Лекция 3. СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ В ДВИГАТЕЛЯХ 1. Карбюрация 2. Впрыск бензина В тепловом поршневом двигателе внутреннего сгорания повышение температуры рабочего тела в рабочем цикле осуществляется за счет экзотермической реакции окисления (сгорания) топлива непосредственно в среде рабочего тела внутри конструктивно замкнутого объема камеры сгорания. Камера сгорания представляет собой пространство, ограниченное днищем поршня, боковой поверхностью цилиндра и головкой блока цилиндров. Собственно горение обусловлено сочетанием химических и физических процессов, включающих смешение топлива и окислителя, теплообмен, гидродинамические и газодинамические явления.

Поэтому процессу сгорания топлива в цилиндрах двигателя предшествует процесс смесеобразования, под которым понимается процесс приготовления смеси из капелек и паров топлива с воздухом. Полнота и скорость сгорания топлива определяются не только общим соотношением количества топлива и воздуха в смеси, что оценивается коэффициентом избытка воздуха, но и такими факторами, как однородность смеси, скорость, место и продолжительность образования смеси. На процесс сгорания бензино-воздушной смеси существенно влияют граничные значения коэффициента избытка воздуха а, которые определяют верхний (а = 0,3…0,5) и нижний (а = 1,2...1,3) пределы воспламеняемости смеси. В дизелях качество приготовления смеси обусловливается качеством распыливания топлива. Действительный состав рабочей смеси при сгорании в дизеле непрерывно изменяется вследствие поступления топлива в камеру сгорания, его смешения с воздухом и выгорания, но изменение состава смеси меньше влияет на процесс сгорания, чем в бензиновом двигателе. Особенности смесеобразования связаны с конструктивными особенностями двигателей.

1. Карбюрация По способу смесеобразования бензиновые двигатели с искровым зажиганием смеси можно разделить на двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием. В двигателях с внешним смесеобразованием процесс приготовления горючей смеси начинается в специальном приборе карбюраторе. В этом случае процесс приготовления горючей смеси называется карбюрацией. В двигателях с внутренним смесеобразованием обеспечивается впрыск бензина или непосредственно в цилиндры двигателя, или во впускной трубопровод. Карбюратор в соответствии с режимом двигателя изменяет количество смеси и ее состав. Карбюратор должен обеспечивать: 1) достижение в зависимости от режима работы двигателя такого сочетания количественного и качественного регулирования массы и состава поступающей в цилиндры топливно-воздушной смеси, при котором создаются оптимальные условия эксплуатации двигателя;

2) возможно большую однородность состава смеси, т.е. возможно лучшее раздробление топлива, его перемешивание с воздухом и испарение (это обеспечит улучшение экономичности двигателя, понижение токсичности отработавших газов и уменьшение износов цилиндропоршневой группы); 3) надежный пуск двигателя в разных температурных условиях и его устойчивую работу при малой частоте вращения коленчатого вала на холостом ходу; 4) простоту и надежность конструкции, облегчающие обслуживание и ремонт всех его систем; 5) возможность изменения регулировок систем карбюратора в зависимости от технического состояния двигателя и условий эксплуатации. Основой любого карбюратора является простейший, т.е. элементарный, карбюратор. Поэтому изучение рабочего процесса современного карбюратора целесообразно начинать с рассмотрения рабочего процесса элементарного карбюратора. На рис. 1 показана схема элементарного одножиклерного карбюратора. Воздух через воздушный фильтр 1, минуя воздушную заслонку 2, поступает в диффузор 9.

Рис. 1. Схема элементарного карбюратора В поплавковой камере 4 поддерживается постоянный уровень бензина. Топливо проходит через жиклер 5 (калиброванное отверстие) под действием перепада давлений между поплавковой камерой карбюратора и диффузором. Оно вытекает через распылитель 6 в зону, где скорость воздушного потока и. разрежение близки к максимальным. Из смесительной камеры 8 смесь воздуха и распыленного топлива по впускному трубопроводу 7 направляется в цилиндры двигателя. Балансирная трубка 3 обеспечивает атмосферное давление в поплавковой камере 4.

Количество воздуха, проходящего через карбюратор и поступающего в двигатель, определяется рабочим объемом его цилиндров, скоростью вращения коленчатого вала и тактностью. Вследствие периодичности поступления смеси в цилиндры двигателя поток воздуха в карбюраторе имеет пульсирующий характер. С увеличением числа цилиндров, повышением числа оборотов и благодаря выравнивающему действию емкости впускного коллектора между карбюратором и цилиндрами пульсации уменьшаются. В четырехцилиндровых двигателях автотракторного типа пульсации настолько сглаживаются, что поток воздуха в карбюраторе можно считать установившимся. При изменении разрежения в диффузоре от 0 до 20 к Па можно с достаточной точностью пренебречь влиянием сжимаемости воздуха и рассматривать его течение как движение несжимаемой жидкости. Секундный расход воздуха (кг/с), поступающего в двигатель, равен (1) где V h рабочий объем одного цилиндра двигателя, м 3 ; η v коэффициент наполнения двигателя; р в плотность воздуха при температуре и давлении окружающей среды, кг/м 3 ;

п число оборотов коленчатого вала в минуту; i число цилиндров двигателя; τ тактность двигателя. Уравнение секундного расхода выведено для несжимаемых жидкостей, ошибка при его использовании в расчете карбюратора не превышает %, По уравнению неразрывности расход воздуха в любом сечении, в том числе и в сечении XX (см. рис. 1) остается постоянным и выражается формулой (2) где G B количество воздуха, протекающего по впускному каналу в единицу времени, кг/с; w x скорость воздуха в сечении XX, м/с; А х площадь трубы в сечении XX, м 2 ; р х плотность воздуха в сечении XX, кг/м 2. Приняв тезис о несжимаемой жидкости, пренебрегая изменением энергии положения (ввиду малой разности нивелирных высот сечений II и IIИ) и принимая скорость воздуха в сечении II на входе в карбюратор

w k = 0, для сечений II и IIII на основании уравнения Бернулли можно записать (3) где р к давление на входе в карбюратор; р к плотность воздуха при давлении р к и температуре Т к ; W Д скорость воздуха в диффузоре; ξ коэффициент сопротивления; р д давление воздуха в диффузоре. Из равенства (3) получаем (4) т.е. перепад между давлением на входе в карбюратор и давлением в рассматриваемом сечении диффузора определяется суммой энергий, затрачиваемых на создание скоростного напора и на

преодоление гидравлического сопротивления на участке от сечения II до сечения IIII (см. рис. 1). На рис. 2 показано изменение соотношения этих двух/слагаемых и разрежения по длине воздушного канала в пределах карбюратора при полностью открытой дроссельной заслонке. Рис. 2. Изменение параметров потока в воздушном канале карбюратора: 1 скоростной напор; 2 потери; 3 разрежение; w 0 скорость в рассматриваемом сечении

Из уравнения (4) рассчитаем скорость воздуха в диффузоре: (5) где φ д коэффициент скорости диффузора (φ д = 0,8...0,9). Расход воздуха через диффузор карбюратора составляет (кг/с) где α д коэффициент сжатия струи (α д = 0,97...0,98); а Д площадь поперечного сечения диффузора. После подстановки скорости w Д из выражения (5) получаем (6) Где μ д = a д φ д коэффициент расхода топлива диффузора. Для современных карбюраторов с воздушным фильтром μ д = 0,8...0,92. Опыты показывают, что рационально спроектированные диффузоры в диапазоне разрежений Δр а = к Па имеют практически постоянный коэффициент расхода.

На рис. 3 показана схема движения топлива из поплавковой камеры 1 карбюратора через жиклер 2, распылитель 3 и диффузор. Истечение топлива через жиклер карбюратора обусловлено наличием разности давлений в поплавковой камере и в диффузоре. Необходимо учитывать также разность уровня топлива в поплавковой камере и высоты расположения выходного отверстия топливного распылителя. Разность уровней Δ h= мм. Рис. 3. Схема движения топлива через карбюратор

На основании уравнения Бернулли для сечений ОО и ЖЖ можно определить скорость истечения топлива в жиклере и прийти к выражению расхода топлива через жиклер (кг/с) (7) где μ ж коэффициент расхода топлива жиклера; а ж площадь проходного сечения жиклера, м 2 ; р т плотность топлива, кг/м 3. Коэффициент ц ж зависит от конструкции жиклера, перепада давлений, обусловливающего истечение топлива, температуры топлива. Для бензина с р т = 751 кг/м 3 при температуре 20 0 С в диапазоне А р = 2..8 к Па значение μ ж = 0,82...0,86. По значениям G B и (7 Т из уравнений (6) и (7) можно определить коэффициент избытка воздуха (8) Зависимость а = f(ΔРд) представляет собой характеристику элементарного одножиклерного карбюратора (рис. 4).

Из графика видно, что при малых значениях Δр Д смесь сильно обеднена, при возрастании ΔРд смесь вначале интенсивно обогащается и затем ее состав стабилизируется. Рис. 4. Характеристика элементарного одножиклерного карбюратора

Характеристика элементарного карбюратора не соответствует требованиям двигателя. Опытная проверка и данные регулировочных характеристик показывают, что требуемые составы смеси на основных режимах функционирования двигателя должны быть следующие: 1) пуск двигателя а = 0,4..0,6; 2) холостой ход и малые нагрузки а = 0,6...0,8; 3) средние нагрузки а = 1,05...1,15; 4)большие нагрузки а = 0,8...0,9; 5) режим разгона автомобиля а = 0,8...0,95. Удовлетворение этих требований приводит нас к характеристике идеального карбюратора. На рис. 5 приведены характеристики идеального и элементарного карбюраторов. Чтобы изменить характеристику элементарного карбюратора и приблизить ее к идеальной, надо в конструктивную схему элементарного карбюратора ввести новые элементы.

Рис. 5. Нагрузочные характеристики карбюраторов: ABC идеального; EF элементарного В качестве пускового устройства в карбюраторах обычно применяют воздушную заслонку, устанавливаемую в воздушном патрубке (см. поз. 2 на рис. 1). При пуске холодного двигателя заслонку прикрывают, в карбюраторе создается значительное разрежение и из распылителя обильно поступает топливо, обогащая смесь.

Чтобы устранить чрезмерное обогащение смеси после пуска, на воздушной заслонке устанавливают клапан, автоматически открывающийся при повышении оборотов коленчатого вала. При этом в карбюратор пропускается дополнительное количество воздуха, и смесь не переобогащается. В карбюраторе предусматривается специальная система холостого хода, действие которой основано на использовании разрежения в задроссельном пространстве (рис. 6). Под действием этого разрежения через отверстие 5 осуществляется поступление и распыление топлива на холостом ходу. Отверстие 4 необходимо для плавного перехода от режима холостого хода до режима малых нагрузок при открытии дроссельной заслонки. В задроссельное пространство выходит топливно-воздушная эмульсия, получающаяся в результате работы топливного жиклера 1 и воздушного жиклера 3. Качество горючей смеси на холостом ходу регулируют винтом 6, соответственно обогащая или обедняя (при заворачивании винта) смесь. При этом регулируется содержание окиси углерода, токсичной составляющей в отработавших газах. Количество смеси регулируют винтом 7, фиксирующим положение дроссельной заслонки.

Рис. 6. Схема системы холостого хода: Т топливный жиклер холостого хода; 2 канал; 3 воздушный жиклер; 4,5 отверстия; 6,7 регулировочные винты

Главная дозирующая система служит для постепенного обеднения смеси на режимах от малой нагрузки до нагрузки, близкой к максимальной. Ее принципиальная схема показана на рис. 7. Это схема с пневматическим торможением топлива, получившая наибольшее распространение в автомобильных карбюраторах. Обеднение смеси обеспечивается с помощью воздушного жиклера 5, расположенного в верхней части эмульсионной трубки 6 с отверстиями. При открывании дроссельной заслонки воздух поступает не только через диффузоры 1 и 2 в главном воздушном канале 3, но и через воздушный жиклер 5 в эмульсионную трубку 6 и тем самым снижает разрежение у топливного жиклера 8. Этот жиклер соединяет поплавковую камеру 7 и эмульсионный колодец 9. Чем выше разрежение в диффузоре карбюратора, тем больше проходит воздуха через жиклер 5 и тем больше тормозится истечение топлива из поплавковой камеры. Эмульсия попадает в главный воздушный канал 3 через распылитель 4. Рис. 7. Главная дозирующая система

Система не имеет подвижных элементов, поэтому она обладает достаточной надежностью и стабильностью в работе. На режимах больших нагрузок, когда требуется большая мощность, необходимо переходить от экономичной обедненной смеси к мощностной обогащенной. Кривые настройки экономичного режима (ABC) и режима наибольшей мощности (ADC) были показаны на рис. 5. Для обогащения смеси на этих режимах в карбюраторах применяют следующие устройства: экономайзер, эконостат, инерционный экономайзер.

Экономайзер с механическим приводом (рис. 8) кинематически связан с дроссельной заслонкой 1 и содержит подпружиненный шток 5 привода, клапан 6 с пружиной 7, топливный канал 8, топливный жиклер 4 и распылитель 3, выходящий в главный воздушный канал 2 Рис. 8. Экономайзер с механическим приводом При полном открытии дроссельной заслонки шток 5 открывает клапан 6 и топливо поступает в распылитель 3, обогащая топливно- воздушную смесь в канале 2.

Эконостат обеспечивает обогащение горючей смеси при повышенной частоте вращения коленчатого вала при полностью открытой дроссельной заслонке. Инерционный экономайзер обогащает горючую смесь при движении автомобиля на подъеме, при резких ускорениях, а также обеспечивает устойчивую работу двигателя на левом вираже автомобиля. На рис. 9 показана схема применения эконостата и инерционного экономайзера в двухкамерном карбюраторе. Трубка эконостата 3 сообщается с поплавковой камерой ниже уровня топлива, распылитель 2 размещается перед малым диффузором вторичной камеры по ходу течения воздуха. Входная трубка инерционного экономайзера размещается в поплавковой камере над уровнем топлива, распылитель 1 выходит в малый диффузор первичной камеры. Рис. 9. Схема применения эконостата и инерционного экономайзера

При резком открытии дроссельной заслонки горючая смесь значительно обедняется вследствие большой разницы в силах инерции топлива и воздуха. Чтобы предотвратить неизбежное при этом резкое уменьшение частоты вращения коленчатого вала, в карбюраторах предусматривают ускорительный насос. В ускорительном насосе поршневого типа (рис. 10) полость под поршнем 2 с манжетой 1 заполняется топливом из поплавковой камеры через обратный клапан 9. При рабочем ходе усилие через тягу 8 и планку 7 передается на пружину и сжимает ее. Пружина в дальнейшем, выпрямляясь, обеспечивает затяжной впрыск топлива через нагнетательный клапан 3 и распылитель в воздушный канал первичной камеры. Производительность насоса регулируют путем изменения хода штока 4 при помощи регулировочной гайки 5.

Рис. 10. Ускорительный насос поршневого типа Привод ускорительного насоса поршневого типа, как правило, конструктивно объединяется в один узел с приводом экономайзера.

2. Впрыск бензина Современный поплавковый всасывающий карбюратор отличается от простейшего более чем десятком дополнительных устройств. Это усложняет его конструкцию, но не позволяет в полной мере удовлетворять возрастающие требования по уменьшению расхода топлива и сокращению токсичности отработанных газов. В современных условиях успехи технологии машиностроения и электроники позволили осуществить промышленное применение систем впрыска легкого топлива, т.е. техническую альтернативу карбюратору. В современном мировом парке легковых автомобилей впрыск бензина применяется на 76 % машин, карбюратор на 10 %, дизельный двигатель на 14 %. Впрыск бензина может осуществляться более оптимально по месту, времени и необходимому количеству топлива.

Рис. 11. Схема аппаратуры впрыска бензина «L-Джетроник» фирмы «Роберт Бош» Работу системы впрыска бензина рассмотрим на примере аппаратуры «L-Джетроник» фирмы «Роберт Бош» (рис. 11). Топливо из бака 1 подается насосом 2 через фильтр 3 к редукционному клапану 4 и форсункам 8 и 9. Воздух поступает в двигатель по впускной трубе, в которой установлен измеритель расхода поворотная заслонка 12, нагруженная пружиной. Зависящий от величины расхода воздуха угол отклонения измеряется потенциометром 13. Характеристика измерителя расхода корректируется байпасным каналом 11, а тарировка его производится подгонкой элементов потенциометра 13.

В системе имеются пусковой датчик температуры 5, датчик положения заслонки 6, датчик температуры охлаждающей жидкости 7. Рабочая 8 и пусковая 9 форсунки выполнены с электромагнитными клапанами. Независимо от положения впускных клапанов форсунки впрыскивают топливо за один или два оборота коленчатого вала двигателя. Синхронизация срабатывания форсунок с вращением вала двигателя осуществляется с помощью контактного датчика частоты вращения, встроенного в прерыватель-распределитель 14 системы зажигания. Подачу воздуха регулирует водитель дроссельной заслонки 10. Выполнение дополнительных функций топливодозирующих устройств (пуск, холостой ход, эффект экономайзера и т.д.) обеспечивается наличием информации от датчиков и переработкой ее в электронном блоке 15 с выдачей управляющих сигналов на исполнительные механизмы. Питание электрической сети обеспечивается аккумулятором 16. Впрыск бензина в четырехтактные двигатели сообщает рабочим циклам некоторые особенности, которых трудно добиться при карбюраторном смесеобразовании: 1) топливо более равномерно распределяется по цилиндрам двигателя, что позволяет работать на обедненных смесях и экономить топливо

2) коэффициент наполнения двигателя увеличивается, что объясняется уменьшением сопротивления впускного тракта из-за снятия карбюратора, меньшей интенсивностью подогрева впускного тракта и увеличением весового наполнения при впрыске топлива непосредственно в цилиндры двигателя; 3) степень сжатия двигателя может быть повышена на единицы. Это объясняется небольшим понижением температуры в процессах впуска и сжатия вследствие испарения большей части топлива внутри цилиндра; 4) дозирование топлива при его впрыске в цилиндр в процессе пуска становится более точным, и пуск холодного двигателя облегчается; 5) мощность двигателя повышается на %, снижается токсичность отработавших газов; 6) система впрыска способствует расширению функций автоматического управления двигателей (например, облегчается возможность регулирования мощности двигателя методом выключения цилиндров, что может давать повышение экономичности до 20 %). В двухтактных двигателях при такой организации подачи топлива снижаются потери смеси на продувку цилиндров.