مجله تخصصی خودرو اخبار خودرو , قیمت خودرو , خرید و فروش خودرو , قیمت ماشین , قیمت اتومبیل
بررسی همه جانبه محفظه اتاق احتراق و انواع آن به طور کلی
محفظه احتراق موتور مشابه سیستم تزریق ، مسیر طولانی در گسترش و تکامل تدریجی فنی را گذرانده است و بررسی تاریخچه طراحی آن خسته کننده است . اما بررسی امکانات تکنولوژی و از طرفی کامل بودن احتراق سوخت و اکسید کننده و شرایط عایق حرارتی لازم و مفید است .
برای همه محفظه ها در اصل خطوط کلی مشخص کننده ، مشابه است . در ابتدای محفظه صفحه انژکتور نصب می شود . وظیفه آن آماده سازی سوخت و اکسید کننده برای احتراق و ایجاد مخلوط سوخت واکسید کننده یا به عبارت دیگر تامین اختلاط مناسب است . در محفظه احتراق انرژی حرارتی تولید می شود و محصولات احتراق ابتدا از قسمت همگرای نازل ، سپس از قسمت واگرای آن عبور می کند .
درجه حرارت بالای محصولات احتراق ، لزوم فرایند خنک کاری را بیان می کند . این مشکل خیلی ظریف است و محاسبات دقیق و همچنین بررسی دقیق رژیم تزریق را می طلبد . ما فعلا فقط اصول کلی را بررسی می کنیم . مقدار حرارت اصلی ( سوخت و یا کسید کننده ) گرفته می شود . بدین جهت محفظه احتراق دو جداره ساخته می شود و عنصر خنک کننده به طور مستقیم به صفحه انژکتور وارد نمی شود ، بلکه ابتدا به کلکتور نازل وارد می شود و از آن جا در جهت خلاف جریان به انژکتور ها هدایت می شود که مقدار لامز حرارت را از دیواره داخلی جذب می کند .
این مشکلات در محفظه های احتراق حل شده است . آن ها در سال های دراز بدون تغییر مانده اند ، اما راه حل های مناسب سال به سال تغییر می کند . بدین جهت محفظه احتراق یک سازه ظریف و دقیق توام با هنر خاص طراحی باقی مانده است .
هم اکنون محفظه موتور V-2 در مقایسه با نمونه های جدید ، مشابه یک عتیقه است که ارزش نگهداری در موزه های صنعتی را دارد . سازه آن از فولاد و با جوشکاری ساخته شده و خیلی بزرگ و سنگین است . در این محفظه برای قابلیت اعتماد بیشتر فرایند اختلاط ، چند عدد محفظه نیم کروی کوچک نصب شده است . احتراق از این محفظه های کوچک شروع می شود و در محفة احتراق اصلی خاتمه می یابد . سازه آن پیچیده است و مهم تر این که از دیدگاه تکنولوژی مناسب نیست .
در محفظه های امروزی معمولا از صفحه انژکتور های تخت استفاده می شود که در آن ها به راحتی و به سادگی چند صد انژکتور نصب می شود که تامین کننده جریان حرارتی یکنواخت در طول محفظة احتراق استوانه ای است . همچنین ساخت محفظه احتراق استوانه ای خیلی راحت تر است .
هنگام طراحی محفظه احتراق باید مقاومت و پایداری پوسته در برابر تنش های حرارتی داخلی را در نظر گرفت . پوسته داخلی تحت فشار خارجی اضافی اعمالی قرار دارد و اگر تدابیر خاصی برای آن در نظر گرفته نشود ، ممکن است پایداری خود را از دست بدهد . همان طوری که از درس مقاومت مصالح ( رشته مکانیک ) می دانیم برای این که تنش بحرانی را افزایش دهیم ، باید سختی پوسته را در خمش افزایش دهیم .
به عبارت دیگر باید در این حالت ضخامت پوسته را افزایش داد . اما پوسته نه فقط تحت بار است ، بلکه همان طور که می دانید به شدت از داخل گرم می شود . درجه حرارت دیواره به شدت تابعی از مقاومت حرارتی است که با افزایش ضخامت پوسته افزایش می یابد . این بدین معنی است که برای پوسته های صخیم تر خطر داغ برداشتن محلی بیشتر است که در نتیجه ذوب می شود . در صخامت های کم ، پوسته قابلیت تحمل فشار اضافی خارجی را ندارد .
راه حل واحد برای ضد و نقیض ایجاد شده ، اتصال دو پوسته به یکدیگر است . پوسته جداره خارجی تحمل بار های حرارتی وارده از گاز را ندارد و باید بار های نیروی اصلی را تحمل کند و پوسته داخلی که در یک سری نقاط با پوسته خارجی متصل است ، انتقال دهنده نیرو است . در نتیجه پوسته را باید از موادی ساخت که هادی حرارتی خوبی باشد ، و در عین حال پایداری حرارتی خوبی نیز داشته باشد و ضخامت آن هم در حد امکان کم باشد . چنین راه حلی برای مشکل خنک کاری از خیلی قبل بررسی شده بود ، اما برای انجام آن مدت ها امکان تکنولوژی لازم موجود نبود .
از جمله در محفظه احتراق موتور موشک V-2 از نظر سازه ای هیچ شباهتی به موتورهای موشک امروزی ندارد . پوسته داخلی فولادی با صحامت به نسبت زیاد است و در چندین نقطه دور از یکدیگر به صورت حلقه ای با سوراخ هایی برای عبور سیال خنک کننده ( الکل اتیلیک ) به پوسته خارجی متصل شده است . در این سازه ضخامت دیواره خنک شونده در محل اتصال زیاد است و خنک کاری غیر مؤثر است و به رغم تدابیر اندیشیده شده ، مجبور به کم کردن غلظت الکل تا 75 درصد شده اند . در نتیجه علل ذکر شده شبیه به چگونگی اتصال پوسته و غیره ، افت چند ده واحد از ضربه مخصوص پیش ران را داریم .
در روش اول ، اتصال پوسته ها به کمک یک ورقه نازک صورت می گیرد . روش دوم بدین صورت است که پوسته داخلی که با گاز داغ در تماس است ، از یک ورقه نازک با پره های طولی فرز شده ساخته می شود . سومین روش به نحوی است که ناحیه محفظه احتراق از مجموعه ای با لوله های نازک به شکل خاص فرم داده شده تشکیل شده است . در همه این طرح ها ، ضخامت المان های مقاوم حرارتی خیلی زیاد نیست و در حد چند دهم میلی تر است و فاصله آزاد عبور( گام ) جریان که تحت اثر فشار خارجی است ، در جد 3 الی 4 میلی متر انتخاب می شود . جنس پوسته داخلی از مس یا برنز است . پوسته خارجی از فولاد ساخته می شود . در پوسته خارجی نازل برای تحمل بار های نیرویی ، رینگ هایی ( حلقه هایی ) برای محکم شدن نصب می شود .
چون صخامت دیواره خنک شونده خیلی زیاد نیست و جنس آن از سری مواد هادی حرارت است ، مقاومت حرارتی دیواره خیلی کم است ، بنابراین حرارت تا نقطه ذوب بالا نمی رود و سیستم خنک کاری حتی با چنین فلز سبکی مانند مس به خوبی و کاملا مناسب کار می کند . برای اتصال پوسته ها و شبکه ها ( کاری گیت ها ) به یکدیگر از بریز در خلاء با فویل های به نسبت کنترل دقیق و فیک سچر های خاصی برای تولید لازم دارد . تکنولوژی آماده سازی قطعه نیمه خام که بعدا از آن شبکه ها به یکدیگر مونتار خواهند شد فرایند کاری پیچیده ای دارد و با فرم دهی تحت فشار بالای داخلی در پرس های مخصوص انجام می پذیرد . انتخاب روش مناسب خنک کاری بر حسب امکانات فنی و تجربیات کسب شده است ، اما اساس کار بر مبنای راح حل اپتیمم ، مسایل حرارتی ، انرژیتیکی و مقاومت مصالح است .
شدت دریافت حرارت از گاز های داغ وارده بر دیوراه در طول محور محفظه متغیر است . بیشترین مقدار حرارت به دیوراه در ناحیه تنگ آن که به نام مقطع بحرانی نامیده می شود ، وارد می گردد و کم ترین مقدار آن در مقطع خروجی اعمال می شود . در طول محور محفظه احتراق همچنین فشار گاز به شدت تغییر می کند که بیشترین مقدار در محفظه احتراق و کم ترین مقدار آن در مقطع خروجی نازل است . بر طبق تغییرات پارامتر های حرارتی جریان گاز ، باید سطح مقطع عبور جریان سیال خنک کاری متغیر باشد و طراحی سیستم خنک کاری در مجموع ، به خصوص برای محفظه های احتراق بزرگ خاص است و برای نازل و قسمت محفظه متفاوت است .
برای نازل های با نسبت انبساط بزرگ در موتور های فضایی که در خلاء کار می کنند ، می توان از خنک کاری آن صرف نظر کرد ، چون که بار حرارتی نسبتا زیاد نیست و خنک کاری به صورت تشعشع انجام می شود . سوخت یا اکسید کننده خنک کننده در چنین حالاتی به کلکتور که در فاصله دوری از انتهای نازل قرار دارد ، وارد می شود . در این صورت طول مسیر خنک کاری کاهش می یابد و افت های هیدرولیکی نیز کم می شود .
خنک کاری محفظه های احتراق از مسایل ظریف مهندسی است و انتخاب و طراحی مجرای خنک کننده ، تنها روش واحد برای کاهش درجه حرارت دیواره محفظه احتراق نیست .
محفظه ی احتراق و انواع آن :
اختلاط هوا و سوخت در موتورهای بنزینی در کاربراتور انجام شده و مخلوط قابل احتراق وارد سیلندر موتور می گردد . در صورتی که در موتور های دیزل سوخت و هوا هرکدام جدا گانه وارد سیلندر شده و پس از مخلوط شدن عمل احتراق انجام می شود . البته ی فاصله ی زمان ورود سوخت و اختلاط آن با هوا و عمل احتراق بسیار کوتاه می باشد .
بنابراین ساختمان اتاقک های احتراق در دیزل با موتور های بنزینی کاملا متفاوت است علت عمده ی آن این است که در موتور های بنزینی مخلوط هوا و سوخت در زمان مکش وارد سیلندر شده و آخر تراکم عمل انفجار رخ می دهد . در صورتی که در موتورهای دیزل 20 الی 30 درجه قبل از نقطه ی مرگ بالا سوخت به وسیله ی سوزن انژکتور تزریق می شود . در نتیجه می توان گفت که این فاصله ی زمانی در موتورهای دیزل در حدود 12.1 الی 14.1 فاصله ی زمان اختلاط سوخت و هوا در موتور های بنزینی است . به طور کلی سه نوع اتاق احتراق در موتور های دیزل معمول است :
1- تزریق سوخت بطور مستقیم
2- تزریق سوخت در اتاق پیش احتراق
3- تزریق سوخت در اتاق گرد بادی
در تزریق مستقیم سر سیلندر موتور کاملا صاف بوده و محفظه احتراق داخل تاج پیستون ساخته شده است . در این حالت سوخت مستقیما در داخل اتاقک احتراق تزریق می گردد . همچنین فاصله ی بین قسمت بالای پیستون و سرسیلندر در موقعی که پیستون به نقطه ی مرگ بالا رسیده است بسیار کم می باشد . بنابراین در زمان تراکم هوا از اطراف پیستون به اتاقک احتراق در وسط پیستون هدایت می شود . این کار توربولانس و اختلاط ذرات سوخت را با هوا افزایش می دهد .
برای افزایش توربولانس هوای ورودی بر روی سوپاپ دیواره ی کوچکی قرار داده شده است . این دیواره کوچک را انحراف دهند یا جهت دهنده نیز می نامند .
در موتورهای دیزل با تزریق مستقیم انژکتور ها با فرم پاشش معین برای نوع به خصوصی از اتاقک ها طراحی می شود . سوزن این انژکتورها چند سوراخه بوده که معمولا از 4 سوراخه استفاده می شود . در این نوع تزریق اتلاف حرارتی نسبت به انواع دیگر کم بوده و در نتیجه بازده حرارتی موتور بیشتر می باشد .همچنین مصرف ( KG / KW / H ) این نوع موتور نسبت به انواع دیگر کم تر است . به علت کمی اتلاف حرارتی ، موتور های دیزل با تزریق مستقیم در هوای سرد بدون نیاز به مقاومت الکتریکی ( شمع گرم کن ) زودتر روشن می شوند . برای احتراق کامل سوخت فشار تزریق بالایی مورد نیاز است بنابراین طراحی پمپ انژکتور مورد نیاز پیچیده خواهد بود .
موتور دیزل با اتاق احتراق باز
در این نوع محفظه احتراق در یک جا بوده ، انقدر کوچک است که در موقع تراکم فشار نسبی زیادی همراه با درجه حرارت بالا تولید کرده ، سوخت تزریق شده را به سرعت محترق می کند . در این اتاق ها هوا با چرخش زیاد که از طریق مجرا های مارپیچی و یا سوپاپ های لبه دار می گذرد وارد شده حرکت گرد بادی را به وجود می اورد . موتور دیزل با اتاق احتراق باز یا تزریق مستقیم که در موتور های سنگین و صنعتی مصرف گسترده ای دارد و کیفیت احتراق در این روش به موارد زیر بستگی دارد :
1- حرکت چرخشی هوا در زمان تراکم
2- نحوی پاشیدن سوخت از نظر شکل ، ذرات و فشار
3- اختلاط سوخت ، هوا و سرعت تبخیر سوخت
در موتور دیزل سوخت با تزریق مستقیم روی پیستون پاشیده می شود لذا حساسیت احتراق نسبت به نحوی پودر شدن بسیار شدید است بنابراین لازم است از سوخت پاش هایی استفاده شود که سوخت را به صورت کاملا پودری شکل تزریق می کنند به علاوه چون حرکت چرخشی هوا برای سرعت اختلاط ان با سوخت الزامی است برای انجام این کار طرح های مختلفی به کار می برند .
بیشتر بخوانید:
12 باور نادرست در مورد خودرو ها + طرز درست آستفاده از آن ها
منبع: همراه مکانیک
