содержание .. 1 2 3 4 5 6 7 8 ..
3
КАМЕРА СГОРАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ТВ2-117А (АГ)
3.1 КОНСТРУКЦИЯ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ТВ2-117А (АГ)
Камера сгорания двигателя ТВ2-117А - кольцевого типа, состоит из наружного и внутреннего корпусов диффузора, корпуса камеры сгорания, жаровой трубы, восьми топливных форсунок и двух пусковых воспламенителей.
1 - наружный корпус диффузора
2 - топливная форсунка
3 - завихритель
4 - внутренний обтекатель
5 - наружный обтекатель
6 - радиальная подвеска 7,8, 10 - наружные секции 9 - гофрированная лента
11 - фланец
12 - корпус камеры сгорания
13 - плавающее кольцо
14, 15, 16 - внутренние секции
17 - внутренний корпус диффузора 18 - рассекатель
Наружный корпус диффузора (1)
сварной, выполнен из титанового сплава и представляет собой профилированную конусную обечайку с приваренными фланцами — передним для крепления к заднему корпусу компрессора и задним - для крепления к корпусу камеры сгорания (12). На обечайке выполнены фланцы для крепления трубки отвода несгоревшего топлива и конденсата из камеры сгорания в дренажную систему, трубок масляной и суфлирующей систем второй опоры двигателя, рабочих топливных форсунок, пусковых воспламенителей и подвесок жаровой трубы.
Внутренний корпус диффузора (17) тоже сварной конструкции, выполнен также из титанового сплава и представляет собой профилированную трубу, которая крепится к направляющему аппарату X ступени компрессора и к внутреннему фланцу корпуса соплового аппарата турбины компрессора. В передней части к корпусу приварен рассекатель (18), разделяющий диффузор на две диффузорные кольцевые полости с меньшей степенью раскрытия.
В корпусе и рассекателе выполнены отверстия для прохода трубок масляной и суфлирующей систем второй опоры. Для стабилизации воздушного потока, обеспечивающего равномерное поле температуры газа на выходе из камеры сгорания, передняя часть корпуса выполнена с кольцевым уступом.
Корпус камеры сгорания (12) выполнен из титанового сплава и выполнен в виде цилиндра с конусной задней частью, который крепится к наружному корпусу диффузора и к наружному фланцу соплового аппарата турбины компрессора. На наружной поверхности корпуса выполнены фланец (11) для крепления патрубка отбора горячего воздуха в противообледенительную систему двигателя, кронштейн для крепления блока дренажных клапанов и кронштейн для крепления переходной колодки термопар.
Жаровая труба - кольцевая, сварной конструкции изготовлена из жаропрочной стали. Состоит из наружного (5) и внутреннего (4) обтекателей, трех наружных (7, 8, 10) и трех внутренних (14, 15, 16) цилиндрических и конических секций. Между секциями установлены гофрированные ленты (9). Во внутренний обтекатель (4) вварены восемь завихрителей (3), имеющих в центре «плавающее» кольцо, в которое устанавливается топливная форсунка (2). Жаровая труба крепится к наружному корпусу диффузора восемью радиальными подвесками (6). Хвостовая часть трубы опирается на обойму соплового аппарата турбины компрессора через плавающее кольцо (15).
Топливная форсунка двигателя - двухсопловая, двухканальная, центробежная. Корпус форсунки имеет фланец крепления. Во входную часть корпуса монтируются штуцеры подвода топлива первого контура и подвода топлива второго контура.
В выходную часть корпуса монтируются распыливающие и фильтрующие элементы первого и второго контуров. В обоих фильтрах применена сетка с ячейкой 40 мкм.
Распыливающими элементами первого контура являются завихригель и сопло-завихритель, а второго контура— сопло-завихритель и сопло.
Сопла выполнены с малой камерой завихрения, что обеспечивает хорошее качество распыла топлива на режиме запуска и при низких температурах топлива.
Подача топлива по первому контуру производится во время запуска двигателя и на всех режимах его работы. Подача топлива по второму контуру производится только на рабочих режимах при достижении в топливной системе определенного давления.
Зажигание топливо-воздушной смеси в камере сгорания производится двумя воспламенителями, установленными на наружном корпусе диффузора камеры сгорания и работающими одновременно при запуске двигателя.
Пусковой воспламенитель состоит из корпуса (4) с переходником (1), запальной свечи (12) и пусковой топливной форсунки.
Форсунка и запальная свеча крепятся на бобышках, отлитых на сферической наружной поверхности корпуса воспламенителя.
Топливо в пусковой воспламенитель подводится по поворотному ниппелю (6) внутрь штуцера (5) и через фильтр (7) поступает в
полость перед завихрителем. Далее топливо по тангенциальным каналам (9) поступает в конусную камеру завихрения, закручивается в ней и в распыленном состоянии через отверстие сопла подается в камеру воспламенителя, в которой поджигается искрой от запальной свечи.
1 - переходник
2 - экран
3 - отверстие в переходнике
4 - корпус
5 - штуцер 6 - ниппель поворотный
7 - фильтр
8 - прокладка
9 - канады тангенциальные
10 - заглушка 11 - сопло
12 - свеча запальная
13 - пружина
Факел пламени топлива, подожженного в камере пускового воспламенителя, через переходник (1) направляется в жаровую трубу и поджигает топливо, поступающее из основных топливных форсунок. После воспламенения топлива в жаровой трубе пусковой воспламенитель прекращает работу (подача топлива в пусковую форсунку отсекается электромагнитным клапаном).
Чтобы исключить коксовывание пусковой форсунки, предусмотрена обратная продувка магистрали пускового топлива чистым воздухом из воспламенителя через сопло пусковой форсунки. Эта продувка одновременно очищает форсунки и магистраль от сливного топлива.
3.2
ПРИНЦИП РАБОТЫ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ТВ2-117А (АГ)
Сжатый и подогретый в компрессоре воздух поступает в камеру сгорания двигателя ТВ2-117А под давлением Р2 = 6,7 кгс/кв.см при температуре t2=270 °С с осевой скоростью
100... 120 м/с. Так как скорость горения углеводородных топлив, на которых работают газотурбинные двигатели, составляет 25...30 м/с, то для обеспечения устойчивости горения необходимо тормозить воздушный поток. Для этой цели передняя часть камеры сгорания выполняется в виде расширяющегося диффузора, где скорость воздушного потока снижается до 60...80 м/с. Кроме того, первичный воздух, проходя через завихрители, тормозится до скорости 15—25 м/с. Такая скорость воздушного потока, участвующего в горении топлива, способствует стабильности горения. Для обеспечения устойчивого горения весь поток воздуха, поступающий из компрессора, разделяется на две части: на первичный воздух I и вторичный II. Первичный воздух проходит через завихрители жаровой трубы и используется для сжигания топлива. Этот воздух составляет примерно 25—30% всего воздуха, подводимого в камеру сгорания. В завихренный первичный воздух впрыскивается через рабочие форсунки топливо. Стабилизация горения топлива достигается тем, что первичный воздух, проходя по межлопаточным каналам завихрителя, закручивается, и поэтому в жаровой трубе создается вращающийся относительно продольной оси поток.
Вследствие действия центробежных сил на частицы воздуха давление его у стенок жаровой трубы оказывается большим, чем в центральной части, где таким образом создается область разрежения, в которую в виде обратных токов III устремляются продукты горения. Подвод горячих газов к свежей смеси образует слой с очень малой скоростью движения, что и обеспечивает устойчивость процесса горения.
Температура газа в зоне горения достигает 1900—2000° С. Понижение температуры до допустимой по условиям жаропрочности турбинных лопаток осуществляется подводом во внутрь жаровой трубы вторичного воздуха, который составляет 70—75% всего воздуха, поступающего в камеру сгорания. Этот воздух подводится в жаровую трубу через отверстия и щели в ее секциях. Так как вторичный воздух подводится внутрь жаровой трубы в большом количестве, то он существенно влияет на структуру газового потока. Вторичный воздух не только уменьшает температуру газа вследствие перемешивания с продуктами сгорания, но и участвует в догорании продуктов неполного сгорания и частиц несгоревшего топлива, вынесенных из зоны горения, а также обеспечивает охлаждение жаровой трубы и корпуса камеры сгорания.
I - первичный воздух II - вторичный воздух III - обратные токи
содержание .. 1 2 3 4 5 6 7 8 ..
Анимированная схема работы 4-тактного двигателя внутреннего сгорания Камера сгорания — объём, образованный совокупностью деталей двигателя или печи (в последнем случае камера сгорания называется топкой) в котором происходит сжигание горючей смеси или 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.
Горячий газ занимает гораздо больший объем, чем горючая смесь, поступающая на вход в двигатель. Тем самым создаётся дополнительное давление, которое может двигать поршень или вращать турбину. Энергия также идёт на создание дополнительной тяги при выходе газа из сопла.
Для увеличения тяги в турбореактивном двигателе за турбиной можно поместить вторую, т. н. форсажную камеру сгорания, в которой газ может нагреваться до такой же температуры, как и в прямоточном воздушно-реактивном двигателе. Форсажная камера представляет собой цилиндрическую трубу с соплом регулируемого сечения на выходе.
Камера сгорания — один из самых сложных элементов конструкции двигателя. В настоящее время она должна удовлетворять следующим десяти требованиям:
Камеры сгорания в поршне дизельного двигателя (варианты) В течение короткого цикла двигателя должно происходить не только сгорание, но и предварительное приготовление горючей смеси (за исключением устаревших карбюраторных моторов). Поэтому форма камеры сгорания, размещение форсунки и клапанов/окон должно обеспечивать как приготовление смеси, так и её сгорание с минимальными теплопотерями в стенки. Кроме того, важно соблюдение экологических норм.
В искровых моторах камера сгорания может быть шатрового, полусферического, линзовидного, клинового, и более редких типов. Движение фронта пламени должно обеспечивать примерно одинаковую скорость сгорания, чтобы работа двигателя не была "жёсткой". Из соображений детонационной стойкости путь пламени должен быть кратчайшим, а последняя порция смеси не должна располагаться в зоне выпускных клапанов. В системах с расслоением заряда повышение детонационной стойкости достигают обеднением последней сгорающей порции смеси.Камера должна быть компактной, чтобы уменьшить теплоотдачу в стенки. Подача топлива - через карбюратор, в коллектор, прямой впрыск в цилиндр.
В моторах с воспламенением от сжатия форма камер более разнообразна, определяется выбранным методом смесеобразования (испарения топлива). Это может быть вихрекамера или предкамера в головке блока, либо камера в поршне. Смесеобразование - плёночное, объёмно-плёночное, объёмное. Метод впрыска - только прямой. В последнее время эффективная система Common rail значительно улучшило показатели двигателей с объёмным смесеобразованием, так что разнообразие камер сократилось.
Михайлов А.И. и др. Рабочий процесс и расчет камер сгорания газотурбинных двигателей: Труды Московского ордена Ленина авиационного института имени Серго Орджоникидзе, вып.106. — М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1959.
ru-wiki.org
Cтраница 1
Камеры сгорания дизельных двигателей, используемых наземными транспортными средствами, в основном, располагаются в поршне. Впускной канал создает необходимую закрутку воздушного потока для улучшения процессов смесеобразования и сгорания свежего заряда. В случае перехода на газовое моторное топливо, как правило, не имеется технологических возможностей изменения геометрии проточной части впускных органов, и повлиять на характер движения свежего заряда в цилиндре двигателя можно только подбором соответствующей камеры сгорания. [1]
Камеры сгорания дизельных двигателей бывают неразделенного и разделенного типа. [3]
Штатная камера сгорания дизельного двигателя, имея малый объем и обеспечивающее, соответственно, большую степень сжатия, не гарантирует использовать в качестве топлива природный газ, поскольку не обеспечивает бездетонационную работу во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов. Изменяя геометрию камеры сгорания, необходимо учитывать, что в газовом двигателе с искровым воспламенением значительное влияние на экологические и экономические показатели оказывает уровень турбулизации свежего заряда в цилиндре до воспламенения и в течение процесса сгорания. [4]
Штатная камера сгорания дизельного двигателя, имея малый объем и, соответственно, большую степень сжатия, не позволяет использовать в качестве топлива природный газ, поскольку не обеспечивает бездетонационную работу во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов. Изменяя геометрию камеры сгорания, необходимо учитывать, кроме того, тот факт, что в газовом двигателе с искровым воспламенением значительное влияние на экологические и экономические показатели оказывает уровень турбулизации свежего заряда в цилиндре до воспламенения и в течение процесса сгорания. [5]
Камера сгорания дизельных двигателей второго типа состоит из основной и дополнительной камер, В конце такта сжатия топливо впрыскивается через форсунку в дополнительную камеру, где оно частично сгорает, после чего продукты сгорания и еще не сгоревшее топливо перетекают в основную камеру, где и завершается процесс горения. Хорошее перемешивание топлива с воздухом и полное сгорание полученной смеси у двигателей этого типа достигаются благодаря перетеканию с большой скоростью газов через канал, соединяющий обе части камеры сгорания. [6]
Форму камеры сгорания дизельного двигателя в основном определяет примененный способ смесеобразования. Камеры сгорания дизельных двигателей подразделяются на разделенные и неразделенные. [7]
В камере сгорания дизельного двигателя смесь гетерогенна. Таким образом, характер смесеобразования, предпламенных превращений, воспламенения и горения в дизельном двигателе предопределяет значительно большие размеры образования сажи по сравнению с бензиновыми двигателями. [8]
Топливовоздушная смесь в камере сгорания дизельного двигателя никогда не бывает однородной по температуре, поэтому развитие предпламенных реакций всегда протекает неодинаково в отдельных ее частях. [10]
Очень опасным является попадание значительного количества масла в камеру сгорания дизельного двигателя. В этом случае выключение подачи топлива насосом не прекращает нарастания оборотов, так как топливом служит сгорающее масло и двигатель трудно остановить сразу. Поэтому необходимо прежде всего нагрузить двигатель вплоть до стопорения, снизить давление сжатия в цилиндрах и выключить подачу топлива. [11]
На рис. 55 показана зависимость степени сжатия в камере сгорания дизельного двигателя на уровень цетанового числа применяемого топлива. [12]
Форсунки предназначены для высокодисперсного распыла и равномерной подачи топлива в камеру сгорания дизельного двигателя. [13]
Форму камеры сгорания дизельного двигателя в основном определяет примененный способ смесеобразования. Камеры сгорания дизельных двигателей подразделяются на разделенные и неразделенные. [14]
Сила тока прямо пропорциональна количеству отложившейся сажи. Так как условия горения топлива на лабораторной установке отличаются от условий горения в камере сгорания дизельного двигателя, прямой надежной зависимости между результатами, полученными по методу Факел и в стендовых испытаниях, нет, хотя в некоторых случаях корреляция наблюдается. [15]
Страницы: 1 2
www.ngpedia.ru
Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к разработке и проектированию камер сгорания топлива поршневых двигателей, преимущественно с искровым зажиганием. В предлагаемой камере длина основной цилиндрической полости выполнена равной ее диаметру, размер данной длины определен в зависимости от диаметра поршневого цилиндра, хода поршня, степени сжатия, надпоршневого зазора в следующем соотношении: l0=((s/(C 0-1)-s0)*d2 )(1/3), а максимально допустимая степень сжатия С0 установлена эмпирическим трансцендентным уравнением 1,118((s/(C0-1)-s 0)*d2)1/3-a+b*С 0=0, где l0 - оптимальная длина основной полости цилиндрической камеры, s - величина хода поршня. С 0 - допустимая степень сжатия, s0 - размер надпоршневого зазора, d - диаметр поршневого цилиндра; а и b - эмпирические коэффициенты, определяемые из анализа двигателей-аналогов, например, типа 4Ч 7,8/7,8 и ЗМЗ - 4063, для которых а=109,54 мм, b=6,537 мм. Применение предлагаемой камеры сгорания в карбюраторном двигателе 44 7,8/7,8 увеличивает эффективный КПД его на 9,3%, мощность и крутящий момент двигателя на 10,2%, снижает удельный расхода топлива на 8,5%. Изобретение обеспечивает минимальную поверхность охлаждения объема камеры сгорания, достижение максимальных значений коэффициента использования тепла камер и бездетонационную степень сжатия. 2 ил., 2 табл. 
Изобретение относится к отрасли машиностроения, в частности к двигателестроению, а конкретно - к камерам сгорания поршневых двигателей внутреннего сгорания преимущественно с искровым зажиганием, и может быть использовано для бензиновых двигателей при впрыске топлива.
Известны плоскоовальные и грушевидные камеры сгорания [1]. Камеры сгорания такой конструкции характеризуются достаточной площадью поверхностей вытеснителя, составляющей (20...25)% от площади торца поршня. Дальнейшее увеличение площади вытеснителя приводит к уменьшению зазоров между тарелкой клапана и стенкой камеры сгорания, а также к уменьшению размеров клапанов. Такие конструктивные особенности ухудшают наполнение поршневого цилиндра, что совершенно не допустимо для современных высокооборотных двигателей [2. С.4].
Известна клиновая камера сгорания, которая может выполняться с повышенными зазорами между тарелкой клапана и стенкой камеры без ухудшения ее компактности, что обеспечивает низкое аэродинамическое сопротивление при входе рабочей смеси в поршневой цилиндр [2. С.5]. Ряд важных преимуществ клиновой камеры определил широкое ее применение на автомобильных двигателях. При такой камере бездетонационная работа двигателя зависит от большого количества взаимосвязанных параметров, среди которых наиболее важным является максимальное расстояние, проходимое фронтом пламени [3. С.257]. Данное расстояние немного меньше диаметра поршневого цилиндра для значений степени сжатия до 10:1 и примерно равно половине диаметра при больших значениях степени сжатия [3. С.266]. В частности, в клиновой камере двигателя 4Ч 7,8/7,8 [6] бездетонационное сгорание бензина АИ-93 достигается при условиях:
где hк - длина максимального пути условного фронта пламени, равная максимальному размеру клиновой камеры от свечи зажигания; Ск - бездетонационная степень сжатия топливовоздушной смеси (Приложение 1).
Клиновая камера характеризуется следующими недостатками.
1. Несмотря на эффекты пульсации и образование турбулентностей, при сжатии в такой несимметричной камере, для обеспечения достаточно быстрого сгорания топлива, которое позволило бы исключить детонацию при высоких степенях сжатия смеси, требуются дополнительные меры по увеличению интенсивности турбулентности [3. С.300].
2. Потери тепла в клиновой камере сгорания приближаются к максимальным, так как отношение площади поверхности стенок к ее объему слишком велико, что недопустимо для современных двигателей с компактными камерами сгорания [4. С.62]. Увеличение отношения площади поверхности охлаждения камеры к ее объему приводит к возрастанию тепловых потерь, снижению температуры смеси на такте сжатия, ухудшению экономичности, а также вызывает большую чувствительность к вязкости масла и температуре охлаждающей воды [9. С.16].
3. Завышенная несимметричность клиновой камеры исключает минимальную удаленность точек наружной поверхности камеры от свечи зажигания [5. С.112], что не допустимо для современных двигателей с высокой степенью сжатия, для которых достижение минимального расстояния, проходимого фронтом пламени, является наиважнейшим требованием [3. С.266].
Известна камера сгорания с лучшими показателями, например, шатровая [5. С.120]. В такой камере размещаются клапаны увеличенного размера, а отношение площади поверхности камеры к ее объему не велико. Камера отличается малым расстоянием продвижения фронта пламени и обеспечивает хорошее втекание заряда через клапаны в цилиндр, так как этому не препятствуют стенки цилиндра и камеры сгорания. Шатровая камера имеет меньший путь фронта пламени даже при рабочем объеме цилиндра, превышающем рабочий объем клиновой камеры.
В шатровой камере карбюраторного двигателя ЗМЗ-4063.10 [7] бездетонационное сгорание бензина АИ-93 достигается при условиях:
где hш - длина максимального пути фронта пламени в шатровой камере, Сш - бездетонационная степень сжатия топливовоздушной смеси (Приложение 2).
Шатровая камера не подходит для двигателей с повышенной степенью сжатия, так как зона горения становится узкой, пламя рано гасится, сильно увеличивается выделение углеводородов. Данная конструкция идеальна для двигателей с турбонаддувом, степень сжатия у которых может быть близкой к 9:1. [3. С.298].
Значения максимального пути фронта пламени и степени сжатия по уравнениям (1, 2) позволяют приближенно оценить взаимосвязь между ними в виде
где 
б и Сб - длина пути условного фронта пламени и бездетонационная степень сжатия; а и b - эмпирические коэфициенты, определяемые из анализа двигателей - аналогов, например, 4Ч 7,8/7,8 и ЗМЗ - 4063, для которых а=109,54 мм, b=6,537 мм.
За прототип принимается камера сгорания поршневого двигателя с искровым зажиганием, содержащая образованную выемками головки блока и поршня основную полость цилиндрической формы, продольная ось которой перпендикулярна к оси цилиндра [8]. Площадь поверхности такой полости, ее диаметр и длина пути пламени определяются формулами:
где Fц, Vц , dц, hц - соответственно, площадь охлаждения, объем, диаметр и длина пути фронта пламени. При hц=lб, С ц=Сб, Vц=(s/(С ц-1)-s0)*
*d2/4 [6] из выражений (3, 5) следует трансцендентное уравнение для определения степени сжатия прототипа
где s - ход поршня, Сц - бездетонационная степень сжатия прототипа, s 0 - надпоршневой зазор, d - диаметр поршневого цилиндра.
Значения площадей наружных поверхностей сравниваемых камер позволяет определить коэффициент использования тепла для цилиндрической камеры прототипа. Из работы [10] и принципа подобия [5. С.187] следует:
где 
ц, к - коэффициенты использования тепла камер прототипа и клиновой, Fk - площадь наружной поверхности клиновой камеры (Приложение 1). Для цилиндрической камеры двигателя 4Ч 7,8/7,8 [6] при ориентировочной длине l ц=78 мм результаты расчетов по уравнениям (4, 5, 6, 7) приведены в табл.1. Видно, что камера по прототипу имеет лучшие возможности для увеличения степени сжатия и коэффициента использования тепла по сравнению с клиновой и шатровой камерами.
Камера сгорания по прототипу характеризуется следующими недостатками.
1. Торцевая поверхность поршня, обращенная к камере сгорания, снабжена выступающим вытеснителем, который увеличивает массу поршня, а следовательно, и силы инерции, что ухудшает массогабаритные показатели двигателя. Размещение камеры сгорания на данном выступе и примыкающей к нему выемке поршня повышает отдачу тепла в область расположения поршневых колец, что способствует высокооборотной детонации и последующего калильного зажигания [3. С.299]. Производство фигурных поршней сложнее и дороже производства поршней с плоским днищем. При таких поршнях возникает опасность неравномерного прогрева поршней, что уменьшает их надежность и долговечность. Фигурные поршни усложняют стыковку блока цилиндров и его головки [11. C.14].
2. Из выражения (4), определяющего площадь Fц, видно, что при изменении длины l ц от нуля до размера диаметра поршневого цилиндра площадь Fц может принимать минимальное значение, например, при lц=l0 . Однако длина l0 не определена, ее связь с величиной степени сжатия не установлена, поэтому определить максимально допустимую бездетонационную степень сжатия по уравнению (6) и максимальный коэффициент по уравнению (7) не представляется возможным, что исключает повышение мощностных и экономических показателей путем увеличения степени сжатия топливовоздушной смеси.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в достижении минимальной поверхности охлаждения заданного объема камеры сгорания и минимального пути в ней условного фронта пламени, что обеспечивает достижение максимальных значений коэффициента , и бездетонационной степени сжатия по уравнениям (6, 7).
Для достижения указанного технического результата в камере сгорания, содержащей образованную выемками головки блока и поршня основную цилиндрическю полость, продольная ось которой перпендикулярна к оси поршневого цилиндра, длина основной цилиндрической полости выполнена равной ее диаметру, размер данной длины определен в зависимости от диаметра поршневого цилиндра, хода поршня, степени сжатия, надпоршневого зазора в следующем соотношении:
а максимально допустимая степень сжатия С 0 установлена эмпирическим трансцендентным уравнением
где lo - оптимальная длина основной полости цилиндрической камеры, d - диаметр поршневого цилиндра, s - величина хода поршня. С0 - допустимая степень сжатия. s0 - размер надпоршневого зазора. Для камеры двигателя 4Ч 7,8/7,8 [6], отличающейся равенством диаметра и длины ее цилиндрической полости, результаты расчета по уравнениям (4, 5, 7) с учетом выражений (8, 9) приведены в табл.1.
| Табл.1 | ||||||
| Камера | lц/l 0, мм | dц/d 0, мм | hц/h 0, мм | Fц/F 0, мм2 | С ц/С0 | ц/0 |
| По прототипу | 78 | 24,4341 | 46,0220 | 6925,24 | 9,7 | 0,9354 |
| Предлагаемая | 34,1930 | 34,1930 | 38,2289 | 5509,54 | 10,9 | 0,9486 |
Из табл.1 видно, что отличительный признак, выраженный равенством длины 0 цилиндрической полости камеры и ее диаметра d0, обеспечивает положительный эффект в виде уменьшения поверхности F0 охлаждения цилиндрической полости и сокращения пути в ней условного фронта пламени, что повышает коэффициент 0 использования тепла на 1,4%, а бездетонационную степень сжатия С0 на 12,4%.
На фиг.1 изображена предлагаемая цилиндрическая камера в разрезе по плоскости, перпендикулярной к оси цилиндрической полости камеры; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1 при размещении поршня в верхней мертвой точке.
Камера сгорания содержит основную цилиндрическую полость 1, образованную выемками в головке блока 2 и в поршне 3, причем продольная ось цилиндрической полости расположена перпендикулярно к продольной оси 4 поршневого цилиндра 5. К основной полости 1 примыкает надпоршневой зазор 6, образованный сводом 7 головки блока 2 и торцом 8 поршня 3. В цилиндрической полости 1 установлена свеча зажигания 9 для воспламенения топливовоздушной смеси, а рядом с ней - клапана 10, например, разноименные. Цилиндрическая полость 1 (фиг.2) ограничивается длиной l0 , равной величине диаметра d0, а площадь F0 наружной поверхности полости и максимальная длина h0 пути в ней условного фронта пламени, ее коэффициент 0 использования тепла определяются выражениями:
Оптимальная длина l0 предлагаемой камеры определяется путем дифференцирования функции F ц (4) при условии lц=l 0, приравнивания нулю производной от функции F ц и решения полученного алгебраического уравнения вида V/l02=( *V/l0)(1/2) /2, из которого при V=(s/(С0-1)-S 0)* *d2/4 [6] следует
где l0 - оптимальная длина цилиндрической полости. С0 - оптимальная степень сжатия топливовоздушной смеси. Подставляя значение h 0 из (10) в эмпирическое уравнение (3) с применением замены lб=h0 получаем трансцендентное уравнение для определения бездетонационной степени сжатия С 0 предлагаемой камеры
Уравнения (10, 11, 12) позволяют по аналогу и исходным параметрам: диаметру поршня, величине его хода, надпоршневому зазору; выполнить камеру с минимальной длиной пути фронта пламени, с максимально допустимой бездетонационной степенью сжатия, с повышенным коэффициентом использования тепла.
При работе двигателя на такте сжатия топливовоздушная смесь перетекает из надпоршневого объема в объем цилиндрической полости 1. Вследствие радиальной поверхности полости 1 и тангенциального входа смеси в полости 1 образуется интенсивное ее вращение относительно продольной оси полости. Скорость вращения значительно усиливается при подходе поршня 3 к верхней мертвой точке, что снижает газодинамические потери и способствует улучшению смесеобразования и увеличению скорости распространения пламени. После зажигания от свечи топливовоздушной смеси и последующего ее сгорания продукты горения топлива тангенциально выбрасываются под возросшим давлением в надпоршневой зазор 6, где они совершают полезную работу в форме преоделения сопротивления поршня своему перемещению.
Сокращение периода видимого сгорания топлива приводит к повышению антидетонационных качеств, что позволяет при заданном октановом числе топлива увеличить степень сжатия и, таким образом, повысить мощностные и экономические показатели двигателя. В табл.2 приводится сравнение аналога и двигателя с предлагаемой камерой, где эффективные показатели сравниваемых двигателей и их основные параметры определены по методике работы [6]. Из табл.1 видно, что использование предлагаемой камеры в карбюраторном двигателе [6], отличающейся минимальной площадью наружной поверхности и минимальной длиной пути фронта пламени, повышает мощность двигателя на 11,2%, снижает удельный расхода топлива на 9,2%, а эффективный КПД увеличивает на 10,2%.
| Табл.2 | ||||
| № | Характеристика | Обозначение | Двигатель | |
| 1 | Марка двигателя | 4Ч 7,8/7,8 | 4Ч 7,8/7,8 | |
| 2 | Номинальные обороты коленвала, об/мин | n | 5600 | 5600 |
| 3 | Сорт бензина | АИ-93 | АИ-93 | |
| 4 | Конструкция камеры в головке цилиндра | Клиновая | Предлагаем | |
| 5 | Размер надпоршневого зазора, мм | s0 | 1,3 | 1,3 |
| 6 | Бездетонационная степень сжатия | Cб | 8,5 | 10,9 |
| 7 | Максимальный путь фронта пламени, мм | h | 53,98 | 38,23 |
| 8 | Объем клиновой и цилиндрической полости, куб. мм | V | 43483 | 31398 |
| 9 | Площадь клиновой и цилиндрической полости, кв. мм | F | 9655 | 5509 |
| 10 | Коэффициент использования тепла | | 0,91 | 0,9486 |
| 11 | Механические потери, МПа | pm | 0,1985 | 0,1985 |
| 12 | Среднее эффективное давление, МПа | pе | 0,869 | 0,9662 |
| 13 | Эффективный КПД |  е | 0,272 | 0,2998 |
| 14 | Эффективный расход топлива, г/(квт*час) | ge | 301 | 273 |
| 15 | Мощность двигателя, кВт | Ne | 60,42 | 67,22 |
| 16 | Литровая мощность, кВт/л | Nл | 40,55 | 45,09 |
| 17 | Крутящий момент, Н*м | Me | 103,1 | 114,63 |
Источники информации
1. Сухарева Л.С. Влияние формы камеры сгорания на склонность карбюраторного двигателя к детонации. // Автомобильная промышленность. №10, 1964, с5.
2. Дмитриевский А.В. Камеры сгорания бензиновых двигателей. НИИНавтопром. Серия: "Автомобилестроение". М., 1967, 34 с.
3. Топливная экономичность автомобилей с бензиновыми двигателями. Под ред. Д.Хиллиарда, Дж.Спрингера. Пер. с английского. М.: Машиностроение, 1988, 509 с.
4. Дмитриевский А.В. Автомобильные двигатели. М.: Астрель. А.С.Т. 2003, 127 с.
5. Мацкерле Ю. Современный экономичный двигатель. Пер. с чешского В.Б.Иванова. М.: Машиностроение, 1987, 318 с.
6. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа, 2003, 496 с.
7. Баклушин А.Ф. и др. Двигатели ЗМЗ для автомобилей "ГАЗель" и "Соболь". М.: ООО "Атласы автомобилей", 2000, 224 с.
8. Описание изобретения к авт. св. №337547, кл. F02b 23/08, оп 05.05.72. Бюл. №15.
9. Семенов Б.Н., Павлов Е.П., Копцев В.П.. Рабочий процесс высокооборотных дизелей малой мощности. Л.: Машиностроение, 1990, 240 с.
10. Исследование влияния различных форм камер сгорания на параметры рабочего процесса дизеля. Отчет №61. НАМИ. М., 1949, с.
11. Сухарева Л.С. Камеры сгорания автомобильных карбюраторных двигателей. НИИНАВТОсельхозмаш. Серия "Автомобилестроение". М., 1965, 30 с.
Камера сгорания поршневого двигателя внутреннего сгорания, преимущественно с искровым зажиганием, содержащая образованную выемками головки блока и поршня основную цилиндрическую полость, продольная ось которой перпендикулярна к оси поршневого цилиндра, отличающаяся тем, что длина основной цилиндрической полости выполнена равной ее диаметру, размер длины определен в зависимости от диаметра поршневого цилиндра, хода поршня, степени сжатия, надпоршневого зазора в следующем отношении:
l0=((s/(C 0-1)-s0)·d2 )1/3,
а степень сжатия С 0 установлена по эмпирическому трансцендентному уравнению
1,118·((s/(C0-1)-s 0)·d2)(1/3) -a+b·C0=0,
где l 0 - длина основной цилиндрической полости камеры сгорания;
s - величина хода поршня;
С0 - максимально допустимая бездетонационная степень сжатия;
s0 - размер надпоршневого зазора;
d - диаметр поршневого цилиндра;
а=hk +b·Ck - коэффициент, определяющий бездетонационную степень сжатия,
где hk - длина максимального пути условного фронта пламени, равная максимальному размеру клиновой камеры от свечи зажигания;
Ck - бездетонационная степень сжатия топливовоздушной смеси для двигателя ч4 7,8/7,8;
b=(h k-hш)/(Сш-C k) - коэффициент, определяющий бездетонационную степень сжатия,
где hш - длина максимального пути фронта пламени в шатровой камере карбюраторного двигателя ЗМЗ-4063.10;
Сш - бездетонационная степень сжатия топливовоздушной смеси карбюраторного двигателя ЗМЗ-4063.10.
www.freepatent.ru
Камера сгорания газотурбинного двигателя включает в себя наружный и внутренний корпуса, жаровые трубы, форсунки, пальцы подвески жаровых труб и газосборник с кольцевыми фланцами, в которые входят соответствующие кольцевые фланцы жаровых труб, расположенных на их последних секциях. Газосборник выполнен сборным из индивидуальных газосборных патрубков, состоящих из листового корпуса, кольцевого фланца и профильного фланца рамочного типа, соединенных между собой приварными вставками в области своих кольцевых фланцев, а также плавающим кольцом с входящими в его кольцевой паз выступами, расположенными на нижней части профильного фланца рамочного типа и приварным кольцевым переходником, входящим своим выступом в пазы на верхней части профильных фланцев рамочного типа. Жаровые трубы состоят из головки с завихрителем и нескольких секций, последняя из которых имеет кольцевой фланец. Каждая из форсунок закреплена своим фланцем на соответствующей бобышке наружного корпуса и входит своей цилиндрической частью в осевое отверстие завихрителя головки жаровой трубы, обеспечивая ее фиксацию в радиальном и окружном направлениях. Каждый из пальцев подвески жаровой трубы своим фланцем закреплен на соответствующей бобышке наружного корпуса и входит своим цилиндрическим концом в отверстие шарнира, расположенного в гнезде втулки, размещенной на головке жаровой трубы, обеспечивая ее фиксацию в осевом направлении. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.
Область техники
Изобретение относится к газотурбинному двигателестроению, а именно к конструкциям камер сгорания газотурбинных двигателей.
Уровень техники
Известна конструкция трубчато-кольцевой камеры сгорания авиационного газотурбинного двигателя для самолета-штурмовика ["Проектирование авиационных газотурбинных двигателей" Учебное пособие для ВУЗОВ под ред. проф. А.М.Ахметзянова, стр.394], включающая в себя наружный и внутренний корпуса; жаровые трубы, размещенные между наружным и внутренним корпусами; форсунки, каждая из которых закреплена своим фланцем на соответствующей бобышке наружного корпуса и своей цилиндрической частью входит в осевое отверстие завихрителя головки жаровой трубы, обеспечивая ее фиксацию в радиальном и окружном направлениях, причем жаровые трубы, состоящие из головки с завихрителем и нескольких секций, имеют индивидуальные газосборные патрубки. Для такой конструкции характерны повышенные износы цилиндрической части форсунок в связи с большими относительными тепловыми перемещениями по осевому отверстию завихрителя головки жаровой трубы.
Известна также конструкция камеры сгорания комбинированного типа авиационного газотурбинного двигателя ПС-90А для пассажирского самолета ТУ-204 ["Двигатель ПС-90: Руководство по технической эксплуатации" АО Авиадвигатель, Пермь, 1992 г., Рис.4.1.,Рис.4.2. и Рис.4.3., Стр.44...51], принятая в качестве прототипа.
Данная камера сгорания имеет наружный и внутренний корпуса, жаровые трубы, состоящие из головки с завихрителем и нескольких секций, последняя из которых соединена с задним рамочным фланцем, кольцевой газосборник, размещенные между наружным и внутренним корпусами, форсунки, каждая из которых закреплена своим фланцем на соответствующей бобышке наружного корпуса и своей цилиндрической частью входит в осевое отверстие завихрителя головки жаровой трубы, обеспечивая ее фиксацию в радиальном и окружном направлениях, пальцы подвески жаровых труб, каждый из которых своим фланцем закреплен на соответствующей бобышке наружного корпуса и входит своим цилиндрическим концом в отверстие шарнира, расположенного в гнезде втулки, размещенной на головке жаровой трубы, обеспечивая ее фиксацию в осевом направлении.
Газосборник имеет два кольцевых фланца, в которые входят соответствующие задние рамочные фланцы жаровых труб, соединенные с их последними секциями.
Раскрытие изобретения
При конвертировании авиационных газотурбинных двигателей с трубчато-кольцевыми камерами сгорания в наземные энергетические установки, работающие на газовом топливе, возникает необходимость обеспечения продолжительного ресурса работы камеры сгорания при максимальном использовании материальной части камеры сгорания базового двигателя.
При создании данного изобретения решается задача расширения арсенала технических средств обеспечения продолжительного ресурса камер сгорания наземных энергетических установок, конвертированных из авиационных газотурбинных двигателей с трубчато-кольцевыми камерами сгорания с максимальным использованием материальной части базового двигателя; технический результат заключается в реализации этого назначения.
Существенные признаки, характеризующие изобретение: наружный и внутренний корпуса; жаровая труба, состоящая из головок и секций; последняя секция жаровой трубы имеет кольцевой фланец; головка имеет шарнир с отверстием, установленный в гнезде втулки, размещенной на головке; завихритель с осевым отверстием; форсунка с фланцем и цилиндрической частью; палец подвески с цилиндрическим концом; газосборник; профильный фланец рамочного типа; индивидуальный газосборный патрубок; кольцевой фланец; листовой корпус, приварная вставка; плавающее кольцо с кольцевым пазом; выступ на нижней части профильного фланца рамочного типа; паз на верхней части профильного фланца рамочного типа; приварной кольцевой переходник с выступом; пазы на наружной поверхности кольцевого фланца последней секции жаровой трубы; кольцевой переходник выполнен из двух частей, соединенных между собой заклепочным соединением с радиальным расположением осей заклепок.
Существенные отличительные признаки, обеспечивающие получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны: газосборник выполнен сборным из индивидуальных газосборных патрубков, состоящих из листового корпуса, кольцевого фланца и профильного фланца рамочного типа; газосборные патрубки соединены между собой приварными вставками в области своих кольцевых фланцев; плавающее кольцо с входящими в его кольцевой паз выступами, расположенными на нижней части профильного фланца рамочного типа; кольцевой приварной переходник, входящий своим выступом в пазы на верхней части профильных фланцев рамочного типа.
Существенные отличительные признаки, характеризующие изобретение в частных случаях: на наружной поверхности кольцевого фланца последней секции жаровой трубы, входящей в соответствующий кольцевой фланец газосборника, выполнены пазы; кольцевой приварной переходник с выступом выполнен из двух частей, соединенных между собой заклепочным соединением с радиальным расположением осей заклепок.
Краткое описание чертежей
На чертежах показаны:
Фиг.1 - Конструктивная схема камеры сгорания (продольный разрез).
Фиг.2 - Поперечное сечение камеры сгорания по месту сопряжения кольцевых фланцев жаровых труб и индивидуальных газосборных патрубков газосборника.
Фиг.3 - Конструктивная схема сопряжения форсунки и завихрителя.
Фиг.4 - Конструктивная схема сопряжения пальца подвески с шарниром, расположенным во втулке на головке жаровой трубы.
Фиг.5 - Конструктивная схема приварного кольцевого переходника.
Фиг.6 - Разрез по месту сопряжения кольцевых фланцев жаровой трубы и индивидуального газосборного патрубка газосборника.
Фиг.7 - Конструктивная схема сопряжения плавающего кольца с выступами, расположенными на нижней части профильных фланцев рамочного типа.
Осуществление изобретения
Камера сгорания имеет наружный 1 и внутренний 2 корпуса, жаровые трубы 3, имеющие головки 4 с завихрителями 5 и несколько секций 6. Последняя секция 7 жаровой трубы имеет кольцевой фланец 8. В осевое отверстие завихрителя 5 каждой головки 4 своей цилиндрической частью 9 входит форсунка 10, закрепленная фланцем на соответствующей бобышке наружного корпуса 1. На наружном корпусе своим фланцем на соответствующей бобышке наружного корпуса 1 закреплены пальцы подвески 11, каждый из которых своим цилиндрическим концом входит в отверстие шарнира 12, расположенного в гнезде втулки 13, размещенной на головке 4 жаровой трубы 3.
Газосборник 14 выполнен сборным из индивидуальных газосборных патрубков, состоящих из листового корпуса, соединенного в своей передней части с кольцевым фланцем 15, а в задней части - с профильным фланцем рамочного типа 16. Индивидуальные газосборные патрубки соединены между собой приварными вставками 17 в области своих кольцевых фланцев 15. Профильный фланец рамочного типа 16 имеет в своей нижней части выступы 18, входящие в кольцевой паз плавающего кольца 19, а в верхней части - пазы 20, в которые входят приваренные к ним выступы 21 кольцевого переходника 22.
Кольцевой приварной переходник 22 с выступом 21 выполнен из двух частей, соединенных между собой заклепочным соединением с радиальным расположением осей заклепок.
На наружной поверхности кольцевого фланца 8 последней секции 7 жаровой трубы 3, входящей в соответствующий кольцевой фланец 15 газосборника, выполнены пазы для прохода охлаждающего воздуха.
Фиксация жаровой трубы 3 в осевом направлении осуществляется в зоне ее головки 4 пальцами подвески 11 в непосредственной близости от форсунок 10, осуществляющих фиксацию жаровой трубы 3 в радиальном и окружном направлениях. Тепловые расширения жаровой трубы 3 осуществляются в направлении газосборника 14, имеющего свои тепловые расширения навстречу жаровой трубе. Контакт жаровой трубы 3 и газосборника 14 осуществляется по соответствующим поверхностям кольцевых фланцев последней секции жаровой трубы и газосборника. Эти поверхности дополнительно охлаждаются воздухом, проходящим по пазам, выполненным на наружной поверхности кольцевого фланца 8.
Проведенные испытания подтвердили повышение ресурса данной конструкции камеры сгорания относительно трубчато-кольцевой камеры сгорания базового двигателя.
1. Камера сгорания газотурбинного двигателя, включающая в себя наружный и внутренний корпуса; жаровые трубы, состоящие из головки с завихрителем и нескольких секций, последняя из которых имеет кольцевой фланец; форсунки, каждая из которых закреплена своим фланцем на соответствующей бобышке наружного корпуса и входит своей цилиндрической частью в осевое отверстие завихрителя головки жаровой трубы, обеспечивая ее фиксацию в радиальном и окружном направлениях; пальцы подвески жаровых труб, каждый из которых своим фланцем закреплен на соответствующей бобышке наружного корпуса и входит своим цилиндрическим концом в отверстие шарнира, расположенного в гнезде втулки, размещенной на головке жаровой трубы, обеспечивая ее фиксацию в осевом направлении; газосборник с кольцевыми фланцами, в которые входят соответствующие кольцевые фланцы жаровых труб, расположенных на их последних секциях, отличающаяся тем, что газосборник выполнен сборным из индивидуальных газосборных патрубков, состоящих из листового корпуса, кольцевого фланца и профильного фланца рамочного типа, соединенных между собой приварными вставками в области своих кольцевых фланцев, а также плавающим кольцом с входящими в его кольцевой паз выступами, расположенными на нижней части профильного фланца рамочного типа, и приварным кольцевым переходником, входящим своим выступом в пазы на верхней части профильных фланцев рамочного типа.
2. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что на наружной поверхности кольцевого фланца последней секции жаровой трубы, входящей в соответствующий кольцевой фланец газосборника, выполнены пазы.
3. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что кольцевой приварной переходник газосборника выполнен из двух частей, соединенных между собой заклепочным соединением с радиальным расположением осей заклепок.
www.findpatent.ru
Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к разработке и проектированию камер сгорания топлива поршневых двигателей, преимущественно с искровым зажиганием. В предлагаемой камере длина основной цилиндрической полости выполнена равной ее диаметру, размер данной длины определен в зависимости от диаметра поршневого цилиндра, хода поршня, степени сжатия, надпоршневого зазора в следующем соотношении: l0=((s/(C0-1)-s0)*d2)(1/3), а максимально допустимая степень сжатия С0 установлена эмпирическим трансцендентным уравнением 1,118((s/(C0-1)-s0)*d2)1/3-a+b*С0=0, где l0 - оптимальная длина основной полости цилиндрической камеры, s - величина хода поршня. С0 - допустимая степень сжатия, s0 - размер надпоршневого зазора, d - диаметр поршневого цилиндра; а и b - эмпирические коэффициенты, определяемые из анализа двигателей-аналогов, например, типа 4Ч 7,8/7,8 и ЗМЗ - 4063, для которых а=109,54 мм, b=6,537 мм. Применение предлагаемой камеры сгорания в карбюраторном двигателе 44 7,8/7,8 увеличивает эффективный КПД его на 9,3%, мощность и крутящий момент двигателя на 10,2%, снижает удельный расхода топлива на 8,5%. Изобретение обеспечивает минимальную поверхность охлаждения объема камеры сгорания, достижение максимальных значений коэффициента использования тепла камер и бездетонационную степень сжатия. 2 ил., 2 табл.
Изобретение относится к отрасли машиностроения, в частности к двигателестроению, а конкретно - к камерам сгорания поршневых двигателей внутреннего сгорания преимущественно с искровым зажиганием, и может быть использовано для бензиновых двигателей при впрыске топлива.
Известны плоскоовальные и грушевидные камеры сгорания [1]. Камеры сгорания такой конструкции характеризуются достаточной площадью поверхностей вытеснителя, составляющей (20...25)% от площади торца поршня. Дальнейшее увеличение площади вытеснителя приводит к уменьшению зазоров между тарелкой клапана и стенкой камеры сгорания, а также к уменьшению размеров клапанов. Такие конструктивные особенности ухудшают наполнение поршневого цилиндра, что совершенно не допустимо для современных высокооборотных двигателей [2. С.4].
Известна клиновая камера сгорания, которая может выполняться с повышенными зазорами между тарелкой клапана и стенкой камеры без ухудшения ее компактности, что обеспечивает низкое аэродинамическое сопротивление при входе рабочей смеси в поршневой цилиндр [2. С.5]. Ряд важных преимуществ клиновой камеры определил широкое ее применение на автомобильных двигателях. При такой камере бездетонационная работа двигателя зависит от большого количества взаимосвязанных параметров, среди которых наиболее важным является максимальное расстояние, проходимое фронтом пламени [3. С.257]. Данное расстояние немного меньше диаметра поршневого цилиндра для значений степени сжатия до 10:1 и примерно равно половине диаметра при больших значениях степени сжатия [3. С.266]. В частности, в клиновой камере двигателя 4Ч 7,8/7,8 [6] бездетонационное сгорание бензина АИ-93 достигается при условиях:
где hк - длина максимального пути условного фронта пламени, равная максимальному размеру клиновой камеры от свечи зажигания; Ск - бездетонационная степень сжатия топливовоздушной смеси (Приложение 1).
Клиновая камера характеризуется следующими недостатками.
1. Несмотря на эффекты пульсации и образование турбулентностей, при сжатии в такой несимметричной камере, для обеспечения достаточно быстрого сгорания топлива, которое позволило бы исключить детонацию при высоких степенях сжатия смеси, требуются дополнительные меры по увеличению интенсивности турбулентности [3. С.300].
2. Потери тепла в клиновой камере сгорания приближаются к максимальным, так как отношение площади поверхности стенок к ее объему слишком велико, что недопустимо для современных двигателей с компактными камерами сгорания [4. С.62]. Увеличение отношения площади поверхности охлаждения камеры к ее объему приводит к возрастанию тепловых потерь, снижению температуры смеси на такте сжатия, ухудшению экономичности, а также вызывает большую чувствительность к вязкости масла и температуре охлаждающей воды [9. С.16].
3. Завышенная несимметричность клиновой камеры исключает минимальную удаленность точек наружной поверхности камеры от свечи зажигания [5. С.112], что не допустимо для современных двигателей с высокой степенью сжатия, для которых достижение минимального расстояния, проходимого фронтом пламени, является наиважнейшим требованием [3. С.266].
Известна камера сгорания с лучшими показателями, например, шатровая [5. С.120]. В такой камере размещаются клапаны увеличенного размера, а отношение площади поверхности камеры к ее объему не велико. Камера отличается малым расстоянием продвижения фронта пламени и обеспечивает хорошее втекание заряда через клапаны в цилиндр, так как этому не препятствуют стенки цилиндра и камеры сгорания. Шатровая камера имеет меньший путь фронта пламени даже при рабочем объеме цилиндра, превышающем рабочий объем клиновой камеры.
В шатровой камере карбюраторного двигателя ЗМЗ-4063.10 [7] бездетонационное сгорание бензина АИ-93 достигается при условиях:
где hш - длина максимального пути фронта пламени в шатровой камере, Сш - бездетонационная степень сжатия топливовоздушной смеси (Приложение 2).
Шатровая камера не подходит для двигателей с повышенной степенью сжатия, так как зона горения становится узкой, пламя рано гасится, сильно увеличивается выделение углеводородов. Данная конструкция идеальна для двигателей с турбонаддувом, степень сжатия у которых может быть близкой к 9:1. [3. С.298].
Значения максимального пути фронта пламени и степени сжатия по уравнениям (1, 2) позволяют приближенно оценить взаимосвязь между ними в виде
где ιб и Сб - длина пути условного фронта пламени и бездетонационная степень сжатия; а и b - эмпирические коэфициенты, определяемые из анализа двигателей - аналогов, например, 4Ч 7,8/7,8 и ЗМЗ - 4063, для которых а=109,54 мм, b=6,537 мм.
За прототип принимается камера сгорания поршневого двигателя с искровым зажиганием, содержащая образованную выемками головки блока и поршня основную полость цилиндрической формы, продольная ось которой перпендикулярна к оси цилиндра [8]. Площадь поверхности такой полости, ее диаметр и длина пути пламени определяются формулами:
где Fц, Vц, dц, hц - соответственно, площадь охлаждения, объем, диаметр и длина пути фронта пламени. При hц=lб, Сц=Сб, Vц=(s/(Сц-1)-s0)*π*d2/4 [6] из выражений (3, 5) следует трансцендентное уравнение для определения степени сжатия прототипа
где s - ход поршня, Сц - бездетонационная степень сжатия прототипа, s0 - надпоршневой зазор, d - диаметр поршневого цилиндра.
Значения площадей наружных поверхностей сравниваемых камер позволяет определить коэффициент использования тепла для цилиндрической камеры прототипа. Из работы [10] и принципа подобия [5. С.187] следует:
где ξц, ξк - коэффициенты использования тепла камер прототипа и клиновой, Fk - площадь наружной поверхности клиновой камеры (Приложение 1). Для цилиндрической камеры двигателя 4Ч 7,8/7,8 [6] при ориентировочной длине lц=78 мм результаты расчетов по уравнениям (4, 5, 6, 7) приведены в табл.1. Видно, что камера по прототипу имеет лучшие возможности для увеличения степени сжатия и коэффициента использования тепла по сравнению с клиновой и шатровой камерами.
Камера сгорания по прототипу характеризуется следующими недостатками.
1. Торцевая поверхность поршня, обращенная к камере сгорания, снабжена выступающим вытеснителем, который увеличивает массу поршня, а следовательно, и силы инерции, что ухудшает массогабаритные показатели двигателя. Размещение камеры сгорания на данном выступе и примыкающей к нему выемке поршня повышает отдачу тепла в область расположения поршневых колец, что способствует высокооборотной детонации и последующего калильного зажигания [3. С.299]. Производство фигурных поршней сложнее и дороже производства поршней с плоским днищем. При таких поршнях возникает опасность неравномерного прогрева поршней, что уменьшает их надежность и долговечность. Фигурные поршни усложняют стыковку блока цилиндров и его головки [11. C.14].
2. Из выражения (4), определяющего площадь Fц, видно, что при изменении длины lц от нуля до размера диаметра поршневого цилиндра площадь Fц может принимать минимальное значение, например, при lц=l0. Однако длина l0 не определена, ее связь с величиной степени сжатия не установлена, поэтому определить максимально допустимую бездетонационную степень сжатия по уравнению (6) и максимальный коэффициент ξ по уравнению (7) не представляется возможным, что исключает повышение мощностных и экономических показателей путем увеличения степени сжатия топливовоздушной смеси.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в достижении минимальной поверхности охлаждения заданного объема камеры сгорания и минимального пути в ней условного фронта пламени, что обеспечивает достижение максимальных значений коэффициента ξ, и бездетонационной степени сжатия по уравнениям (6, 7).
Для достижения указанного технического результата в камере сгорания, содержащей образованную выемками головки блока и поршня основную цилиндрическю полость, продольная ось которой перпендикулярна к оси поршневого цилиндра, длина основной цилиндрической полости выполнена равной ее диаметру, размер данной длины определен в зависимости от диаметра поршневого цилиндра, хода поршня, степени сжатия, надпоршневого зазора в следующем соотношении:
а максимально допустимая степень сжатия С0 установлена эмпирическим трансцендентным уравнением
где lo - оптимальная длина основной полости цилиндрической камеры, d - диаметр поршневого цилиндра, s - величина хода поршня. С0 - допустимая степень сжатия. s0 - размер надпоршневого зазора. Для камеры двигателя 4Ч 7,8/7,8 [6], отличающейся равенством диаметра и длины ее цилиндрической полости, результаты расчета по уравнениям (4, 5, 7) с учетом выражений (8, 9) приведены в табл.1.
| Табл.1 | ||||||
| Камера | lц/l0, мм | dц/d0, мм | hц/h0, мм | Fц/F0, мм2 | Сц/С0 | ξц/ξ0 |
| По прототипу | 78 | 24,4341 | 46,0220 | 6925,24 | 9,7 | 0,9354 |
| Предлагаемая | 34,1930 | 34,1930 | 38,2289 | 5509,54 | 10,9 | 0,9486 |
Из табл.1 видно, что отличительный признак, выраженный равенством длины ι0 цилиндрической полости камеры и ее диаметра d0, обеспечивает положительный эффект в виде уменьшения поверхности F0 охлаждения цилиндрической полости и сокращения пути в ней условного фронта пламени, что повышает коэффициент ξ0 использования тепла на 1,4%, а бездетонационную степень сжатия С0 на 12,4%.
На фиг.1 изображена предлагаемая цилиндрическая камера в разрезе по плоскости, перпендикулярной к оси цилиндрической полости камеры; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1 при размещении поршня в верхней мертвой точке.
Камера сгорания содержит основную цилиндрическую полость 1, образованную выемками в головке блока 2 и в поршне 3, причем продольная ось цилиндрической полости расположена перпендикулярно к продольной оси 4 поршневого цилиндра 5. К основной полости 1 примыкает надпоршневой зазор 6, образованный сводом 7 головки блока 2 и торцом 8 поршня 3. В цилиндрической полости 1 установлена свеча зажигания 9 для воспламенения топливовоздушной смеси, а рядом с ней - клапана 10, например, разноименные. Цилиндрическая полость 1 (фиг.2) ограничивается длиной l0, равной величине диаметра d0, а площадь F0 наружной поверхности полости и максимальная длина h0 пути в ней условного фронта пламени, ее коэффициент ξ0 использования тепла определяются выражениями:
Оптимальная длина l0 предлагаемой камеры определяется путем дифференцирования функции Fц (4) при условии lц=l0, приравнивания нулю производной от функции Fц и решения полученного алгебраического уравнения вида V/l0 2=(π*V/l0)(1/2)/2, из которого при V=(s/(С0-1)-S0)*π*d2/4 [6] следует
где l0 - оптимальная длина цилиндрической полости. С0 - оптимальная степень сжатия топливовоздушной смеси. Подставляя значение h0 из (10) в эмпирическое уравнение (3) с применением замены lб=h0 получаем трансцендентное уравнение для определения бездетонационной степени сжатия С0 предлагаемой камеры
Уравнения (10, 11, 12) позволяют по аналогу и исходным параметрам: диаметру поршня, величине его хода, надпоршневому зазору; выполнить камеру с минимальной длиной пути фронта пламени, с максимально допустимой бездетонационной степенью сжатия, с повышенным коэффициентом использования тепла.
При работе двигателя на такте сжатия топливовоздушная смесь перетекает из надпоршневого объема в объем цилиндрической полости 1. Вследствие радиальной поверхности полости 1 и тангенциального входа смеси в полости 1 образуется интенсивное ее вращение относительно продольной оси полости. Скорость вращения значительно усиливается при подходе поршня 3 к верхней мертвой точке, что снижает газодинамические потери и способствует улучшению смесеобразования и увеличению скорости распространения пламени. После зажигания от свечи топливовоздушной смеси и последующего ее сгорания продукты горения топлива тангенциально выбрасываются под возросшим давлением в надпоршневой зазор 6, где они совершают полезную работу в форме преоделения сопротивления поршня своему перемещению.
Сокращение периода видимого сгорания топлива приводит к повышению антидетонационных качеств, что позволяет при заданном октановом числе топлива увеличить степень сжатия и, таким образом, повысить мощностные и экономические показатели двигателя. В табл.2 приводится сравнение аналога и двигателя с предлагаемой камерой, где эффективные показатели сравниваемых двигателей и их основные параметры определены по методике работы [6]. Из табл.1 видно, что использование предлагаемой камеры в карбюраторном двигателе [6], отличающейся минимальной площадью наружной поверхности и минимальной длиной пути фронта пламени, повышает мощность двигателя на 11,2%, снижает удельный расхода топлива на 9,2%, а эффективный КПД увеличивает на 10,2%.
| Табл.2 | ||||
| № | Характеристика | Обозначение | Двигатель | |
| 1 | Марка двигателя | 4Ч 7,8/7,8 | 4Ч 7,8/7,8 | |
| 2 | Номинальные обороты коленвала, об/мин | n | 5600 | 5600 |
| 3 | Сорт бензина | АИ-93 | АИ-93 | |
| 4 | Конструкция камеры в головке цилиндра | Клиновая | Предлагаем | |
| 5 | Размер надпоршневого зазора, мм | s0 | 1,3 | 1,3 |
| 6 | Бездетонационная степень сжатия | Cб | 8,5 | 10,9 |
| 7 | Максимальный путь фронта пламени, мм | h | 53,98 | 38,23 |
| 8 | Объем клиновой и цилиндрической полости, куб. мм | V | 43483 | 31398 |
| 9 | Площадь клиновой и цилиндрической полости, кв. мм | F | 9655 | 5509 |
| 10 | Коэффициент использования тепла | ξ | 0,91 | 0,9486 |
| 11 | Механические потери, МПа | pm | 0,1985 | 0,1985 |
| 12 | Среднее эффективное давление, МПа | pе | 0,869 | 0,9662 |
| 13 | Эффективный КПД | ηе | 0,272 | 0,2998 |
| 14 | Эффективный расход топлива, г/(квт*час) | ge | 301 | 273 |
| 15 | Мощность двигателя, кВт | Ne | 60,42 | 67,22 |
| 16 | Литровая мощность, кВт/л | Nл | 40,55 | 45,09 |
| 17 | Крутящий момент, Н*м | Me | 103,1 | 114,63 |
Источники информации
1. Сухарева Л.С. Влияние формы камеры сгорания на склонность карбюраторного двигателя к детонации. // Автомобильная промышленность. №10, 1964, с5.
2. Дмитриевский А.В. Камеры сгорания бензиновых двигателей. НИИНавтопром. Серия: "Автомобилестроение". М., 1967, 34 с.
3. Топливная экономичность автомобилей с бензиновыми двигателями. Под ред. Д.Хиллиарда, Дж.Спрингера. Пер. с английского. М.: Машиностроение, 1988, 509 с.
4. Дмитриевский А.В. Автомобильные двигатели. М.: Астрель. А.С.Т. 2003, 127 с.
5. Мацкерле Ю. Современный экономичный двигатель. Пер. с чешского В.Б.Иванова. М.: Машиностроение, 1987, 318 с.
6. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа, 2003, 496 с.
7. Баклушин А.Ф. и др. Двигатели ЗМЗ для автомобилей "ГАЗель" и "Соболь". М.: ООО "Атласы автомобилей", 2000, 224 с.
8. Описание изобретения к авт. св. №337547, кл. F02b 23/08, оп 05.05.72. Бюл. №15.
9. Семенов Б.Н., Павлов Е.П., Копцев В.П.. Рабочий процесс высокооборотных дизелей малой мощности. Л.: Машиностроение, 1990, 240 с.
10. Исследование влияния различных форм камер сгорания на параметры рабочего процесса дизеля. Отчет №61. НАМИ. М., 1949, с.
11. Сухарева Л.С. Камеры сгорания автомобильных карбюраторных двигателей. НИИНАВТОсельхозмаш. Серия "Автомобилестроение". М., 1965, 30 с.
Камера сгорания поршневого двигателя внутреннего сгорания, преимущественно с искровым зажиганием, содержащая образованную выемками головки блока и поршня основную цилиндрическую полость, продольная ось которой перпендикулярна к оси поршневого цилиндра, отличающаяся тем, что длина основной цилиндрической полости выполнена равной ее диаметру, размер длины определен в зависимости от диаметра поршневого цилиндра, хода поршня, степени сжатия, надпоршневого зазора в следующем отношении:
l0=((s/(C0-1)-s0)·d2)1/3,
а степень сжатия С0 установлена по эмпирическому трансцендентному уравнению
1,118·((s/(C0-1)-s0)·d2)(1/3)-a+b·C0=0,
где l0 - длина основной цилиндрической полости камеры сгорания;
s - величина хода поршня;
С0 - максимально допустимая бездетонационная степень сжатия;
s0 - размер надпоршневого зазора;
d - диаметр поршневого цилиндра;
а=hk+b·Ck - коэффициент, определяющий бездетонационную степень сжатия,
где hk - длина максимального пути условного фронта пламени, равная максимальному размеру клиновой камеры от свечи зажигания;
Ck - бездетонационная степень сжатия топливовоздушной смеси для двигателя ч4 7,8/7,8;
b=(hk-hш)/(Сш-Ck) - коэффициент, определяющий бездетонационную степень сжатия,
где hш - длина максимального пути фронта пламени в шатровой камере карбюраторного двигателя ЗМЗ-4063.10;
Сш - бездетонационная степень сжатия топливовоздушной смеси карбюраторного двигателя ЗМЗ-4063.10.
www.findpatent.ru
, так как это ведет к уменьшению тяги. Типичные значения δ: 3% (противоточные камеры), 6 % (прямоточные), 8 % (двухконтурные двигатели).
, где L0 — стехиометрический коэффициент (количество воздуха, необходимого для сжигания 1 кг топлива, принимается ≈0,1488).
