Устройство карбюраторов
Сгорание в бензиновых двигателях с искровым зажиганием и необходимые составы смеси
Автомобильный двигатель представляет собой периодически действующую машину, в которой воспламенение и сгорание топлива, перемешанного с воздухом, и превращение части выделившейся тепловой энергии в механическую работу происходит непосредственно в цилиндрах. При этом работа газов в цилиндре двигателя с помощью кривошипно-шатунного механизма преобразуется в механическую работу на коленчатом валу и передаётся в трансмиссию автомобиля.
В бензиновом двигателе смешение топлива с воздухом и образование однородной смеси происходит в основном вне цилиндра, воспламенение смеси вызывается электрическим разрядом, а изменение мощности осуществляется изменением количества смеси, поступающей в цилиндры. Энергия, заключённая в бензине, может быть эффективно реализована только при быстром воспламенении и своевременном сгорании смеси. А это возможно только в том случае, если бензин находится в однородной смеси с воздухом в определённой пропорции.
С точки зрения химии процесс сгорания представляет собой реакцию окисления компонентов топлива. Бензин представляет собой смесь углеводородов (СН), содержащую по массе примерно 15 % водорода и 85 % углерода, при полном окислении которых образуются углекислый газ (СО2) и водяной пар (Н2О). Эти химические реакции окисления происходят с выделением теплоты. Теоретически для полного окисления компонентов 1 кг топлива минимально требуется примерно 14,9 кг воздуха. Такую смесь называют "стехиометрической". Если количество воздуха, приходящегося на 1 кг топлива больше или меньше указанной величины, то смесь называют соответственно обеднённой (бедной) или обогащенной (богатой).
Различные режимы работы двигателя требуют разных соотношений "воздух-топливо". Так, например, обогащенная смесь с соотношением 13,4:1 обеспечивает наиболее быстрое сгорание топлива и получение наибольшей мощности. Однако, недостаток воздуха в этом случае не позволяет полно использовать энергию топлива: в продуктах сгорания появляются оксид углерода (СО) и свободный водород (Н2).Часть теплоты топлива просто не выде-ляется. Работа на таких составах смеси характеризуется низкой экономичностью, а также повышенной токсичностью отработавших газов (ОГ). К последним при таких составах смеси относятся оксид углерода (СО) и несгоревшие углеводороды (СН). Дальнейшее обогащение смеси приводит не только к дальнейшему ухудшению экономичности и увеличению токсичности ОГ, но и к уменьшению мощности двигателя. Обогащенные смеси используются для получения максимальной мощности двигателя, для разгона автомобиля, а также для запуска холодного двигателя. В последнем случае значительное переобогащение исходной смеси используется только для того, чтобы в цилиндрах двигателя получить смесь с подходящим паросодержанием, пригодную для воспламенения.
На большинстве режимов работы используется смесь обеднённого состава с воздухотопливным отношением (ВТО) примерно (16,5...17,5):1. Работа на таких составах смеси обеспечивает двигателю наибольшую экономичность (наименьшее количество топлива на единицу произведённой работы), но не позволяет реализовать максимальную мощность двигателя. Такие составы смеси используются на режимах частичных нагрузок, когда максимальная мощность и не требуется. Кроме того, работа на таких составах смеси частично снижает токсичность ОГ: практически отсутствует оксид углерода (СО). Однако (особенно при незначительном обеднении, когда ВТО составляет примерно 15,5:1) возрастает содержание оксидов азота в ОГ (1ЧОХ), которые по вредному воздействию на организм человека не уступают (и даже превосходят) воздействие СО и СН. При сильном обеднении смеси (ВТО>18:1) резко уменьшается скорость сгорания, появляются пропуски зажигания, работа двигателя становится неустойчивой. В результате ухудшается экономичность двигателя, а в ОГ возрастает количество несгоревших углеводородов (СН).
Изменение мощности в бензиновых двигателях с искровым зажиганием в основном происходит за счёт изменения количества смеси, поступающей в цилиндры, что реализуется изменением величины проходного сечения впускного тракта с помощью дроссельной заслонки (ДЗ). При полностью открытой ДЗ необходимо иметь обогащенную смесь для получения наибольшей мощности двигателя. При частичных прикрытиях ДЗ в широком диапазоне используются обеднённые смеси для получения наибольшей экономичности двигателя (и автомобиля) с учётом устойчивой и надёжной работы двигателя. При сильном прикрытии ДЗ резко ухудшаются условия воспламенения и сгорания в цилиндрах двигателя. Поэтому для надёжной и устойчивой работы двигателя, а также для повышения его экономичности приходится снова обогащать смесь до состава, характеризуемого значениями ВТО в пределах (13,5...14,0):1. Таким образом работа бензинового двигателя с искровым зажиганием возможна в сравнительно узком диапазоне составов смеси, определяемом на большинстве режимов изменением ВТО в пределах (13,4...17,5):1.