Forbrenningskammer

Forbrenningskammeret er en reaktor der forbrenningen av et brensel med forbrenningsmidlet finner sted og kan derfor være en del av en motor eller av dampgeneratoren til en termoelektrisk kraftstasjon , i så fall snakker vi mer korrekt om forbrenningskammer . Innenfor klassen av motorer er det to svært forskjellige typer forbrenningskammer, en knyttet til "volumetriske" motorer ( både frem- og tilbakegående og roterende Wankel forbrenningsmotorer ), den andre relatert til "kontinuerlig strømning" eller gassturbin (og i dette tilfellet kalles også " forbrenner " eller " aeronautisk forbrenner ", gitt det nå ubestridte hegemoniet til gassturbiner innen luftfartsfeltet).

Balanse og ytelse

Siden forbrenningen er i et isobarisk kammer , har vi at varmen har en eksakt differensial , og : entalpitilstandsfunksjonentilsvarer :, som relaterer alt til strømningshastigheten m f av innkommende drivstoff og definere mateforholdet der w indikerer massefraksjonen : $\ operatørnavn d H = \ operatørnavn d Q$ $H_f + H_a - H_o = - Q$ $\ zeta = \ frac {w_a} {w_f}$

h_f + \ zeta h_a - (1 + \ zeta) h_o = - Q

refererer nå til standardentalpiene for formasjon , siden den er oppnådd, noe som indikerer med den termiske fraksjonen tapt til veggene: $h = h ^ 0 + \ Delta h$ $q = \ frac {Q} {m_f}$

\ Delta h_f + \ alpha \ Delta h_a - (1 + \ zeta) \ Delta h_o = (1 + \ zeta) h ^ 0_o - \ zeta h ^ 0_a - h ^ 0_f - q

hvor, sa den termiske bruken av drivstoffet der fb er det brente drivstoffet, og ekvivalensforholdet der at er den teoretiske luften er :, kommer vi til det endelige ingeniøruttrykket: $\ varepsilon = \ frac {w_ {fb}} {w_f}$ $\ phi = \ frac {w_ {at}} {w_a}$ $(1 + \ zeta) h ^ 0_o = \ varepsilon (1 + \ phi \ zeta) h ^ 0_e + \ zeta (1 + \ phi \ varepsilon) h ^ 0_a + (1+ \ varepsilon) h ^ 0_f - Q$

\ Delta h_f + \ zeta \ Delta h_a - (1 + \ zeta) \ Delta h_o = \ varepsilon ((1 + \ zeta) h ^ 0_e - \ phi \ zeta h ^ 0_a - h ^ 0_f) - q

Ved nå å definere den termiske effektiviteten til kammeret dets evne til å konvertere den nedre brennverdien til drivstoffet Δ c H i 0 til entalpiforskjellen tilgjengelig for direkte mekanisk konvertering eller etter varmeveksling ,:

\ eta = \ frac {\ Delta h_f + \ zeta \ Delta h_a - (1 + \ zeta) \ Delta h_o} {\ Delta_c H_i ^ 0}

siden i ingeniørbalanseligningen : oppnås formelen for de 3 faktorene: $\ Delta_c H_i ^ 0 = (1 + \ zeta) h ^ 0_e - \ phi \ zeta h ^ 0_a - h ^ 0_f$

\ eta = \ varepsilon - \ frac {q} {\ Delta_c H_i ^ 0} = \ varepsilon - \ frac {q} {(h ^ 0_e - h ^ 0_f) + (h ^ 0_e - h ^ 0_a) \ phi \ zeta}

på grunnlag av hvilken effektiviteten er den termiske bruken som kan oppnås i kammeret, fratrukket tapene knyttet til kammerets vegger. Hvis brenneren har null formasjonsentalpi, slik det skjer for den tekniske luften, forenkles ovenstående med:

\ eta = \ varepsilon - \ frac {q} {\ Delta_c H_i ^ 0} = \ varepsilon - \ frac {q} {(h ^ 0_e - h ^ 0_f) + h ^ 0_e \ phi \ zeta}

Hovedforskjeller mellom en volumetrisk motor og en kontinuerlig strømningsmotor

I tillegg til de åpenbare konstruksjonsforskjellene, er forbrenningsprosessen også betydelig forskjellig mellom de to typene.

I en volumetrisk motor skjer både kompresjonen av væsken og dens ekspansjon ved volumvariasjon, og i hver av fasene er det rimelig å anta at væsken i gjennomsnitt står stille (bortsett fra turbulente bevegelser). I en gassturbin skjer utvekslingen av arbeid i turbinen og i kompressoren ved variasjon av momentumet, de to maskinene og følgelig også brennkammeret krysses derfor av et fluid med betydelig hastighet.
I en volumetrisk motor er gassblandingen som skal antennes begrenset til et begrenset rom, mellom sylinder og stempel , og når forbrenning oppstår , stiger trykket nesten øyeblikkelig, mens i en turbojet passerer luft og drivstoff gjennom forbrenningskammeret og når blandingen oppstår antennes er temperaturen som stiger brått, mens trykket varierer litt.
En annen forskjell med den volumetriske motoren ligger i det faktum at i sistnevnte er de 3 fasene av den åpne syklusen (kompresjonsforbrenningsekspansjon) lokalisert i samme område, vekslende tidsmessig, den termiske stigningen påvirker derfor mindre enn én gang av fire i motorer fire ganger er de tre fasene i turbojetmotorene i stedet fordelt romlig, forbrenningen er derfor kontinuerlig og den termiske stigningen i strømmen er meget høy. Det er av denne grunn at stempelmotoren jobber med blandinger rundt det støkiometriske (gnisttenningsmotorer) eller i alle fall med små overskudd av luft (kompresjonstenningsmotorer) mens turbojetmotoren jobber med kraftige overskudd av luft, som krever en konsekvent "termisk" fortynning".

I en volumetrisk motor

I praksis, i forbrenningskammeret til en volumetrisk motor ( 4T , 2T , Wankel ), avgrenset av sylinderen , stempelet og hodet til den termiske enheten .

Forbrenningskammeret må ha visse egenskaper:

Tillater en rask forbrenningsprosess som maksimerer effektiviteten, maksimerer spesifikk effekt , minimerer syklisk spredning, forbedrer skadelige utslipp.
Unngå fenomenet forantenning .
Unngå fenomenet detonasjon , som forårsaker et slag i hodet
Begrens de termiske tapene av varme gjennom veggene for å optimalisere den totale termiske effektiviteten .
Ha en tilstrekkelig oktanforespørsel for å utnytte maksimalt kompresjonsforhold og/eller bruke drivstoff av lavere kvalitet.
Ha (i tilfellet med Otto-syklusmotoren) en høy fyllingskoeffisient ( og dermed maksimere den volumetriske effektiviteten ), under betingelser for maksimal opptak.

Funksjoner

Forbrenningskammeret definerer kompresjonsforholdet, noe som er veldig viktig, fordi det bestemmer forbrenningshastigheten til luft/bensinblandingen, hvor å øke dette kompresjonsforholdet forbedrer forbrenningen og øker hastigheten, og tillater bruk av fremskritt i mindre tenning.

Brennetiden modifiseres av to faktorer, som er:

Turbulens , generert av væskedynamikken til den termiske enheten , hvor forbrenningshastigheten forbedres fordi blandingen av drivstoff og forbrenningsmiddel er ytterligere forbedret
Forbrenningshastighet , modifisert av typen forbrenningsmiddel , drivstoff og deres blanding, som forblir konstant når motoren går på full hastighet.

Så hvis begge forblir konstante ved alle driftsregimer, bør fremgangen dobles med doblingen av regimet, mens dette ikke er tilfelle, siden turbulensen øker med økende regimer, følgelig når et visst regime er nådd, vil det måtte reduseres fremgangen i stedet for å øke den etter hvert som regimene øker.

Type forbrenning

Vanligvis starter forbrenningen på et gitt øyeblikk (definert ved tenning for motorer med positiv tenning, innsprøytningstid for mange motorer med kompresjonstenning) og i nesten alle tilfeller i et spesifikt punkt i forbrenningskammeret ( tennplugg eller injektordyser), og utvikler flammefronten

Tradisjonell

Flammefronten er en ideell overflate som skiller det som er brent fra det som ennå ikke har brent og "reiser" inne i kammeret med en hastighet som er noen størrelsesordener høyere enn væsken som finnes (som med en god tilnærming kan vurderes stasjonær), bestående av en blanding av brennstoff og drivstoff . På samme måte utvikles temperaturer i størrelsesorden 2000-2500 °C og trykktopper inne i dette kammeret som, avhengig av motoren, varierer fra 80 til 130 bar [1] forbrenning er svært lik en kule [2]

I motorer med fast timing

Forbrenningskammeret blir viktig i motorer med fast tenning, der den forskjellige forbrenningshastigheten til luft/bensinblandingen ikke tillater å ha den maksimale effektiviteten som kan oppnås ved alle motorhastigheter, og dermed modifisere forbrenningskammeret og derfor også kompresjonsforholdet med et annet sylinderhode endrer forbrenningshastigheten og dermed også spekteret av motorturtall der det er fullstendig forbrenning ved TDC (øverste dødpunkt). Mer presist hvis du har:

Lavt kompresjonsforhold , høye turtall er forbedret (over 8000 rpm)
Høyt kompresjonsforhold , lave turtall er forbedret (mellom 3000 og 8000 rpm)

I motorer med variabel ventiltid

Når det gjelder gnisttenningsmotorer og dieselmotorer med variabel ventiltiming, jo høyere kompresjonsforhold disse kamrene gir og jo høyere motoreffektivitet vil være, siden dette øker PME (effektivt gjennomsnittstrykk) til motoren, vil det åpenbart være det nødvendig å forskyve hele timingen sent gitt forbedringen i forbrenningen.

I diesel med direkte innsprøytning

For disse motorene er tenningen av drivstoffet sammenlignbar med den for motorer med positiv tenning, selv om dette skjer spontant, ettersom det injiserte drivstoffet brenner sakte når det føres inn i forbrenningskammeret, og genererer en stripet flammefront. og anordnet i radier, som mange som det er forstøvningshull i injektoren, vil denne flammefronten da generelt bli endret av turbulensen som genereres av driften av motoren og som tillater en mer effektiv forbrenning [3] .

Homogen forbrenning

Det finnes også systemer der det ikke er noen flammefront og denne typen forbrenning kalles HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) , hvor en åttetaktsmotor (positiv tenning) arbeider gjennom kompresjonstenningssystemet, og oppnår en ekstremt rask forbrenning og samtidig gjennom hele forbrenningskammer [4] [5] , en type motor som utnytter denne løsningen når det termiske driftsregimet er nådd, er Bourke-motoren , mens det i dieselsyklusen er en lignende forbrenning med hot-head- modellene , i begynnelsen av det tredje årtusenet ble motorer som fungerte vekselvis som positiv tenning eller HCCI-motorer designet, slik som diesottoen [6] , denne teknologien ble også brukt i Formel 1 fra og med 2015 av Mercedes [7] .

Dette gjør det mulig å redusere mengden drivstoff med samme kraft som genereres og redusere forurensninger [8]

En første storskala veiapplikasjon skyldes systemet "Spark Controlled Compression Ignition" eller "Spark Controlled Compression Ignition" (SPCCI), dette systemet ble designet av Mazda og lar bensinmotoren få en umiddelbar homogen forbrenning, motoren designet å jobbe på denne måten ble referert til som "SKYACTIV-X" og ble først brukt på 2019 Mazda 3 (4. generasjon). Denne applikasjonen gir i tillegg til høyere kompresjonsforhold, også en generelt svært mager lagdelt forgassing, men med et ideelt støkiometrisk forhold nær tennpluggområdet, noe som utløser forbrenning, noe som fører til en trykkøkning som induserer til selvforbrenning i resten av brennkammeret. [9]

Turbulent Jet Ignition eller Turbulent Jet Ignition

Det er et system som gjør det mulig å fremskynde utbredelsen av flammefronten, gjennom et forkammersystem, hvor injeksjonen og tenningen finner sted, dette forkammeret huser faktisk både injektoren og tennpluggen, som alle er ledsaget av en type lagdelt forbrenning, faktisk injeksjonen som tillater innføring av ca. 97% av drivstoffet i forbrenningskammeret, gjør det mulig å ha en mager blanding og samtidig en rik blanding i forkammeret, ved tenning oppstår forbrenningen som finner sted i forkammeret skaper en veldig rask turbulent kolonne som går gjennom forbrenningskammeret, noe som gjør det mulig å redusere forbrenningstiden, redusere forurensingen som produseres og tillate bruk av støkiometriske forhold som er mye dårligere i drivstoff. De første studiene av dette systemet fant sted i 2010, mens patentene ble presentert i 2012 og de første søknadene i 2015 i formel 1 med Ferrari-motorer [10] [11] [12] [13] [14]

Deretter ble denne teknologien ytterligere forfinet, med et forkammer utstyrt med flere åpninger, noe som muliggjør utvikling av mer turbulente forbrenningskolonner, på en måte som er helt lik mange raske dieselmotorer, noe som muliggjør en effektivitet av gnisttenningsmotoren svært nær de med tenning, spontan. [15]

En av de første kjøretøyene for veibruk med dette forbrenningssystemet er Maserati MC20 .

Homogen tenning av MWI (Micro Wave Ignition) [16] [17]

System som sørger for tenning gjennom generering av mikrobølger (ligner på magnetronen til mikrobølgeovner ) som gjør det mulig å starte tenningen på en distribuert måte gjennom forbrenningskammeret og ikke kun fokusert på tennpluggen, slik at fordelene med HCCI-systemer, men med enkelheten til et tradisjonelt stearinlyssystem.

Aeronautical combustor (turbogas) [18]

Forbrenningskammeret til en turbogas- eller jetmotor er organet som omdanner drivstoffets kjemiske energi til væskens termiske energi . Det består i hovedsak av huset, diffusoren, foringen og drivstoffets injeksjonssystem.

Romsoner

Omtrent 20 % av den tilgjengelige luften føres inn i "primærsonen" for å utføre forbrenningen og for å bremse strømmen slik at den stabiliserer flammen .
I "mellomsonen" gjennom hullene i veggene innføres ytterligere 20 % av luften som brukes til å fullføre forbrenningen.
Ytterligere 20 % luft føres inn i "fortynningssonen" for å kontrollere fordelingen av temperaturen som forlater forbrenningskammeret og tjener til å unngå overoppheting eller ujevn oppvarming av skovlhjulet (turbinen).
De resterende 40% av strømmen kalles kjøleluft i veggene , slik at brenneren ikke når kritiske brudd eller, enda verre , smeltetemperaturer .

Effekten i form av brukbar kinetisk energi avhenger av brennkammeret .

Tiltak

For at flammen skal stabilisere seg i strømmen, må lufthastigheten rundt den være så lav som mulig (sikkert mindre enn 30 m/s, lik 108 km/t), og dette oppnås ved hjelp av ikke-aerodynamiske legemer som skape en resirkulering i området som skal stabiliseres.
Drivstoffet sprayes av injektorene som forstøver det for å blande det så mye som mulig og dermed sikre en så fullstendig forbrenning som mulig.
I kammeret er det også «tenner» som, i likhet med deres spesifikke navn, brukes til å tenne blandingen eller for å gjentenne den hvis den går ut.

Typer forbrennere

Forbrenningskammeret kan være av flere typer, blant dem de viktigste er:

Ringformet , dvs. en ring/sylinder rundt motoraksen, kontinuerlig og uten avbrudd
Ringformet rør , det vil si en serie sylindriske kamre arrangert rundt/ved siden av motoraksen.
Rørformet , brenneren består av et sylindrisk kammer anordnet vinkelrett på rotasjonsaksen.
Motsatt to forbrenningskamre med motsatt strømning rettet av et internt hus på turbinens statorvingehjul. Dette systemet brukes på landbaserte gassturbiner på maskiner hvis effekt varierer fra 60 til 170 MW beregnet på produksjon av elektrisitet.

Funksjoner

Den ringformede brenneren har følgende fordeler:

Mer homogen strømning , en viktig faktor for varigheten av turbinbladene
Minimering av overflatene som er utsatt for strømmen , følgelig er det en reduksjon i fluiddynamisk friksjon og i spredningen av varme mot utsiden.
Minimering av frontmålene til maskinen og vekten

Den ringformede rørforbrenneren har følgende fordeler:

Mer stabil flamme
Større bruksfleksibilitet , gitt mulighet for å redusere antall rom i drift

Den rørformede brenneren brukes i "heavy duty" turbiner, det vil si de som er beregnet for produksjon av elektrisitet på bakken og ikke av aeronautisk avledning, i disse anleggene er de totale dimensjonene bredere og fokuset er ofte på større konstruktiv enkelhet og vedlikehold.

Den motsatte brenneren er strukturelt enkel og billigere. Det er færre brennere og drivstofftilførselsledningene (dual fuel) er mindre komplekse.

Merknader

^ Teknisk ordbok for bilkjøring: FORBRENNING
^ Three Faces of an Expanding Flame , på sites.google.com . Hentet 17. februar 2016 (Arkiveret fra originalen 12. mars 2016) .
^ Forbrenningsmotorer: fra SI og CI til HCCI
^ Forbrenningsmotorer: fra SI og CI til HCCI
^ Delsystemer som kreves for å kontrollere lavtemperaturforbrenningsmotorer , på ni.com .
^ GM har også en bensinmotor som fungerer som en diesel , på autoblog.it .
^ MERCEDES 2016: nøkkelord "evolution" , på f1analisitecnica.com . Hentet 11. mars 2016 (arkivert fra originalen 17. mars 2016) .
^ Mazda SKYACTIV-X, HCCI-motorens time kommer
^ Mazda Skyactiv-X, motorrevolusjonen er syntesen av bensin og diesel
^ Gnisttenning og forkammer turbulent jettenning forbrenningsvisualisering ( PDF ), på egr.msu.edu . Hentet 25. april 2016 (Arkiveret fra originalen 16. august 2015) .
^ Visualisering av propan- og naturgassgnisttenning og turbulent jetantenning ( PDF ), på egr.msu.edu . Hentet 25. april 2016 (Arkiveret fra originalen 16. august 2015) .
^ Forbedring av antennelse og brennhastighet for magre blandinger av Pulsed Flame Jet (PFJ)
^ Patentsøknadstittel: TURBULENT JET IGNITION PRE-CHAMBER COMBUSTION SYSTEM FOR SPARK IGNITION MOTORER
^ Mahle jet-tenning: Ferrari-injeksjonssystemet
^ Mahle Jet Ignition, en ny effektivitetsrekord for bensinmotorer
^ Micro Wave Ignition: The Elixir of Life of the Combustion Engine?
^ Microwave Ignition: Fremtiden for forbrenningsmotoren.
^ Fuels and Combustion (side 43). Arkivert 26. juni 2013 på Internet Archive .

Relaterte elementer

Andre prosjekter

Wikimedia Commons inneholder bilder eller andre filer om brennkammer

Eksterne lenker

Forbrenning i forbrenningskammeret til en 4-takts bensinmotor, fanget av et høyhastighetskamera , på YouTube 4. oktober 2007. Hentet 16. august 2011 .
( EN ) Forbrenning i forbrenningskammeret til en 4-takts bensinmotor med gjennomsiktige hode- og sideventiler, fanget av et høyhastighetskamera , på YouTube , 11. januar 2017. Hentet 22. januar 2017 .
( EN ) Forbrenning i forbrenningskammeret til en 4-takts gjennomsiktig sylinderbensinmotor, fanget av et høyhastighetskamera , på YouTube , 31. oktober 2012. Hentet 27. februar 2017 .
Flammeavbildningsstudier av syklus-for-syklus forbrenningsvariasjon i en SI-firetaktsmotor
Forbrenning i SI-motorer
Teknikk: brennkammer, dette er hvordan geometri påvirker ytelse og kostnader
( NO ) Thermopedia, "Forbrenningskammer"