Что такое состав смеси в двигателе

Карбюратор

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.

Что такое состав смеси в двигателе

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.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

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 К атегория: — Ремонт топливной аппаратуры автомобилей

Что такое состав смеси в двигателе

2. Смесеобразование и состав горючей смеси

Процесс смесеобразования в карбюраторном двигателе заключается в смешивании паров бензина с воздухом при определенном соотношении их масс. Приготовление горючей смеси начинается в карбюраторе, продолжается во впускном трубопроводе и заканчивается в цилиндре. В зависимости от соотношения масс топлива и воздуха различают нормальную, обогащенную, богатую, обедненную и бедную смеси. Соотношение между количеством топлива и воздуха определяют коэффициентом избытка воздуха – α, равным отношению действительного количества воздуха L _д, находящегося в смеси, к количеству воздуха L_o теоретически необходимому для сжигания данного количества топлива, α = L _д/ L_o . Если количество воздуха в горючей смеси равно теоретически необходимому для полного сгорания топлива, α = 1 и смесь называется нормальной. Для полного сгорания 1 кг бензина требуется примерно 14.9 кг воздуха. Такая смесь обеспечивает устойчивую работу двигателя со средними показателями мощности и экономичности.

В обогащенной смеси содержание воздуха на (15…20)% меньше, чем в нормальной, . Обогащенная смесь сгорает быстрее нормальной и двигатель развивает наибольшую мощность при несколько увеличенном расходе топлива.

В богатой смеси содержание воздуха на (20…60)% меньше, чем в нормальной, . Богатая смесь горит «медленно», при этом уменьшается мощность двигателя и значительно увеличивается расход топлива.

В обедненной смеси содержание воздуха на (10…15)% больше, чем в нормальной, . Обедненная смесь имеет несколько меньшую скорость сгорания, чем обогащенная смесь, но двигатель работает экономично, хотя и развивает несколько меньшую мощность.

В бедной смеси содержание воздухана (15…30)% больше, чем в нормальной, . Бедная смесь горит медленно, процесс сгорания может продолжаться весь такт расширения и часть такта выпуска. При использовании бедной смеси двигатель работает неустойчиво, его мощность уменьшается, а расход топлива сильно возрастает.

Состав смеси непрерывно меняется и автоматически поддерживается в зависимости от условий работы двигателя с помощью карбюратора.

Наибольшую мощность двигатель развивает при , а наиболее экономичный режим работы двигателя обеспечивается при .

В цилиндре двигателя после такта выпуска остается значительное количество отработавших газов: (7…12)% в режиме максимальной мощности и (35…40)% на холостых оборотах.

Смесь остаточных газов и горючей смеси называется рабочей смесью.

Влияние состава смеси на индикаторный КПД двигателя

Рис. 1
Допустимая степень сжатия на границе детонации для различных типов топлива и составов смеси: 1 — циклогексан; 2 — водород; 3 — изооктан; 4 — изооктан с добавкой тетраэтилсвинца 1,06 см 3 /дм 3 ; 5 — метан.

Зависимость степени сжатия на границе детонации от соотношения воздуха и топлива в смеси показана на рис. 1. Наименьшая степень сжатия без возникновения детонации характерна для стехиометрической или слабо обеднённой смеси. При обогащении смеси ее стойкость к детонации возрастает. Это обусловлено главным образом внутренним охлаждением при испарении большего количества топлива в сравнении с бедной смесью. Аналогичный эффект достигается добавлением в топливовоздушную смесь воды или спирта. Такой способ применяют для кратковременного увеличения мощности поршневых авиационных двигателей при взлете самолета. Однако длительная эксплуатация двигателя с добавлением в смесь воды неблагоприятно сказывается на сроках службы свечей зажигания и седел клапанов. У автомобильных двигателей с наддувом для подавления детонации также применяется впрыск воды.

Увеличение детонационной стойкости у бедных смесей вызвано меньшей скоростью их горения. Однако широкое использование бедных смесей ограничено пределом их воспламеняемости.

В последнее время к автомобильным двигателям предъявляются также требования, связанные с жёстким ограничением содержания в отработавших газах вредных для здоровья человека веществ. В первую очередь контролируется содержание окиси углерода CO, углеводородов CH_x и окислов азота NO_x. Первые два углеродосодержащих соединения возникают при неполном сгорании топлива в условиях недостатка воздуха. Эти продукты неполного сгорания можно сжечь, добавляя в отработавшие газы свежий воздух и воспламеняя образовавшуюся смесь. Окисление можно провести при помощи катализатора или на горячей поверхности. Это дополнительное сгорание в термическом реакторе очищает отработавшие газы, однако с энергетической точки зрения является потерей, увеличивающей удельный расход топлива.

Влияние состава топливовоздушной смеси на индикаторный КПД и среднее индикаторное давление показано на рис. 2. Максимальное среднее индикаторное давление достигается при использовании богатой смеси. Этим обеспечивается хорошее использование всего количества поступившего воздуха, но в отработавших газах остается часть неиспользованного топлива. При бедных смесях полностью сгорает все топливо, но отработавшие газы содержат неиспользованный воздух. В этом случае достигается наилучшее значение индикаторного КПД, что одновременно способствует снижению содержания CO и CH_x в выхлопных газах.

Рис. 3
Содержание вредных веществ в отработавших газах в зависимости от состава топливовоздушной смеси α .

Содержание вредных веществ в отработавших газах в зависимости от состава топливовоздушной смеси изображено на рис. 3. Больше всего окислов азота NO_x образуется в случае использования стехиометрической смеси α = 1 , соответствующей массовому соотношению воздух/топливо, равному 15. При максимальном значении среднего эффективного давления p_e это соотношение равно 13, а при максимальном значении индикаторного КПД – 17. В обоих последних случаях NO_x образуется меньше, чем при использовании стехиометрической смеси. Поэтому в зоне вблизи свечи зажигания выгодно создать смесь с соотношением воздух/топливо, равным 13, а в цилиндре – более бедную смесь с соотношением, меньшим 17, и воспрепятствовать перемешиванию этих смесей в процессе сгорания с тем, чтобы снизить образование NO_x до минимума.

Химические процессы при сгорании топлива в цилиндре сложны, и их подробное описание имеется в специальной литературе. На рис. 3 показан практически лишь результат их протекания. Если ранее для обеспечения максимальной мощности двигателя всегда использовалась богатая смесь, то в настоящее время из-за ограничений содержания вредных веществ в отработавших газах используются смеси стехиометрического состава. В будущем в так называемых «чистых» двигателях перейдут на использование бедных смесей.

Наибольшие проблемы создают окислы азота NO_x, возникающие в большом количестве при тех соотношениях топливовоздушной смеси, когда содержание CO и CH_x минимально. NO_x образуются при высокой температуре сгорания. Снизить эту температуру можно добавлением во всасываемый воздух инертного газа. В качестве последнего можно использовать, например, водяной пар. Однако возить и хранить емкость с водой для этих целей неудобно и непрактично, так как зимой вода замерзает. Поэтому используют газ, имеющийся в распоряжении при любых условиях, а именно – охлаждённые отработавшие газы, которые вновь направляются во впускную трубу двигателя (так называемая рециркуляция отработавших газов).

Обеднение смеси, как уже говорилось выше, ограничено возможностью её воспламенения. Преодолеть этот барьер можно с помощью образования смеси, расслоённой таким образом, чтобы в зоне свечи находился некоторый объём богатой смеси, способной к легкому воспламенению, который при сгорании затем беспрепятственно воспламенит оставшуюся часть бедной смеси в цилиндре.

Расслоение заряда может быть создано как в неразделённой камере сгорания, так и путем создания отдельной дополнительной камеры сгорания с богатым составом смеси. В первом случае используется большая масса неиспарившихся капель топлива и за счет сил инерции при движении двухфазного потока смеси эти капли обогащают топливом определенную часть камеры сгорания. В частности, при вращении топливовоздушного заряда вокруг оси цилиндра богатая смесь образуется на его стенках.

Кроме вращения смеси и центробежной силы инерции жидких капель можно использовать также и поступательное движение потока смеси. Этот случай характерен при вытеснении заряда из зазора между поршнем и головкой цилиндра (так называемой зоны вытеснителя, служащей для улучшения антидетонационных свойств камеры сгорания) в конце хода сжатия. Капли топлива в последнем случае ускоряются потоком, выходящим из зазора, и по инерции движутся в предназначенную зону вблизи свечи зажигания. Определенное расслоение происходит также в течение такта сжатия и в условиях камер сгорания без вытеснителей за счет того, что в первой половине хода сжатия капли ускоряются потоком от перемещающегося днища поршня, а во второй половине хода по инерции попадают на стенки камеры сгорания в головке цилиндра.

Смесь бедного состава выгодна как с точки зрения достижения высокого индикаторного КПД, так и для снижения образования вредных углеродосодержащих соединений, хотя её использование приводит к уменьшению удельной мощности двигателя. В настоящее время, однако, наиболее важными факторами являются экономичность эксплуатации и снижение содержания вредных веществ в отработавших газах, и поэтому наряду с работой на бедных составах смеси для компенсации снижения мощности используют более высокие степени сжатия.

Возникновение детонации предупреждается при этом соответствующим опережением зажигания, что обеспечивает также более мягкое сгорание в двигателе.