1.1. Схема системы питания: 1 - воздушный фильтр, 2 - карбюратор, 3 - шланг слива части топлива из карбюратора в бензобак, 4 - впускной коллектор, 5 - топливный фильтр, 6 - топливный насос, 7 - шланг подачи горючего из бензобака в карбюратор, 8 - выпускной коллектор
Горючая смесь, приготовляемая в карбюраторе, способна воспламениться тогда, когда горючее и воздух тщательно перемешаны в определенной пропорции.
При слишком большом или слишком малом количестве воздуха способность горючего к возгоранию уменьшается, и после определенной границы смесь не возгорается вообще.
Теоретически для полного сгорания в двигателе 1 кг бензина требуется около 12 кг воздуха, т.е. для полного сгорания 1 л бензина необходимо поступление около 9000 л воздуха.
Во время сгорания образуется много тепла и весь углерод, содержащийся в горючем, соединяется с кислородом воздуха (образуя двуокись углерода). Из водорода и кислорода образуются водяные пары, которые при холодном двигателе и морозной погоде видны на выходе выхлопной трубы в виде белого дыма, а при большем охлаждении конденсируются в капли воды.
1.2. Процесс сгорания в цилиндре двигателя
Практически сгорание протекает с определенным избытком или недостатком воздуха в пределах возгорания смеси.
Смесь, в составе которой воздуха больше, чем нужно для полного сгорания, называется бедной (процент горючего уменьшается). И наоборот, смесь, в которой отношение воздуха к горючему меньше, чем 15:1, называется богатой.
Влияние изменения состава смеси на характеристику двигателя (при постоянной частоте вращения и стабильном положении дроссельной заслонки), а также на содержание окиси углерода в выхлопных газах, упрощенно показано на рис. 1.3. Как видно, по мере обеднения смеси мощность двигателя сначала увеличивается, а затем падает. Расход горючего, наоборот, постепенно уменьшается, а после достижения определенного минимума опять увеличивается. Двигатель может эксплуатироваться в диапазоне между максимальной мощностью и минимальным расходом горючего. Смеси, выходящие за границы этого диапазона, не применяются, так как плохо влияют на прочность двигателя.
1.3. График зависимости мощности двигателя, расхода горючего и содержания окиси углерода в выхлопных газах от состава горючей смеси
Слишком богатая смесь
Помимо снижения мощности двигателя и увеличения расхода горючего, слишком богатая смесь вызывает оседание углерода на поршне, головке цилиндра и свече зажигания, а также смывание излишком бензина масла со стенок цилиндра, поршневых колец и поршня, ускоряя тем самым износ деталей двигателя.
В Внешние признаки работы двигателя на слишком богатой смеси:
- черный дым из выхлопной трубы,
- плохая эластичность и неравномерная работа двигателя,
- "выстрелы" в глушителе, вызванные догоранием в выпускной системе остатков смеси,
- черный осадок внутри выхлопной трубы.
Слишком бедная смесь
В результате малой скорости сгорания слишком бедная смесь вызывает существенное снижение мощности двигателя и увеличение расхода топлива. Отрицательным результатом бедной смеси является также перегрев двигателя, что может привести к подгоранию выпускных клапанов.
Внешние признаки работы двигателя при слишком бедной смеси:
- неравномерная работа двигателя,
- белый налет на изоляторе и корпусе свечи зажигания,
- "выстрелы" в карбюраторе при увеличении частоты вращения (они вызваны воспламенением поступающей в цилиндр смеси не от искры свечи зажигания, а от остатков догорающих газов).
Диапазон регулировки состава горючей смеси определяется не только рабочими параметрами двигателя, но и содержанием вредных веществ в выхлопных газах. К этим веществам, образующимся как побочные продукты или результат неполного сгорания бензина, относятся:
- окись углерода,
- углеводороды,
- окиси азота,
- соединения олова.
Особую опасность для здоровья человека представляют окись углерода и окись азота. Окись азота является одной из главных причин образования смога в больших городах, а окись углерода - сильный отравляющий газ, который уже при концентрации 0,3% во вдыхаемом воздухе вызывает смерть через полчаса. Поэтому нельзя оставлять работающим двигатель в закрытом помещении, например, в процессе регулировки карбюратора, лежать под автомобилем близко к выхлопной трубе во время работы двигателя или работать в смотровой яме без вентиляции.
Состав горючей смеси оказывает существенное влияние на уровень эмиссии окиси углерода, что видно на рис. 1.3. Минимум достигается, когда состав смеси близок к нормальному и обедненному, и быстро растет пропорционально обогащению смеси. Верхняя допустимая граница составляет 2,5% от объема выхлопных газов и определена в законодательстве.
В рамках приведенных выше границ состав смеси меняется в зависимости от условий, в которых работает двигатель. Образуемая карбюратором горючая смесь должна обеспечивать соответствующую работу двигателя при любых условиях эксплуатации автомобиля.
Во время пуска холодного двигателя карбюратор должен приготавливать обогащенную горючую смесь, приближенную к границе возгорания, так как только часть смеси испаряется и способна гореть. Холодные стенки карбюратора, впускного трубопровода и цилиндров не способствуют смесеобразованию, а низкая температура окружающей среды приведет к тому, что большая часть горючего в смеси останется в жидком состоянии. Густое масло увеличивает силу трения, что также затрудняет запуск. Запуск теплого двигателя не требует обогащения смеси и даже наоборот, в результате сильного испарения горючего может возникнуть необходимость ее обеднения.
На холостом ходу двигателя горючая смесь должна быть обогащенной, чтобы без лишнего расхода бензина обеспечивать равномерную работу двигателя. Это вызвано тем, что в цилиндры поступает мало горючей смеси при малых оборотах двигателя, а также наличием большого количества остаточных отработавших газов.
Во время работы двигателя при средней нагрузке (педаль акселератора при езде нажата не до конца), карбюратор должен приготавливать смесь, соответствующую наиболее выгодному расходу горючего двигателем.
Во время работы двигателя на полной нагрузке (педаль акселератора при езде нажата до упора) карбюратор должен готовить обогащенную смесь с целью достижения максимальной мощности двигателя. Но степень обогащения смеси ограничена для того, чтобы ценой уменьшенной мощности двигателя получить меньший расход топлива и меньшую эмиссию окиси углерода.
1.4. Необходимые изменения состава смеси в зависимости от нагрузок двигателя
При увеличении оборотов двигателя (резкое нажатие педали акселератора, например, при разгоне) горючая смесь должна кратковременно обогащаться, так как при этом происходит открытие дроссельной заслонки карбюратора, и, соответственно, приток большого количества холодного воздуха, что затрудняет процесс испарения бензина. Вследствие этого происходит излишнее обеднение смеси, двигатель может заглохнуть.
Принцип действия автомобильного карбюратора рассмотрим на примере простейшего карбюратора - элементарного устройства для приготовления горючей смеси соответствующего состава.
Горючее из бензобака поступает при помощи бензонасоса в поплавковую камеру 2 (рис. 1.5). После наполнения ее до определенной высоты поплавок 3 поднимает игольчатый клапан 1 и, прижимая его к гнезду, прекращает дальнейшее поступление горючего. По мере расхода горючего двигателем снижается его уровень в камере, и поплавок, опускаясь вместе с игольчатым клапаном снова, дает доступ свежему горючему. Уровень горючего в поплавковой камере остается в процессе работы двигателя практически постоянным. Из поплавковой камеры горючее поступает через топливный жиклер 4, представляющий собой резьбовую пробку с точно калиброванным отверстием, в распылитель 10 в суженной части камеры карбюратора - диффузоре 11.
1.5. Схема простейшего карбюратора: 1 - игольчатый клапан, 2 - поплавковая камера, 3 - поплавок, 4 - топливный жиклер, 5 - педаль акселератора, 6 - тяга, 7 - рычаг дроссельной заслонки, 8 - дроссельная заслонка, 9 - смесительная камера, 10 - распылитель, 11 - диффузор
Во время такта впуска движение поршня двигателя вызывает в канале карбюратора приток воздуха, скорость которого резко увеличивается в самом узком месте диффузора, вызывая тем самым падение давления. Из-за разницы между атмосферным давлением в поплавковой камере и давлением в горловине происходит вытекание бензина из распылителя. Выходное отверстие распылителя находится в самом узком месте диффузора, на 2-3 мм выше уровня горючего в камере, что препятствует вытеканию бензина из карбюратора при неработающем двигателе.
Чем больше скорость потока воздуха в диффузоре, тем больше разность давлений, а следовательно и больший расход топлива. Количество бензина зависит от пропускной способности жиклера 4. Капли бензина попадают в струю воздуха, испаряются и, смешиваясь с воздухом, образуют горючую смесь. Приток смеси из карбюратора в цилиндры двигателя, а тем самым и мощность двигателя, регулируется дроссельной заслонкой 8. Дроссельная заслонка представляет собой небольшую пластинку, вращающуюся на оси, закрепленной в стенках смесительной камеры 9. Дроссельная заслонка управляется педалью акселератора с водительского места. Движение передается через трос 6 на рычаг дроссельной заслонки 7.
Показанная на рис. 1.5 схема представляет наиболее распространенный карбюратор с падающим потоком, в котором приток воздуха происходит сверху вниз. Встречается также вариант карбюратора с горизонтальным потоком воздуха, так называемый горизонтальный. Уже не применяются карбюраторы, в которых воздух поступает снизу вверх.
Вышеописанный простейший карбюратор не обеспечивает, однако, желаемого состава смеси, так как по мере увеличения оборотов двигателя повышается расход бензина. А как уже было сказано, карбюратор должен обеспечивать богатую смесь при запуске двигателя и работе на холостых оборотах и обедненную - во время езды с большим открытием дроссельной заслонки. Поэтому в простейший карбюратор вводятся дополнительные системы, корректирующие состав смеси:
- главная дозирующая система,
- система холостого хода,
- система пуска,
- ускорительный насос,
- экономайзер мощностных режимов,
- дополнительные устройства.