. По некоторым данным скорость распространения фронта пламени волны составляет 20-30 м/с. Казалось бы скорость бешеная, ветер такой скорости мы называем штормом! Но на самом деле ДВС на холостом ходу совершает около 15 оборотов в секунду!
Суть правильности УОЗ состоит в том, чтобы волна не создавала сопротивления вращению (т.е. эффект давления на поршень не должен проявляться до ВМТ) и чтобы своевременно создать длительное воздействие на поршень для рабочего хода. Слишком раннее зажигание — сопротивление вращению, слишком позднее — худшее и медленное сгорание смеси, вплоть до горения в выхлопной трубе (выстрелы в глушитель).
Идеально выбранный УОЗ позволяет достигать максимума давления чуть позже ВМТ, что позволяет ещё длительное время сохранять это давление во время расширения камеры сгорания при рабочем ходе. Именно это понимание необходимо иметь, когда говорим об УОЗ. Встречал где-то забавное заявление о неэффективности работы систем зажигания из-за того, что максимальная мощность достигается в ВМТ или около того, хотя стоило бы позже, когда угол шатун-кривошип равен 90 градусам. Оно-то, конечно, стоило бы, но сразу же после прохода ВМТ начинается увеличение объема, что приводит к охлаждению ТВС и снижению давления, так что пик нужно не получить при этом угле, а сохранить максимальное давление на поршень к этому моменту. Я согласен, что Отто поленился в своё время и не довел до ума механизм, и у меня есть свои взгляды на эти вещи, но зажигание именно в этой реализации ДВС может работать так и никак иначе.
К сожалению, нельзя просто привести формулу для определения оптимального УОЗ. Можно строить таблицу для конкретного мотора. Связано это со многими факторами: во-первых, угол на одних и тех же оборотах при разных нагрузках тоже должен быть разный, во-вторых, даже с идеальными каналами ГБЦ, отлично рассчитанной продувкой при перекрытии клапанов закрытый или полуоткрытый дроссель — это источник сопротивления, а значит не все выхлопные газы покидают камеру сгорания, в-третьих, температура, состав смеси, фазы распредвалов — все это нужно учитывать. Возможно, кто-то и отчаивался выдать миру формулу УОЗ, но, к сожалению, я такого не встречал. В дальнейшим я попробую применить математику для вычисления необходимого значения УОЗ, но, боюсь, это будет в рассмотрении конкретного случая с известными параметрами.
Следует заметить, что заводские значения УОЗ обычно приводятся, как средние для серийного производства, поэтому индивидуальная настройка мотора позволяет получить прибавку. Но только индивидуальная, а не чипы по интернету.
Камера сгорания
Содержание
Камеры сгорания ГТД
Типичная схема
Горячий газ занимает гораздо больший объем, чем горючая смесь, поступающая на вход в двигатель. Тем самым создается дополнительное давление, которое может двигать поршень или вращать турбину. Энергия также идет на создание дополнительной тяги при выходе газа из сопла.
Стехиометрическая камера
Форсажная камера
Для увеличения тяги в турбореактивном двигателе за турбиной можно поместить вторую, т.н. форсажную камеру сгорания, в которой газ может нагреваться до такой же температуры, как и в прямоточном воздушно-реактивном двигателе. Форсажная камера представляет собой цилиндрическую трубу с соплом регулируемого сечения на выходе.
Требования к камере сгорания ГТД
Камера сгорания — один из самых сложных элементов конструкции двигателя. В настоящее время она должна удовлетворять следующим десяти требованиям:
Литература
Полезное
Смотреть что такое «Камера сгорания» в других словарях:
КАМЕРА СГОРАНИЯ — замкнутое пространство, предназначенное для сжигания топлива (газообразного, жидкого, твердого). Бывают периодического (напр., в поршневых двигателях внутреннего сгорания) и непрерывного действия (в газотурбинных и реактивных двигателях) … Большой Энциклопедический словарь
камера сгорания — – здесь сгорает горючка и толкает поршень. EdwART. Словарь автомобильного жаргона, 2009 … Автомобильный словарь
камера сгорания — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN burnerbnrfirebox … Справочник технического переводчика
камера сгорания — 3.1.26.1 камера сгорания (combustion chamber): Камера, внутри которой происходит сгорание газовоздушной смеси. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
камера сгорания — замкнутое пространство, полость для сжигания газообразного, жидкого или твёрдого топлива в двигателях внутреннего сгорания. Камеры сгорания бывают периодического действия (напр., в поршневых двигателях внутреннего сгорания, в пульсирующих… … Энциклопедия техники
камера сгорания — Основная камера сгорания. камера сгорания газотурбинного двигателя устройство, в котором в результате сгорания топлива повышается температура поступающего в него воздуха (газа). Основная К. с. турбовинтового двигателя или турбореактивного… … Энциклопедия «Авиация»
камера сгорания — Основная камера сгорания. камера сгорания газотурбинного двигателя устройство, в котором в результате сгорания топлива повышается температура поступающего в него воздуха (газа). Основная К. с. турбовинтового двигателя или турбореактивного… … Энциклопедия «Авиация»
камера сгорания — замкнутое пространство, предназначенное для сжигания топлива (газообразного, жидкого, твёрдого). Бывают периодические (например, в поршневых двигателях внутреннего сгорания) и непрерывного действия (в газотурбинных и реактивных двигателях). * * * … Энциклопедический словарь
камера сгорания — degimo kamera statusas T sritis Energetika apibrėžtis Kamera dujoms ar degalams deginti. Degimas vyksta periodiškai (stūmokliniuose vidaus degimo varikliuose) arba nuolatos (dujų turbinose). atitikmenys: angl. combustion chamber vok. Brennraum, f … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas
Камера сгорания — объём, предназначенный для сжигания газообразного, жидкого или твёрдого топлива. К. с. бывают периодического действия для поршневых 2 и 4 тактных двигателей внутреннего сгорания (См. Двигатель внутреннего сгорания) (ДВС), и непрерывного… … Большая советская энциклопедия