ТОПЛИВО
В карбюраторных двигателях в качестве топлива применяют
бензин. Бензин — это легкоиспаряющееся жидкое топливо,
получаемое из нефти крекинг-процессом или прямой
перегонкой.
Бензин должен обладать определенными свойствами. К
основным свойствам бензина относятся удельный вес, теплотворность,
испаряемость и детонация. Кроме того, бензин
должен не вызывать коррозии металла и длительное время
сохранять свои свойства.
На склонности бензина к детонации следует остановиться
особо. При нормальных условиях сгорания рабочей смеси
давление в цилиндрах нарастает плавно. При применении
топлива качества более низкого, чем предусмотрено техническими
характеристиками двигателя, и установке очень раннего
момента зажигания часть смеси горит со скоростью до
2000 м/с, почти в 100 раз превышающей оптимальную. Такое
взрывчатое сгорание смеси называют детонацией. Склонность
бензина к детонации условно оценивается октановым
числом. Чем выше октановое число, тем бензин меньше
склонен к детонации. В современных автомобильных двигателях
применяют бензины с октановыми числами от 72 до
98. Бензин с более высоким октановым числом применяют
для двигателей с более высокой степенью сжатия. Для снижения
склонности бензина к детонации в него добавляют
этиловую жидкость (ядовита в количестве до 1 см3 на 1 л!
топлива).
61
Рабочий процесс в цилиндрах двигателя протекает очень
быстро. Например, при частоте вращения коленчатого вала
2000 об/мин, каждый такт совершается за 0,015 с. Это можно
обеспечить лишь при скорости сгорания топлива 25—30
м/с. Однако горение жидкого топлива происходит гораздо
медленнее. Повысить скорость сгорания до оптимального
значения можно лишь при условии, что топливо будет размельчаться
на мельчайшие частицы, испаряться и тщательно
перемешиваться с необходимым количеством воздуха.
Установлено, что для сгорания 1 кг топлива необходимо
15 кг воздуха. Такая смесь называется нормальной. Однако
при соотношении 1:15 полного сгорания топлива не происходит
и часть его бесцельно теряется.
Для полного сгорания топлива необходим избыток воздуха
и соотношение топлива к воздуху должно быть 1:18.
Такая смесь называется обедненной. Но в этом случае в результате
избытка воздуха происходят снижение скорости
сгорания топлива и, как следствие, потеря мощности двигателя.
При увеличении соотношения более чем 1:18 скорость
сгорания смеси резко падает, что приводит к дальнейшему
падению мощности двигателя. И при соотношении 1:20 горючая
смесь в цилиндрах не воспламеняется, равно как и
при соотношении топлива к воздуху в смеси менее 1:6.
Для повышения мощности двигателя топливо должно
сгорать со скоростью наиболее близкой к оптимальной, а
это возможно при соотношении топлива и воздуха 1:13 .
Такая смесь называется обогащенной. Как было сказано ранее,
при таком составе смеси полного сгорания топлива не
происходит и снижается экономичность работы двигателя,
зато достигается его наибольшая мощность.
В работающем двигателе различают следующие режимы
работы:
• пуск холодного двигателя;
• работа на малой частоте вращения коленчатого вала
(режим холостого хода);
• работа при частичных (средних) нагрузках;
• работа при полных нагрузках;
• работа при резком увеличении нагрузки или частоты
вращения коленчатого вала (разгон).
Для всех этих режимов работы двигателя состав горючей
смеси должен быть разным.
Система питания двигателя предназначена для приготовления
и подачи к цилиндрам горючей смеси, а также для
обеспечения регулирования ее количества и состава.
Система питания карбюраторных двигателей включает в
себя:
• топливный бак;
• топливопроводы;
• топливные фильтры;
• топливный насос;
• карбюратор;
• воздушный фильтр;
• впускной коллектор;
• выпускной коллектор и трубопровод;
• глушитель шума выпуска отработавших газов.
Чтобы исключить возможность работы двигателя с чрезмерно
большой частотой вращения коленчатого вала, в систему
питания включен ограничитель частоты вращения коленчатого
вала.
Все приборы системы питания двигателя соединены
стальными трубками — топливопроводами.
Карбюратор служит для приготовления смеси мельчайших
частиц (или паров) бензина с воздухом — горючей смеси.
Этот процесс называется карбюрацией.
Простейший карбюратор состоит из:
• поплавковой камеры с поплавком и игольчатым клапаном;
• камеры распылителя;
• входной камеры с воздушной заслонкой;
• смесительной камеры с диффузором;
• дроссельной заслонки.
В топливной камере располагается устройство, регулирующее
подачу топлива, состоящее из поплавка и игольчатого
клапана. В смесительной камере, выполненной в виде
трубы, имеется сужающаяся горловина-диффузор, в которую
введена трубка из поплавковой камеры — распылитель.
Со стороны поплавковой камеры распылитель имеет калиброванное
(строго определенного сечения и формы) отверстие
— жиклер. Ниже диффузора расположена дроссельная
заслонка.
Действие карбюратора основано на принципе пульверизации.
Воздух, проходящий с большой скоростью над торцом
трубки, погруженной в жидкость, создает разряжение,
в результате которого жидкость поднимается по трубке и
под действием струи воздуха распыляется.
Из бака топливным насосом бензин подается в поплавковую
камеру, уровень в котором поддерживается с помощью
поплавка игольчатого клапана. При заполнении по
плавковой камеры топливом поплавок всплывает, давит
на клапан, прекращая доступ топлива. При неработающем
двигателе уровень топлива остается на одном уровне. При
такте пуска во впускном трубопроводе создается разряжение
и поток воздуха поступает в смесительную камеру
карбюратора. Сужение сечения трубопровода диффузором
обеспечивает увеличение потока воздуха и разряжение
у верхнего торца распылителя. Из-за разницы давлений в поплавковой и смесительной камерах топливо вытекает
из распылителя, распыляется и перемешивается с
воздухом, образуя горючую смесь. Количество подаваемой
горючей смеси в камеру сгорания регулируется положением
дроссельной заслонки или увеличением числа
оборотов коленчатого вала. Уровень топлива в поплавковой
камере снижается, а вместе с ним опускается поплавок,
открывая доступ к топливу.
Простейший карбюратор не обеспечивает изменения
состава горючей смеси при изменении режима работы
двигателя. Современные карбюраторы имеют устройства
и системы, устраняющие недостатки простейшего карбюратора.
Главное дозирующее устройство обеспечивает плавное
обеднение горючей смеси во время перехода от малых нагрузок
двигателя к средним. В отечественных карбюраторах
применяют систему с пневматическим торможением топлива
, состоящую из топливного и воздушного жиклеров
с диффузором постоянного сечения.
По мере открытия дросселя увеличивается скорость потока
воздуха и растет разряжение на конце распылителя.
Количество топлива, поступающего через топливный жиклер,
будет увеличиваться. Однако обогащению смеси
препятствует поступление воздуха через воздушный жиклер,
снижающее разряжение у топливного жиклера. В результате
через распылитель в смесительную камеру карбюратора
поступает не бензин, а его эмульсия (смесь бензина с небольшим
количеством воздуха) и в диапазоне от режима
холостого хода до полных нагрузок горючая смесь будет необходимого
обедненного состава.
Система холостого хода предназначена для приготовления
горючей смеси на малых оборотах коленчатого вала
двигателя. Вследствие того, что дроссельная заслонка почти
закрыта, разряжение у распылителя настолько мало,
что топливо из главной дозирующей системы поступать не
будет.
В режиме холостого хода в цилиндрах остается большое
количество отработавших газов в отношении к поступающему
заряду горючей смеси. Такая рабочая смесь горит медленно,
поэтому для устойчивой работы двигателя ее необходимо
обогатить топливом. Это достигается подводом топлива
за дроссельную заслонку, в область наибольшего разряжения.
Система холостого хода состоит из топливного
жиклера холостого хода, воздушного жиклера и регулировочного
винта.
Под дроссельной заслонкой создается большее разряжение,
под действием которого топливо переходит через жиклер
холостого хода, смешивается с воздухом из воздушного
жиклера и в виде эмульсии вытекает из отверстия под дросселем.
Система холостого хода имеет два отверстия: одно над
дросселем, другое ниже его. При малых оборотах коленчатого
вала через нижнее отверстие вытекает топливная эмульсия,
а через верхнее подсасывается воздух. При открытии
дроссельной заслонки эмульсия поступает в камеру сгорания
через оба отверстия, чем и обеспечивается плавный переход
от оборотов холостого хода к малым нагрузкам. Про
ходное сечение нижнего отверстия изменяется вращением
регулировочного винта. За счет изменения сечения эмульсионного
канала можно менять качество подаваемой горючей
смеси: завертывая регулировочный винт — обеднять смесь,
а вывертывая — обогащать.
Количество поступающей горючей смеси регулируют
упорным винтом дроссельной заслонки. При ввертывании
винта дроссель открывается, увеличивая количество поступающей
смеси, что в свою очередь увеличивает частоту вращения
коленчатого вала двигателя. И, наоборот, при вывертывании
винта дроссель закрывается, количество поступающей
смеси уменьшается, вызывая тем самым уменьшение
количества числа оборотов коленчатого вала двигателя.
Экономайзер служит для обогащения горючей смеси при
полных нагрузках и при разгоне автомобиля, когда дроссель
открыт не полностью.
Так как главная дозирующая система карбюратора отрегулирована
для обеспечения приготовления горючей смеси
обедненного состава, то для получения максимальной мощности
двигателя требуется обогатить смесь. Это достигается
с помощью экономайзера, когда топливо поступает
к распылителю не только через главный жиклер, но и через
клапан экономайзера. Совместное действие главной дозирующей
системы и экономайзера обеспечивает обогащенную
смесь, необходимую для получения наибольшей мощности
двигателя.
Экономайзер состоит из клапана, прижимаемого к седлу
пружиной, жиклера и деталей привода. Рычаг привода клапана
экономайзера неподвижно закреплен на оси дроссельной
заслонки. Клапан срабатывает, когда дроссель открывается
более чем на 3/4, и обеспечивает дополнительную подачу
топлива к распылителю.
Ускорительный насос служит для обогащения горючей
смеси при резком открытии дроссельной заслонки, что важ
но для обеспечения приемистости двигателя, то есть возможности
резкого перехода от малых нагрузок к большим.
При резком открытии дроссельной заслонки увеличение
количества поступающего воздуха в смесительную камеру
происходит гораздо быстрее, чем подача топлива через жиклеры
и распылители, что приводит к резкому обеднению
горючей смеси и может вызвать остановку двигателя. Во
избежание этого необходимо обеспечить принудительное
впрыскивание бензина в смесительную камеру для кратковременного
обогащения горючей смеси.
Ускорительный насос состоит из колодца, штока,
планки, тяги, рычага, нагнетательного и обратного клапанов.
При резком открытии дросселя пружина сжимается,
и поршень, быстро перемещаясь вниз, давит на топливо. Образующийся
гидравлический удар топлива закрывает обратный
и открывает нагнетательный клапаны. Топливо через
распылитель попадает в смесительную камеру. Пружина,
разжимаясь, продолжает перемещать поршень вниз еще в
течение 1-2 с, что обеспечивает более продолжительное время
впрыска дополнительной порции топлива.
Пусковое устройство. Пусковое устройство
Пусковое устройство предназначено для обогащения
смеси при пуске и прогреве холодного двигателя.
Устройство выполнено в виде заслонки с приводом
из кабины водителя. Для предупреждения чрезмерного
обогащения смеси на воздушной заслонке может быть
предусмотрен клапан, который открывается под давлением
атмосферы при возникновении значительного разрежения
в смесительной камере карбюратора после пуска двигателя.
Водитель регулирует положение заслонки с помощью
троса, выведенного в кабину. Одновременно с закрытием
воздушной заслонки приоткрывается дроссель и не дает двигателю
остановиться.
Ось воздушной заслонки установлена во впускном патрубке
карбюратора несимметрично, чтобы под действием
разницы давлений потока воздуха на обе части заслонки она
стремилась открыться. При такой конструкции заслонки
смесь предохраняется от переобогащения при пуске двигателя.
В то же время это не дает двигателю остановиться, так
как смесь автоматически обогащается при снижении числа
оборотов коленчатого вала.
Балансировка карбюратора предотвращает обогащение
горючей смеси в случае засорения воздушного фильтра. С
этой целью поплавковая камера карбюратора сообщается с
атмосферой через канал, выходящий в пространство над воздушной
заслонкой. В этом случае разрежение вследствие
засорения воздушного фильтра в равной степени передается
и в поплавковую камеру, исключая подачу излишнего топлива
в распылитель.
На двигателях отечественных автомобилей устанавливают
карбюраторы со сбалансированной поплавковой камерой
и падающим потоком, когда горючая смесь движется сверху
вниз. Для улучшения наполнения и равномерного распределения
горючей смеси по камерам сгорания цилиндров применяют
двухкамерные карбюраторы. Главное дозирующее
устройство обеспечивает пневматическое торможение топлива,
что компенсирует состав горючей смеси. В корпусе
карбюратора располагаются две смесительные камеры, каждая
из которых питает свою группу цилиндров. Поплавковая
камера, всасывающий патрубок с воздушной заслонкой,
экономайзер и ускорительный насос являются общими для
обеих камер и карбюратора.
Ограничитель максимальной частоты вращения коленчатого
вала двигателя отечественных автомобилей
состоит из центробежного датчика и пневматического диафрагменного
исполнительного механизма.
Датчик крепится к крышке распределительных шестерен
и его ротор приводится во вращение от распределительного
вала двигателя. Исполнительный механизм воздействует
на дроссельные заслонки. Сам механизм закреплен на карбюраторе.
Датчик соединен воздухопроводами с исполнительным
механизмом и всасывающим патрубком карбюратора.
Пока частота вращения коленчатого вала не превышает
максимального значения, клапан датчика открыт, а верхняя
и нижняя полости исполнительного механизма сообщаются
с всасывающим патрубком и смесительной камерой карбюратора. В это время механизм не воздействует на дроссельные
заслонки.
Если частота вращения коленчатого вала превысит значение,
на которое отрегулирован датчик, клапан ротора под
действием центробежных сил перекроет канал доступа воздуха
в полость над диафрагмой. Разрежение, передаваемое
из смесительной камеры, создает силу, которая перемещает
диафрагму вверх. При этом через рычаг и шток прикрываются
дроссельные заслонки, в результате чего частота вращения
коленчатого вала не превысит заданного значения. В
исходное положение устройство возвращается под действием
натянутой пружины, и дроссельные заслонки открываются.
Корпусные детали карбюраторов выполняются из алюминиевых
сплавов. Для уплотнения разъемов между системами
карбюратора применяются картонные или выполненные
из бензомаслостойкой резины прокладки. Жиклеры,
поплавок, сетчатый фильтр и некоторые шайбы изготовляют
из меди или ее сплавов. Рычаги, тяги, распылители, регулировочные
винты, пружины и винты крепления выполняют
из стали, диафрагмы — из резины.
Все чаще на современных автомобилях карбюраторные
системы питания двигателей заменяются инжекторными
системами впрыска бензина.
На двигатели легковых автомобилей может быть установлена:
• система распределенного впрыска топлива; или
• система центрального одноточечного впрыска топлива.
Основными преимуществами инжекторных систем по
сравнению с карбюраторными системами питания являются:
• отсутствие добавочного сопротивления потоку воздуха
в виде диффузора карбюратора, что способствует
улучшению наполнения камер сгорания цилиндров и
получению более высокой мощности двигателя;
• улучшение продувки цилиндров за счет использования
возможности более длительного периода перекрытия
клапанов (когда одновременно открыты впускные
и выпускные клапаны),
• улучшение качества приготовления рабочей смеси за
счет продувки камер сгорания чистым воздухом без
примеси паров топлива;
• более точное по составу смеси распределение топлива
по цилиндрам, что дает возможность использования
бензина с более низким октановым числом;
• значительно большая степень оптимизации состава рабочей
смеси на всех режимах работы двигателя с учетом
его технического состояния.
К недостаткам системы впрыска топлива по сравнению с
карбюраторной системой питания двигателя следует отнести
значительно более высокую степень сложности изготовления
деталей инжекторной системы и ее насыщенность электронными
приборами, что на сегодняшний день приводит к
удорожанию в изготовлении и обслуживании двигателя при
эксплуатации.
Система распределенного впрыска топлива относится к
наиболее современным и совершенным. Основным функциональным
элементом системы является электронный блок
управления (ЭБУ), который, по существу, представляет собой
бортовой компьютер автомобиля. Используя сигналы
множества датчиков, ЭБУ осуществляет оптимальное управление
механизмами и системами двигателя, обеспечивая
наиболее эффективную и экономичную работу двигателя на
всех режимах с максимальной экологической защитой.
Система распределенного впрыска топлива включает в
себя:
• подсистему подачи воздуха с дроссельной заслонкой;
• подсистему подачи топлива с форсунками по одной на
каждый цилиндр;
• систему дожигания отработавших газов;
• систему улавливания и сжижения паров бензина.
Управление подачей воздуха производится непосрсдственно
водителем путем воздействия на дроссельную заслонку.
ЭБУ в зависимости от степени подачи воздуха обеспечивает
оптимальную для различных режимов работы
двигателя подачу топлива.
Помимо непосредственно управляющих функций ЭБУ
имеет функции самообучения, закладывая в память и учитывая
предыдущие параметры и характеристики работы двигателя,
изменение его технического состояния, а также диагностические
и самодиагностические функции.
Система центрального одноточечного впрыска топлива
имеет главное отличие от рассмотренной выше системы: в
ней отсутствует отдельный для каждого цилиндра (распределенный)
впрыск бензина. Подача топлива в этой системе
осуществляется с помощью центрального модуля впрыска с
одной электромагнитной форсункой. Далее дроссельной заслонкой
осуществляется регулировка подачи топливовоздушной
смеси. Распределение горючей смеси по цилиндрам происходит
аналогично карбюраторной системе.
Состав и функции остальных элементов данной системы
такие же, как и в системе распределенного впрыска топлива.