Камера сгорания сухого типа. Камеры сгорания бензиновых двигателей

· Определение задачи камеры сгорания.

· Перечисление требований к горению.

· Описание принципа работы камеры сгорания.

· Утверждение, что низкая скорость распространения фронта пламени является причиной диффузии воздушного потока на входе камеры сгорания.

· Определение терминов «первичный поток» и «вторичный поток».

· Объяснение соотношений смеси топливо:первичный поток и топливо:вторичный поток.

· Описание изменений газовых параметров (p, t, v) в камере сгорания.

· Утверждение, что температура на выходе камеры сгорания находится в диапазоне от 1 000°Cдо 1 500°C.

· Название основных компонентов камеры сгорания и их задач.

· Описание системы трубчатой камеры сгорания, трубчато-кольцевой, кольцевой и камеры с поворотом потока и установление различий между ними.

· Описание принципов работы различных распылительных форсунок.

4.1. ЗАДАЧА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

Камера сгорания должна удерживать горючую смесь воздуха (поступающего из компрессора) и топлива (распыливаемого форсунками топливной системы) для обеспечения максимальной теплоотдачи при относительно постоянном давлении, чтобы подавать на вход турбины равномерно расширившийся, нагретый и ускоренный поток газов. Это непростая задача, но несмотря на это конструкция камер сгорания постоянно совершенствуется для обеспечения более эффективного использования топлива с меньшим загрязнением атмосферы.

Значение эффективности сгорания постоянно возрастает из-за повышения себестоимости топлива и повышение осознания общественностью опасности загрязнений атмосферы выхлопным дымом.

4.2. ДОПУСТИМЫЙ РОСТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Существует лимит максимальной температуры газа на выходе камеры сгорания. Он обусловлен материалами, из которых изготовлены лопатки соплового аппарата и турбина. Небольшое превышение этого лимита будет означать возможное нарушение целостности турбины с вероятными катастрофическими последствиями.

4.3. ТРЕБУЕМЫЙ РОСТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Современные материалы способны выдерживать температуру газа в камере сгорания 2 000°. На выходе из камеры сгорания температура газа должна быть снижена до 1 000°C- 1 500°C.

Учитывая, что воздух уже подогрет в результате сжатия в компрессоре примерно до температуры 600°C, для дальнейшего роста температуры необходимо добавить соответствующее количество топлива.

Это, разумеется, будет температура газов при работе двигателя на полной мощности. Для пониженных режимов работы потребуется меньший расход топлива в камеру сгорания для поддержания стабильного и эффективного горения в широком диапазоне условий эксплуатации двигателя.

4.4. СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ КЕРОСИНА

Воздух в камеру сгорания поступает приблизительно с той же скоростью, с которой он попадает в воздухозаборник двигателя, не редко скорость составляет 500 футов в секунду.

Скорость распространения пламени керосина – скорость, с которой передняя кромка факела перемещается по пару – составляет только один или два фута в секунду. Если горящий керосин поместить в воздушный поток, перемещающийся со скоростью 500 футов в секунду, он мгновенно сгорит.

Необходимо что-то сделать, чтобы замедлить воздушный поток после выхода компрессора и перед попаданием его в первичную зону – зону внутри камеры сгорания, где он смешивается с топливом и воспламеняется.

На рис. 4.1 показано как снижается скорость и повышается давление воздушного потока после выхода из компрессора и перед входом в камеру сгорания.

Фактически, давление в этой точке является самым высоким в двигателе. Снижение скорости, однако, все еще не достаточное. Необходимо осуществлять дальнейшее снижение скорости потока, чтобы не допустить срыва пламени.

На рис. 4.1 показано, как воздух поступает в первичную зону, проходит через носовую часть перед разделением на поток через перфорированный раструб и лопаточный завихритель.

Рис. 4.1. Разделение потока в камере сгорания

4.5. ПЕРВИЧНЫЙ ВОЗДУХ

Первичный воздух составляет 20% от потока, поступающего в камеру сгорания. Это воздух, который смешивается с топливом и горит.

Проходя через раструб и лопаточный завихритель, скорость потока снижается и начинается рециркуляция, требуемая, если пламя не поджигается.

4.6. ВТОРИЧНЫЙ ВОЗДУХ

Воздух, не попавший в носовую часть, проходит в пространство между жаровой трубой и воздушным корпусом. Часть этого воздуха попадает в жаровую трубу через отверстия для вторичного потока. Вторичный воздух, около 20% от общего количества, взаимодействует с первичным потоком, проходящим через завихритель, и образует тороидальный вихрь – область с низкой скоростью воздушного потока, напоминающий пончик или дымовое кольцо. Это стабилизирует и фиксирует факел и предотвращает перемещение его вдоль жаровой трубы из зоны распылительных форсунок.

Температура газов в центре первичной зоны достигает 2 000°C. Это слишком высокая температура для материалов сопловых лопаток и рабочих лопаток турбины, поэтому требуется дальнейшее понижение температуры газов до выхода из камеры сгорания.

Рис. 4.2. Камера сгорания раннего образца

4.7. ТРЕТИЧНЫЙ ВОЗДУХ

Оставшиеся 60% общего потока, третичный воздух, прогрессивно вводятся в жаровую трубу для охлаждения и разбавления газов до того, как они попадут в турбину. Третичный воздух используется для охлаждения газов в камере сгорания и стенок воздушного корпуса.

Камера сгорания на рис. 4.2 является одной из нескольких, которые применялись в ранних системах трубчатых камер. В более современных конструкциях используются различные методы охлаждения воздушного корпуса, называемые транспирационным охлаждением, когда воздушная пленка проходит между слоями, формирующими стенки воздушного корпуса.

4.8. КОМПОНЕНТЫ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

На рис. 4.2 показаны некоторые интересные компоненты ступенчатой камеры сгорания.

У большинства ГТД имеется только два воспламенителя . Фактически двигатель хорошо запускается и от одного воспламенителя, однако, имея только два необходимо найти средства распространения пускового пламени между камерами сгорания. Им является соединительное устройство (внутренняя трубка).

Стазу после поджига пламя в камере с воспламенителем вызывает там рост давления. Перепад давлений между данной камерой и сопряженной приводит в движение горючие газы, они проходят через соединительной устройство и поджигают смесь.

Этот процесс в двигателе продолжается по кругу, пока смеси по всех камерах не будут подожжены, когда давления в камерах сравняются, и поток через соединительное устройство не иссякнет.

Уплотнительное кольцо со стороны турбины допускает удлинение камеры сгорания из-за температурного расширения. Камера со стороны компрессора зафиксирована болтами и не может расширяться в этом направлении. Уплотнительное кольцо, поддерживающее герметичность газового тракта, допускает расширение камеры внутрь сопловой коробки – части двигателя непосредственно примыкающей к сопловым лопаткам .

Гофрированные соединения пропускают третичный поток в жаровую трубу, вызывая постепенное уменьшение температуры газов до попадания в сопловой аппарат.

4.9. КОНСТРУКЦИЯ ТРУБЧАТОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

Конструкция прямолинейной трубчатой камеры сгорания была усовершенствована на базе оригинальной разработки сэра Франка Уиттла. Она использовалась на некоторых ранних двигателях с осевым потоком и до сих пор используется на двигателях с центробежными компрессорами, такими как Rolls-Royce Dart.

Она состоит из восьми или более камер, показанных на рис. 4.2, расположенных вокруг корпуса двигателя позади секции компрессора. Каждая камера представляет собой жаровую трубу с индивидуальным воздушным корпусом.

На рис. 4.3 показана система трубчатой камеры сгорания, аналогичная применяемой на Rolls-RoyceAvon, который был мощным (для того времени) двигателем с осевым компрессором, используемым на протяжении долгого времени для многих различных типов военных и коммерческих самолетов,

На рис. 4.3 хорошо видна носовая часть (заборник первичного воздуха), соединительное устройство и дренажные трубки .

Дренажные трубки предназначены для случая отказа на запуске, более известного как ложный запуск. Это происходит, когда смесь в камерах сгорания не воспламеняется во время старта.

В двигатель будет подано значительное количество топлива, и если его не удалить перед следующим запуском, получим очень длительный высокотемпературный и опасный выброс пламени из задней части двигателя.

Рис. 4.3. Система трубчатой камеры сгорания (основано на оригинальных чертежах фирмы Rolls-Royce)

4.10. СИСТЕМА ДРЕНАЖА ТОПЛИВА

В настоящее время известны два способа удаления топлива из двигателя. Первый – с помощью дренажной системы, второй – путём испарения локальных остатков в камерах сгорания и реактивном сопле. В дренажной системе применяются дренажные трубки, которые соединяют самую нижнюю часть каждой камеры с камерой, расположенной ниже.

Топливо, оставшееся после ложного запуска, будет стекать из верхней части двигателя в нижнюю камеру. Оказавшись в нижней камере, топливо будет удаляться через подпружиненный дренажный клапан, расположенный в положении «на 6 часов». Во время нормальной работы двигателя внутреннее давление удерживает клапан в закрытом положении.

Для испарения любых локальных остатков топлива из камер сгорания выполняется прокрутка двигателя в цикле продувки.

С помощью мотора стартера двигатель прокручивается в течение времени, соответствующего нормальному циклу полного запуска, с отключением подачи топлива ВД и системы зажигания. Камера сгорания будет продуваться сжатым воздухом, что способствует испарению любых остатков топлива.

4.11. КОНСТРУКЦИЯ ТРУБЧАТО-КОЛЬЦЕВОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

Конструкция трубчато-кольцевой камеры сгорания, показанная на рис. 4.4, иногда называется турбо-кольцевой.

Рис. 4.4. Система трубчато-кольцевой камеры сгорания (основано на оригинальных чертежах Rolls-Royce)

Она отличается от системы трубчатой камеры тем, что не имеет индивидуальных воздушных корпусов для каждой жаровой трубы. В результате получается более компактное по размерам устройство, заключающее в общем воздушном корпусе несколько жаровых труб. Данная иллюстрация является одной из нескольких, на ней показан воспламенитель.

4.12. КОНСТРУКЦИЯ КОЛЬЦЕВОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

Конструкция кольцевой камеры сгорания имеет только одну жаровую трубу, окруженную внешним и внутренним воздушными корпусами. Типичный пример такой камеры приведен на рис.4.5 и 4.5а.

Рис. 4.5. Кольцевая камера сгорания (основано на оригинальных чертежах Rolls-Royce)

Рис. 4.5а. Детализированное изображение кольцевой камеры сгорания (основано на оригинальных чертежах Rolls-Royce)

Система кольцевой камеры сгорания имеет несколько преимуществ над двумя остальными описанными ранее типами камер, из которых она и была создана:

a) Для той же выходной мощности длина кольцевой камеры составляет только 75% от длины трубчато-кольцевой камеры такого же диаметра.

b) Отсутствуют проблемы с распространением пламени.

c) По сравнению с трубчато-кольцевой системой площадь воздушного корпуса меньше, соответственно, требуется меньше охлаждающегося воздуха.

d) Эффективность сгорания увеличена до точки, где несгоревшее топливо фактически отсутствует, происходит окисление оксида углерода до нетоксичного диоксида углерода.

e) Происходит намного лучшее распределение давления газов, проходящих в турбину, поэтому передаваемая нагрузка более равномерная.

4.13. СООТНОШЕНИЕ ВОЗДУХ/ТОПЛИВО (СТЕХИОМЕТРИЧЕСКОЕ ОТНОШЕНИЕ)

Чтобы получить максимальную теплоотдачу, как указано в параграфе 4.1, нужно использовать химически правильное соотношение воздух/топливо 15:1. Если у поршневого двигателя такое соотношение может вызвать детонацию и нарушение работы, у ГТД таких проблем не возникает, т.к. отсутствуют благоприятные для них пиковые давления.

Топливо и воздух смешиваются и горят в первичной зоне в весовом соотношении 15 частей воздуха на 1 часть топлива. При добавлении вторичного и третичного потока смесь разбавляется, поэтому общее соотношение может составлять от 45:1 до 130:1.

4.14. ПОТЕРИ ДАВЛЕНИЯ В КАМЕРЕ

В параграфе 4.4 говорилось, что горение теоретически происходит при постоянном давлении. Фактически, как показано на рис. 1.5, существуют небольшие потери давления по тракту камеры сгорания.

Они вызваны необходимостью создавать правильное завихрение потока и смешение. Потери могут составлять от 3% до 8% от давления на входе камеры сгорания.

4.15. СТАБИЛЬНОСТЬ СГОРАНИЯ

При нормальных условиях работы двигателя горение поддерживается самостоятельно. Система зажигания может быть эффективно отключена при наборе двигателем самоподдерживающейся частоты – частоты после запуска, при которой двигатель может разгоняться без помощи мотора стартера.

Существуют определенные условия работы двигателя, для которых требуется зажигание, например, при срыве пламени – погасании пламени из-за различных ненормальных условий: при всасывании большого количества воды во время взлета с загрязненной ВПП.

Другой причиной погасания пламени может служить слишком бедная смесь. Такая ситуация может возникнуть при сбрасывании газа во время снижения, когда возникает низкий расход топлива при большом расходе воздуха.

Стабильность сгорания означает плавность горения и способность поддерживать его в широком диапазоне соотношений смеси и массовых расходов воздуха. На рис. 4.6 приведены ограничения по стабильности сгорания.

Из графиков на рис. 4.6 видно, что стабильность сгорания будет достигаться только между границами, которые постоянно сужаются с увеличением массового расхода воздуха. Диапазон между пределами обогащения и обеднения уменьшается с увеличением массового расхода воздуха до определенной точки погасания пламени.

Петля зажигания внутри границ зоны стабильность показывает, что инициировать горение сложнее, чем поддерживать его после зажигания.

Из этого следует, что при срыве пламени в двигателе на высокой скорости или большой высоте может потребоваться уменьшение обоих параметров до получения успешного повторного зажигания.

Рис. 4.6. Типичная петля стабильности сгорания

4.16. ПОВТОРНОЕ ЗАЖИГАНИЕ

Как говорилось ранее, способность двигателя к повторному зажиганию будет меняться, в зависимости от высоты и поступательной воздушной скорости самолета. На рис. 4.7 показан смысловой диапазон повторного зажигания, отражающий условия полета, в которых будет гарантировано повторное зажигание работоспособного двигателя.

Воздушный поток в двигателе будет вызывать его вращение (авторотацию), поэтому компрессор будет подавать достаточно воздуха, и требуется только открытие топливного крана ВД и активация системы зажигания.

Это получается с помощью выбора переключателя повторного зажигания, который функционирует отдельно от нормального цикла запуска.

Рис. 4.7. Диапазон повторного зажигания

4.17. ЭФФЕКТИВНОСТЬ СГОРАНИЯ

Эффективность сгорания – это эффективность, с которой камера сгорания извлекает потенциальную теплоту, фактически содержащуюся в топливе. Современные ГТД имеют очень эффективный цикл сгорания.

При работе на высокой мощности достижимая эффективность сгорания составляет 99%, а на малом газе она достигает 95%. Это показано на рис. 4.8. На рис. также показано полное соотношение воздух/топливо в нормальном диапазоне работы двигателя.

Рис. 4.8. Эффективность сгорания и соотношение воздух/топливо

4.18. ТОПЛИВНЫЕ РАСПЫЛИТЕЛЬНЫЕ ФОРСУНКИ

Высокая эффективность сгорания, описанная выше, во многом зависит от распылительных топливных форсунок, используемых в больших современных ГТД. Задачей форсунок является распыление или испарение топлива для обеспечения полного сгорания. Это непростая задача, учитывая скорость воздушного потока из компрессора и небольшое доступное расстояние для горения внутри камеры сгорания.

Другой проблемой являются относительно низкие давления, создаваемые топливным насосом ВД с приводом от двигателя во время запуска. Насосы с приводом от высокоскоростной коробки приводов во время запуска вращаются с минимальной скоростью и не способны на такой скорости создавать высокие давления (1 500 – 2 000 psi), требуемые для получения хорошего факела распыла, рис. 4.9.

Рис. 4.9. Факелы распыла топлива при различных давлениях

Хорошо видно, что отверстие фиксированного размера создает хороший факел распыла только при высоком давлении топлива. Для получения достаточной атомизации на запуске при низких давлениях топлива необходимо разработать определенные методы.

4.19. СИСТЕМА ВОЗДУШНОГО РАСПЫЛЕНИЯ

Одним из принципов получения требуемого факела распыла является дробление потока топлива высокоскоростным воздушным потоком – система воздушного распыления. Для этой системы требуются относительно низкие давления топлива, поэтому она может работать с использованием шестеренных насосов, которые намного легче и совершеннее плунжерных.

Рис. 4.10. Форсунка с воздушным распылением (основано на оригинальных чертежах фирмы Rolls-Royce)

4.20. СДВОЕННАЯ СИСТЕМА

Для отверстий подачи изменяемого сечения используется сдвоенная система, показанная на рис. 4.11. При низких давлениях топлива нагнетательный клапан закрывает основной канал подачи топлива к форсунке, и топливо подается только по первичному (пусковому) каналу.

Пусковой канал питает первичное отверстие, которое имеет маленькое сечение и способно формировать хороший факел распыла при низких давлениях. Когда во время запуска двигатель разгоняется, давление топлива возрастает и открывает нагнетательный клапан, пропуская топливо через основное отверстие для дополнения подачи из пускового отверстия.

Рис. 4.11. Сдвоенная топливная распылительная форсунка (основано на оригинальных чертежах фирмы Rolls-Royce)

4.21. СИСТЕМА ИСПАРИТЕЛЬНЫХ ТРУБОК

В испарительном методе, рис. 4.12, топливо из трубок подачи распыляется в испарительные трубки, находящиеся внутри жаровой трубы. Первичный воздух подается в жаровую трубу через отверстие в топливной трубке, а также через отверстия во входной секции жаровой трубы. Поток топлива разворачивается на 180 градусов, и, т.к. трубки подогреваются в процессе горения, топливо испаряется до попадания в жаровую трубу.

Рис. 4.11. Испарительный метод подачи топлива

ГЛАВА 5 – ТУРБИНА

Камера сгорания

Ка́мера сгора́ния

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 воздушно-реактивных двигателях) и непрерывного действия (напр., в газотурбинных, турбореактивных двигателях, жидкостных ракетных двигателях и др.). В поршневых двигателях камера сгорания обычно образована внутренней поверхностью головки цилиндра и днищем поршня. Камеры сгорания газотурбинных двигателей чаще всего встраиваются непосредственно в . Продукты сгорания из камеры направляются в газовую турбину. В турбореактивных и жидкостных ракетных двигателях продукты сгорания, разгоняясь в сопле, установленном за камерой сгорания, создают реактивную тягу. Камера сгорания непрерывного действия – один из важнейших узлов авиационных и космических двигателей, энергетических и транспортных газотурбинных установок, которые широко применяются в энергетике, химической промышленности, на железнодорожном транспорте, морских и речных судах, в авиации и космонавтике.

Энциклопедия «Техника». - М.: Росмэн . 2006 .

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 двигателя располагается перед турбиной и состоит из корпуса 6, образующего полость для жаровой трубы (труб) 5, внутри которой сжигается , подаваемое форсунками 2. Передняя (входная) часть жаровой трубы - так называемое фронтовое устройство 3, обеспечивающее частичное перемешивание топлива с воздухом и горячим газом, стабилизацию пламени, сжигание части топлива. Через отверстия в стенках жаровой трубы в нее вводится для сжигания остальной части топлива, охлаждения продуктов сгорания и формирования совместно с газосборником 7 необходимого температурного поля газов, поступающих в турбину. Температура продуктов сгорания зависит от коэффициента избытка воздуха. 1 тормозит поток воздуха до скорости, позволяющей осуществить эффективное горение топлива при приемлемых гидравлических потерях в К. с. Воспламенитель (или электрическая свеча) 4 служит для начального зажигания топлива. Для охлаждения жаровой трубы применяют воздушную пелену у её внутренней стенки, образуемую воздухом, проходящим через мелкие отверстия в стенке. Основные К. с. бывают трёх видов: трубчатая (одна жаровая труба расположена в корпусе трубчатого типа), кольцевая (одна общая жаровая труба кольцевой формы расположена в кольцевом пространстве, образованном наружным и внутренним корпусами), трубчато-кольцевая (жаровые трубы расположены в общем кольцевом пространстве, образованном наружным и внутренним корпусами). До 60-70-х гг. применялись главным образом трубчатые и трубчато-кольцевые К. с., затем стали использоваться более компактные кольцевые К. с.
К. с. второго контура турбореактивного двухконтурного двигателя и К. с. прямоточного воздушно-реактивного двигателя по принципу действия и устройству аналогичны форсажной камере сгорания. Работу К. с. характеризует .

Авиация: Энциклопедия. - М.: Большая Российская Энциклопедия . Главный редактор Г.П. Свищев . 1994 .

Смотреть что такое "камера сгорания" в других словарях:

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

- – 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

Схема работы 4 тактного двигателя внутреннего сгорания Камера сгорания объём, образованный совокупностью деталей двигателя или печи (в последнем случае камера сгорания называется топкой) в котором происходит сжигание горючей смеси или твердого… … Википедия

камера сгорания 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»

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

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

Для хорошего смесеобразования одновременно необходимо правильно сочетать распыливание топлива и движение воздуха в камере сгорания. Это позволит улучшить распределение топлива в камере и осуществить процесс сгорания при наименьшем количестве воздуха.

Форма камеры сгорания должна:

• соответствовать направлению и дальнобойности струи впрыскиваемого топлива;
• обеспечивать организованное движение потока воздуха, интенсивное перемешивание топлива и воздуха, полное сгорание топлива в короткий период при наименьшем количестве воздуха;
• плавное нарастание давления в цилиндре, умеренное максимальное давление при сгорании и минимальные тепловые потери;
• создавать условия для облегченного запуска двигателя.

По конструкции дизельные двигатели разделяются на две основные категории: с неразделенными и разделенными камерами сгорания. Неразделенные камеры имеют только одно отделение, в котором происходит и смесеобразование, и сгорание топлива. Разделенные камеры разделены на две части: основную и дополнительную, соединены между собой горловиной. При этом топливо впрыскивается в дополнительную камеру.

По способу различают объемное, пленочное и комбинированное смесеобразование.

При объемном смесеобразовании топливо распыливается в объеме камеры сгорания и лишь небольшая часть его попадает в пристеночный слой. Объемное смесеобразование осуществляется в неразделенных камерах сгорания.

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 непосредственным впрыском. 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.

На рис. 6.4 показаны камеры сгорания двигателей с непосредственным впрыском, обеспечивающие объемное смесеобразование.

Рис. 6.4. Неразделенные камеры сгорания для объемного смесеобразования:

а – полусферическая, б – тороидальная

Типы камер сгорания
Имеются различные конструкции камер сгорания дизельных двигателей, каждая из которых разработана таким образом, чтобы получить наиболее эффективный вихревой поток. Эти конструкции можно разделить на два основных класса:
* Камера сгорания с прямым впрыском
* Камера сгорания с непрямым впрыском.
В первой конструкции топливо впрыскивается непосредственно у закрытого конца цилиндра, тогда как во второе конструкции топливо впрыскивается внутрь отдельной дополнительной камеры сгорания, которая соединяется с цилиндром посредством небольшого канала.
Прямой впрыск
На рис. 30.2 изображена камера сгорания открытою типа. В течение многих лет камеры сгорания прямого впрыска использовались на тяжелых автомобилях и в слегка модифицированном виде они получили в настоящее время распространение в автомобилях с двигателем с рабочим объемом 2 литра.
Имеющаяся в поршне глубокая выемка содержит воздух, когда поршень находится в ВМТ очень близко к плоской головке цилиндра. Для того чтобы получить требуемую степень сжатия, необходимо наличие верхнерасположенных клапанов. Неглубокие выемки в головке поршня обеспечивают зазоры, необходимые для головок цилиндров.

Неправильная регулировка клапанов приведет к тому, что клапаны будут бить по поршню. Форсунка со многими отверстиями обеспечивает подачу тонко распыленного топлива под высоким давлением (175 бар) в струю быстро движущегося воздуха и немедленное его поступление в выемку поршня (камеру сгорания).
Завихрение образуется в двух плоскостях, вертикальной и горизонтальной. При подъеме поршня воздух заходит непосредственно в выемку и перемещается примерно так, как изображено на рисунке. Когда поршень достигает ВМТ, это движение ускоряется благодаря завихрению поршня между поршнем и головкой. Горизонтальное или вращающееся завихрение может быть получено путем наклона впускного канала по касательной по отношению к цилиндру или путем использования завихрителя на впускном клапане. На рис. 30.2а изображена наиболее распространенная конструкция. Комбинация двух вихревых потоков создает «водоворот» воздуха в выемке и обеспечивает хорошую подачу кислорода в область горения.
Непрямой впрыск
Примерно до середины 1980-х годов двигатели непрямо го впрыска (IDI - InDirect Injection) были наиболее распространенными двигателями, устанавливаемыми на не больших автомобилях. По сравнению с традиционными тяжелыми двигателями прямого впрыска, двигатель непрямого впрыска может работать более равномерно; в таком двигателе можно использовать меньшее давление впрыска, кроме того, этот двигатель обеспечивает больший диапазон оборотов.
Большинство камер сгорания двигателей с непрямым впрыском имеют конструкцию, предложенную фирмой Ricardo Comet, изображенную на рис. 30.3. В этой конструкции имеется вихрекамера, которая соединена с главной камерой при помощи канала, что позволяет работать при температуре более высокой, чем температура окружающего металла.
Воздух нагнетается через горячий канал в вихрекамер во время сжатия, так что в конце этого такта в камере находится очень горячий воздух при высокой степени завихрения. Топливо впрыскивается в эту быстро движущуюся массу воздуха и быстро распыляется на очень мелкие частицы. Это распыление достаточно эффективно даже тогда, когда топливо впрыскивается в виде «мягкой» струи при помощи штифтовой форсунки или набора сопел при относительно низком давлении (около 100 бар).
После инициации горения в вихревой камере горящее топливо вместе с несгоревшим или частично сгоревшим топливом подается в основную камеру сгорания, выполненную в днище поршня. Если увеличивается время впрыска для обеспечения большей мощности двигателя, большая часть топлива, впрыскиваемая в конце периода впрыска, не загорается до тех пор, пока не смешается с воздухом в основной камере. Этим обеспечивается то, что период горения может продол жаться относительно длительное время, пока, в конце концов, не будет достигнута такая стадия, когда топливу не будет хватать кислорода для горения. Начиная с этого места начинается выброс черного смога и появление этого смога указывает на максимальное количество топлива, которое может впрыскиваться без жертвования экономичностью, также максимальную мощность, которая может быть получена от двигателя.

Рис. 30.3
Двухполостная камера сгорания двигателя с воспламенением от сжатия – непрямой впрыск топлива
B двигателе с непрямым впрыском сочетание горячего воздуха и очень тонкого распыления дает малую задержку воспламенения. По сравнению с двигателем с прямым рыском, интенсивность «жесткой» работы двигателя меньше, двигатель работает более равномерно; в таких двигателях можно применять топливо с более низким цетановым числом. Все двигатели с воспламенением от сжатия требуют применения специальных средств для обеспечения холодного пуска. Для запуска холодного двигателя с воспламенением от сжатия обычно бывает впрыск большего количества топлива и наличие большего количества легко воспламеняемых фракций во впрыскиваемой порции, однако большие потери теплоты в двигателях с непрямым впрыском требуют наличия дополнительных средств обеспечения холодного запуска. В сравнении с двигателями с прямым впрыском, в которых используется степень сжатия 16, в двигателях с непрямым впрыском применяется степень сжатия порядка 22, в некоторых случаях до 30.
Кроме обеспечения холодного запуска, высокая степень сжатия необходима также для увеличения термического КПД, то есть экономичности, как и в двигателе с прямым впрыском. Тем самым компенсируются большие потери теплоты, которые имеют место из-за большей площади поверхности камеры сгорания двигателя с непрямым впрыском.
Для обеспечения холодного запуска двигателя с непрямым впрыском используются одно или несколько из следующих дополнительных средств:
1 Запальная свеча - прибор с электрическим нагревом, устанавливаемая в вихрекамере. Воздух в камере нагревается электрическим путем за несколько секунд до запуска холодного двигателя. В настоящее время такие запальные свечи обычно управляются автоматически.
2 Нагреватели коллекторов - электрические устройства, предназначенные для электрического нагрева воздуха, проходящего через впускной коллектор к цилиндрам.
3 Форсунка Пинтокса - штифтовая форсунка с дополнительным отверстием для прямой подачи топлива через специальный канал в камеру сгорания во время проворачивания коленчатого вала двигателя стартером.
Современные двигатели, предназначенные для установки на легковые автомобили
Применение на автомобилях небольших двигателей с воспламенением от сжатия очень привлекательно, поскольку такие небольшие двигатели имеют расход топлива до 40 процентов меньше чем на двигателях с искровым зажиганием аналогичной мощности. Это преимущество еще более привлекательно, если автомобиль используется достаточно интенсивно и экономия на топливе может в таком случае превысить большие начальные расходы на более дорогой двигатель.
Это преимущество, в сочетании с общим подъемом спроса на двигатели такого типа, заставило многих производителем автомобилей обратить большее внимание на малые дизельные двигатели.
В прошлом двигатели с воспламенением от сжатия работали очень шумно и не выдерживали конкуренции с двигателями с искровым зажиганием, но в последнее время в этой области были сделаны большие усовершенствования. Совершенствование формы камеры сгорания и применение глушителей шумов обеспечило уменьшение уровня шума, а путем установки двигателя несколько большего рабочего объема был уменьшен разрыв по мощности с двигателями с искровым зажиганием.

Конструкция корпуса камеры.

Конструкцию камеры двигателя (рис. 6.1) технологически можно разделить на две части: корпус 1 и смесительную (форсуночную) голов­ку 2.

Корпус состоит из цилиндрической части 3 и сопла 4.

Исходными данными для конструирования камеры являются преж­де всего геометрические размеры и газодинамический профиль (рис. 6.2), которые определяются при газодинамическом расчёте. Затем производит­ся расчет смесеобразования и форсунок, расчет тепловых потоков и решаются задачи теплозащиты стенки, выбираются основные материалы.

Большинство камер ЖРД имеет наружное охлаждение, при кото­ром осуществляется проток охладителя по охлаждающему тракту, об­разованному между внутренней и наружной оболочками или стенками камеры сгорания и сопла. С ростом давления в камере и повышением энергетических характеристик двигателя для обеспечения надежной теп­лозащиты стенок камеры требуется интенсификация наружного про­точного охлаждения. Это достигается увеличением скорости течения. охладителя, развитием теплоотдающей поверхности стенки с помощью её оребрения, турбулизацией потока, например путём создания искусственной шероховатости тракта. Кроме того, при интенсивном наружном охлаждении требуется, чтобы внутренняя стенка была достаточно тонкой и изготовлена из теплопроводных,материалов, например, из медных сплавов.

Однако с повышением давлений в камере и охлаждающем тракте, которые доходят до десятков мегапаскалей, очень сложно обеспечить высокую прочность конструкции при тонкой стенке из теплопроводных, как правило, малопрочных материалов.

Поэтому наиболее сложным этапом создания камеры является проек­тирование и разработка конструкции охлаждающего тракта, который име­ет много разных форм и силовых связей. Заметим, что от конструкции охлаждающего тракта зависит облик всей конструкции камеры, ee прочность, надежность охлаждения и массовые характеристики. Таким образом, самым главным элементом конструкции камеры сгорания является конструкция охлаждающего тракта. Наиболее простым является охлаждающий тракт, выполненный в виде гладкого щелевого канала, образованного зазором между внутренней и наружной оболочками (рис. 6.3, а и 6). Однако при малом количестве охладителя для обеспечения требуемой скорости те­чения необходимо иметь очень малый зазор щели – меньше 0,4…0,5 мм, что технически выполнить очень трудно. Кроме того, при большом давле­нии в охлаждающем тракте, тонкая внутренняя оболочка легко теряет ус­тойчивость - деформируется из-за недостаточной ее жесткости.

От этих недостатков избавлены охлаждающие тракты с так называ­емыми связанными оболочками, т.е. прочно скрепленными. Впервые их разработал известный советский конструктор А.М. Исаев в 1946 г. (двига­тели У-400 и У-1250). Конструктивных схем охлаждающих трактов со свя­занными оболочками имеется в настоящее время много.

На рис. 6.3, в показан тракт, образованный соединением оболочек электросваркой по специальным выштамповкам - круглым или овальным, выполненным на наружной оболочке.

На рис. 6.4 оболочки соединены пайкой либо через ребра, выфрезеро­ванные на внутренней оболочке (рис. 6.4, а), либо пайкой через специаль­ные гофрированные проставки (рис. 6,4, 6).

В американских двигателях распространены трубчатые конструкции камер. В них корпус камеры сгора­ния и сопла набирается из специальных тонкостенных (до 0,3…0,4 мм) профилированных трубок, изготовленных из теплопроводных материалов, часто на никелевой основе. Трубки соединяются между собой пайкой (рис. 6.5). Для обеспечения прочности трубчатых камер снаружи устанавливаются специальные силовые бандажи, как на отдельных участках, так и в виде сплошной силовой. В некоторых случаях трубки могут размещаться в два слоя. Разновидностью трубчатой конструкции может служить использование U-образных профилей, припаянных к силовой наружной оболочке.

В качестве охладителя в современных двигателях используются окис­литель или горючее, либо оба компонента. Кроме того, для удобства ком­поновки, уменьшения длины подводящих охладитель трубопроводов, а также снижения гидравлического сопротивления охлаждающего тракта охладитель иногда разделяют на несколько расходов, каждый из которых охлаждает какую-либо часть камеры сгорания или сопла. Особенно это характерно при использовании в качестве охладителя водорода. Причем часто для охлаждения камеры вполне достаточно только одной его части расхода. На рис. 6.6 показаны некоторые схемы подвода охладителя в охлаждающий тракт камеры.

Схема а - наиболее простая - весь расход охладителя проходит от среза сопла к головке камеры сгорания. В схеме б концевая часть сома охлаждается частью расхода, так как здесь более низкие тепловые потоки. Эта схема позволяет несколько снизить гидравлические потери в охлаж­дающем тракте, массу и габаритные размеры камеры уменьшением дли­ны подводящих трубопроводов и применением менее габаритного коллектора. Схемы в и г - конструктивно более сложные, но позволяют так­же уменьшить длину подводящих трубопроводов, снизить гидравлическое сопротивление охлаждающего тракта, подавать в области с наибольшими тепловыми потоками (дозвуковая и критическая части сопла) охлади­тель с более низкой температурой.

Схема д - Противоположна схеме а. Здесь охладитель поступает в охлаждающий тракт со стороны смесительной головки. Достоинство схе­мы - уменьшение длины подводящих трубопроводов. Эта схема особен­но хорошо компонуется при трубчатой конструкции камеры. В этом слу­чае охладитель по одной части трубок направляется к срезу сома, а по другой - возвращается к смесительной головке. .

Важным конструктивным элементом камеры является обеспечение равномерного втекания охладителя в охлаждающий тракт по его пери­метру. Для этого устраивают специальные входные коллекторы (рис. 6.7) .

Одно наружное проточное охлаждение камеры не всегда может обес­печить необходимый для надежной работы температурный режим стен­ки на всем ее протяжении. Поэтому, как правило, наряду с наружным охлаждением применяют и внутреннее охлаждение. Оно осуществляется созданием вблизи стенки низкотемпературного пристеночного слоя газа (заградительное охлаждение) или жидкой пленки (завесное охлаждение) на отдельных участках внутренней поверхности стенки.

Заградительное охлаждение стенки осуществляется соответствующим расположением и подбором расходных характеристик форсунок на перифе­рии головки. В этом случае в пристеночном слое создается избыток ка­кого-либо компонента (обычно горючего), что приводит к понижению температуры продуктов сгорания возле стенки. Завесное охлаждение реализуется подачей жидкого компонента (обычно горючего) непосред­ственно на внутреннюю поверхность стенки через отверстия и щели в спе­циальной конструкции - поясе завесы охлаждения. Жидкая пленка и продукты ее разложения, двигаясь по стенке, хорошо ее защищает от воздействия высокотемпературных продуктов сгорания.

Наиболее распространенной конструкцией охлаждающих трактов являются каналы, образованные ребрами (см. рис. 6.4, а) или гофрирован­ными проставками (см. рис. 6.4, б). При таких конструкциях трактов оболочки имеют большое число связей, которые обеспечивают повышен­ную жесткость и прочность камеры. Минимальный шаг между связями t min определяется технологией производства, а максимальный t max - проч­ностью. Уменьшение высоты охлаждающего тракта δ охл часто использу­ется для повышения скорости течения охладителя. Однако из техноло­гических соображений сделать высоту тракта δ охл меньше 1,5 ... 1,8 мм не рекомендуется, так как при пайке может произойти перекрытие сечения канала припоем. Поэтому для повышения скорости течения охладителя, чтобы не уменьшать высоты канала, применяют спиральные винтовые связи (рис. 6.8). Если θ - угол наклона ребер с осью камеры, то скорость течения охладителя W охл ≈ 1/cosθ. Подбирая угол наклона ребер, можно в определенных пределах влиять на скорость течения.

Учитывая, что в соответствии с газодинамическим профилем диаметр сечения сопла непрерывно изменяется, а число связей на определенном участке должно оставаться постоянным, то в соответствии с изменением диаметра сечения сопла будет изменяться на участке и шаг между связя­ми (рис. 6.9).

а) при тракте с ребрами t min = 2,5 мм, t max = 4 ... 6 мм - при пайке твердыми припоями. при диф­фузионной пайке tmin = 2 мм, при­чем допустимую высоту охлаждаю­щего тракта здесь можно снизить до 8 0х כ = 1,2 .. .1,5 мм. Минимальная толщина ребер 8 р = 1 мм;

б) при тракте с гофрами t min =3,5, t max = 5 ... 7 мм. Минимальная толщина гофра 8 г =0,3 мм.

Таким образом, число связей вдоль камеры постоянно будет Изменять­ся, причем при ребрах - ступенями (рис. 6.11, а), а при гофрах _ отдель­ными секциями (рис. 6. 11, б). Технология Изготовления ребер фрезеро­ванием требует удвоения числа ребер в каждой следующей секции: преды­дущие ребра не прерываются, а между ними фрезеруются новые. Число связей - гофр - в соседних секциях произвольное, лишь в начале каждой секции должно быть t ≥ t min , а в конце - t≤ t max.

Естественно, выбор максимальных значений шага между ребрами или гофрами на каждой секции или участке должен быть обоснован прочностными расчетами.

Для одновременного удовлетворения требований надежного охлажде­ния и Прочности внутреннюю стенку камеры сгорания часто приходится изготавливать из разных материалов. Например, на наиболее теплонапряженных участках дозвуковой и критической частей сопла для стенки применяют медные сплавы, а на остальных сталь.

Наконец, сравнивая два вида связей оболочек - с ребрами и гофра­ми, можно отметить следующее.

1. Ребра имеют только один спай - с наружной оболочкой, в то вре­мя как у гофров - два спая, с наружной и внутренней стенками. Учиты­вая, что последний спай "горячий", то, естественно, его прочность меньше "холодного". Следовательно, при использовании гофров прочность связи оболочек при прочих равных условиях будет меньше, чем при применении ребер.

2. Производство ребер путем их фрезерования на внутренней оболоч­ке много проще и надежнее, чем изготовление гофрированных секций.

З. Качество соединения стенки, спаянной с ребрами, легче проконтро­лировать (например, легче расшифровать снимки, полученные на рент­геновской установке). Это объясняется тем, что при гофрах эта работа сильно усложняется из-за накладки одного и другого рядов спаев, а также из-за деформации и перемещения гофров при сборке, вакуумировании, пайке и т.п.

4. При уменьшении шага между ребрами и гофрами гофры в большей степени загромождают проходное сечение охлаждающего тракта, чем реб­ра. Это хорошо видно из рис. 6.12. Заметим, что под коэффициентом загромождения понимается отношение площадей сечения "свободного" охлаждающего тракта, т.е. без загромождающих элементов, к реальному, т.е. загроможденному сечению данного тракта той же высоты.

Большое загромождение проходного сечения охлаждающего тракта требует для обеспечения заданной скорости течения охладителя соответ­ствующего увеличения высоты охлаждающего тракта, что, естественно, увеличит массу камеры. Кроме того, охлаждающий тракт с большим за­громождением будет иметь и повышенное гидравлическое сопротивление.

Все это приводит к тому, что большинство камер двигателей в настоя­щее время имеет в качестве связей фрезерованные ребра, в том числе у даже на сверхзвуковых участках сопла, изготавливаемых из стали.