Конструкция основных схем камер сгорания. Камера сгорания. Котлы, с закрытой камерой сгорания

· 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

Распределение топлива по КС осуществляется за счет кинетических энергий топлива и движущегося воздушного заряда. Соотношение этих энергий обусловлено способом смесеобразования и формой КС. В современных автомобильных дизелях нашли применение объемное, пристеночное (пленочное), комбинированное, предкамерное и вихревое смесеобразования. КС в сочетании с топливоподающей аппаратурой определяют условия протекания процессов смесеобразования и сгорания. Камеры сгорания предназначены обеспечивать:

• – полное сгорание топлива при минимально возможном коэффициенте и в предельно короткий срок у ВМТ;
• – плавное нарастание давления при сгорании и допустимые значения максимального давления цикла р z ;
• – минимальные потери теплоты в стенки;
• – приемлемые условия работы топливной аппаратуры.

Объемное смесеобразование. Если топливо распыливается в объеме однополостных (неразделенных) камер сгорания и лишь небольшая часть его попадает в пристеночный слой, то смесеобразование называют объемным. Такие КС имеют малую глубину и большой диаметр, характеризуемый безразмерной величиной - отношением диаметра КС к диаметру цилиндра: d кс /D = 0,750,85. Такая КС располагается обычно в поршне, причем оси форсунки, КС и цилиндра совпадают (рис. 6б).

Рабочий цикл дизелей с объемным смесеобразованием характеризуется следующими особенностями:

• – смесеобразование обеспечивается путем мелкого распыливания топлива при высоких максимальных давлениях впрыскивания (р впрmах =50150 МПа), турбулизация в КС возникает вследствие вытеснения воздуха из зазора между буртом поршня и головкой цилиндра при подходе поршня к ВМТ;
• – равномерное распределение топлива в воздухе обеспечивается посредством взаимного согласования формы КС с формой и расположением топливных факелов;
• – протекание процесса сгорания на номинальном режиме осуществляется при б = 1,50-1,6 и более, т.к. в результате неравномерного распределения топлива по объему КС при меньшем б не удается обеспечить бездымного сгорания, несмотря на согласование форм камеры и факелов, а также применения высокого давления впрыскивания;
• – рабочий цикл характеризуется высокими максимальными давлениями сгорания р z и большими скоростями нарастания давления Др/Дц;
• – двигатели с объемным смесеобразованием имеют высокий индикаторный к.п.д. из-за сравнительно быстрого сгорания топлива у ВМТ и меньших потерь теплоты в стенки КС, а также хорошие пусковые качества.

Важное значение имеет поверхность топливных струй, через которую происходит диффузия паров топлива в окружающий воздух. Угол рассеивания топливных струй обычно не превышает 20°. Для обеспечения полного охвата струями всего объема камеры сгорания и использования воздуха число распыливающих отверстий форсунки теоретически должно быть i c =360/20 = 18.

Величина проходного сечения распыливающих отверстий f c определяется типом и размерами дизеля, условиями перед впускными органами. Она существенно влияет на продолжительность и давление впрыскивания, ограничена условиями обеспечения хорошего смесеобразования и тепловыделения. Поэтому при большом количестве распыливающих отверстий их диаметр должен быть небольшим. Чем меньше количество распыливающих отверстий, тем более интенсивно приводится во вращательное движение для полного сгорания топлива воздух, т.к. в этом случае заряд за характерный промежуток времени, принимаемый обычно равным продолжительности впрыскивания топлива, должен повернуться на больший угол. Это достигается применением винтового или тангенциального впускного каналов.

Создание вращательного движения заряда при впуске приводит к ухудшению наполнения цилиндров воздухом. Увеличение максимального значения тангенциальной скорости tmax вызывает уменьшение v (рис. 7). Пристеночное смесеобразование. Способ смесеобразования, при котором топливо подается на стенку камеры сгорания и растекается по ее поверхности в виде тонкой пленки толщиной 1214 мкм, получил название пристеночного или пленочного.

При таком смесеобразовании КС может быть расположена соосно с цилиндром, а форсунка смещена к ее периферии. Одна или две струи топлива направляются либо под острым углом на стенку КС, имеющей сферическую форму (рис. 6г), либо вблизи и вдоль стенки КС (рис. 6д). В обоих случаях заряд приводится в достаточно интенсивное вращательное движение (тангенциальная скорость движения заряда достигает 5060 м/с), способствующее распространению топливных капель вдоль стенки камеры сгорания. Топливная пленка испаряется за счет теплоты поршня.

После начала горения процесс испарения резко возрастает под действием теплопередачи от пламени к пленке топлива. Испарившееся топливо уносится потоком воздуха и сгорает во фронте пламени, распространяющегося от очага воспламенения. При впрыскивании топлива из-за затрат теплоты на его испарение существенно снижается температура заряда (до 150200°С по осям струй). Это затрудняет воспламенение топлива вследствие уменьшения скорости химических реакций, предшествующих возникновению пламени.

Существенное улучшение воспламеняемости низкоцетановых топлив обесценивается при увеличении, которую у специальных многотопливных дизелей приходится повышать до 26. Для камер с пристеночным смесеобразованием опасность впрыскивания с недостаточной длиной топливных струй существенно меньше, чем в случае камер с объемным смесеобразованием. Поэтому повышение не вызывает ухудшения смесеобразования. При пристеночном способе смесеобразования требуется менее тонкое распыливание топлива. Максимальные величины давления впрыскивания не превышают 4045 МПа. Используют одно-два распыливающих отверстия большого диаметра.

В дизелях нашла применение КС, разработанная Центральным научно-исследовательским дизельным институтом (ЦНИДИ) (рис 6в). Топливные факелы в такой камере попадают на ее боковые стенки под входной кромкой. Отличительная особенность смесеобразования - встречное движение струй топлива и заряда, вытесняемого из надпоршневого пространства, что способствует увеличению количества топлива, взвешенного в объеме КС, и сближает этот процесс с объемным смесеобразованием. При использовании камеры ЦНИДИ применяют 35 сопловых отверстий. Параметры впрыскивания топлива близки к тем, которые имеют место в КС типа ВТЗ и ЯМЗ.

Объемно-пристеночное смесеобразование. Такое смесеобразование получается при меньших диаметрах КС, когда часть топлива достигает ее стенки и концентрируется в пристеночном слое. Часть этого топлива непосредственно соприкасается со стенкой КС. Другая часть располагается в пограничном слое заряда. Частичное попадание топлива на стенки камеры сгорания и интенсивное перемешивание воздуха и частиц топлива снижают количество паров топлива, образующихся в период задержки воспламенения. В результате снижается и скорость тепловыделения в начале сгорания. После появления пламени скорости испарения и смешивания резко возрастают. Поэтому подача части топлива в пристеночную зону не затягивает завершение сгорания, если температура стенки в местах попадания на нее струй находится в пределах 200300°С.

При d кс /D = 0,5-0,6 (рис. 6а, б, ж) в связи со значительным ускорением вращения заряда при перетекании его в КС удается использовать 35 распыливающих отверстий достаточно большого диаметра. Значение тангенциальной составляющей скорости движения заряда достигает 2530 м/с. Максимальные значения давлений впрыскивания, как правило, не превышают 5080 МПа.

В связи с тем, что на такте расширения во время обратного перетекания заряда из камеры часть несгоревшего топлива переносится в пространство над вытеснителем, где имеется еще не использованный для сгорания воздух. Он не полностью участвует в процессе окисления. Поэтому стремятся уменьшить до минимума объем заряда, находящегося в пространстве между поршнем (при положении в ВМТ) и головкой цилиндра, доводя высоту его д из (рис. 6а) до 0,9-1 мм. При этом важной оказывается стабилизация зазора при изготовлении и ремонте дизеля. Положительные результаты обеспечивает также минимизация зазора между головкой поршня и гильзой и уменьшение расстояния от днища поршня до первого компрессионного кольца.

Смесеобразование в разделенных камерах сгорания. Разделенные камеры сгорания состоят из основной и вспомогательной полостей, соединенных горловиной. В настоящее время применяют в основном вихревые КС и предкамеры.

Вихревые камеры сгорания. Вихревая камера сгорания (рис. 8) представляет собой шаровое или цилиндрическое пространство, соединенное с надпоршневым пространством цилиндра тангенциальным каналом. Объем V K вихревой КС 2 составляет примерно 60-80% общего объема сжатия V с, площадь f c поперечного сечения соединительного канала 3 cоставляет 1-5% площади поршня F п.

Как правило, в вихревых камерах сгорания используются закрытые форсунки 1 штифтового типа, обеспечивающие полый факел распыленного топлива.

При поступлении воздуха из цилиндра в вихревую камеру во время такта сжатия воздух интенсивно завихривается. Воздушный вихрь, непрерывно воздействуя на формирующийся топливный факел, способствует лучшему распыливанию топлива и смешиванию его с воздухом. В ходе начавшегося горения воздушный вихрь обеспечивает подвод к факелу свежего воздуха и отвод от него продуктов сгорания. При этом скорость вихря должна быть такой, чтобы за время впрыскивания топлива воздух мог совершить в камере сгорания не менее одного оборота.

Сгорание вначале происходит в вихревой камере. Повышающееся при этом давление вызывает перетекание продуктов сгорания и топливовоздушной смеси в цилиндр, где процесс сгорания завершается.

На рис. 9 представлены конструктивные элементы вихревых камер. Нижняя часть камеры, как правило, образуется специальной вставкой из жаропрочной стали, которая предохраняет головку от обгорания. Высокая температура вставки (800-900 К) способствует сокращению периода задержки воспламенения топлива в КС. Интенсивное вихреобразование и наличие вставки позволяют получить устойчивое протекание рабочего цикла в широком диапазоне нагрузочных и скоростных режимов.

Вихрекамерный рабочий цикл обеспечивает бездымное сгорание топлива при малых коэффициентах избытка воздуха (б = 1,2-1,3) вследствие благоприятного влияния интенсивного воздушного вихря. Сгорание значительной части топлива в дополнительной камере, расположенной вне цилиндра, обусловливает снижение максимального давления сгорания (р z =7-8 МПа) и скорости нарастания давления (0,3-0,4 МПа/°ПКВ) в надпоршневой полости цилиндра на полной нагрузке.

Рабочий цикл вихрекамерного двигателя менее чувствителен к качеству распыливания топлива, что позволяет использовать однодырчатые распылители с невысокими максимальными давлениями впрыскивания (р впр = 20-25 МПа) и сопловым отверстием сравнительно большого диаметра - до 1,5 мм.

Основные недостатки вихрекамерного двигателя: повышенный удельный эффективный расход топлива, достигающий на режиме полной нагрузки 260270 г./(кВт·ч), а также худшие по сравнению с двигателями с неразделенными КС пусковые качества. Однако при использовании свечей накаливания в вихрекамере пусковые качества существенно улучшаются.

Более низкая экономичность вихрекамерных дизелей объясняется увеличением теплоотдачи в стенки основной и дополнительной КС вследствие более развитой их поверхности, наличия в КС интенсивного вихреобразования, больших гидравлических потерь при перетекании рабочего тела из цилиндра в вихревую камеру и обратно, а также зачастую увеличением продолжительности процесса сгорания. Ухудшение пусковых качеств двигателя обусловлено понижением температуры воздуха при перетекании в вихревую камеру и увеличением теплоотдачи в стенки вследствие развитой поверхности дополнительной КС. К числу двигателей с вихрекамерным смесеобразованием относятся тракторные дизели СМД, ЗИЛ-136, Д50, Д54 и Д75, автомобильные дизели «Перкинс», «Ровер» (Великобритания) и др.

Предкамерные дизели. Объем предкамеры (рис. 10) составляет 25-35% общего объема сжатия V с. Площадь проходного сечения соединительных каналов равна 0,3-0,8% площади поршня. В КС используется однодырчатая (обычно штифтовая) форсунка 1, обеспечивающая впрыскивание топлива в направлении соединительных каналов 3.

В предкамерном дизеле воздух в процессе сжатия частично перетекает в предкамеру, где продолжает сжиматься. В нее же в конце сжатия впрыскивается топливо, которое воспламеняется и горит, вызывая быстрое повышение давления. В объеме предкамеры сгорает часть топлива, т.к. количество воздуха в ней ограничено. Несгоревшее топливо продуктами сгорания выносится в цилиндр, где дополнительно распыливается и тщательно перемешивается с воздухом за счет образующихся интенсивных газовых потоков. Сгорание переносится в надпоршневое пространство, вызывая повышение давления в цилиндре.

Таким образом, в предкамерных дизелях для смесеобразования используется энергия газа, перетекающего из предкамеры вследствие предварительного сгорания части топлива в ее объеме.

Использование для смесеобразования газового потока позволяет интенсифицировать перемешивание топлива с воздухом при сравнительно грубом распыливании топлива форсункой. Поэтому в предкамерных дизелях сравнительно низкие начальные давления впрыскивания, не превышающие 10-15 МПа, а коэффициент избытка воздуха на режиме полной нагрузки составляет 1,3-1,

Другое важное преимущество предкамерных дизелей - небольшая жесткость сгорания топлива. Давление газа в надпоршневом пространстве - не более 5,56 МПа вследствие дросселирования газа в соединительных каналах.

К преимуществам предкамерных дизелей следует отнести также меньшую чувствительность рабочего цикла к виду применяемого топлива и к изменению скоростного режима работы. Первое объясняется влиянием на условия воспламенения разогретой поверхности днища предкамеры, второе - независимостью энергии газового потока, вытекающего из предкамеры, от скорости движения поршня. Максимальная частота вращения для предкамерных дизелей малой размерности цилиндра (малого диаметра) составляет 30004000 мин -1 .

Основные недостатки предкамерного дизеля: низкая топливная экономичность вследствие тепловых и гидравлических потерь, возникающих при перетекании газов, из-за растянутости процесса сгорания, а также увеличенной суммарной поверхности КС. Среднее давление механических потерь р м у предкамерных дизелей на 2535% выше, чем у двигателей с неразделенными камерами, а удельный эффективный расход топлива равен 260290 г./(кВт·ч).

Как и вихрекамерные, дизели с предкамерным смесеобразованием имеют низкие пусковые качества. Поэтому эти дизели часто отличаются повышенной (до 18-20) степенью сжатия и снабжены пусковыми свечами накаливания.

Особенности смесеобразования при наддуве. Существенно большая цикловая подача топлива должна осуществляться за время, не большее, чем топливоподача в базовом дизеле без наддува. Для увеличения цикловой подачи топлива и сохранения общей продолжительности впрыскивания дп можно увеличить до приемлемого предела эффективное проходное сечение распыливающих отверстий.

Вторая возможность - увеличение давлений впрыскивания. На практике обычно прибегают к сочетанию этих мероприятий. Увеличение давлений впрыскивания при прочих одинаковых условиях обеспечивает более мелкое и однородное распыливание топлива, что может способствовать повышению качества смесеобразования. Необходимую степень увеличения давлений впрыскивания устанавливают исходя из требуемой степени ускорения процесса смесеобразования. При впрыскивании в более плотную среду увеличивается угол рассеивания топливных струй.

Характеристика смесеобразования

Отмеченная величина дп при необходимости может быть сокращена также другими, более трудоемкими способами, в частности путем увеличения диаметра плунжера топливного насоса и увеличения крутизны его кулачков. При модернизации дизелей с наддувом часто вносятся существенные изменения во все основные его системы и механизмы: снижают степень сжатия, частоту вращения n, изменяют угол опережения впрыскивания и т.д. Эти мероприятия, естественно, влияют и на смесеобразование в КС.

В случае газотурбинного наддува плотность заряда в цилиндре увеличивается с ростом частоты вращения n и нагрузки, а продолжительность периода задержки воспламенения по времени сокращается. Чтобы обеспечить требуемое проникновение топливных струй в слой воздуха за период задержки воспламенения, топливоподающая аппаратура должна обеспечить более резкое увеличение значений давления впрыскивания с увеличением частоты вращения n и нагрузки, чем на дизеле без наддува. При высоких степенях форсирования наддувом применяются насосы-форсунки и топливные системы аккумуляторного типа. В малоразмерных вихрекамерных дизелях легковых автомобилей =21-23.

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;

У дизелей 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.

Для удовлетворения этих требований необходимым является создание интенсивного направленного движения воздуха, но организовать этот процесс нужно так, чтобы с впрыскиваемым топливом смешалось необходимое для сгорания количество воздуха. Принципиально для этой цели существуют две возможности: направлять либо воздух к топливу, либо топливо к воздуху. У автомобильных дизелей используются оба способа.

В первом из них топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр несколькими струями (факелами), которые обдуваются вращающимся потоком воздуха. Скорость потока должна обеспечивать прохождение воздухом пути от одной струи к другой за время сгорания .

Число струй, однако, ограничено, и поэтому необходимое количество топлива должно впрыскиваться с определенной скоростью, чтобы обеспечивалось, его хорошее распыливание. Если топливо хорошо распылено, то оно быстро прогревается после впрыска в горячий воздух, и время, проходящее до его воспламенения (так называемая задержка воспламенения), уменьшается. Малое время задержки воспламенения нужно для того, чтобы количество топлива, поданного в камеру сгорания за этот период, не было настолько большим, чтобы после воспламенения вызвать резкое нарастание давления и большую жесткость работы двигателя. Регулирование процесса, сгорания может быть обеспечено законом подачи топлива в уже воспламененную среду.

Если скорость, время и количество подаваемого топлива определены, то можно рассчитать диаметр силовых отверстий распылителя форсунки, задавшись их числом. Для устранения опасности закоксовывания и обеспечения технологичности изготовления распылителей форсунок минимальный диаметр отверстий ограничивается 0,25-0,3 мм. Поэтому их число в автомобильных дизелях не превышает 4-5. В соответствии с этим должна быть установлена интенсивность вращения воздуха. Вращательное движение воздуха в цилиндре можно создать с помощью впускного канала тангенциальной или винтовой формы. Так же, как и у бензиновых двигателей, дополнительную турбулизацию заряда в дизеле можно создать в конце хода сжатия вытеснением воздуха из пространства между днищем поршня и головкой цилиндра.

Образование смеси с помощью второго способа - подвода топлива к воздуху - затруднено, если нельзя использовать большое число форсунок. У дизелей с разделенными камерами сгорания (предкамерных и вихрекамерных) впрыск осуществляется так, что все топливо подается 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.

Таким образом, по способу смесеобразования различают дизели с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и дизели с разделенной камерой сгорания. При непосредственном впрыске камера сгорания образована в поршне, который имеет более высокую температуру, чем охлаждаемая головка цилиндра. Это уменьшает потери теплоты горячих газов в стенки камеры сгорания. Камера сгорания должна быть компактной с тем, чтобы потери теплоты при сжатии воздуха также не были большими и, следовательно, для достижения необходимой для воспламенения топлива температуры не требовалась слишком высокая степень сжатия. Величина степени сжатия дизеля сверху ограничена нагрузкой на кривошипный механизм и потерями на трение, а снизу - условиями обеспечения так называемого холодного пуска. При непосредственном впрыске степень сжатия ε лежит в пределах от 15 до 18. При холодном пуске дизели этого типа не требуют дополнительных мер для обеспечения воспламенения топлива.

У дизеля с разделенной камерой сгорания воздух во время такта сжатия поступает во вспомогательную камеру через соединительный канал с большой скоростью и при этом значительно охлаждается. Поэтому для обеспечения необходимой температуры к моменту воспламенения требуется более высокая степень сжатия - от 20 до 24, но, несмотря на это, при холодном пуске двигателя воздух во вспомогательной камере должен предварительно подогреваться с помощью специальной свечи накаливания, выключаемой после пуска двигателя.

Площадь поверхности основной и вспомогательной камер сгорания весьма велика, скорость движения воздуха около их стенок также достигает высоких значений. Это означает повышенную теплоотдачу в стенки, т. е. рост тепловых потерь. В связи с этим дизели с раздельной камерой сгорания имеют более высокие удельные расходы топлива, чем дизели с непосредственным впрыском.

Итак, дизели с непосредственным впрыском топлива более экономичны. Недостаток их состоит в значительном шуме при сгорании, однако у последних конструкций этот недостаток практически устранен. Главной причиной шума является высокая скорость нарастания давления в начальной фазе горения. Для устранения этого явления необходимо сократить период задержки воспламенения и управлять дальнейшим протеканием процесса сгорания посредством закона подачи топлива.

Хорошие результаты по снижению жесткости работы достигнуты в дизелях фирмы «МАН» с помощью сферической камеры сгорания, расположенной в поршне.

Форсунка в этих дизелях имеет только два отверстия, через одно из которых основная масса топлива впрыскивается на стенку камеры сгорания, а через другое - меньшая, запальная порция направляется в середину камеры, где воздух имеет наиболее высокую температуру. Воздуху в камере придано интенсивное вращение. Топливо, находящееся на стенке камеры, относительно холодное и поэтому воспламенения всей его массы сразу не происходит. Топливные пары поступают в поток воздуха со стенок камеры постепенно, смешиваются с ним, и образовавшаяся после этого топливовоздушная смесь воспламеняется. При этом обеспечивается мягкая и достаточно экономичная работа двигателя, в связи с чем возникло несколько близких по принципиальной схеме вариантов этого рабочего процесса.

В частности, в камере сгорания цилиндрической формы фирмы «Дойц» (ФРГ) одна струя впрыскивается параллельно оси камеры в пространство вблизи стенки. Полученные при этом способе результаты также можно оценить положительно. Следует отметить, что при таком смесеобразовании многое зависит от температуры стенок камеры сгорания.

При затягивании процесса сгорания теплота, выделяющаяся в течение хода расширения, используется не полностью (см. рис. 3 в статье «Влияние степени сжатия на индикаторный КПД двигателя »), из-за чего увеличивается удельный расход топлива, т. е. преимущества непосредственного впрыска топлива фактически теряются. В наиболее широко применяемых камерах сгорания тороидальной формы топливо впрыскивается по радиусу камеры на ее стенку несколькими симметричными струями, расположенными под большим углом к вертикальной оси. При сгорании вначале реагирует часть топлива, смешиваемая с воздухом прямо у стенки. Газы, образующиеся при горении, имеют высокую температуру и небольшую плотность. При сильном вращении заряда на стенки камеры за счет центробежной силы попадает холодный воздух из центральной части камеры, оттесняя к центру легкие продукты сгорания. Непосредственно вблизи стенок воздух смешивается с топливом. В лаборатории фирмы «Рикардо» (Англия) этот процесс был зарегистрирован на кинопленку.

В дизелях с разделенными камерами сгорания вспомогательную камеру довольно просто создавать и при небольших диаметрах цилиндра. Это весьма важно при конвертировании бензинового двигателя в дизель. Такая задача с успехом была решена под руководством П. Хофбауэра на двигателе автомобиля «Фольксваген Гольф» (рис. 1).

В алюминиевой головке цилиндра была образована небольшая вихревая камера сгорания с форсункой и свечой накаливания. Выемка в днище поршня и выходное отверстие канала, соединяющего вихревую камеру с цилиндром, выполнены обычным способом. Объем вихревой камеры составлял 48 % объема всей камеры сгорания. Рабочий объем двигателя был увеличен с 1100 см 3 до 1500 см 3 , степень сжатия ε = 23,5 . Мощность этого дизеля при 5000 мин -1 составила 37 кВт.

Удельный расход топлива при частоте вращения n = 2500 мин -1 дизельного и бензинового двигателей автомобиля «Фольксваген Гольф» показан на рис. 2.

При среднем эффективном давлении p e = 0,2 МПа удельный расход топлива у дизеля ниже на 25 %. С повышением нагрузки разница в топливной экономичности бензинового двигателя и дизеля уменьшается, а при работе в режиме полной нагрузки она равна нулю. Снижение удельного расхода топлива при частичной нагрузке является очень важным, так как для легковых автомобилей именно эти режимы являются наиболее типичными при движении в городских условиях.

Варианты конструкции дизеля «Фольксваген», отличающиеся размещением форсунки и свечи накаливания, показаны на рис. 1. Изменение местоположения свечи накаливания принесло уменьшение удельного расхода топлива и снижение дымности отработавших газов, что отражено на графиках, приведенных на рис. 3, а. Влияние нагрузки, т. е. среднего эффективного давления p e на те же показатели при работе двигателя в режиме постоянной частоты вращения, равной 3000 мин -1 , показано на рис. 3, б. Улучшение отчетливо видно на всех режимах работы двигателя. Вариант Б (см. рис. 1) отличается расположением свечи накаливания относительно направления вращения воздуха в вихревой камере. Эта конструкция, однако, достаточно сложна при ее реализации в производстве.

Энергетический кризис подтолкнул многих конструкторов автомобильных бензиновых двигателей к конвертированию их в дизельные с целью повышения индикаторного КПД . Конструктор и исследователь из ФРГ Л. Эльсбетт при конвертировании бензиновых двигателей достиг до 20 %. В его дизелях «ЭЛКО» используется непосредственный впрыск топлива односопловой форсункой в сферическую камеру сгорания, расположенную в днище поршня. Ось струи делит радиус камеры пополам в точке пересечения с ним. Организация рабочего процесса использует эффект перемещения горячих продуктов сгорания малой плотности в центр вращающегося в камере сгорания воздушного заряда. Вследствие этого происходит хорошее перемешивание горящей смеси с воздухом, и так как сгорание происходит в основном в центре камеры, то тепловые потери в ее стенки относительно невелики.

Поршень состоит из двух частей, причем верхняя с размещенной в ней камерой сгорания и поршневыми кольцами стальная. Сталь обладает большой термической прочностью и худшей, чем алюминий, теплопроводностью, и поэтому поверхность камеры сгорания имеет более высокую температуру, что, в свою очередь, уменьшает теплопередачу от горячих газов в стенки камеры.

Такое решение, кроме того, предотвращает повышенный износ поршневых канавок, характерный для алюминиевых поршней дизелей.

Юбка поршня, служащая направляющей, изготовлена из алюминиевого сплава и соединяется с верхней частью через поршневой палец. Такая конструкция поршня обладает свойствами крейцкопфа, т. е. уменьшает действующие на стенку цилиндра боковые силы, возникающие при движении шатуна, и создает предпосылки для исключения, являющегося одним из источников шума при работе двигателя опрокидывающего момента, который действует на верхнюю часть поршня.

Для снижения удельного давления на поршневой палец верхняя головка шатуна и бобышки днища поршня имеют клиновидную форму в сечении по оси пальца. Благодаря этому площадь верхней части бобышки днища поршня больше нижней его части. Аналогично нижняя часть втулки шатуна имеет также большую площадь, чем верхняя. Края поршневого пальца воспринимают лишь незначительные силы от юбки поршня.

Водяные каналы в головке цилиндра дизеля «ЭЛКО» исключены. Теплота отводится только от наиболее важных мест, таких как межклапанные перемычки и отверстия для форсунок при помощи масла, циркулирующего по специально высверленным каналам диаметром 6-8 мм. С целью уменьшения отвода теплоты цилиндры охлаждаются таким образом, чтобы температура их верхней зоны не превышала температуру, необходимую для обеспечения смазывания.

При таком уменьшении теплоотвода в систему охлаждения большее количество теплоты отводится, однако с отработавшими газами, что, естественно, приводит к применению турбины для использования этой теплоты. Удельные расходы топлива дизелей «ЭЛКО» изображены на рис. 4, где представлены многопараметровые характеристики пятицилиндрового дизеля с рабочим объемом 2300 см 3 мощностью 80 кВт (рис. 4, а) и шестицилиндрового с рабочим объемом 13300 см 3 (рис. 4, б) . Оба дизеля имеют газотурбинный наддув без промежуточного охлаждения наддувочного воздуха.

Уменьшение теплоотдачи в систему охлаждения позволяет использовать радиатор меньшего объема и соответственно вентилятор меньшей мощности. Если учесть необходимость отапливания автомобиля в холодный период, для чего вполне достаточно теплоты, отводимой от двигателя, то радиатор для охлаждения двигателя в этот период может вообще не потребоваться.

При сравнении удельных расходов топлива нужно учитывать влияние целого ряда факторов. Так, чем больше диаметр цилиндра, тем более выгодные условия имеются для достижения малого удельного расхода топлива. Важным является также отношение диаметра цилиндра к величине хода поршня. Л. Эльсбетт называет свой дизель «теплоизолированным», что является определенным шагом вперед в направлении создания адиабатного двигателя , о котором будет сказано в следующих главах книги. Некоторые особенности конструкции дизеля «ЭЛКО» показаны на рис. 5.

Дизели непосредственного впрыска по сравнению с дизелями с разделенными камерами сгорания имеют лучшие условия для уменьшения тепловых потерь в систему охлаждения. Выше уже говорилось о менее интенсивном охлаждении поверхности камеры сгорания и снижении скорости движения горячих газов около стенок. Однако и при непосредственном впрыске могут создаваться различные условия для отвода теплоты. В качестве примера на рис. 6 показан процесс совершенствования камеры сгорания дизеля «Татра 111А» (ЧССР).

В первом варианте этого дизеля воздушного охлаждения была использована камера сгорания полусферической формы. Таким путем при помощи больших клапанов стремились получить хорошее наполнение цилиндра и благодаря большому углу развала клапанов обеспечить возможности создания ребер охлаждения в зоне седла выпускного клапана. Для получения требуемой величины объема камеры сгорания днище поршня имело куполообразную форму, камера сгорания теряла компактность, и ее развитые поверхности охлаждения приводили к большим потерям теплоты и пониженным температурам в конце сжатия.

Уменьшив угол развала клапанов и применив почти параллельное их расположение, достигли почти плоского днища головки цилиндра и уменьшения поверхности охлаждения. Камера сгорания была размещена в днище поршня и стала более компактной. Температура стенок камеры сгорания в поршне выросла, и уменьшился отвод теплоты через них. Узкая горловина камеры сгорания обеспечила интенсивное завихривание воздуха при сжатии, что способствовало улучшению смесеобразования и регулирования процесса сгорания. Тем самым были снижены тепловые потери при сгорании, улучшены условия холодного пуска, уменьшен шум. Удельный расход топлива при этом снизился на 15 %. Сравнение начального и модернизированного вариантов камеры сгорания, показанных на рис. 6, является примером того, как с помощью конструкции камеры сгорания можно снизить расход топлива.

Рис. 9.3. Типы основных камер сгорания

Трубчатая (вверху на рис. 9.3) ка­мера сгорания состоит из жаровой трубы 1, внутри которой органи­зуется процесс горения, и корпуса (кожуха) 2. На двигателях обыч­но устанавливалось несколько таких камер. В современных авиационных ГТД трубчатые камеры сгорания практически не используются.

В трубчато-кольцевой камере все жаровые трубы заключены в общий корпус, имеющий внутреннюю и наружную поверхности, охватывающие вал двигателя.

В кольце­вой камере сгорания (внизу на рис. 9.3) жаровая труба имеет в сечении форму коль­ца, также охватывающего вал двигателя.

Расположение и тип форсунок, используемых для подачи топли­ва в камеры сгорания, также могут быть различными. Однако, не­смотря на большое разнообразие схем и конструктивных форм ос­новных камер сгорания, процесс горения в них организуется практически одинаково.

Одной из важнейших особенностей организации процесса горения в основных камерах сгорания ГТД является то, что он должен протекать при сравнительно больших коэффициентах избытка воздуха . При реализуемых в настоящее время температурах газа перед турбиной порядка = 1800...1600 К и ниже, как уже отмечалось, значение коэффициента избытка воздуха (среднее для всей камеры) должно составлять 2,0…3,0 и более. При таких значенияходнородная топливо-воздушная смесь, как было указано выше, не воспламеняется и не горит. При резком уменьше­нии подачи топлива в двигатель, которое может иметь место в ус­ловиях эксплуатации, коэффициент избытка воздуха может достигать еще существенно больших зна­чений (до 20…30 и более).

Вторая важная особенность этих камер состоит в том, что ско­рость потока воздуха или топливо-воздушной смеси в них (выбираемая с учетом требований к габаритным размерам двигателя) су­щественно превышает скорость распространения пламени. И, если не принять специальных мер, пламя будет унесено по­током за пределы камеры сгорания

Поэтому организация процесса горения топлива в основных ка­мерах ГТД основывается на следующих двух принципах, позволя­ющих обеспечить устойчивое горение топлива при больших значениях и вы­соких скоростях движения потока в них:

1. Весь поток воздуха, поступающий в камеру сгорания, разделяешься на две части , из которых только одна часть (обычно меньшая) подается непосредственно в зону горения (где за счет этого создается необходимый для устой­чивого горения состав смеси). А другая часть направляется в об­ход зоны горения (охлаждая снаружи жаровую трубу) в так называемую зону смешения (пе­ред турбиной), где смешивается с продуктами сгорания, понижая в нуж­ной мере их температуру;

2. Стабилизация пламени в зоне горения обеспечивается путем создания в ней зоны обратных токов , заполненной горячими продуктами сгорания, непрерывно поджига­ющими свежую горючую смесь.

Рис. 9.4. Схема основной камеры сгорания

Воздух, поступающий в камеру сгорания из компрессора, делится на две части. Одна часть направляется в зону горения, а вторая часть  в зону смешения. Часть воздуха, поступающая в зону горения, в свою очередь де­лится еще на две части. Первая часть, так называемый первичный воздух
(см. рис. 9.4), поступает непосредственно через фронтовое устройство к месту расположения факела распыла топ­ливной форсунки и используется для формирования богатой топливной смеси такого состава, который обеспечивал бы на всех режимах достаточно быстрое и устойчивое сгорание.

Вторая его часть (так называемый вторичный воздух
) через боковые отверстия в жаровой трубе поступает в камеру для завершения процесса горения (первичного воздуха для этого недостаточно). Общее количество воздуха, поступающего в зоны горения (т.е.
) обеспечивает в ней коэффициент избытка воздуха порядка= 1,6…1,8, что соответствует устойчивому горению, полному сгоранию и температуре порядка 1800…1900 К.

Если допустимая температура газов перед турбиной ниже этой величины, необходимый для её уменьшения третичный (или смесительный ) воздух поступает в жаровую трубу через задние ряды отверстий или щелей, быстро снижая их температуру до допустимой. При этом важно подчеркнуть, что, если какая-то часть топлива не успеет сгореть до попадания в зону смешения, то дальнейшее ее догора­ние практически уже не произойдет, так как коэффициент избытка воздуха возрастает до значений, превы­шающих предел устойчивого горения.

Число, расположение и форма отверстий для подвода третично­го воздуха подбираются таким образом, чтобы обеспечить жела­емое поле температур газа перед турбиной.

Подвод первичного и вторичного воздуха в жаровую трубу дол­жен быть организован так, чтобы в зоне горения создавалась нуж­ная структура потока. Эта структура должна обеспечить хорошее смешение топлива с воздухом и наличие мощных обратных то­ков, обеспечивающих надежное воспламенение свежей смеси на всех режимах работы камеры.

Рис. 9.5. Зона обратных токов

в основной камере сгорания

Могут использоваться и другие схемы основных камер сгорания  с несколькими форсунками (несколькими рядами форсунок), с другими способами создания зоны обратных токов и т.д. Но общие принципы организации рабочего процесса в них остаются такими же.

ФОРСАЖНЫЕ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ И ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА

ГОРЕНИЯ В НИХ

Рис. 9.6. Схема форсажной камеры сгорания

На рис. 9.6 показана типичная схема форсажной камеры сгорания, уста­новленной за турбиной ТРД. На входе в камеру имеется небольшой диффузор 7 . За ним расположено фронтовое устройство, состоящее из нескольких стабилизаторов пламени 5 (пластин или колец vобразного сечения) и большого числа (часто нескольких десятков) форсунок 1 , объединенных в несколько топливных коллекторов (на рис. 9.6 их два). Большое число форсунок обеспечивает равномерность состава смеси по объему камеры, а наличие нескольких коллекторов позволяет путем их частичного отключения сохранить на пониженных режимах (т.е. при сниженном общем расходе топлива) необходимый для устойчивого горения состав смеси около тех форсунок, которые еще не отключены.