Авиация Второй мировой
На главнуюПоиск на сайте English
 
Приборы на самолете Оборудование Оглавление

ГЛАВА ПЯТАЯ. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

§ 34. Электрический газоанализатор ГЭА-50 (альфаметр)

Сгорание горючего в цилиндре двигателя. Сгорание горючего в цилиндре двигателя является химической реакцией соединения горючего с кислородом. Всякое жидкое горючее состоит, главным образом, из химически связанных водорода и углерода, которые входят в состав горючего в самых различных пропорциях.

Водород при сгорании соединяется с кислородом, в результате получаются водяные пары, а по охлаждении ниже 100°C —вода.

Углерод при соединении с достаточным количеством кислорода дает углекислый газ СО2. В другом случае тот же углерод, соединяясь при горении с недостаточным количеством кислорода, дает окись углерода СО, или угарный газ, который может еще соединиться с кислородом и дать углекислый газ CO2.

Такое сгорание, после которого в продуктах горения остаются вещества, способные соединяться с кислородом, называется неполным сгоранием, а сгорание, после которого в продуктах горения отсутствуют указанные вещества, — полным сгоранием. Для полного сгорания любого горючего вещества необходимо определенное количество кислорода или воздуха, в котором содержится по весу около 23% кислорода.

На сжигание 1 кг бензина нужно 14,7—15,1 кг воздуха (в зависимости от сорта бензина); это количество воздуха будет наименьшим для полного сгорания 1 кг бензина и называется теоретически необходимым.

Карбюратор можно отрегулировать для подачи смеси различного весового соотношения между топливом и воздухом. Так как от состава смеси зависит ее теплотворная способность и скорость сгорания, то необходимо контролировать качество приготовленной смеси.

Отношение весового количества воздуха, приходящегося на одну весовую часть горючего в данной смеси, к теоретически необходимому количеству воздуха называется коэфициентом избытка воздуха. Это понятие введено для удобства сравнения качества смеси. Коэфициенг этот обычно обозначается греческой буквой α. (альфа).

Так, например, если в смеси на 1 кг бензина (для которого г.ес теоретически необходимого воздуха равен 15 кг) приходится 12 кг воздуха, то

Для смеси, содержащей 17 кг воздуха на 1 кг бензина, α = 16/15 = 1,07.

Смесь с содержанием воздуха меньше теоретически необходимого количества называется богатой, так как в ней бензина больше, чем может сгореть с кислородом воздуха, входящего в смесь. Коэфициент избытка воздуха α у богатых смесей всегда меньше единицы.

Смесь с содержанием воздуха больше теоретически необходимого количества называется бедной и коэфициент α у таких смесей больше единицы.

Смесь, в которой содержание воздуха равно теоретически необходимому количеству, называется нормальной, и коэфициент α такой смеси равен 15/15—1.

В случав нормальной смеси, когда α = 1, кислород в цилиндре двигателя, соединяясь с углеродом, образует углекислый газ; водород, соединяясь с кислородом, образует водяной пар; азот, составляющий 77% введенного в цилиндр воздуха, как инертный газ не поддержизает горения и в составе продуктов сгорания остается в чистом виде.

При бедной смеси, когда α>1, излишек кислорода не участвует в горении и находится в продуктах сгорания в свободном состоянии. Углерод сгорает полностью, образуя углекислый газ, водород — воду, азот попрежнему остается в чистом виде. Следовательно, в случае бедкой смеси продукты сгорания содержат углекислый газ, водяные пары, азот и кислород.

При богатой смеси, когда α<1, водород сгорает не полностью, образуя водяные пары и свободный водород. На сгорание углерода будет также нехватать кислорода и он сгорает, частью переходя в углекислый газ, а частью — в окись углерода; азот в сгорании не участвует. Таким образом при богатой смеси продукты сгорания состоят из углекислого газа, окиси углерода, водяных паров, водорода и азота.

На фиг. 212 показано изменение процентного содержания водяных паров, углекислого газа, окиси углерода, свободного кислорода и водорода в продуктах сгорания в зависимости от состава смеси.

Наличием свободного водорода при богатых смесях в настоящее время пользуются для определения качества смеси и необходимости ее корректирования при поднятии на высоту.

На фиг. 212 видно, что, определив в составе газов количество свободного водорода, можно судить о качестве смеси, так как современные карбюраторные двигатели для обеспечения экономичности и снятия больших мощностей работают на смесях, ограниченных довольно узкими пределами α — от 0,75 до 1,05.

В современных двигателях карбюраторы сконструированы и регулируются так, что при запуске и на малых оборотах двигатель работает на обогащенной смеси, на эксплоатационнои мощности смесь слегка обеднена, а на максимальной мощности смесь опять слегка обогащается.

На определенной высоте самолет летит при постоянной плотности воздуха. Поэтому, отрегулировав состав смеси, можно не менять его до тех пор, пока самолет не перейдет в слой воздуха с другим атмосферным давлением.

Фиг. 212. Зависимость между объемным процентным содержанием компонентов выхлопных газов и коэфициентом α.

До появления винтов изменяемого шага смесь регулировали следующим образом. Поднявшись на высоту 1000—1200 м. устанавливали дроссель на число оборотов, соответствующее крейсерской скорости. После этого постепенно обедняли смесь до тех пор, пока обороты двигателя не начинали уменьшаться. Этот состав смеси считался нормальным.

Подобный способ регулирования смеси применяют до сих пор на самолетах с винтами фиксированного шага. Единственным контрольным прибором при этом способе регулирования является тахометр.

При винте изменяемого шага с постоянным числом оборотов приходится применять другой способ, так как независимо от регулирования смеси тахометр будет все время показывать одно и то же число оборотов в минуту. Для контроля качества смеси в этом случае служит специальный прибор — газоанализатор.

Необходимость этого прибора вызывается не только стремлением к сокращению расхода горючего, но и заботой об исправности двигателя. Регулировать состав смеси, руководствуясь одним стремлением экономить горючее, нельзя, так как при этом можно слишком обеднить смесь и перегреть двигатель, а перегрев двигателя вызывает прогорание клапанов, поршней и электродов свечей.

Указатель газоанализатора, установленный на приборной лоске пилота, дает возможность непрерывно наблюдать за составом горючей смеси и регулировать смесь в соответствии с необходимым режимом полета.

Принцип устройства газоанализатора. Действие газоанализатора основано на принципе электрического измерения теплопроводности выхлопных газов двигателя.

В выхлопных газах двигателя могут содержаться следующие газы: окись углерода, кислород, азот, углекислый газ и водород. Теплопроводность окиси углерода, кислорода и азота приблизительно равна теплопроводности воздуха; теплопроводность углекислого газа — в два раза меньше; теплопроводность водорода — в шесть раз больше теплопроводности воздуха.

С обогащением горючей смеси в выхлопных газах увеличивается содержание водорода, а следовательно, повышается общая теплопроводность выхлопных газов. С обеднением смеси увеличивается содержание углекислого газа и теплопроводность выхлопных газов уменьшается.

Измерение теплопроводности выхлопных газов осуществляется мостом Уитстона (см. фиг. 190). Мост Уитстона в датчике газоанализатора (фиг. 213) состоит из четырех плеч r1, r2, r3, и r4, представляющих собой платиновые спиральки. Две из них (r2 и r4,) находятся в камерах, куда поступает выхлопной газ двигателя, а две другие (r1 и r3) — в камерах с воздухом.

Электрический ток проходит по плечам моста и нагревает платиновые спирали примерно до 100° С. Спчральки непрерывно отдают тепло окружающим их газам. Теплопроводность воздуха постоянна, а теплопроводность выхлопных газов, окружающих спиральки r4 и r2, изменяется в зависимости от состава смеси. Вследствие этого изменяется температура спиралек r2 и r4; чем выше температура платиновых спиралек, тем выше их электрическое сопротивление.

Эта разница сопротивлений нарушает равновесие моста Уитстона и заставляет стрелку гальванометра отклониться от ее среднего положения. Нулевое положение стрелки получается, когда теплопроводность выхлопных газов соответствует теплопроводности эталонного газа, т. е. воздуха.

При обогащении смеси увеличивается процентное содержание углерода и подорода в выхлопных газах. Теплопроводность газов увеличивается, температура платиновых спиралек понижается и стрелка гальванометра переходит через нейтральное положение и отклоняется от нулевого положения, показывая богатую смесь.

Фиг. 214. Электрическая схема газоанализатора ГЭА-50:

1—указатель, 2—мост Уитстона, 3 — нулевой реостат, 4—бареттер.

Величина отклонения стрелки гальванометра пропорциональна величине теплопроводности, зависящей от состава смеси. Поэтому шкала гальванометра может быть отградуирована непосредственно в значениях α.

Электрическая схема газоанализатора ГЭА-50 приведена на фиг. 214.

Мост датчика состоит из четырех сопротизлешгй из платиновой проволоки диаметром 18 μ. Нулезой реостат R0 служит для уравновешивания моста перед включением газоанализатора, сопротивления Rш и Rдоб служат для обеспечения нормальной силы тока, проходящего через спирали моста (около 100 mA). Сопротивления эти регулируются на заводе. Сопротивление Rгр включено в цепь указателя и служит для соответствующей градуировки прибора.

Газоанализатор ГЭА-50 присоединяют к бортовой сети самолета с напряжением 27 V. В цепь питания схемы включен бареттер (стабилизирующая лампа). Баллон этой лампы наполнен водородом и имеет внутри железную нить диаметром 20 μ. При увеличении силы тока, проходящего через нить бареттера, ее сопротивление увеличивается.

Фиг. 215. Газовая схема датчика газоанализатора ГЭА-50.

Увеличение же сопротивления нити уменьшает ток и вновь доводит его до номинальной величины. Бареттер поддерживает постоянство силы тока (около 240 mA) в цепи при изменении напряжения от 23 до 30 V.

При выходе бареттера из строя его заменяют новым; это обеспечивает нормальную работу прибора без дополнительного регулирования. Опыт эксплоатации прибора показал, что бареттер быстро выходит из строя и требует частой замены. В последнее время взамен бареттерной лампы выпущена бареттерная пробка, представляющая собой никелевое сопротивление, заключенное в металлический корпус с таким же цоколем, что и бареттерная лампа.

Газовая схема датчика газоанализатора изображена на фиг. 215. Для отвода части газа из выхлопной трубы двигателя устанавливается газозаборный ниппель 1, соединенный трубкой с фильтром датчика 2. Фильтр наполнен металлической стружкой 3 и служит для очистки газа от механических частиц.

Из фильтра газ поступает в измерительные камеры 6 с плечами моста Уитстона r2 и r4 и изменяет условия теплопередачи от спиралей к стенкам этих камер. Выходную трубку 4 фильтра соединяют также с выхлопной трубой двигателя через выходной ниппель 5.

Благодаря перепаду давления между ниппелями и определенному расположению их входных отверстий к потоку выхлопных газов создается необходимое движение газа через газоанализатор.

Сравнительные (воздушные) камеры 7 с расположенными в них спиралями моста Уитстона r1 и r3 соединены с наружной атмосферой через увлажнитель 8. Увлажнение воздуха необходимо для создания одинаковой влажности воздуха и выхлопных газов, поступающих в датчик. Фитиль 9, помещенный в трубку увлажнителя, смачивается водой. Сравнительные камеры являются эталонами, имеющими постоянную теплопроводность.

Измерительные и сравнительные камеры расположены в одном латунном блоке 10, для того чтобы все камеры имели температуру газов двигателя, поступающих в газоанализатор.

Фиг. 216. Датчик газоанализатора ГЭА-50.

Датчик. Датчик газоанализатора ГЭА-50 изображен на фиг. 216. С наружной стороны платы / расположен корпус фильтра 2 с двумя вделанными в него трубками для подключения трубопроводов от выхлопной трубы. Корпус фильтра имеет крышку 3 для вкладывания в него металлической стружки; крышка закрывается пружиной 4. Рядом с фильтром помещен патрон увлажнителя сравнительных камер 5. Под увлажнителем помещена головка регулировочного винта 8 нулевого реостата.

Для ввода соединительных проводов и присоединения гибкого металлического шланга имеется специальный штуцер 6. В углы платы вделаны резинозые амортизаторы 7 с отверстиями для крепления датчика на месте его установки. Барретор установлен с задней стороны датчика и защищен от механических повреждений навинчивающимся металлическим колпачком 9.

Латунный блок датчика с четырьмя платиновыми спиралями помещен на задней стороне платы 1. Газовые камеры латунного блока сообщаются с фильтром через отверстие в корпусе блока. С внутренней стороны платы расположены нулевой реостат и сопротивления.

Там же имеется панель с четырьмя клеммами для приключения соединительных проводов. Задняя сторона датчика закрывается круглым кожухом, прикрепленным винтами к плате.

Фиг. 217. Указатель газоанализатора ГЭА-50.

Указатель. Указателем газоанализатора ГЭА-50 (фиг. 217) служит вибрационно устойчивый магнито-электрический милливольтметр. С лицевой стороны прибора на стекле расположен винт механического корректора, который служит для установки стрелки прибора (при выключенном приборе) на отметку «Δ», соответствующую 0,87 α (механический нуль).

Шкала указателя имеет одинарную или двойную оцифровку в зависимости от типа двигателя. Одинарная шкала имеет обозначения 0,6—1,0 α. Двойная шкала имеет оцифровку: верхняя 0,6—1,0 α, нижняя 90—50 см рт. ст. Нижняя шкала разградуирована в давлении наддува (в соответствии со шкалой мановакуумметра) и обозначена pk. Цена деления верхней шкалы 0,02 α, нижней — 5 см рт. ст.

Шкала показывающего прибора градуирована в значениях коэфициента избытка воздуха α для топлива, при сгорании 1 кг которого необходимо 14,9 кг воздуха. Химический состав такого топлива С ~86% и Н~14%. Этому составу соответствует бензин Б-74, Б-78.

Для уменьшения магнитного влияния указателя на компас и другие измерительные приборы, расположенные вблизи, а также для устранения обратного влияния внешних магнитных полей на корпус указателя надет железный экран.

Погрешности газоанализатора. Общая погрешность прибора, состоящая из градуировочной и температурной (приемник при+ 50° С, указатель при —60° С), не превышает + 0,03 α.

Изменение показаний прибора при изменении напряжения от номинала на 3 V не превышает ±0,01 α в диапазоне шкалы указателя от 0,7 до 0,96 α. Эта же погрешность для участков шкалы от 0,6 до 0,7 и от 0,96 до 1,0 α не превышает ±0,015 а.

При изменениях состава смеси время установления показания с точностью до ±0,01 α не более 20 сек.

Пользование газоанализатором в полете. При отсчете показаний необходимо учитывать, что в нормальных условиях прибор реагирует на изменение состава смеси через 5—6 сек. Точность показаний прибора сохраняется для обедненных смесей максимально до α—1,08. При большем обеднении смеси стрелка вновь идет назад.

При детонации стрелка указателя становится неустойчивой, склоняясь в сторону богатой смеси.

Для облегчения регулирования состава смеси на шкале газоанализатора нанесены деления, соответствующие показаниям мановакуумметра. Однако следует учитывать, что газоанализатор не измеряет давления наддува, а указанные деления нанесены только для сравнения.

Для каждой величины давления во всасывающем трубопроводе существует определенный наивыгоднейший состав смеси.

При взлете и наборе высоты всегда применяют богатую смесь.

При переходе на крейсерскую скорость смесь регулируют так, чтобы стрелка газоанализатора указывала деление, совпадающее с показанием мановакуумметра; это положение соответствует наименьшему расходу топлива.

Газоанализатор не только показывает правильный состав омеси, но также предупреждает пилота о неисправностях в системе питания двигателя. Например, если дроссель сместится из положения, в котором он установлен, то стрелка указателя покажет это, перейдя в новое положение.

Газоанализатор помогает летчику разрешать вопросы правильной эксплуатации двигателя, экономит горючее и увеличивать срок службы двигателя.

Дата публикации на сайте: 22.11.2012


©AirPages
2003-