И ремонт автомобильного транспорта. Тема 1.2 «Устройство и основы теории двигателя»

Тема 1.2 «Устройство и основы теории двигателя»

Урок № 1.2.56. Тема: «Карбюрация смеси»

Карбюрация смеси. Для обеспечения быстрого и полного сгора­ния топлива необходимо раздробить его на мелкие капли. Чем больше поверхность, тем активнее происходит окисление молекул топлива — горение. Процесс дробления и испарения бензина и других легких видов топлив под действием струи воздуха носит название карбюрация. Прибор, который обеспечивает этот про­цесс, называют карбюратором.

Для лучшего протекания процесса сгорания нужно, чтобы топ­ливо попадало в цилиндры мелкораздробленным или в виде пара. Испарение топлива во многом зависит от поверхности испарения. Поверхность испарения 1000 капель в 10 раз больше, чем поверх­ность одной капли той же массы. Процесс распыления топлива основан на разбивании вытекающего со скоростью 4...6 м/с из распылителя (специальной трубки) топлива струей воздуха, дви­жущегося со скоростью до 150 м/с. Средний диаметр капель на выходе из карбюратора примерно составляет 100 мкм. На дробле­ние и испарение топлива требуется значительная теплота, что мо­жет приводить к образованию инея на стенках карбюратора и кол­лектора. Для снижения этого явления многие карбюраторы имеют систему подогрева.

При движении топливовоздушной смеси по впускному коллек­тору происходит соприкосновение капель топлива со стенками, в результате чего образуется топливная пленка, которая относитель­но медленно движется к цилиндру. Количество топлива в ней мо­жет достигать 25 % всей подачи. Все эти факторы приводят к не­равномерности распределения топлива по цилиндрам, которое может достигать 10...20%. Кроме того, легкие фракции бензина испаряются быстрее, а тяжелые могут оставаться в цилиндре неиспарившимися. Эти фракции имеют меньшее октановое число, что также влияет на процесс сгорания.

Газовоздушная смесь (при работе на газе) более однородна и не создает топливной пленки.

Простейший карбюратор. К карбюраторам предъявляют следую­щие основные требования: точное дозирование топлива на всех режимах работы двигателя; хорошее дробление бензина; высокое паросодержание горючей смеси.

Схема простейшего карбюратора показана на рисунке 1.

Рис. 1. Схема простейшего карбюрато­ра: 1 – канал поступления бензина от бензонасоса; 2 – игольчатый клапан; 3 – отверстие подачи атмосферного воздуха (отверстие балансировки поплавковой камеры); 4 – воздушная заслонка; 5 – диффузор; 6 – дроссельная заслонка; 7 – смесительная камера; 8 – распылитель; 9 – главный жиклер; 10 – поплавок; 11 – поплавковая камера; 12 – впускной трубопровод.

Его работой управляют с помощью двух заслонок: воздушной 4 и дроссельной 6. Диффузор 5 увеличивает скорость движения воздуха, что приводит к падению давления возле обреза распылителя.

В поплавковой камере 11 поддерживается заданный уровень топлива. Если уровень выше заданного, то игольчатый клапан 2 поплавка 10 за­пирает канал 1 для поступления бензина. Уровень поддерживается ниже обреза распылителя на d = 2...3 мм.

Работа карбюратора. Воздух движется через карбюратор за счет перепада давления в атмосфере и цилиндрах при тактах впуска. В диффузоре скорость воздуха увеличивается до 100...150 м/с (в за­висимости от режима работы двигателя), давление падает на DР = 5...20 кПа. Так как в поплавковой камере топливо находится под атмосферным давлением Р_о, то под действием перепада давле­ния DР = Р_о – Р_Д (см. рис. 1) топливо вытекает из распылителя че­рез главный жиклер 9. Скорость движения топлива, проходящего через главный жиклер, достигает 5...6 м/с. Воздух подхватывает топливо, дробит его на мелкие частицы. Одновременно происхо­дит частичное испарение бензина.

Характеристика простейшего карбюратора (рис. 2).

Рис. 2. Характеристики карбюратора:

I — простейшего; II —желаемая

По урав­нению Бернулли вычисляют расход топлива через главный жик­лер

и расход воздуха через диффузор

где f_д, f_ж — проходные сечения жиклера и диффузора; v_т, v_в — скорости движения топлива и воздуха; r_т, r_в — плотности топлива и воздуха; m_ж, m_д — коэффициента расхода жиклера и диффузора.

Коэффициент избытка воздуха

Посколькуr_т, r_в, L₀, f_д, f_ж, Dр_ж/Dр_д — константы, то α = m_д /m_ж. Так как воздух менее инерционен, чем топливо, то при откры­тии дроссельной заслонки количество воздуха, определяемое ко­эффициентом расхода диффузора m_д = f /(Dр), возрастает быстрее, чем количество топлива, определяемое коэффициентом расхода жиклера m_ж = f /(Dр), т. е. смесь обогащается. В результате при от­крытии дроссельной заслонки коэффициент избытка воздуха па­дает, т. е. смесь обогащается (кривая I на рис. 2).

Каждому режиму работы двигателей соответствует определен­ный состав смеси (табл. 1).

1. Требуемый состав смеси для различных режимов двигателя

Режим работы двигателя	Количество топлива, % от номинала	Количество воздуха	Коэффициент избытка воздуха	Вид смеси
Максимальной мощности	90-100	Норма	0,85...0,9	Обогащенная
Основной (средняя частота вращения)	50...70	»	1,12—1,15	Обедненная
Разгон	110...120	»	0,8...0,9	Обогащенная
Холостой ход при минимальной частоте вращения	20...30	Мало	0,7...0,8	Богатая
Пуск	150...180	»	0,4...0,6	Очень богатая

Работа на обедненной смеси(α = 1...1,15) обеспечивает наилучшую экономичность, а работа на обогащенной смеси (α = 0,8...0,9) — получение максимальной мощнос­ти двигателя. Если на графике (см. рис. 2) указать значения а, которые требует (желает) двигатель на всех режимах работы, то получим желаемую характеристику карбюратора (см. рис. 2, кри­вая II). Она совершенно не совпадает с характеристикой простей­шего карбюратора.

При работе на основном режиме (средних значениях частоты вращения) смесь должна быть обедненной, а простейший карбю­ратор ее обогащает; при пуске смесь должна быть богатой, а кар­бюратор ее обедняет и т. д.

Способы компенсации состава смеси. Изменение состава смеси в соответствии с режимом работы двигателя называется компенса­цией состава смеси.

Прежде всего, карбюратор должен обеспечить основной ре­жим — создать обедненную смесь для экономичной работы двига­теля. Для этой цели в карбюраторе имеются устройства, которые изменяют характеристику простейшего карбюратора, — системы компенсации состава смеси.

Различают два способа компенсации смеси:

1) изменение соотношения сечений жиклера и диффузора f_д/f_ж,

2) изменение соотношения перепада давления у главного жиклера и в диффузоре Dр_д/Dр_ж

Для реализации перво­го способа применяют два-три диффузора. При малых скоростях воздуха работает малый диффузор, а потом вступает в работу боль­шой.

При втором способе используют компенсационные колодцы(рис. 3, а). Такой колодец с воздушным жиклером 3 размещают между главным жиклером 2 и распылителем 6. За счет воздушного жиклера перепад давления на главном жиклере уменьшается и со­ставляет

что меньше величины Dр_ж = (р₀ — р_д).

В результате снижается скорость движения топлива через главный жиклер, а следовательно, и расход топлива, увеличивается а и обедняется смесь.

Следует иметь в виду, что для экономичной работы двигателя пропускная способность воздушного жиклера имеет такое же важное значение, как и пропускная способность топливного жиклера (!).

Диффузор, главный жиклер, распылитель и система ком­пенсации составляют главную дозирующую систему — ГДС (см. рис. 2).

Экономайзеры и эконостаты применяют в режиме максималь­ной мощности для получения обогащенной смеси. В них исполь­зован первый способ компенсации: при определенной величине открытия дросселя у экономайзеров механически (рис. 3, б), а у эконостатов пневматически (при значительном перепаде давле­ния) в работу вступает дополнительный жиклер 10, через который проходит добавочное количество топлива. Смесь обогащается до α = 0,85...0,9.

Рис. 3. Способы формирования желаемой характеристики карбюратора: а – компенсация состава смеси; б – действие экономайзера; в – система холостого хода; г –действие систем при пуске двигателя; д – действие ускорительного насоса; 7 – поплавковая камера; 2 – главный жиклер; 3 – воздушный жиклер; 4 – дроссельная заслонка; 5 – диффу­зор; 6 – распылитель; 7 – воздушная заслонка; 8 – шток; 9 – клапан экономайзера; 10 – жиклер экономайзера; 11 – компенсационный колодец; 12 и 13 – топливный и воздушный жиклеры системы холостого хода; 14 – регулировочный винт; 15 – воздушный клапан; 16 – поршень ускорительного насоса; 17 – обратный клапан; 18 – клапан; 19 – форсунка.

Ускорительные насосы. При резком нажатии на дроссель, на­пример при обгоне, смесь обедняется и двигатель не может раз­вить максимальную мощность. Обогащение смеси производится ускорительным насосом, который подает только одну порцию топлива, а потом уже вступает в действие экономайзер. Поршень 16 (рис. 3, д) одновременно с открытием дросселя движется вниз, давление топлива прижимает шарик клапана 17 к седлу, зак­рывая канал из поплавковой камеры, поднимает иглу клапана 18. Через форсунку 18 данная порция топлива впрыскивается в горло­вину диффузора. Вместо ускорительных поршневых насосов все чаще применяют диафрагменные.

Система холостого хода. На холостом ходу требуется мало сме­си, но она должна быть обогащенной. Для получения такой смеси применяют систему холостого хода (рис. 3, в), представляющую собой отдельный карбюратор с топливным 12 и воздушным 13жиклерами. На этом режиме дроссель прикрыт, а смесь выходит через отверстие за дросселем. Количество смеси регулируют вин­том 14 (винт количества).

Принудительный холостой ход — это режим работы двигателя при движении автомобиля накатом с отпущенной педалью акселе­ратора, но не выключая передачи в коробке передач. В данном ре­жиме коленчатый вал двигателя вращается от колес автомобиля. Для экономии топлива нужно выключить его подачу. Такую зада­чу выполняет экономайзер принудительного холостого хода. Он представляет электромагнитный клапан, который при частоте вращения более 1500...1700 мин”¹ и отпущенной педали акселера­тора перекрывает топливный канал системы холостого хода. Для работы экономайзера принудительного холостого хода обязатель­но нужны два датчика: частоты вращения и положения дроссель­ной заслонки. Сигналы с этих датчиков обрабатываются в специ- альном реле. Эта система позволяет уменьшить расход топлива на 10...20 % на каждые 100 км пробега.

При пуске двигателя смесь должна быть очень богатой (осо­бенно при пуске холодного двигателя). Для получения такого состава смеси воздушную заслонку закрывают (рис. 3, г), а дроссель прикрывают. В воздушной заслонке установлен кла­пан 15, который пропускает небольшое количество воздуха. Так как разрежение из цилиндра действует на все топливные жик­леры, то топливо в диффузор поступает через все жиклеры и системы, что обеспечивает богатую смесь. В современных кар­бюраторах в воздушной заслонке нет клапана, но в системе пус­ка имеется диафрагменная камера, которая через систему тяг при первых вспышках в цилиндрах двигателя приоткрывает воздушную заслонку.