Камеры сгорания

Камера сгорания двигателя

Материал из ТеплоВики – энциклопедия отоплении

Камера сгорания двигателя – объём, образованный совокупностью деталей двигателя в котором происходит сжигание горючей смеси. Конструкция камеры сгорания определяется условиями работы и назначением механизма; как правило используются жаропрочные материалы. В зависимости от температуры, развиваемой в камере сгорания непрерывного действия, в качестве конструкционных материалов для их изготовления применяют:

  • до 500 °С — хромоникелевые стали;
  • до 900 °С — хромоникелевые стали с добавкой титана;
  • выше 950 °С — специальные материалы.

Камера сгорания – это замкнутое пространство, полость для сжигания газообразного, или жидкого топлива в двигателях внутреннего сгорания.
Камера сгорания газотурбинного двигателя — устройство, в котором в результате сгорания топлива повышается температура поступающего в него воздуха (газа).

Содержание

Класификация

По принципу действия

  • Непрерывного действия (для газотурбинных двигателей (ГТД), турбореактивных двигателей (ТРД), воздушно-реактивных двигателей (ВРД), жидкостных ракетных двигателей (ЖРД)).
  • Периодического действия (для поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС));

Камеры сгорания непрерывного действия в свою очередь класифицируют:
По назначению

  • Основные;
  • Резервные;
  • Промежуточного подогрева;

По направлению потока воздуха и продуктов сгорания

  • прямоточные;
  • противоточные камеры сгорания (последние применяют редко из-за большого гидравлического сопротивления).

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:

    • Неразделенные (имеют только одно отделение, в котором происходит и смесеобразование, и сгорание топлива)
    • Разделенные (разделены на две части: основную и дополнительную, соединены между собой горловиной. При этом топливо впрыскивается в дополнительную камеру)

По способу смесеобразования

    • Обьемное (для неразделенных камер сгорания);
    • Пленочное;
    • Комбинированные.

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

  • Устойчивость процесса горения при всех возможных режимах и полетных условиях. Необходимо, чтобы сгорание топлива было непрерывным и не было срыва пламени или пульсационного горения, что может вызвать самовыключение двигателя. В процессе изменения режима работы двигателя и полетных условий изменяется соотношение топлива и воздуха, поступающих в камеру сгорания, т.е. изменяется качество смеси.
  • Обеспечение равномерного поля температуры газов перед турбиной. Обычно камеры сгорания имеют несколько форсунок для подвода топлива, поэтому имеется тенденция к получению зон различной температуры на выходе газов из камеры сгорания. Значительная неравномерность поля температур газов может приводить к разрушению турбинных лопаток.
  • Минимальная длина факела пламени, т.е. процесс сгорания, должен заканчиваться в пределах камеры сгорания. В противном случае пламя доходит до лопаток соплового аппарата, что может привести к их прогару.
  • Надежность в эксплуатации, большой срок службы, удобство контроля и технического обслуживания. Обеспечение длительной и надежной работы камеры сгорания достигается как рядом конструктивных мероприятий, так и строгим соблюдением правил летной и технической эксплуатации. Для максимального выполнения перечисленных требований каждому типу двигателя подбирается соответствующий тип камеры сгорания.

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.

Клиновая камера сгорания – полученная из плоскоовальной наклоном клапанов для получения лучшей формы газовых каналов. Свеча зажигания в этом случае сдвинута в сторону выпускного клапана, движение заряда в камере направлено к свече. У клинообразной камеры сгорания большая часть ее объема сконцентрирована возле свечи, благодаря чему сначала должно сгорать наибольшее количество заряда, а в самой удаленной от свечи зоне камеры сгорания, где имеется опасность детонации, должно находиться сравнительно небольшое количество переохлажденной смеси в зазоре вытеснителя. Такая камера обеспечивает мягкое сгорание и низкие тепловые потери. Жесткость работы двигателя оценивается скоростью нарастания давления, т. е. повышением давления в цилиндре при повороте коленчатого вала на решающее значение имеет участок поворота, соответствующий интервалу между образованием искрового разряда (воспламенение смеси) и ВМТ. Мягким считается процесс сгорания, при котором скорость нарастания давления лежит в пределах 0,2 – 0,6 МПа на 1° угла поворота коленчатого вала. Уровень шума при работе двигателя зависит также от зазоров между поршнем и цилиндром и между валом и его подшипниками.

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:

  • устойчивость процесса горения
  • высокая теплонапряжённость
  • максимальная полнота сгорания
  • минимальные тепловые потери
  • надёжная работа в течение установленного ресурса работы двигателя.
Читайте также:  КУЗОВНЫЕ ДОМКРАТЫ

Классификация камер сгорания дизельного двигателя

Камера сгорания двигателя — это замкнутое пространство, полость для сжигания газообразного, или жидкого топлива в двигателях внутреннего сгорания. В камере сгорания происходит приготовление и сжигание топливовоздушной смеси.

Наряду с обеспечением оптимального смесеобразования ⭐ камеры сгорания должны способствовать получению высоких экономических показателей и хороших пусковых качеств двигателей. В зависимости от конструкции и используемого способа смесеобразования камеры сгорания дизелей делятся на две группы:

Неразделенные камеры сгорания

Неразделенные камеры сгорания представляют собой единый объем и имеют обычно простую форму, которая, как правило, согласуется с направлением, размерами и числом топливных факелов при впрыске. Эти камеры компактны, имеют относительно малую поверхность охлаждения, благодаря чему снижаются потери теплоты. Двигатели с такими камерами сгорания имеют приличные экономические показатели и хорошие пусковые качества.

Неразделенные камеры сгорания отличаются большим разнообразием форм. Чаще всего они выполняются в днище поршней, иногда частично в днище поршня и частично в головке блока цилиндров, реже — в головке.

На рисунке показаны некоторые конструкции камер сгорания неразделенного типа.

Рис. Камеры сгорания дизелей неразделенного типа: а — тороидальная в поршне; б — полусферическая в поршне и головке цилиндра; в — полусферическая в поршне; г — цилиндрическая в поршне; д — цилиндрическая в поршне с боковым размещением; е — овальная в поршне: ж — шаровая в поршне; з — тороидальная в поршне с горловиной; и — цилиндрическая, образованная днищами поршней и стенками цилиндра; к — вихревая в поршне; л — трапецеидальная в поршне; м — цилиндрическая в головке под выпускным клапаном

В камерах сгорания, приведенных на рисунке, а—д качество смесеобразования достигается исключительно путем распыления топлива и согласования формы камер с формой факелов впрыска топлива. В этих камерах чаше всего применяются форсунки с многодырчатыми распылителями и используются высокие давления впрыска. Такие камеры имеют минимальные поверхности охлаждения. Для них характерна низкая степень сжатия.

Камеры сгорания, показанные на рис. е—з, имеют более развитую теплопередаюшую поверхность, что несколько ухудшает пусковые свойства двигателя. Однако путем вытеснения воздуха из надпоршневого пространства в объем камеры в процессе сжатия удается создать интенсивные вихревые потоки заряда, которые способствуют хорошему перемешиванию топлива с воздухом. При этом обеспечивается высокое качество смесеобразования.

Камеры сгорания, показанные на рисунке, к—м, находят применение в многотопливных двигателях. Для них характерно наличие строго направленных потоков заряда, обеспечивающих испарение топлива и его введение в зону сгорания в определенной последовательности. Для улучшения рабочего процесса в цилиндрической камере сгорания в головке под выпускным клапаном (рис. м) используется высокая температура выпускного клапана, который является одной из стенок камеры.

Разделенные камеры сгорания

Разделенные камеры сгорания состоят из двух отдельных объемов, соединяющихся между собой одним или несколькими каналами. Поверхность охлаждения таких камер значительно больше, чем у камер неразделенного типа. Поэтому в связи с большими тепловыми потерями двигатели с разделенными камерами сгорания имеют обычно худшие экономические и пусковые качества и, как правило, более высокие степени сжатия.

Однако при разделенных камерах сгорания за счет использования кинетической энергии газов, перетекающих из одной полости в другую, удается обеспечить качественное приготовление топливно-воздушной смеси, благодаря чему достигается достаточно полное сгорание топлива и устраняется дымление на выпуске.

Рис. Камеры сгорания дизелей разделенного типа: а — предкамера; б — вихревая камера в головке; в — вихревая камера в блоке

Кроме того, дросселирующее действие соединительных каналов разделенных камер позволяет значительно уменьшить «жесткость» работы двигателя и снизить максимальные нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма. Некоторое снижение «жесткости» работы двигателей с разделенными камерами сгорания может также обеспечиваться путем повышения температуры отдельных частей камер сгорания.

Камеры сгорания двигателей

Камеры сгорания В современных бензиновых двигателях с верхним расположением клапанов преимущественно используются камеры сгорания следующих типов: полусферические, полисферические, клиновые, плоскоовальные, грушевид- ные, цилиндрические. Существуют смешанные варианты камер сгорания. Форма камеры сгорания определяется расположением клапанов, формой днища поршня, расположением свечи, а иногда и двух свечей зажигания, наличием вытеснителей. При проектировании двигателя с учетом применяемого топлива и заданной степени сжатия к камерам сгорания предъявляются следующие требования: обеспечение высоких скоростей сгорания, снижения требований к октановому числу топлива, минимальных потерь с охлаждающей жидкостью, низкой токсичности, технологичности производства. Это определяется следующими условиями:

—компактностью камеры сгорания;
—эффективной турбулизацией смеси во время сгорания;
—минимальным отношением площади поверхности

камеры сгорания к рабочему объему цилиндров. Как уже отмечалось, одним из способов повышения эффективного КПД двигателя является увеличение степени сжатия. Основной причиной ограничения степени сжатия является опасность появления аномальных процессов сгорания (детонации, калильного зажигания, грохота и др.). У современных серийных двигателей, имеющих достаточно высокие степени сжатия, дальнейшее их увеличение даст сравнительно небольшой эффект и связано с необходимостью решения ряда проблем. Прежде всего — это возникновение детонации. Именно она определяет требования к величине степени сжатия и форме камеры сгорания. После воспламенения рабочей смеси от искры фронт пламени распространяется по камере сгорания, давление и температура в этой части заряда растут до 50. 70 бар и 2000. 2500 С, в наиболее удаленной от свечи части рабочей смеси происходят предпламенные химические реакции. При невысокой частоте вращения коленчатого вала, особенно в двигателях с большим диаметром цилиндров, время на эти реакции иногда оказывается достаточным, чтобы остаточная часть заряда сгорала с высокими скоростями (до 2000 м/с).

Детонационное сгорание вызывает появление ударных волн, распространяющихся по камере сгорания с высокой скоростью, вызывая металлические стуки, иногда неправильно называемых стуком пальцев. Ударная волна, разрушая пристеночный слой газов с пониженной температурой, способствует повышению теплоотдачи в стенки цилиндра, камеры сгорания, тарелки клапанов, днище поршня, вызывая их перегрев и увеличивая тепловые потери в двигателе. Работа с сильной детонацией приводит к общему перегреву двигателя, ухудшению мощностных и экономических показателей. При длительной езде с интенсивной детонацией начинается эрозия стенок камеры сгорания, оплавление и задиры поршня, повышенный износ верхней части цилиндра из-за срыва масляной пленки, поломка перемычек между канавками поршневых колец и задиры зеркала цилиндра, прогар прокладки головки цилиндров. К числу факторов, влияющих на требования к октановому числу топлива, относится компактность камеры сгорания, характеризуемая степенью нарастания объема сгоревшей части смеси (в % к полному объему камеры сгорания) по мере удаления условного фронта пламени от свечи. Наиболее компактными являются полусферические, шатровые камеры сгорания, имеющие пониженные требования к октановому числу. Однако для повышения степени сжатия до 9,5. 10,5 в полусферических или полисферических камерах иногда приходится днище поршня делать выпуклым, что существенно ухудшает степень компактности и соответственно повышает требования к октановому числу, которые возрастают на 3. 5 единиц. В современных двигателях с 4 клапанами в одном цилиндре свеча располагается в центре камеры сгорания. Это обеспечивает максимальную степень нарастания объема.

Другим параметром, характеризующим антидетонационные качества, является степень турбулизации смеси в процессе сгорания. Интенсивность турбулизации зависит от скорости и направления потока смеси на входе в камеру сгорания. Одним из способов создания интенсивной турбулизации является увеличение площади вытеснителя (объема расположенного между днищем поршня и плоскостью головки цилиндров) с целью турбулизации заряда для увеличения скорости сгорания. Вытеснители имеют клиновые, овальные, грушевидные камеры сгорания. При замене плоскоовальной камеры сгорания на грушевидную, увеличении за счет этого площади вытеснителя при одновременном уменьшении его высоты на двигателях автомобилей УАЗ удалось без изменения требований к ОЧ топлива поднять степень сжатия на 0,5, за счет чего расход топлива уменьшился на 5. 7%, а мощность увеличилась на 4. 5%. У двигателей УЗАМ 331 и у некоторых двигателей грузовых автомобилей (ЗИЛ-508.10) для создания вихревого движения заряда перед впускным клапаном канал выполнялся улиткообразным. Однако при высоких скоростях смеси это приводило к увеличению сопротивления и соответственно снижению мощностных показателей. Поэтому последние модели двигателей УЗАМ выпускаются с обычным впускным каналом. Полусферические, полисферических цилиндрические камеры сгорания практически не имеют вытеснителя, поэтому их антидетонационные качества (по индексу детонации) уступают камерам с вытеснителями. При массовом производстве двигателей за счет отклонения размеров деталей кривошипно-шатунного механизма и объема камеры сгорания фактическая степень сжатия двигателя одной модели может отличаться на значительную величину (в пределах одной единицы). Поэтому для автомобиля одной и той же модели часто требуются бензины с разным октановым числом. Фактическую степень сжатия приблизительно можно определить при помощи компрессометра.

а — полусферическая; б — полусферическая с вытеснителем; в — сферическая; г — шатровая; д — плоскоовальная; е -клиновая; з — цилиндрическая камера сгорания в поршне; ж — полуклиновая с частью камеры в поршне;

Читайте также:  Контактно транзисторная система зажигания

Box77 › Блог › Физика камеры сгорания. Часть 1

Хотелось бы раз и навсегда разобраться в вопросе: что же происходит в камере сгорания?

Начну по порядку:

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.

Nav view search

Навигация

ЭЛЕКТРОСХЕМЫ НА ВСЕ АВТОМОБИЛИ МИРА НА Portal-Diagnostov.ru

Искать

Примеры работ

Установка Диодной подсветки, Цветомузыки. Дискотека на БОРТУ

Полезная информация

Global Statistic

Как это работает?

Навигация

Обучение диагностике

Камеры сгорания

Форма камеры сгорания влияет на качество процесса сгорания и соответственно на мощность и параметры ОГ дизеля. Благодаря форме камеры сгорания при движении поршня в цилиндре топливовоздушная смесь может завнхряться, перемешиваться или вытесняться из цилиндра, что необходимо для равномерного распределения жидкого топлива или парожидкостных струй в камере сгорания.
Для рабочих процессов используются:
• неразделенная камера сгорания для двигателей с непосредственным впрыском топлива в цилиндр (Direct Injection Engine);
• разделенная камера сгорания (Indirect Injection Engine).

Количество дизелей с непосредственным впрыском топлива все возрастает. У них меньше расход топлива (экономия составляет до 20%), но вышеуровень шума сгорания (прежде всего, при разгоне). Правда, используя предварительное впрыскивание небольшой дозы топлива, можно снизить уровень шума до величины, характерной для двигателей с разделенными камерами. Последние сегодня практически уже не
проектируются.

Неразделенная камера сгорания

Двигатели с непосредственным впрыском топлива (рис. 1) имеют более высокий КПД и работают экономичнее, чем двигатели с разделенными камерами, поэтому они используются на всех грузовых автомобилях и на большинстве новых легковых автомобилей.

Рис.1
1. Многострунный распылитель
2. ‘ / образная выемка в поршне
3. Штифтовая свеча накаливания

При непосредственном впрыске топливо сразу попадает в камеру сгорания 1 с ш-образной выемкой 2, находящейся в поршне, поэтому распылнвание, нагрев, испарение и смешивание топлива с воздухом должны быстро следовать друг за другом. При этом предъявляются высокие требования к подаче не только топлива, но и воздуха. Во время тактов впуска и сжатия в цилиндре благодаря специальной конструкции впускного канала в головке блока цилиндров возникает воздушный вихрь. Форма камеры сгорания также способствует вихревому движению воздуха в конце хода сжатия (т. е. к началу впрыскивания). Из различных видов выемок в поршне, образующих камеру сгорания, в разное время применявшихся при создании дизелей, в настоящее время широкое применение нашла ц-образная выемка в поршне. Топливо должно вводи 1Ы.И и камеру сгорания таким образом, чтобы, равномерно распределяясь по объему камеры, оно могло быстро перемешиваться с воздухом. Для этого, в отличие от дизеля с разделенными камерами сгорания, где используется форсунка со штифтовым распылителем, при непосредственном впрыске топлива применяется форсунка с многоструйным распылителем 1. Распространение его топливных факелов должно быть оптимизировано и согласовано с параметрами камеры сгорания. Давление впрыскивания при непосредственной подаче топлива очень высокое (до 2000 бар).
На практике при непосредственном впрыске применяются два способа интенсификации смесеобразования:
• за счет целенаправленного движения воздуха;
• за счет впрыска топлива — без использования движения воздуха.

Читайте также:  Как проверить АКПП Автоматическую Коробку Передач самому

Во втором случае отсутствуют затраты энергии на завихрение воздуха на впуске, что уменьшает потери на газообмен и улучшает наполнение цилиндра. Использование этого способа, однако, предъявляет повышенные требовании к расположению и количеству отверстии в распылителе форсунки, а также к тонкости распыливання топлива, что определяется диаметром отверстии распылителя. Кроме того, для достижения малой продолжительности впрыскивания и хорошего распыликания топлива необходимо очень высокое давление впрыска.

Разделенная камера сгорания

Дизели с разделенными камерами сгорания долгое время имели преимущества по сравнению с системой непосредственного впрыска топлива по шумностн работы и уровню содержания вредных веществ в ОГ. Их повсеместно применяли на легковых и легких грузовых автомобилях. Сегодня, благодаря высокому давлению впрыскивания электронному регулированию работы дизеля и дополнительному предварительному впрыскиванию топлива, двигатели с непосредственным впрыском достигли сопоставимых параметров.

Различают два процесса смесеобразования с разделенной камерой сгорания:
• предкамерный (форкамерный);
• вихрекамерный.

Предкамерный процесс

При предкамерном процессе топливо впрыскивается в горячую предварительную камеру 2 (рис.2),расположенную в головке блока цилиндров. При этом впрыскивание осуществляется форсункой 1 со штифтовым распылителем под относительно низким давлением (до 450 бар). Отражающая поверхность 3, находящаяся в середине камеры, разбивает струю топлива и интенсивно смешивает ее с воздухом.

Рис.2
1. Форсунка оо шгифтовым распылителем
2. Предварительная камера
3. Отражающая поверхность
4. Соединительный канал
5. Штифтовая свеча накаливания

Во время сгорания в предкамере частично сожженная топливовоздушная смесь, нагреваясь, через отверстие в нижней части предкамеры вытесняется в основную камеру сгорания над поршнем. Здесь она интенсивно перемешивается с воздухом, также поступившим к этому моменту в основную камеру, и сгорает окончательно. Короткая задержка воспламенения и управляемое тепловыделение приводят к «мягкому» сгоранию смеси с низким уровнем шума и малыми нагрузками на д е ы л и дыгателем. Измененная форма предкамеры с выемкой для испарения топлива, а также специальная форма и положение отражающей поверхности (сферический ш гифт) придают потоку воздуха, который устремляется при сжатии из цилиндра в предкамеру, определенное вихрение. Топливо впрыскивается по направлению движения воздуха под углом 5° к оси предкамеры. Чтобы не нарушать процесс сгорания, свеча 5 накаливания устанавливается таким образом, чтобы ее «обтекал» поток топливовоздушной смеси, движущийся в основную камеру сгорания. После пуска холодного двигателя свеча накаливания еще продолжает управляемый нагрев, длящийся до 1 мин (в зависимости от температуры охлаждающей жидкости), что способствует улучшению состава ОГ и уменьшению шума профетого двигателя. Соотношение объемов предкамеры и основной камеры сгорания составляет от 1:3 до 2:3.

Вихрекамерный процесс

При этом процессе сгорание начинается в отдельной вихревой камере шаро- или дискообразной формы, которая заключает в себе почти весь объем камеры сжатия. Из нее тангенциально направленный соединительный канал 2 (рис. 3) ведет в цилиндр.

Рис. 3
1. Форсунка
2. Тангенциально направленный соединительный клапан
3. Штифтовая свеча накаливания

Во время такта сжатия входящий через канал воздух совершает движение в виде вихря, в который впрыскивается топливо. Положение форсунки 1 выбирается таким образом, чтобы факел топлива пересекал вихрь перпендикулярно его оси и попадал на противоположную сторону камеры в наиболее нагретую зону. С началом сгорания топливовоздушная смесь вытесняется через канал в цилиндр и смешивается с имеющимся там воздухом. При процессе сгорания в вихревой камере потери на газообмен меньше, чем в случае с предкамерой, так как сечение соединительного канала здесь больше. Это приводит к снижению потерь энергии на дросселирование, увеличению КПД и снижению расхода топлива. Тем не менее уровень шума сгорания при этом выше, чем при предкамерном процессе.
Важно чтобы смесеобразование по возможности более полно происходило в вихревой камере. Ее конфигурация, расположение и форма топливного факела, а также расположение свечи накаливания должны быть тщательно согласованы, чтобы на всех режимах обеспечить хорошее смесеобразование.

Следующее требование — быстрый разогрев вихревой камеры после холодного пуска. Этим сокращается задержка воспламенения и снижается уровень шума сгорания, а на прогретом двигателе в ОГ отсутствуют нссгоревшне углеводороды (сизый дым).

При непосредственном впрыске с разбрызгиванием топлива на стенку камеры в поршне (М-процесс)* у дизелей грузовых автомобилей и стационарных установок, а также многотопливных двигателей однофакельная (были и двухфакельные. — Ред.) форсунка впрыскивает топливо под невысоким давлением целенаправленно на стенку камеры сгорания. Здесь топливо испаряется и уносится воздухом.
Таким образом, при М-процессе тепло камеры служит для испарения топлива. При правильном согласовании движения воздуха в камере сгорания можно достичь гомогенности топливовоздушной смеси с плавным повышением давления, продолжительным и * процесс разработан фирмой MAN бесшумным сгоранием. Из-за большего расхода топлива по сравнению с современным процессом непосредственного впрыска, использующим распределение топлива в объеме, М-процесс сегодня уже не применяют.

Камеры сгорания

Конструкция головки цилиндров автомобильных двигателей во многом определяется конструкцией камеры сгорания, так как форма камеры сгорания определяет расположение клапанов, свечей зажигания или форсунок, каналов подвода свежего заряда и отвода отработавших газов, каналов циркуляции охлаждающей жидкости и т.д.

От формы камеры сгорания зависит характер развития процесса сгорания и теплоотдача в стенки. Основные требования к конструкции камер сгорания заключаются в обеспечении качественного наполнения цилиндра, эффективности протекания процесса сгорания.

Камеры сгорания оценивают по следующим основным параметрам:

· возможности качественного газообмена в двигателе, которая зависит от размещения и проходного сечения клапанов;

· отношению поверхности камеры сгорания к ее объему. При увеличении этого отношения возрастают тепловые потери в стенки, связанные с замедлением горения в узких зазорах различных зон камеры, при этом увеличивается токсичность отработавших газов в результате неполноты сгорания смеси;

· степени турбулизации (завихрения) заряда непосредственно в камере сгорания при пуске и сжатии;

· возможности повышения степени сжатия и уменьшения склонности к детонационному сгоранию (для бензиновых двигателей).

В бензиновых двигателях нашли наибольшее распространение:

1. Смещенная (Г-образная) (рис.1);

2. Полусферическая (рис.2);

3. Полуклиновая (рис.3) камеры сгорания.

Смещенная камера сгорания занимает объем над всей поверхностью днища поршня и над поверхностью клапанов, что приводит к значительным тепловым потерям и, следовательно, снижению экономичности, увеличению токсичности отработавших газов, так как вследствие удаленности свечи зажигания от дальней точки камеры процесс сгорания затянут по времени. Необходимо также отметить ухудшение газообмена вследствие увеличения сопротивления на впуске и выпуске.

В полусферической камере сгорания лучше происходит турбулизация заряда, она компактна, дает возможность увеличить степень сжатия, однако расположение клапанов поперек двигателя под углом к оси цилиндра усложняет привод клапанов и делает невозможным применение такой камеры сгорания для двигателей с нижним расположением распределительного вала. Поэтому такая камера сгорания применяется на двигателях спортивных автомобилей, а также на двигателях с верхним расположением распределительного вала.

Полуклиновая камера получила большее распространение. Она позволяет повысить степень сжатия до 7,2 (при наличии винтовых впускных каналов), обеспечивает хорошую экономичность и токсичность отработавших газов в регламентируемых пределах, позволяет расположить клапаны вдоль оси коленчатого вала двигателя, что облегчает их привод от нижнего распределительного вала.

В дизелях форма и размещение камеры сгорания определяют способ смесеобразования.

Применяют два вида камер сгорания: неразделенные и разделенные.

Неразделенные камеры сгорания (рис.4) образованы в поршне и представляют собой пространство, заключенное между днищем поршня и нижней плоскостью головки блока (однообъемные камеры). Поршень имеет более высокую температуру, чем охлаждаемая головка цилиндра, что уменьшает тепловые потери и повышает экономичность работы двигателя. Топливо в такую камеру впрыскивается несколькими струями через отверстия в форсунке. Такой способ смесеобразования носит название непосредственного впрыска.

Рисунок 4- Типы неразделенных камер сгорания

а – полусферическая (дизель ВТЗ); б – ЯМЗ и АМЗ; в – ЦНИДИ; г – «МАН»;

д – «Дойц»; е – «Гессельман»; ж – «Даймлер – Бенц»; δ Н.З. – надпоршневой зазор

У дизеля с разделенной камерой сгорания (рис.5) воздух во время такта сжатия подается во вспомогательную камеру через соединительный канал и получает необходимую интенсивность и направление движения. Вспомогательная камера может быть предкамерой (рис.5, б) или вихревой камерой (рис.5, а).

Рисунок 5 – Типы разделенных камер сгорания

а – вихревая камера; б – предкамера

Топливо впрыскивается во вспомогательную камеру малого объема, содержащую лишь часть воздуха, поступившего в цилиндр. При воспламенении топлива в этой камере давление повышается и вытесняет еще не сгоревшее топливо в объем основной камеры сгорания над поршнем, где сгорание завершается. Площадь поверхности основной и вспомогательной камер довольно велика, что приводит к повышенной теплоотдаче, тепловым потерям и, следовательно, к снижению топливной экономичности двигателя. Однако данный способ по сравнению с непосредственным впрыскиванием обеспечивает более плавное нарастание нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма.

Ссылка на основную публикацию