Почему смесь есть только у винтовых самолетов?

Поршневые двигатели с искровым зажиганием (бензиновые) имеют отдельные органы управления дроссельной заслонкой и смесью. Это связано с тем, что мощность поршневых двигателей с искровым зажиганием регулируется дросселированием воздухозаборника , в который подмешивается топливо. Правильное соотношение топливо/воздух обеспечивается за счет дозирования воздуха с помощью карбюратора или аналогичного датчика для впрыска топлива, но по разным причинам необходимо выполнять регулировку соотношения, поэтому имеется контроль смеси (который может быть автоматизирован с помощью электронного устройство управления).

Другие виды двигателей – дизельные и турбинные – не дозируют воздух. Они всегда нагнетают столько воздуха, сколько могут, и сжигают обедненное топливо в избытке воздуха. Поэтому у них есть только одна вещь, чтобы контролировать, топливный клапан.

Разница в том, что двигатели с искровым зажиганием (цикл Отто) смешивают топливо с воздухом во впускном коллекторе, а затем воспламеняют его свечами зажигания. И такая смесь воспламеняется только в том случае, если она достаточно близка к стехиометрическому соотношению, при котором все топливо точно реагирует со всем доступным кислородом. Если воздуха слишком много или слишком много топлива, излишки будут поглощать тепло, препятствуя достаточному нагреву смеси, и пламя не будет распространяться. Таким образом, двигатель должен создавать правильную смесь, а его давление ограничивается для снижения мощности.

В отличие от дизельных (дизельный цикл) и турбинных (цикл Брайтона) двигателей нагнетают воздух при любом доступном давлении и впрыскивают топливо в сжатый воздух в точке, где он самовоспламеняется в точке, когда струя из сопла в достаточной степени смешивается с воздухом. – потому что воздух достаточно горячий только от сжатия в дизелях и потому что пламя в турбинах непрерывное. Таким образом, нет проблем с наличием избыточного воздуха, и, следовательно, нет необходимости измерять воздух. Измеряется только топливо, поэтому рычаг всего один.

В старых двигателях с искровым зажиганием используется карбюратор. Это вызывает подачу топлива просто из-за падения давления, создаваемого трубкой Вентури во впускном коллекторе. Но они должны быть скорректированы по высоте. Лучшее объяснение, которое я нашел, заключается в том, что плотность воздуха уменьшается с давлением, а плотность топлива - нет, поэтому, хотя топливный бак ощущает правильное давление, он по-прежнему впрыскивает относительно больше топлива по мере уменьшения плотности воздуха. Это требует корректировки смеси по мере набора высоты, иначе она станет слишком богатой и двигатель заглохнет.

Инжекторные двигатели, в том числе с «карбюраторами под давлением», которые представляют собой простой вид непрямого впрыска, справляются с этим правильно, но вы все равно хотите использовать более богатую смесь для высокой мощности, поскольку двигатель работает холоднее с небольшим количеством избыточного топлива, или более бедную смесь для эффективность, так как двигатель имеет меньшую мощность, но более высокую эффективность при небольшом избытке воздуха. Таким образом, инжекторные двигатели все еще имеют контроль смеси.

Только двигатели с электронным управлением (ECU; также называемые FADEC, полноценный цифровой компьютер двигателя) полностью автоматизируют это (используя более богатую смесь на полной мощности), но это редко встречается в поршневых двигателях самолетов, за исключением некоторых экспериментальных (самодельных) самолетов с адаптированным автомобильные двигатели.

Более новые турбины и дизели также обычно имеют FADEC, но это в основном обеспечивает защиту от остановки или перегрева двигателя при небрежном управлении мощностью. А старые турбины уже имели FCU, более простую и не столь хорошую электромеханическую систему с той же целью. Но он по-прежнему контролирует только одну переменную, а не две, как в двигателях с искровым зажиганием.

Предварительное смешивание воздуха и топлива таким образом, что требуется ручное регулирование, используется только в старых, в основном карбюраторных, бензиновых поршневых двигателях. В большинстве случаев этот метод был заменен впрыском топлива в конце 20 века.

Была предпринята попытка автоматического управления смесью для карбюраторных двигателей с обратной связью, но она оказалась не очень надежной. С помощью впрыска топлива управление смесью можно легко автоматизировать, и большинство двигателей с впрыском имеют автоматизированную систему для управления соотношением топлива и воздуха.

Двигатели с ручным управлением сохранились в авиации общего назначения из-за регулирования, повышающего стоимость новых конструкций. Новые конструкции самолетов, такие как большинство LSA (Light Sports Aircraft), также имеют тенденцию отказываться от ручного управления смесью.

Дизели, турбовинтовые и реактивные двигатели подают в двигатель чистый воздух и впрыскивают топливо отдельно. В реактивном самолете дроссельная заслонка управляет смесью.

В поршневом двигателе каждый цикл поршня втягивает определенный объем воздуха, в котором должен сгореть определенный объем топлива, нагревая газы в цилиндре. В идеальном случае этого количества воздуха достаточно только для полного сгорания объема топлива, смешанного с ним в каждом цикле; то есть топливно-воздушная смесь идеально химически стехиометрична (без избытка воздуха, без избытка топлива).

На практике отклонения от идеальной стехиометрии вводятся для поддержания работы двигателя (избыток топлива в богатой смеси для отвода тепла и предотвращения перегрева головок) или для максимизации эффективности (работа на обедненной смеси xxx градусов по Фаренгейту). Пилот отвечает за управление этой смесью с помощью регулятора смеси.

Но в ТРД (например), работающем не по циклу Отто, а по циклу Брайтона, через двигатель всегда проходит избыточный воздух, в который переменный расход топлива впрыскивается и сжигается в камерах сгорания. Больший поток топлива означает, что больше кислорода потребляется по мере необходимости из избыточного воздуха, проходящего через двигатель, добавляя больше тепла газу и, следовательно, больше тяги и более высокой скорости вращения двигателя, но в конце процесса сгорания выхлоп всегда содержит неизрасходованный кислород, потому что процесс сгорания в двигателе происходит в среде с избытком кислорода. Вот почему вы можете получить резкое увеличение тяги, выбрасывая больше топлива прямо в горячий газ за диском силовой турбины, прежде чем выбрасывать его через выхлопное сопло, т. е. дожигание .

Теперь, если вы попытаетесь сбросить топливо в камеры сгорания вместо того, чтобы поглотить весь доступный кислород, то температура турбины быстро поднимется выше крыши, и лопасти расплавятся!

Таким образом, отсутствует управление смесью как таковое, управляемое пилотом ТРД.

Обратите внимание, что если бы турбореактивный двигатель работал как бензиновый двигатель с циклом Отто, в потоке выхлопных газов почти не было бы неизрасходованного кислорода, и дожигание было бы невозможным.

Смотрите ответ Яна Худека ниже для более подробной информации о том, как все это работает.

Нет необходимости в контроле смеси в струе. В двигателе FADEC (полное цифровое управление двигателем) компьютер измеряет расход топлива. В газотурбинном двигателе, отличном от FADEC, FCU (Fuel Control Unit) представляет собой электромеханическое устройство, которое дозирует топливо в соответствии с входными данными, такими как положение дроссельной заслонки, температура на входе, давление в горелке и т. д.

Я думаю, вы ошибаетесь насчет того, что у турбовинтовых двигателей есть контроль смеси. У меня не текла турбинная ТБМ, но ни С-208, ни Т-34 оба с турбинами ПТ6 не имели управления смесью. Рычаг, о котором вы думаете, вероятно, является рычагом состояния топлива. Выглядит похоже, но выполняет другую функцию.

Вопрос не в том, что у винтовых самолетов есть регуляторы смеси, а в том, что с ними обычно идут поршневые двигатели .

Причина чрезвычайно проста. Авиадвигатели управляют топливно-воздушной смесью с помощью системы, катастрофический отказ которой маловероятен: пилота. Нет никаких причин, по которым компьютер не мог бы взять на себя эту функцию, за исключением чрезмерно запутанного процесса сертификации (по многим веским причинам), который делает его дорогостоящим.

Были и однорычажные авиационные поршневые двигатели (в качестве раннего примера приходит на ум Fw190 времен Второй мировой войны), но слишком часто они не выдерживали испытания рыночными условиями и временем. Сегодня несколько серийных поршневых самолетов оснащены необходимой электроникой, позволяющей отказаться от управления смесью.

Причина, по которой газотурбинные двигатели автоматизируют эти элементы управления, заключается в том, что допуски для допустимых топливно-воздушных смесей намного жестче. В поршневых двигателях ключевые компоненты работают на сотни градусов ниже температуры их плавления. Для сравнения, газотурбинному двигателю может не хватать всего 50 градусов до того момента, когда все начинает резко менять свою пластичность. Хотя теоретически человек мог бы управлять топливно-воздушной смесью газотурбинного двигателя в качестве работы на полный рабочий день, вероятность человеческой ошибки, приводящей к дорогостоящему повреждению двигателя (или хуже), слишком высока. Отсюда и автоматика.

Причина, по которой форсунки не имеют опции управления смесью, заключается в том, что нет необходимости изменять соотношение смеси. На реактивном самолете нет такой вещи, как «наклон пика».

В отличие от поршневых двигателей, сжигающих топливо сериями одиночных взрывов, реактивные двигатели сжигают топливо одним непрерывным пламенем. Основной движущей силой этого пламени является столь же непрерывный поток воздуха через жиклер, вызванный компрессором и/или внутренней формой жиклера. Вот почему этот поток должен появиться, прежде чем вы сможете зажечь пламя.

Как только пламя горит, именно расширение газа в пламени поддерживает поток воздуха, во многом подобно тому, как турбонагнетатель в автомобиле приводится в действие собственным давлением выхлопных газов двигателя. Это косвенно связывает поток топлива с потоком воздуха в более или менее фиксированном соотношении.

В отличие от поршневых двигателей, в реактивных двигателях нет особой необходимости экспериментировать с этим соотношением. Более того, это может очень легко привести к катастрофическому отказу двигателя. Погасшее пламя и остановка компрессора - это гораздо более серьезная проблема, чем, например, замерзший карбюратор, не говоря уже о рисках, связанных с расплавлением лопастей вентилятора.

В общем, реактивные двигатели представляют собой очень деликатное выражение самого по себе простого и очень сильного принципа, тогда как поршневые двигатели представляют собой довольно надежное выражение сравнительно деликатного и сложного принципа. Вот почему потребовалось так много времени, чтобы разработать пригодный для использования реактивный двигатель, как только он был изобретен, в то время как поршневой двигатель практически работал с самого первого дня. Таким образом, можно оптимизировать характеристики поршневого двигателя, уклоняясь от руководства производителя, тогда как лучший способ получить оптимальные характеристики реактивного двигателя - это придерживаться руководства как при эксплуатации, так и при техническом обслуживании.