Горючая смесь состав горючей смеси на различных режимах работы двигателя

Билет
№ 13

Система
питания двигателя предназначена для
хранения, очистки и подачи топлива,
очистки воздуха, приготовления горючей
смеси и подачи ее в цилиндры двигателя.
Количество и качество этой смеси должно
быть разным при различных режимах работы
двигателя, что также находится «в
компетенции» систе- мы питания. Поскольку
мы будем рассматривать работу бензиновых
двигателей, топливом у нас всегда будет
бензин.

В
зависимости от вида устройства,
осуществляющего подготовку топливовоздушной
смеси, двигатели могут быть инжекторными,
карбюраторными или оборудованными
моновпрыском.

Система
питания состоит из следующих основных
элементов :

-топливного
бака;

-топливопроводов;

-фильтров
очистки топлива;

-топливного
насоса;

-воздушного
фильтра;

-карбюратора
или инжектора с электронной системой
управления.

Топливный
бак (или бензохранилище) — это специальная
металлическая емкость вместимостью
40–80 литров, которая чаще всего
устанавливается в задней (более
безопасной) части легкового автомобиля.
Топливо в бензобак заливают через
горловину, в которой предусмотрена
трубка для выхода воздуха при заправке.
На некоторых машинах в самой нижней
точке бензобака есть сливная пробка,
позволяющая при необходимости полностью
очистить бак от нежелательных составляющих
бензина — воды и мусора.

Бензин,
залитый в бак легкового автомобиля,
предварительно очищается сетчатым
фильтром, установленным внутри бака на
топливозаборнике. В бензобаке также
размещен датчик уровня топлива (поплавок
с реостатом), показания которого выводятся
на щиток приборов.

Из
топливного бака бензин подается к
карбюратору по топливопроводу, который
проходит под днищем автомобиля. По пути
топливо проходит через фильтр тонкой
очистки. Бензин из бака отправляет «в
дорогу» топливный насос. Топливные
насосы бывают механические и электрические.
Механические насосы используют для
машин с карбюраторными двигателями. На
автомобили, оборудованные электронным
впрыском, устанавливают электрические
насосы.

Назначение

Система
питания карбюраторного двигателя служит
для приготовления горючей смеси,
состоящей из паров топлива и воздуха,
подачи ее в цилиндры двигателя, а также
удаления из цилиндров отработавших
газов.

В
систему питания карбюраторного двигателя
входят приборы и устройства для хранения
топлива и контроля его количества;
фильтрации и подачи топлива; фильтрации
и подачи воздуха, а также для глушения
шума при впуске; приготовления горючей
смеси и подачи ее в цилиндры двигателя;
отвода газов из цилиндра и глушения
шума при выпуске.

На
рис. 40 приведена принципиальная схема
системы питания автомобильного
карбюраторного двигателя 8. Топливо из
бака 4, закрытого пробкой 3, подается
насосом 9 по трубопроводам к прибору
приготовления горючей смеси — карбюратору
14, проходя очистку в фильтре-отстойнике
6 и фильтре 10 тонкой очистки топлива.
Количество топлива в баке контролируют
по указателю 1, в электрическую цепь
которого включен датчик 2. Воздух
поступает в карбюратор через воздушный
фильтр 13. Приготовленная в карбюраторе
горючая смесь
подается
в цилиндры двигателя по впускному
трубопроводу 12, в котором она подогревается.
Отработавшие газы отводятся из цилиндров
в атмосферу через выпускной трубопровод
11 (коллектор), трубу 7 и глушитель 5 шума
выпуска.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Режимы работы двигателя и состав горючей смеси

Состав горючей смеси

Для работы двигателя внутреннего сгорания необходима смесь топлива с воздухом. В карбюраторных двигателях топливо (бензин) смешивается с воздухом в определенной пропорции вне цилиндров и, частично испарившись, образует горючую смесь. Этот процесс называется карбюрацией, а прибор, приготавливающий такую смесь, карбюратором.

Смесь, пройдя по впускному трубопроводу, попадает в цилиндры двигателя, где смешивается с остатками горячих отработавших газов, образуя рабочую смесь. Частички распыленного топлива при этом испаряются. Для пуска двигателя и его работы на разных режимах, необходим различный состав горючей смеси. Поэтому карбюратор устроен так, что позволяет изменять количественное соотношение распыленного топлива и воздуха в смеси, поступающей в цилиндры двигателя.

Для полного сгорания 1кг топлива необходимо около 15 кг воздуха. Топливовоздушная смесь в такой пропорции называется нормальной. Режим работы двигателя на этой смеси имеет удовлетворительные показатели по экономичности и развиваемой мощности. Незначительное увеличение количества воздуха в топливовоздушной смеси по сравнению с его нормальным содержанием (но не более 17 кг) приводит к обеднению смеси. На обедненной смеси двигатель работает в наиболее экономичном режиме, т.е. расход топлива на единицу развиваемой мощности минимален. Полную мощность на такой смеси двигатель не разовьет.

При избытке воздуха (17 кг и более) образуется бедная смесь. Двигатель на такой смеси работает неустойчиво, при этом расход топлива на единицу вырабатываемой мощности возрастает. На смеси переобедненной, содержащей более 19 кг воздуха на 1 кг топлива, работа двигателя невозможна, так как смесь не воспламеняется от искры. Небольшой недостаток воздуха в топливовоздушной смеси по сравнению с нормальным (от 15 до 13 кг) способствует образованию обогащенной смеси. Такая смесь позволяет двигателю развивать максимальную мощность при несколько повышенном расходе топлива.

Если воздуха в смеси меньше 13 кг на 1 кг топлива, смесь богатая. Из-за недостатка кислорода топливо сгорает не полностью. Двигатель на богатой смеси работает в неэкономичном режиме, с перебоями и при этом не развивает полной мощности. Переобогащенная смесь, содержащая менее 5 кг воздуха на 1 кг топлива, не воспламеняется — работа двигателя на ней невозможна.

Пуск двигателя

При пуске холодного двигателя часть распыляемого топлива оседает на стенках впускного трубопровода, а часть испарившегося топлива, попав в цилиндры, конденсируется на стенках. К тому же при низкой температуре воздуха смесеобразование ухудшается, т. к. замедляется испарение бензина. Поэтому для пуска холодного двигателя необходимо, чтобы карбюратор приготовил переобогащенную топливовоздушную смесь.

Работа на холостом ходу

На холостом ходу частота вращения коленчатого вала двигателя не велика, а дроссельные заслонки карбюратора почти полностью закрыты. Из-за этого вентиляция цилиндров не столь эффективна, по сравнению с работой на средней и высокой частотах вращения коленчатого вала и мало количество горючей смеси, поступающей в двигатель. В рабочей смеси содержится большое количество отработавших (остаточных) газов. Поэтому для устойчивой работы двигателя на холостом ходу необходима обогащенная смесь.

Режим частичных нагрузок

На режиме частичных нагрузок от двигателя не требуется полная мощность. Дроссельные заслонки открыты не полностью, но вентиляция цилиндров хорошая. Поэтому на этом режиме достаточно обедненной горючей смеси. Соотношение развиваемой двигателем мощности к количеству потребляемого топлива позволяет считать режим частичных нагрузок самым экономичным.

Режим полной нагрузки

На режиме полной нагрузки от двигателя требуется максимальная или близкая к максимальной мощность. Двигатель при этом работает на высоких оборотах, а дроссельные заслонки полностью (или почти полностью) открыты. Для этого режима требуется обогащенная смесь, обладающая повышенной скоростью сгорания.

Режим резкого увеличения нагрузки

При работе двигателя в режиме резкого увеличения нагрузки, например при разгоне автомобиля, необходима обогащенная смесь. Но поскольку процесс смесеобразования обладает некоторой инертностью, чтобы предотвратить возникновение«провала» при наборе скорости, требуется дополни тельное кратковременное обогащение горючей смеси. Для этого дополнительное топливо впрыскивается непосредственно в смесительную камеру карбюратора.

Рис. 4.1. Принципиальная схема системы питания карбюраторного автомобильного двигателя

1 – воздухоочиститель; 2 – глушитель шума впуска; 3 – карбюратор; 4 – впускной трубопровод;

5 – фильтр тонкой очистки топлива; 6 – топливный насос; 7 – топливопровод;

8 – топливный фильтр отстойник; 9 – топливный бак; 10 – глушитель шума выпуска

4.2 Определение понятий «горючая смесь», «рабочая смесь», «состав горючей смеси», «коэффициент избытка воздуха»

Смесь топлива с воздухом называется горючей смесью. Горючая смесь, попадая в цилиндр, смешивается с остаточными газами, которые не были удалены при такте выпуска. Образовавшаяся смесь называется рабочей.

Состав горючей смеси характеризуется определенным соотношением масс топлива и воздуха. Для полного сгорания 1 кг бензина теоретически необходимо 14,9 кг воздуха (обычно принимают 15 кг). Однако количество воздуха, действительно расходуемого на приготовление горючей смеси, может быть больше или меньше теоретически необходимого. Поэтому состав горючей смеси принято характеризовать коэффициентом избытка воздуха, обозначаемым буквой α. Коэффициент представляет собой отношение действительного количества воздуха Lд, участвующего в процессе сгорания бензина, к теоретически необходимому количеству воздуха Lт, т.е. α =Lд / Lт .

Если в сгорании 1 кг бензина действительно участвует 15 кг воздуха, т. е. столько, сколько теоретически необходимо, то α = 15/15 = 1, и такую смесь называют нормальной. Горючую смесь, для которой α < 1, называют богатой, так как она содержит воздуха меньше теоретически необходимого Количества. Горючую смесь с коэффициентом α > 1 называют бедной, так как в ней содержится воздуха больше теоретически необходимого количества.

4.3 Режимы работы двигателя и составы горючей смеси на этих режимах

Основными режимами при работе автомобильного двигателя являются пуск двигателя, холостой ход и малые нагрузки, средние нагрузки, полные нагрузки, резкие переходы с малых нагрузок на большие. При пуске двигателя необходима очень богатая смесь (α = 0,2…0,6), так как частота вращения коленчатою вала мала, топливо плохо испаряется, а часть его конденсируется на холодных стенках цилиндра.

Работа двигателя в режимах холостого хода и малой нагрузке возможна при α = 0,7…0,8. Горючая смесь, поступающая в цилиндры двигателя, загрязняется остаточными газами, поэтому обогащение смеси улучшает ее воспламеняемость и способствует устойчивой работе двигателя.

Автомобильный двигатель большую часть времени работает при режиме средних нагрузок, т.е. с не полностью открытой дроссельной заслонкой. Для этого режима необходима обедненная смесь с коэффициентом избытка воздуха α = 1,05…1,15 (экономическая смесь), обеспечивающая экономичную работу двигателя.

Литература: [1, с.48-65; 2, с.99-129].

4.4 Системы впрыска бензина. Их преимущества по сравнению с карбюраторными системами питания

Первые системы впрыска были механическими, а не электронными, и некоторые из них (например, высокоэффективная система BOSCH) были чрезвычайно остроумными и хорошо работали. Впервые же система механического впрыска топлива была разработана компанией Daimler Benz, а первый серийный автомобиль с впрыском бензина был выпущен еще в 1954 г. Основными преимуществами системы впрыска по сравнению с карбюраторными системами являются следующие:

— отсутствие дополнительного сопротивления потоку воздуха на впуске, имеющему место в карбюраторе, что обеспечивает повышение наполнения цилиндров и литровой мощности двигателя;

— более точное распределение топлива по отдельным цилиндрам;

— значительно более высокая степень оптимизации состава горючей смеси на всех режимах работы двигателя с учетом его состояния, что приводит к улучшению топливной экономичности и снижению токсичности отработавших газов.

Хотя в конце концов оказалось, что лучше для этой цели использовать электронику, которая дает возможность сделать систему компактнее, надежнее и более адаптируемой к требованиям различных двигателей. Некоторые из первых систем электронного впрыска представляли собой карбюратор, из которого удаляли все «пассивные» топливные системы и устанавливали одну или две форсунки. Такие системы получили название «центральный (одноточечный) впрыск».

В настоящее время наибольшее распространение получили системы распределенного (многоточечного) электронного впрыска. На изучении этих систем питания необходимо остановиться более подробно.

4.5 Общее устройство и работа систем распределенного впрыска топлива

В системе центрального впрыска подача смеси и ее распределение по цилиндрам осуществляются внутри впускного коллектора.

Образование горючей смеси и влияние ее состава на работу двигателя

Горючие смеси, необходимые для работы карбюраторного двигателя, приготавливаются в смесеобразующем устройстве карбюратора и впускном трубопроводе двигателя. Время, отводимое на приготовление смесей, определяется рабочим процессом двигателя. Для современных двигателей это время чрезвычайно мало и составляет 0,007—0,015 с.

Количество испаряющегося топлива в заданном объеме воздуха зависит от его фракционного состава и давления насыщенных паров.

Другим непременным условием образования горючих смесей является необходимость подвода тепла к испаряющемуся топливу. Практически это осуществляется подогревом впускного трубопровода, связывающего карбюратор с цилиндром двигателя.

Температура подогрева смеси, обеспечивающая наилучшее смесеобразование, составляет 40—60 °С.

Очень большое значение для смесеобразования имеет степень распиливания топлива в смесеобразующем устройстве карбюратора. Чем мельче распыливается топливо, тем скорее и лучше оно испаряется. При этом значительное влияние на испарение топлива оказывает также скорость движения воздуха в смесительной камере. При малой скорости воздух вступает в контакт с капельками испаряющегося топлива, быстро насыщается его парами, и испарение замедляется. При большой скорости воздуха условия испарения топлива улучшаются, так как поток воздуха увлекает за собой пары испарившегося топлива, и процесс испарения ускоряется.

Высокая скорость воздуха создает во впускном трубопроводе завихрение смеси, что также способствует лучшему перемешиванию паров топлива и воздуха и повышает однородность смеси.

Содержание топлива и воздуха в горючей смеси характеризует ее состав. Состав смеси наиболее просто можно оценить количеством воздуха, приходящегося на 1 кг топлива.

Различные виды жидких топлив требуют для полного сгорания неодинаковое количество воздуха. Так, для полного сгорания 1 кг бензина необходимо 15 кг воздуха при нормальном атмосферном давлении и температуре 20 °С. В этом случае смесь называется нормальной, а количество воздуха 15 кг — теоретически необходимым.

Горючие смеси воспламеняются только в определенных пределах изменения их состава. Эти пределы могут быть выражены коэффициентом избытка воздуха и называются пределами воспламеняемости смесей, которые для бензиновых горючих

На пределы воспламеняемости смесей влияет также количество отработавших газов, оставшихся в цилиндре двигателя после завершения такта выпуска. Остаточные газы сужают пределы воспламеняемости смесей.

Состав горючих смесей оказывает непосредственное влияние на мощность и экономичность двигателя. При работе двигателя на нормальной смеси (а=1) расход топлива и развиваемая двигателем мощность будут иметь определенные значения.

Таким образом, наиболее предпочтительными смесями для длительных режимов работы двигателя со средней нагрузкой являются обедненные. Богатые и бедные горючие смеси для практического применения недопустимы, так как увеличивают в значительной степени расход топлива, снижают мощность двигателя и вызывают другие нежелательные явления в его работе.

Чтобы определить состав горючих смесей для различных режимов работы двигателя, его подвергают регулировочным испытаниям. Испытания двигателя проводят на тормозном стенде, который позволяет замерить мощность двигателя. Дополнительные приборы, установленные на двигателе, позволяют определить расход топлива и количество поступающего в смесительную камеру воздуха и подсчитать коэффициент избытка воздуха. В результате испытаний получают регулировочные характеристики (рис. 19) двигателя, которые представляют зависимости изменения мощности и расхода бензина при разных значениях а, снятых при постоянной заданной частоте вращения коленчатого вала.

Рис. 19. Регулировочные характеристики двигателя:
1, 2, 3, — зависимости мощности, 1’, 2’ 3’ — зависимости удельного расхода топлива, 4 — зависимость изменения состава смеси при максимальной мощности, 5— зависимость изменения состава смеси при минимальном расходе топлива

На характеристике по оси ординат отложена мощность Ne двигателя, выраженная в процентах от максимальной мощности, и расход топлива в единицах удельного расхода, который также взят в процентном отношении к минимальному его значению. По оси абсцисс отложен коэффициент избытка воздуха а.

Кривая соответствует работе двигателя при полном открытии дроссельной заслонки, а кривые — при промежуточных положениях. Из характеристик видно, что они имеют общий характер. При любом положении дроссельной заслонки с увеличением а мощность двигателя вначале увеличивается, затем достигает максимального значения и дальше падает.

Удельный расход топлива имеет обратный характер; вначале он падает, достигает минимального значения и затем увеличивается. Для каждого положения дроссельной заслонки точки максимальной мощности на кривых не совпадают по величине а с точками минимальных удельных расходов топлива на кривых.

Если точки максимальной мощности на разных кривых соединить плавной линией, получим кривую, выражающую зависимость изменения состава смеси при максимальной мощности. Сделав то же самое для точек минимальных удельных расходов топлива, получим кривую, выражающую изменение состава смеси при минимальном удельном расходе.

При рассмотрении кривых видно, что получить максимальную мощность двигателя и минимальный расход топлива при этой мощности нельзя. Если отрегулировать карбюратор на получение минимального расхода топлива, мощность двигателя упадет, так как смесь будет обедняться (а>1) и скорость ее сгорания падать. Наоборот, при регулировке карбюратора на получение максимальной мощности добиться минимального расхода не удастся, так как топливо в смеси будет сгорать не полностью из-за малого коэффициента избытка воздуха. Воздуха в смеси (а<1) будет недостаточно, и работа двигателя станет неэкономичной.

Поскольку автомобильный двигатель большую часть времени работает в режимах с неполным открытием дроссельной заслонки, наиболее целесообразной следует считать регулировку карбюратора на максимальную экономичность. При вынужденном переходе двигателя на режим полной мощности с полным открытием дроссельной заслонки смесь необходимо обогащать, не принимая во внимание повышенный расход топлива.

Для работы двигателя на холостом ходу или малых нагрузках, т. е. при сильно прикрытой дроссельной заслонке, лучше всего иметь обогащенную смесь. При этих условиях распыливание и испарение топлива в карбюраторе ухудшаются вследствие малых скоростей воздушного потока в диффузоре. Кроме того, с прикрытием дроссельной заслонки увеличивается количество продуктов в цилиндре, которые остаются там после предшествующего рабочего цикла. Чтобы скомпенсировать этот недостаток, необходимо смесь сделать значительно обогащенной. В этих условиях обогащенная смесь будет способствовать надежной работе двигателя.

При работе автомобильного двигателя в условиях движения часто приходится резко открывать дроссельную заслонку карбюратора. Такие случаи могут встретиться, например, при обгонах. Резкое открытие дроссельной заслонки простейшего карбюратора вызывает кратковременное обеднение смеси, которое объясняется следующими причинами.

Вначале при приоткрытой дроссельной заслонке и установившемся режиме работы двигателя разрежение в диффузоре сравнительно небольшое. Как только дроссельная заслонка резко открывается, это разрежение быстро возрастает. При этом воздух вследствие его меньшей массы по сравнению с топливом, т. е. обладая большей подвижностью, получает большее ускорение и будет поступать в смесительную камеру в большем количестве, т. е. смесь обедняется. Этот процесс будет идти до тех пор, пока скорости воздуха и топлива не выравняются.

Кроме разницы скоростей при резком открывании дроссельной заслонки ухудшаются условия испарения топлива. В этом случае за дроссельной заслонкой разрежение уменьшается, топливо не успевает испаряться и его наиболее крупные капельки начинают оседать на стенках впускного трубопровода, образуя пленку большой толщины. В результате смесь обедняется. Обеднение смеси будет происходить до тех пор, пока пленка не достигнет толщины, соответствующей установившемуся режиму.

Влияние резкого открытия дроссельной заслонки простейшего карбюратора может характеризоваться такими признаками: появляются перебои в работе двигателя, хлопки в карбюраторе и даже возможна остановка двигателя.

Для выяснения требуемого состава смеси при резком открытии дроссельной заслонки рассмотрим изменение приемистости двигателя. Под приемистостью понимается способность двигателя быстро повышать частоту вращения коленчатого вала. Приемистым считают двигатель, который затрачивает минимальное время на разгон с малых частот вращения коленчатого вала до максимальных.

Рис. 20. Зависимость приемистости двигателя от состава горючей смеси

Рис. 21. Зависимость времени пуска двигателя от состава горючей смеси

На графике зависимости приемистости двигателя от состава горючей смеси (рис. 20) по оси ординат отложено время разгона т, а по оси абсцисс коэффициент избытка воздуха а. Из кривой видно, что приемистость двигателя ухудшается по мере роста а, т. е. с обеднением смеси. Таким образом, для улучшения приемистости двигателя, а также для устранения всех нарушений, которыми сопровождается работа двигателя при резком открытии дроссельной заслонки карбюратора, необходимо кратковременное обогащение горючей смеси.

При пуске холодного двигателя ухудшаются условия образования горючей смеси. Во-первых, отсутствует подогрев впускного трубопровода и стенки цилиндров также не нагреты. Во-вторых, скорость потока воздуха через диффузор при пуске невелика, что также ухудшает распыливание и испарение топлива. Вытекающее из распылителя топливо движется в виде пленки по трубопроводу и в жидком состоянии попадает в цилиндры. Поэтому для создания смеси, которая может воспламеняться и гореть, приходится значительно увеличивать количество топлива в ней.

Как показывает кривая на рис. 21, время пуска двигателя уменьшается с обогащением смеси. Поэтому при пуске двигателя смесь должна быть очень богатой, чтобы за счет испарения наиболее легких фракций топлива получить требуемый для воспламенения состав смеси. Практически на одну часть массы топлива должно приходиться две-три части воздуха. При этом большая часть топлива при пуске затрачивается непроизводительно. Топливо, не принимающее участия в горении, попадает в цилиндры двигателя и интенсивно смывает смазку, вызывая повышенный износ поршней и цилиндров. Поэтому после пуска двигателя необходимо сразу уменьшать степень обогащения горючей смеси.

В заключение молено сказать, что для каждого характерного режима работы двигателя необходимы строго соответствующие ему горючие смеси: – при пуске холодного двигателя смесь должна быть очень богатой; – на холостом ходу — значительно обогащенной; – на средних нагрузках при открытии дроссельной заслонки на 3Д ее хода — обедненной; – на полной мощности, при полном открытии дроссельной заслонки, — обогащенной; – при резком открытии дроссельной заслонки смесь должна получать кратковременное обогащение.