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.

Бензиновые двигатели и их устройство

Принцип работы бензинового силового агрегата состоит в следующем: небольшой объем топливной смеси поступает в камеру сгорания, там происходит ее воспламенение и взрыв, в результате которого высвобождается определенная энергия. В двигателе внутреннего сгорания таких взрывов происходит несколько сотен за минуту.

Расширяющийся в камере сгорания газ давит на поршень (М), который при помощи шатуна (N) вращает коленвал (P).

Цикл работы бензинового двигателя состоит из следующих этапов:

• Впускной такт. В этот момент начинается движение поршня вниз, происходит открытие впускного клапана. В цилиндр поступает топливовоздушная смесь.

• Сжатие. Поршень начинает двигаться вверх, тем самым сжимает смесь в цилиндрах, что необходимо для выделения большей энергии при последующем взрыве.

• Рабочий такт. Когда поршень поднимается до верхней мертвой точки в цилиндре, в работу включается свеча зажигания и поджигает топливную смесь. После взрыва поршень движется уже вниз.

• Выпускной такт. После достижения поршнем крайней нижней точки, происходит открытие выпускного клапана, через который продукты сгорания и уходят из камеры.

После выхода продуктов сгорания начинается новый цикл работы ДВС.

Результат работы силового агрегата – получение вращательного движения, которое оптимально подходит для проворота колес машины. Достигается это за счет использования коленчатого вала, который и преобразует линейную энергию во вращение.

Устройство и основные детали бензиновых ДВС

Цилиндр – важнейшая часть бензинового мотора, в котором происходит движение поршня, вызванное взрывом топливной смеси. В описанном выше примере речь идет об одном цилиндре. Такое устройство может иметь двигатель моторной лодки или сенокосилки. В моторах же автомобилей цилиндров больше – три, четыре, пять, шесть, восемь, двенадцать и более.

Расположение цилиндров в ДВС может быть следующим:

— рядным:

— V-образным:

— оппозитным (цилиндры горизонтально располагаются друг напротив друга):

Каждое расположение цилиндров имеет свои плюсы и минусы, из которых складывается характеристики тех или иных двигателей и затраты на их производство.

Поршень (М). Эта деталь выполнена в виде металлического цилиндра, двигается вверх-вниз внутри цилиндра уже двигателя.

Клапаны. Могут быть впускными (A) и выпускными (J). Открываются они в различные такты работы двигателя. Через впускные подается топливовоздушная смесь, через выпускные выходят выхлопные газы. В моменты сжатия и сгорания топлива все клапаны закрыты.

Свечи зажигания (К). С их помощью подается искра, которая необходима для воспламенения топлива. Правильная работа двигателя подразумевает точный момент подачи искры (раннее или позднее зажигание – неисправности). На каждый цилиндр двигателя приходится минимум одна свеча.

Поршневые кольца (М). Являются скользящим уплотнением между поршнем и стенкой цилиндра.

С их помощью выполняются следующие функции:

• топливовоздушная смесь не проникает из камеры сгорания в картер во время работы ДВС;

• препятствуют проникновению моторного масла из картера в камеры сгорания.

В автомобилях, страдающих повышенным расходом масла, его угар в 90% случаев происходит из-за износа поршневых колец. Понять, что кольца изношены можно замеряв компрессию двигателя на СТО. Но, стоит понимать, что в случае закоксовки маслосъемных колец компрессионные кольца могут быть в порядке, а значит — и компрессия будет в норме, хотя кольца уже пора менять.

Коленчатый вал (Р). С его помощью поступательные движения поршней преобразуются во вращательное движение. К коленвалу крепится маховик, который необходим для запуска двигателя — бендикс стартера своими зубьями вращает именно его венец. К маховику крепится и корзина сцепления. На другом конце коленчатого вала находится шкив. Шкив вращает посредством ременной или цепной передачи привод ГРМ. Некоторые конструкции двигателей имеют дополнительные шкивы, которые используются для вращения навесного оборудования.

Картер (G). В нем находится коленвал и некоторое количество моторного масла.

Шатун (N). Служит для соединения между собой коленвала и поршня.

Распределительный вал (I). Его задача заключается в своевременном открытии и закрытии выпускных и впускных клапанов.

Гидравлические компенсаторы (на схеме не обозначены). Применяются не на всех моторах, служат для автоматической регулировки зазора между распределительным валом и клапанами. В случае же их отсутствия, зазор регулируется при помощи специальных шайб, и проводить эту процедуру необходимо на СТО на определенном пробеге двигателя.

Блок цилиндров (F). Самая большая часть двигателя, его основа. Может быть как чугунным, так и алюминиевым. Верхняя часть блока содержит головку (D) и клапанную крышку (B). Рабочие отверстия блока это и есть цилиндры двигателя.

Навесное оборудование.

На вышеуказанной схеме оно не обозначено, но стоит чуть подробнее описать его. Все навесное оборудование состоит из отдельных самостоятельных устройств или элементов различных систем. Это, прежде всего:

Генератор. Служит для превращения механической энергии в электрическую, необходимую для питания бортовой сети автомобиля и зарядки АКБ. Заведенный автомобиль питает свою электронику от генератора.

Стартер. Пуск автомобиль осуществляется с его помощью.

Инжектор или карбюратор. Эти устройства служат для приготовления топливовоздушной смеси. Карбюратор уже не используется на относительно новых автомобилях. Теперь производители используют топливную рампу с форсунками и инжектор.

ТНВД. Топливный насос высокого давления используется и на некоторых бензиновых двигателях. Его задача – нагнетать под давлением определенное количество топлива и регулировать момент и количество его подачи.

Турбокомпрессор (турбина). Осуществляет принудительную подачу воздуха в цилиндры, чем увеличивает его мощность.

Водяной насос (помпа) системы охлаждения. Отвечает за циркуляцию антифриза по системе. Стоит отметить и термостат системы охлаждения, который пускает антифриз по малому или большому кругу (в зависимости от степени нагрева ОЖ).

Компрессор кондиционера. Отвечает за циркуляцию хладагента в системе кондиционирования.

Насос ГУР (гидроусилителя руля). Перемещает жидкость ГУР по системе рулевого управления.

Различные датчики, регуляторы и устройства. Датчики давления масла, массового расхода воздуха (ДМРВ), РХХ (регулятор холостого хода), положения дроссельной заслонки, сама дроссельная заслонка, ДПКВ (датчик положения коленвала), ДПРВ (датчик положения распредвала) и т.д. Вышеуказанные устройства контролируют работу силового агрегата, корректируют подачу воздуха, передают информацию на различные ЭБУ и приборную панель.

Классификация бензиновых ДВС

Кроме вышеуказанной классификации бензиновых автомобильных двигателей по расположению цилиндров они могут различаться и по:

• Способу смесеобразования (инжекторные и карбюраторные).

• По количеству цилиндров (четырех, восьми и т.д.).

• По степени сжатия (высокой или низкой степени).

• С турбонаддувом и без наддува.

• Роторные двигатели. Не получили распространения, употребляются на единичных моделях авто (например, автомобили Mazda серии RX).

Про разновидности компоновок двигателей можно узнать ЗДЕСЬ.

Срок службы и капитальный ремонт бензиновых моторов

Чаще всего эти вопросом задаются автомобилисты, приобретающие машину на вторичном рынке. Никто не хочет «попасть» на скорый капремонт или вовсе на замену мотора в ближайшем будущем. Так какой же ресурс современного бензинового ДВС?

До сих пор на слуху многих автолюбителей информация о старых сверхнадежных импортных двигателях («миллионниках»), которые могут легко отходить до капитального ремонта 300-500 тысяч км, а после него – еще столько же.

Теперь же ситуация в корне поменялась. Современные производители (особенно бюджетных авто) не ставят своей целью максимального увеличения ресурса двигателя выпускаемых моделей. Да и цена автомобилей с такими силовыми агрегатами вышла бы из категории «бюджетной».

К тому же, многие недорогие ДВС не имеют ремонтных запчастей, а значит капитальный из ремонт с расточкой цилиндров, шлифовкой головы и т.д. провести не представляется возможным.

Ресурс современных бензиновых двигателей это 150-300 тысяч, после чего некоторые из них можно «капиталить», а некоторые придется и вовсе — менять.

На продолжительность работы ДВС не последнее влияние оказывает качество технического обслуживания и стиль вождения того или иного водителя (кто-то любит крутить холодный мотор до отсечки, кто-то подолгу греет двигатель на холостых оборотах, что также вредно и т.д.).

Современная тенденция увеличения мощности двигателя без изменения его объема привела к использованию турбонаддува. Небольшой легкий двигатель с турбонагнетателем работает постоянно с повышенной нагрузкой, что способствует его быстрому износу. Стоит понимать, что при прочих равных ресурс атмосферного ДВС выше, чем у такого же, но с турбиной. Роторные двигатели и вовсе служат всего 80-120 тысяч км. Одно можно сказать точно – чем меньше «лошадей» снято с кубического см мотора, тем больше его ресурс.

Устройство двигателя внутреннего сгорания в видео: