Основной особенностью автомобильного двигателя является широкий диапазон резко переменных нагрузочных и скоростных режимов. Карбюратор должен обеспечить хорошее смесеобразование и оптимальный состав смеси на каждом из этих режимов, а также при переходе с одного режима на другой в различных условиях эксплуатации. Кроме того, карбюратор должен обеспечить надежный пуск двигателя, его прогрев с минимальными величинами выброса токсичных веществ и расхода топлива, а в случае крайней необходимости и переход на нагрузочные режимы на непрогретом двигателе.
Состав топливовоздушной смеси выбирается для каждого режима с учетом необходимости обеспечения требований к мощностным, экономическим и экологическим показателям.
Для оценки состава смеси, как правило, используется коэффициент избытка воздуха:
α = GB / (GTl0)
где GB — расход воздуха, кг/ч; GT — расход топлива, поступившего в цилиндры двигателя, кг/ч; l0 — расчетное количество воздуха, необходимое для сжигания 1 кг топлива (14,5...15). Эта величина зависит от химического состава бензина (для бензина АИ-93 принимается обычно равной 14,5).
В табл. 1 приведены значения коэффициента избытка воздуха и содержания CO и СН для различных режимов работы двигателя. С целью снижения токсичности и расхода топлива на режиме ПХХ необходимо полностью отключать подачу топливовоздушной смеси. Эту систему целесообразно использовать для отключения подачи топлива при выключении зажигания с целью предотвращения работы двигателя с самовоспламенением (система «Антидизель»).
Процессы смесеобразования и равномерность распределения смеси (по составу) по цилиндрам зависят главным образом от таких факторов:
- фракционного состава топлива, температуры испарения отдельных фракций топлива и антидетонатора;
- температуры топлива и воздуха, интенсивности подогрева смеси;
- относительной скорости воздуха и капель топлива, степени турбулизации потока, площади поверхности испарения (капель или слоя пленки топлива), что в значительной степени зависит от дисперсности дробления топлива в распылителе;
- времени испарения.
При холодном пуске без предпускового подогрева двигателя или впускного трубопровода достаточно к концу сжатия обеспечить испарение только легких низкотемпературных фракций, что позволяет создать в зоне свечи топливовоздушную смесь, способную воспламениться. Остальная часть топлива может находиться в виде конденсата. Поэтому условный коэффициент избытка воздуха αп, подсчитанный по данным измерения расходов воздуха и топлива, может находиться в пределах 0,1...0,2.
После пуска, на время прогрева, карбюратор должен мгновенно перейти с переобогащенной на обогащенную смесь, что достигается рядом автоматических или полуавтоматических устройств. Режим прогрева в значительной степени определяет уровень выброса токсичных веществ. Работа на режиме прогрева оказывает влияние на выброс CO и СН при испытаниях по американскому циклу, так как сразу после пуска отработавшие газы подаются в газоанализатор. В данном случае особенно важно применять автоматическое управление пусковой системой карбюратора.
Процесс смесеобразования начинается в каналах карбюратора, где топливо насыщается пузырьками воздуха, поступающего через воздушные жиклеры, образуя топливовоздушную эмульсию. На нагрузочных режимах процесс смесеобразования продолжается в диффузоре карбюратора, где топливовоздушная эмульсия, попадая в поток воздуха, перемешивается с частью воздушного заряда. По мере прикрытия дроссельной заслонки скорость воздуха в диффузоре снижается, что может привести к ухудшению дробления топлива. При малых скоростях воздуха в диффузоре начинается пульсирующая подача капель топлива. При этом процесс распиливания переносится в зону двух серповидных щелей, образуемых кромкой дроссельной заслонки и стенками смесительной камеры карбюратора. Высокая интенсивность процесса испарения топлива в указанной зоне при низкой температуре воздуха и повышенной влажности, например в приморских городах, приводит к образованию на кромке дроссельной заслонки ледяной корки, нарушающей нормальную работу карбюратора.
Испарение топлива продолжается во впускном трубопроводе, где на большинстве режимов образуется пульсирующий слой топливной пленки, двигающийся в сторону впускного клапана, и отдельно летящих капель. При прохождении топливовоздушной смеси с высокими скоростями через клапанную щель на ходе впуска происходит дополнительное распиливание топлива. Процесс смесеобразования заканчивается в цилиндре двигателя, где смесь дополнительно подогревается остаточными газами, от ее сжатия, за счет теплопередачи от стенок цилиндра, головки цилиндров, днища поршня. Более интенсивному испарению капель способствует и вихревое движение заряда.
Для совершенствования распыливания топлива с целью более равномерного распределения смеси (по составу) по цилиндрам и улучшения процесса сгорания используется большое число устройств и систем. Эти устройства по способу воздействия на поток эмульсии или смеси могут быть разделены на шесть основных групп для:
- подогрева воздуха, поступающего в карбюратор;
- подогрева топливовоздушной эмульсии в карбюраторе;
- механического воздействия на топливовоздушную смесь;
- обработки смеси физическими способами;
- подогрева смеси во впускном трубопроводе.
Подогрев воздуха и система стабилизации его температуры на входе в воздушный фильтр осуществляется, как правило, установкой воздухозаборника с козырьком над поверхностью выпускного трубопровода. Подогрев воздуха позволяет исключить образование корки льда в воздушном фильтре и в зонах интенсивного испарения топлива в карбюраторе при эксплуатации в условиях низких температур при повышенной влажности воздуха, улучшить процесс смесеобразования. Это особенно важно в начальный период прогрева двигателя. При автоматически регулируемом подогреве воздуха достигается стабилизация его состава в различных климатических условиях.
В настоящее время все большее число автомобилей оснащаются устройствами для регулирования температуры воздуха. К их числу относятся устройства (рис. 1), имеющие термодатчик с твердым наполнителем над карбюратором, который через систему рычагов управляет заслонкой, изменяющей соотношение между холодным и горячим воздухом, поступающим в воздушный фильтр. На частичных нагрузках поддерживается постоянная температура воздуха, обычно в пределах 35...40°С. Дальнейшее повышение температуры может привести к появлению паровых пробок в каналах карбюратора, нарушению работы дозирующих систем, засмолению каналов. Для работы на полных нагрузках предусматриваются приспособления для подачи только холодного воздуха или с частичной добавкой горячего воздуха. Получили распространение системы (рис. 2) с датчиками с биметаллической пластиной, управляющие пневмоклапаном, соединяющим рабочую полость мембранного механизма с задроссельным пространством, связанного тягой с заслонкой, регулирующей температуру воздуха.
Рис. 1. Устройство для регулирования температуры воздуха, имеющее датчики с твердым наполнителем: 1 - заслонка; 2 - датчик; 3 - мембранный механизм
Рис.2. Система регулирования температуры воздуха с биметаллической пластиной: 1 - заслонка; 2 - датчик; 3 - мембранный механизм
Одним из способов улучшения смесеобразования на малых нагрузках и холостом ходу и предотвращения образования корки льда в карбюраторе является подогрев корпуса дроссельных заслонок карбюратора охлаждающей жидкостью. Подогрев применяется на некоторых карбюраторах ДААЗ, фирм «Вебер», «Солекс». Однако в связи с невысокой эффективностью, усложнением конструкции и нежелательным перегревом корпуса карбюратора в настоящее время такой способ используется лишь на отдельных моделях двигателей.
Устройства для улучшения распыливания путем механического воздействия, устанавливаемые после карбюратора, выполняются в виде плоской, сферической или конической сетки. В некоторых случаях они представляют собой неподвижные или вращающиеся крыльчатки. Причем вращение может осуществляться как потоком смеси, так и принудительно, например от электродвигателя. Испытания различных по конструкции устройств показали, что при оптимальной регулировке карбюратора снижения расхода топлива не наблюдается, а вследствие увеличения сопротивления на впуске мощностные показатели двигателя существенно снижаются.
Рекламируемый разработчиками эффект, как правило, объясняется созданием дополнительного сопротивления, а следовательно, и уменьшением интенсивности пульсаций потока смеси в диффузоре карбюратора. При этом топливовоздушная смесь несколько обедняется. Учитывая, что часть карбюраторов даже в пределах допусков, установленных на предприятии-изготовителе, выполняется с несколько обогащенной регулировкой, применение таких устройств может привести к некоторому снижению расхода топлива. Однако для карбюраторов с обогащенной регулировкой, как правило, значительно больший эффект может быть достигнут уточнением пропускной способности жиклеров без ухудшения мощностных показателей двигателя.
В результате установлено, что устройства по обработке топлива до карбюратора топливовоздушной смеси в его каналах и после него с помощью постоянных магнитов, электромагнитов, подогрева или путем озонирования кислорода воздуха не влияют на мощностные, экономические и экологические показатели двигателя. Наиболее часто встречающейся ошибкой при оценке эффективности таких устройств является изменение характеристик впускного трубопровода, что может привести к обеднению состава смеси, приготовляемой карбюратором с обогащенной регулировкой. Для карбюраторов с оптимальной регулировкой указанные устройства не эффективны. Поэтому устройства для улучшения смесеобразования за карбюратором, магнитной обработки топлива и смеси не нашли применения в массовом производстве из-за усложнения конструкции при незначительном эффекте.
Применение системы ультразвукового распыливания капель топлива связано с существенным усложнением конструкции и увеличением стоимости двигателя при незначительном эффекте по топливной экономичности, в результате данные системы до настоящего времени не получили распространения.
Практически все карбюраторные двигатели оснащены системами подогрева впускного трубопровода, позволяющими снизить требования к качеству распыливания топлива в карбюраторе, улучшающие распределение смеси по составу и антидетонационных присадок по цилиндрам, сокращающих время работы на обогащенной смеси при прогреве двигателя и, как следствие, снижающие расход топлива и выброс токсичных веществ.
Большинство современных карбюраторных двигателей оборудовано системой подогрева охлаждающей жидкостью нижней части и боковых стенок впускного трубопровода под карбюратором, т. е. зон, где образуется топливная пленка. Преимуществом данной системы подогрева является стабильность температурного режима трубопровода, тепловая инерционность впускного трубопровода. Последнее особенно эффективно при эксплуатации автомобиля с частыми непродолжительными остановками. Однако у данной системы интенсивность подогрева топливовоздушной смеси невысока. При прогреве двигателя карбюратор должен сравнительно длительное время (5...10 мин) обеспечивать подачу обогащенной смеси. Вследствие высокой тепловой инерционности не удается создать систему с регулируемым подогревом.
При создании систем с интенсивным подогревом смеси, например отработавшими газами, основные трудности возникают при выборе степени подогрева на переменных режимах. Система подогрева топливовоздушной смеси во впускных трубопроводах с быстро изменяемой интенсивностью осуществляют с помощью газового подогрева. Приведенная на рис. 3 схема характеризуется наличием заслонок, регулирующих подачу отработавших газов в систему обогрева впускного трубопровода в зависимости от нагрузки и температурного состояния двигателя.
Рис. 3. Схема регулируемого подогрева топливовоздушной смеси отработавшими газами: 1 - карбюраторы; 2 - дроссельная заслонка; 3 - заслонка регулирующая перепуск рабочей смеси через зону подогрева; А - канал перепуска отработавших газов; В - зона подогрева рабочей смеси; С - канал подогретой смеси; - отработавшие газы; - холодная топливовоздушная смесь; - подогретая смесь
Применение электроники для многофункционального управления двигателем позволяет обеспечить минимальную инерционность и четкую связь между управлением топливоподачей и переменной интенсивностью температурного режима подогревателя. Существуют различные системы электроподогрева топливовоздушной смеси непосредственно в карбюраторе и под ним во впускном трубопроводе. Например, системы электроподогрева топливовоздушной смеси (рис. 4) «Игель» фирм «Ауди», «Фольксваген» и другие включают плату, расположенную под карбюратором в стенке впускного трубопровода, с большим числом вертикально расположенных на ней шипов малого диаметра. После включения электрической цепи шипы почти мгновенно нагреваются до 180°С, проходящая через них топливовоздушная смесь интенсивно подогревается, в результате чего исключается образование крупных капель топлива и топливной пленки. При нагреве охлаждающей жидкости свыше +60°С электроснабжение прекращается. Потребляемая подогревателем мощность составляет 180 Вт. Применение электроподогрева способствует снижению времени прогрева холодного двигателя и уменьшению расхода топлива при пуске до 30 %. Подобные системы позволяют обеспечить хорошие пусковые качества, быстрый подогрев после пуска и его отключение при переходе на нагрузочные режимы. Наибольший эффект данное устройство обеспечивает в условиях городской езды с использованием системы «Стоп-старт» (рис. 5). Через несколько секунд после перехода на режим холостого хода автоматически выключается зажигание. Для дальнейшего движения необходимо запустить его. При нажатии на кнопку, педаль сцепления или при включении первой передачи срабатывает система электроподогрева и производится пуск двигателя.
Рис. 4. Система электроподогрева топливо воздушной смеси: 1 - карбюратор; 2 - впускной трубопровод; 3 - шипы с электроподогревом; 4 - канал жидкостного подогрева топливовоздушной смеси
Рис. 5. Система «Стоп-старт» (городской режим): 1 - датчик температуры охлаждающей жидкости; 2 - кнопка включения системы и сигнальные лампы; 3 - переключатель зажигания; 4 - датчик включения передачи; 5 - датчик выключения сцепления; 6 - датчик включения сцепления; 7 - электронный блок управления системой; 8 - контроллер; 9 - аккумулятор; 10 - стартер
Целесообразность применения данной системы определяется эксплуатационными условиями, стоимостью топлива, надежностью работы системы электрооборудования, главным образом электростартера и аккумулятора, требованиями к уровню выброса токсичных веществ, ездовым качествам и другими параметрами. Одним из вариантов решения является применение инерционного стартера, использующего энергию при торможении автомобиля.