محفظه احتراق موتور

محفظه احتراق موتور مشابه سيستم تزريق، مسير طولاني در گسترش و تكامل تدريجي فني را گذرانده است و بررسي تاريخچه طراحي آن خسته كننده است. اما بررسي امكانات تكنولوژي و از طرفي كامل بودن احتراق سوخت و اكسيد كننده و شرايط عايق حرارتي لازم و مفيد است.
براي همه محفة‌ها در اصل خطوط كلي مشخص كننده، مشابه است. در ابتداي محفظه صفحه انژكتور نصب مي‌شود. وظيفه آن آماده سازي سوخت و اكسيد كننده براي احتراق و ايجاد مخلوط سوخت و اكسيدكننده يا به عبارت ديگر تامين اختلاط مناسب است. در محفظه احتراق انرژي حرارتي توليد مي‌شود و محصولات احتراق ابتدا از قسمت همگراي نازل، سپس از قسمت واگراي آن عبور مي‌كند. اين كه همگرايي چقدر بايد باشد و اين كه حجم محفظه احتراق مناسب چيست، همه اين‌ها سئوالاتي است كه بعدا زماني كه در خصوص ويژگي‌هاي احتراق و جريان بحث مي‌كنيم، بررسي خواهد شد.
درجه حرارت بالاي محصولات احتراق، لزوم فرايند خنك‌كاري را بيان مي‌كند. اين مشكل خيلي ظريف است و محاسبات دقيق و همچنين بررسي دقيق رژيم تزريق را مي‌طلبد. ما فعلا فقط اصول كلي را بررسي مي‌كنيم. مقدار حرارت اصلي(سوخت و يا كسيد كننده) گرفته مي‌شود. بدين جهت محفظه احتراق دو جداره ساخته مي‌شود و عنصر خنك كننده به طور مستقيم به صفحه انژكتور وارد نمي‌شود، بلكه ابتدا به كلكتور نازل وارد مي‌شود و از آن‌جا در جهت خلاف جريان به انژكتورها هدايت مي‌شود كه مقدار لامز حرارت را از ديواره داخلي جذب مي‌كند.
اين مشكلات در محفظه‌هاي احتراق حل شده است. آن‌ها در سالهاي دراز بدون تغيير مانده‌اند، اما راه حل‌هاي مناسب سال به سال تغيير مي‌كند. بدين جهت محفظه احتراق يك‌سازه ظريف و دقيق توام با هنر خاص طراحي باقي مانده است.
هم‌اكنون محفظه موتور v-2 در مقايسه با نمونه‌هاي جديد، مشابه يك عتيقه است كه ارزش نگهداري در موزه‌هاي صنعتي را دارد. سازه آن از فولاد و با جوشكاري ساخته شده و خيلي بزرگ و سنگين است. در اين محفظه براي قابليت اعتماد بيشتر فرايند اختلاط، چند عدد محفظه نيم‌كروي كوچك نصب شده است. احتراق از اين محفظه‌هاي كوچك شروع مي‌شود و در محفة احتراق اصلي خاتمه مي‌يابد. سازه آن پيچيده است و مهم‌تر اين كه از ديدگاه تكنولوژي مناسب نيست. در محفظه‌هاي امروزي معمولا از صفحه انژكتورهاي تخت استفاده مي‌شود كه در آن‌ها به راحتي و به سادگي چند صد انژكتور نصب مي‌شود كه تامين كننده جريان حرارتي يكنواخت در طول محفظة احتراق استوانه‌اي است. همچنين ساخت محفظه احتراق استوانه‌اي خيلي راحت‌تر است.
هنگام طراحي محفظه احتراق بايد مقاومت و پايداري پوسته در برابر تنش‌هاي حرارتي داخلي را در نظر گرفت. پوسته داخلي تحت فشار خارجي اضافي اعمالي قرار دارد و اگر تدابير خاصي براي آن در نظر گرفته نشود، ممكن است پايداري خود را از دست بدهد. همان طوري كه از درس مقاومت مصالح مي‌دانيم براي اين كه تنش بحراني را افزايش دهيم، بايد سختي پوسته را در خمش افزايش دهيم. به عبارت ديگر بايد در اين حالت ضخامت پوسته را افزايش داد. اما پوسته نه فقط تحت بار است، بلكه همان‌طور كه مي‌دانيد به شدت از داخل گرم مي‌شود. درجه حرارت ديواره به شدت تابعي از مقاومت حرارتي است كه با افزايش ضخامت پوسته افزايش مي‌يابد(اين مطلب در ادامه با محسابات تاييد مي‌شود). اين بدين معني است كه براي پوسته‌هاي صخيم‌تر خطر داغ برداشتن محلي بيشتر است كه در نتيجه ذوب مي‌شود. در صخامت‌هاي كم، پوسته قابليت تحمل فشار اضافي خارجي را ندارد.
راه حل واحد براي ضد و نقيض ايجاد شده، اتصال دو پوسته به يكديگر است. پوسته جداره خارجي تحمل بارهاي حرارتي وارده از گاز را ندارد و بايد بارهاي نيروي اصلي را تحمل كند و پوسته داخلي كه در يكسري نقاط با پوسته خارجي متصل است، انتقال دهنده نيرو است. در نتيجه پوسته را بايد از موادي ساخت كه هادي حرارتي خوبي باشد، و در عين حال پايداري حرارتي خوبي نيز داشته باشد و ضخامت آن هم در حد امكان كم باشد.<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

چنين راه حلي براي مشكل خنك‌كاري از خيلي قبل بررسي شده بود، اما براي انجام آن مدت‌ها امكان تكنولوژي لازم موجود نبود.
از جمله در محفظه احتراق موتور موشك v-2 از نظر سازه‌اي هيچ شباهتي به موتورهاي موشك امروزي ندارد . پوسته داخلي فولادي با صحامت به نسبت زياد است و در چندين نقطه دور از يكديگر به صورت حلقه‌اي با سوراخ‌هايي براي عبور سيال خنك كننده(الكل اتيليك) به پوسته خارجي متصل شده است. در اين سازه ضخامت ديواره خنك شونده در محل اتصال زياد است و خنك‌كاري غير مؤثر است و به رغم تدابير انديشيده شده، مجبور به كم كردن غلظت الكل تا 75% شده‌اند. در نتيجه علل ذكر شده شبيه به چگونگي اتصال پوسته و غيره، افت چند ده واحد از ضربه مخصوص پيش‌ران را داريم.
در حال حاضر، طراحان، روش‌هاي متعددي را كه تقريبا شبيه به يكديگر است، براي اتصال پوسته‌ها به كار گرفته‌اند.
در روش اول، اتصال پوسته‌ها به كمك يك ورقه نازك صورت مي‌گيرد. روش دوم بدين صورت است كه پوسته داخلي كه با گاز داغ در تماس است، از يك ورقه نازك با پره‌هاي طولي فرز شده ساخته مي‌شود. سومين روش به نحوي است كه ناحيه محفظه احتراق از مجموعه‌اي با لولههاي نازك به شكل خاص فرم داده شده تشكيل شده است. در همه اين طرح‌ها، ضخامت المان‌هاي مقاوم حرارتي خيلي زياد نيست و در حد چند دهم ميلي‌,تر است و فاصله آزادعبور(گام) جريان كه تحت اثر فشار خارجي است، در جد 3 الي 4 ميلي‌متر انتخاب مي‌شود. جنس پوسته داخلي از مس يا برنز است. پوسته خارجي از فولاد ساخته مي‌شود. در پوسته خارجي نازل براي تحمل بارهاي نيرويي، رينگ‌هايي(حلقه‌هايي) براي محكم شدن نصب مي‌شود.
چون صخامت ديواره خنك شونده خيلي زياد نيست و جنس آن از سري مواد هادي حرارت است، مقاومت حرارتي ديواره خيلي كم است،‌بنابراين حرارت تا نقطه ذوببالا نمي‌رود و سيستم خنك‌كاري حتي با چنين فلز سبكي مانند مس به خوبي و كاملا مناسب كار مي‌كند. براي اتصال پوسته‌ها و شبكه‌ها(كاريگيت‌ها) به يكديگر از بريز در خلاء با فويل‌هاي به نسبت كنترل دقيق و فيكسچرهاي خاصي براي توليد لازم دارد. تكنولوژي آماده سازي قطعه نيمه خام كه بعدا از آن شبكه‌ها به يكديگر مونتار خواهند شد فرايند كاري پيچيده‌اي دارد و با فرم دهي تحت فشار بالاي داخلي در پرس‌هاي مخصوص انجام مي‌پذيرد.

انتخاب روش مناسب خنك‌كاري بر حسب امكانات فني و تجربيات كسب شده است، اما اساس كار بر مبناي راح حل اپتيمم، مسايل حرارتي، انرژيتيكي و مقاومت مصالح است.
شدت دريافت حرارت از گازهاي داغ وارده بر ديوراه در طول محور محفظه متغير است. بيشترين مقدار حرارت به ديوراه در ناحيه تنگ آن كه به نام مقطع بحراني ناميده مي‌شود، وارد مي‌گردد و كم‌ترين مقدار آن در مقطع خروجي اعمال مي‌شود. در طول محور محفظه احتراق همچنين فشار گاز به شدت تغيير مي‌كند كه بيشترين مقدار در محفظه احتراق و كم‌ترين مقدار آن در مقطع خروجي نازل است. بر طبق تغييرات پارامترهاي حرارتي جريان گاز، بايد سطح مقطع عبور جريان سيال خنك‌كاري متغير باشد و طراحي سيستم خنك‌كاري در مجموع، به خصوص براي محفظه‌هاي احتراق بزرگ خاص است و براي نازل و قسمت محفظه متفاوت است.
براي نازل‌هاي با نسبت انبساط بزرگ در موتورهاي فضايي كه در خلاء كار مي‌كنند، مي‌توان از خنك‌كاري آن صرف نظر كرد، چون كه بار حرارتي نسبتا زياد نيست و خنك‌كاري به صورت تشعشع انجام مي‌شود. سوخت يا اكسيد كننده خنك كننده در چنين حالاتي به كلكتور كه در فاصله دوري از انتهاي نازل قرار دارد، وارد مي‌شود. در اين صورت طول مسير خنك‌كاري كاهش مي‌يابد و افت‌هاي هيدروليكي نيز كم مي‌شود.
خنك‌كاري محفظه‌هاي احتراق از مسايل ظريف مهندسي است و انتخاب و طراحي مجراي خنك كننده، تنها روش واحد براي كاهش درجه حرارت ديواره محفظه احتراق نيست.

محفظه احتراق موتور

مطالب مشابه :

کتاب مبانی موتورهای احتراق داخلی

دانلود کتاب اصول مهندسی موتور احتراق داخلی Internal Combustion Engine

جزوه موتور های احتراق داخلی (زبان اصلی)

محفظه احتراق موتور

خودروهای هیبریدی

دانلود کتاب و حل المسائل طراحی اجزای مکانیکی شیگلی ویرایش 9

احتراق HCCI چیست ؟