Система питания карбюраторных двигателей

Введение

Основным топливом для  автомобильных двигателей внутреннего  сгорания служит бензин, газ и дизельное  топливо. Автомобильный двигатель  может работать и на других видах  топлив, на первый взгляд достаточно экзотичных, например, на растительном масле, спирте, водороде, сырой нефти, мазуте и даже воде. Двигатель также сможет работать на дровах или угле. Правда такой  двигатель уже не будет двигателем внутреннего сгорания. Конструкция двигателя и его систем во многом зависит от того, на какой вид топлива он рассчитан. 
Бензин и газ относится к лёгким топливам, воспламенение которых осуществляется принудительно от постороннего источника тепла (чаще от электрического разряда).  
Двигатели, которые работают на лёгком топливе, в своём большинстве, относятся к двигателям с внешним смесеобразованием. Топливно-воздушная смесь в таких двигателях образуется вне цилиндров, например в карбюраторе, во впускном трубопроводе или в специальной смесительной камере, а в цилиндры поступает уже в приготовленном виде при такте впуска. 
Дизельное топливо принадлежит к тяжёлым видам топлив, которые воспламеняются от высокой температуры (более 700°С). Такая температура достигается в камере сгорания цилиндра дизельного двигателя в конце такта сжатия при повышении давления до 30 атмосфер и более. Поэтому часто говорят, что воспламенение топливной смеси дизельных двигателей происходит «от сжатия». 
Двигатели, которые работают на «тяжёлых» топливах, относятся к двигателям с внутренним смесеобразованием. Топливно-воздушная смесь готовится непосредственно в цилиндрах таких двигателей. Воздух и топливо в цилиндры подаются раздельно.  
Рабочий цикл и тех и других двигателей состоит из четырёх тактов и совершается за два оборота коленчатого вала, но процессы, протекающие в их цилиндрах, несколько отличаются (табл. 1).

Таблица 1. Процессы, протекающие в цилиндрах двигателя.

Автомобильные топлива

Бензин

Бензин является продуктом  перегонки нефти. Существует два  основных способа получения топлив из нефти. 
Первый и самый простой – прямая перегонка, при которой нефть нагревают в специальных установках - трубчатых печах. Пары нефти, образовавшиеся при её нагревании, направляются в разделитель установки (ректификационную колонну), где охлаждаются и конденсируются. В верхней части колонны конденсируются и собираются лёгкие фракции нефти (фракции бензина), выкипающие при температуре до 205° Цельсия, ниже – керосин, ещё ниже – фракции дизельного топлива, газойлевых и соляровых масел. Остаток, получаемый от прямой перегонки нефти, называется мазутом. Из секций колонны фракции отводятся в топливосборники. 
Второй способ получения бензина – химический. В настоящее время широко применяется термический, каталитический и гидрокрекинг. Сырьём для получения бензина химическим способом может являться не только нефть, но и её тяжёлые фракции, такие как мазут или соляровые фракции. После очистки бензина от вредных примесей он готов к использованию в качестве топлива для двигателей.

Свойства бензинов.

Основным свойством бензинов является 1) испаряемость 2) детонационная стойкость. 
Испаряемость бензина определяет его способность переходить из жидкого состояния в парообразное. Испаряемость топлива влияет на процесс образования и горения топливовоздушной смеси. Так как в данных процессах участвуют только газообразные фракции топлива, не испарившийся бензин отрицательно сказывается на работе двигателя, а именно: 1) стекая по цилиндрам, смывает с их стенок масло, что способствует повышенному износу деталей двигателя; 2) препятствует нормальному процессу сгорания топливовоздушной смеси. Из-за медленного горения смеси давление в цилиндре падает, двигатель не развивает номинальной мощности, в отработавших газах увеличивается содержание вредных веществ (в первую очередь – оксида углерода). Не полностью сгоревшее топливо в виде нагара откладывается на деталях (поршнях, клапанах) и содействует появлению ряда неисправностей двигателя. 
Испаряемость бензина определяют в лабораторных условиях по его количеству, выкипающему при нагреве до определённых температур. 10%  бензина должно выкипать при нагреве до 80°С, что необходимо для надёжного запуска холодного двигателя; 50% бензина должно выкипать при нагреве до 145°С, что необходимо для быстрого прогрева двигателя и его устойчивой работы на этом режиме. Полностью бензин должен испаряться при нагреве до 205°С. 
Бензины, имеющие большее количество тяжёлых (смоляных) фракций не выкипающих при температуре до 205°С, при непродолжительном хранении приобретают тёмно-коричневую окраску. В процессе эксплуатации двигателя на таком топливе, содержащиеся в нём смолы осаживаются на поршневых кольцах, поршнях, клапанах, стенках бензопроводов и топливных баков, в каналах и жиклёрах карбюратора, топливных форсунках. 
Бензины, имеющие избыток лёгких фракций, имеют тенденцию к закипанию при низких температурах. Во избежание образования паровых пробок в топливной системе, температура кипения бензина не должна быть ниже 30°С. 
По фракционному составу бензины выпускаются двух видов (сортов) – зимний и летний. «Зимние» бензины обладают лучшей испаряемостью. 
Детонационная стойкость бензина оценивается по его октановому числу. Чтобы определить степень склонности топлива к детонации, его сравнивают с эталонными топливами, октановое число которых известно заранее. Такие топлива состоят из смеси изооктана и нормального гептана. По своим детонационным свойствам эти вещества прямо противоположны. Изооктан не  детонирует и его октановое число условно равняется 100 единицам. Гептан является сильным детонатором и его октановое число принято равным «нулю». Если, при испытании бензина на специальной установке, имеющей одноцилиндровый двигатель, степень сжатия которого может меняться в необходимых пределах, оказалось, что бензин обладает такими же детонационными свойствами, как смесь, состоящая из 91% изооктана и 9% гептана, то октановое число бензина принимается равным 91. Октановое число топлив, имеющих детонационную стойкость лучшую, чем у изооктана, оценивают по условной шкале октановых чисел. При этом за эталон принимается  чистый изооктан, содержащий 1,59 мг/л тетраэтилсвинца. Октановое число данной смеси условно равно 120. Чем больше октановое число бензина, тем выше его детонационная стойкость. 
В настоящее время при эксплуатации автомобильных двигателей применяют бензины марок А-76, АИ-93, АИ-95, АИ-98 и некоторые другие. Буква «А» обозначает, что бензин автомобильный, буква «И», что октановое число определялось исследовательским методом (ещё один из способов определения октанового числа, кроме описанного - «моторного»), цифра указывает на величину октанового числа. Конструкция двигателя рассчитана на применение бензина с определённым октановым числом. Чем выше степень сжатия двигателя, тем с большим октановым числом топливо он потребляет. Применение бензина с октановым числом ниже предусмотренного для данной конструкции двигателя приводит к работе двигателя с детонацией и, в дальнейшем, к выходу его из строя. 
Детонация – ненормально быстрое сгорание топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя, при котором скорость распространения фронта пламени возрастает с 20 – 40 м/сек. до 2000 м/сек. и более. Детонационное горение приводит к чрезмерному и скачкообразному росту давления в цилиндре. Детали двигателя при этом испытывают ударные нагрузки и преждевременно изнашиваются. Даже после непродолжительной работы возможны поломки перемычек поршня между кольцами, поломки самих колец и других деталей. Характерным признаком детонации являются звуки, прослушиваемые в верхней части блока цилиндров в «зоне» ВМТ, получившие название «детонационных стуков». Причина их появления – вибрация стенок цилиндров под воздействием ударной волны и стуки деталей в зазорах. Одновременно с этим может наблюдаться существенное падение мощности двигателя, перегрев двигателя и искристый выпуск из глушителя. Причин появления детонации несколько: 
1). Применение топлива с низким октановым числом; 
2). Чрезмерно раннее зажигание; 
3). Обеднённая топливовоздушная смесь; 
4). Перегрузка двигателя по оборотам или крутящему моменту; 
5). Повышенное отложение нагара на поршнях; 
6). Совокупность любых из перечисленных причин. 
Также, двигатель может иметь склонность к детонации в силу своих конструктивных особенностей.  
Для повышения детонационной стойкости бензинов в них добавляют высокооктановые железосодержащие или кислородосодержащие соединения (спирты и эфиры). До недавнего времени в качестве антидетонационной присадки широко применялась этиловая жидкость, состоящая из смеси тетраэтилсвинца с бромистыми и хлористыми соединениями. В настоящее время применение этилированных бензинов запрещено из-за их токсичности. 

Газообразное  топливо

В качестве топлива для  двигателей внутреннего сгорания наибольшее применение получили природные газы и газы, сопутствующие добыче и  переработке нефти. Основным компонентом  природных газов является метан. Нефтяные попутные газы состоят главным  образом из пропана и бутана. Газообразное топливо используется как в двигателях с принудительным зажиганием, так  и в дизельных двигателях при  газожидкостном цикле или при  непосредственном впрыскивании сжиженного газа в цилиндр и воспламенением от сжатия. 
Газ обладает рядом преимуществ перед жидкими видами топлив. 
1) Так как в процессе образования топливовоздушной смеси оба компонента находятся в одинаковом агрегатном состоянии, смесь получается более однородной. Хорошо приготовленная смесь сгорает быстро и полностью, мощность двигателя и крутящий момент увеличивается, содержание вредных веществ в отработавших газах уменьшается в 3 – 5 раз, сводится к минимуму процесс отложения нагара на деталях ЦПГ и клапанах. 
2) Газообразные топлива обладают высокой детонационной стойкостью. 
Октановое число метана и пропанобутановых смесей лежит в пределах от 80 до 110 единиц. Для оценки стойкости газообразных топлив к детонации используется «метановая шкала», в которой за 100 единиц принята детонационная стойкость метана, а за «ноль» - детонационная стойкость водорода. 
3) Моторное масло в двигателе, работающем на газе, не подвергается разжижению жидким топливом, что способствует увеличению его срока службы в 2 – 3 раза. Ресурс двигателя при этом увеличивается в 1,5 – 2 раза. 
На автотранспортных средствах запас газообразного топлива хранят в сжатом или сжиженном состоянии.

Дизельные топлива

Дизельные топлива являются продуктом переработки нефти. При  нагревании нефти фракции дизельного топлива выкипают до температуры 390°С.

Свойства дизельного топлива

Главными свойствами дизельных  топлив являются 1) вязкость, 2) фракционный  состав, 3) склонность к воспламенению  и 4) температура кристаллизации. 
Вязкость и фракционный состав оказывают влияние на процесс смесеобразования. 
Склонность к воспламенению характеризует качество топлива и влияет на процесс горения смеси. 
Температура кристаллизации определяет возможность применения топлива в различных климатических условиях. 
Вязкость. Увеличение вязкости топлива приводит 1) к повышению расхода топлива; 2) увеличению продолжительности впрыска топлива; 3) ухудшению качества распыливания топлива. 
Дизельное топливо обладает смазывающим свойством. Это свойство используется для смазывания деталей топливных систем, например, форсунок, плунжерных пар насоса высокого давления и т.п. Уменьшение вязкости топлива приводит к ухудшению его смазывающих характеристик. 
Вязкость дизельного топлива меняется с изменением температуры окружающей среды. С повышением температуры вязкость уменьшается, а с понижением, наоборот, увеличивается. Вязкость также может изменяться и под влиянием других факторов. 
Фракционный состав дизельных топлив оценивают также как и бензинов, т. е. по температуре испаряемости 10, 50 и 90%. 
Чрезмерное содержание лёгких фракций топлива приводит к  их интенсивному испарению и увеличению скорости нарастания давления газов в цилиндре. Работа двигателя при этом сопровождается повышенным механическим шумом, вибрациями и интенсивным износом деталей. 
При повышенном содержании тяжёлых углеводородов скорость испарения топлива уменьшается, ухудшается качество смеси, характеристики двигателя снижаются, увеличивается нагароотложение на деталях, дымность и токсичность отработавших газов. 
Склонность к воспламенению определяет длительность временного периода от начала впрыскивания топлива в камеру сгорания до момента начала его горения. Данный промежуток времени получил название – «период задержки воспламенения». 
Склонность топлива к воспламенению характеризуется цетановым числом и определяется на специальной установке. Исследуемое топливо сравнивается с топливом, цетановое число которого известно. Такие топлива состоят из смеси цетана, воспламеняемость которого принята за 100 единиц, и альфа-метилнафталина, воспламеняемость которого принята за «ноль». Если, например, исследуемое топливо имеет такую же воспламеняемость как смесь, содержащая 45% цетана и 55% альфа-метилнафталина, то его цетановое число равняется «45». Чем выше цетановое число топлива, тем выше его склонность к воспламенению. Цетановые числа, используемых в настоящее время топлив составляют 40 – 50 единиц. Топлива с большим цетановым числом сгорают «мягче», без резкого повышения давления в цилиндре. Топлива с излишне высокой склонностью к воспламенению воспламеняются до распределения в воздушном заряде, что приводит к неполному сгоранию смеси. При использовании топлив с низким цетановым числом увеличивается период задержки воспламенения, в который возрастает количество подготовленной к воспламенению смеси. При воспламенении этой смеси давление в цилиндре резко возрастает, что приводит к жёсткой работе двигателя. 
Температура кристаллизации. При низких температурах, растворённые в топливе парафиновые углеводороды кристаллизуются и препятствуют подачи топлива через фильтры к форсункам. 
Топливо для дизелей, эксплуатирующихся при температуре от 0°С и выше, обозначают буквой «Л» (летнее), от минус 20°С и выше – буквой «З» (зимнее), от минус 50°С и выше – буквой «А» (арктическое). В маркировке топлива указывают также допустимую массовую долю серы в %. Например, «З – 0,2 – 35» - топливо зимнее, с массовой долей серы – 0,2% и температурой застывания минус 35°С.

Цетановое число топлива  связано с его температурными характеристиками. Чем оно меньше, тем ниже температура кристаллизации. Следовательно, зимние топлива с  низкой температурой замерзания имеют  малое октановое число, что предопределяет более жёсткую работу двигателя.

Режимы работы двигателя, смесеобразование и топливовоздушные смеси.

Система питания служит для  приготовления топливовоздушной (горючей) смеси и распределения её по цилиндрам  двигателя. Система должна обеспечивать работу двигателя в широком диапазоне  частот вращения коленчатого вала и  нагрузок (режимов). 
Можно выделить следующие режимы работы: 1) режим пуска и прогрева; 2) режим холостого хода; 3) частичные нагрузки; 4) полные нагрузки; 5) переходные режимы. 
Для получения оптимальных рабочих характеристик двигателя на каждом из этих режимов, горючая смесь в цилиндре должна отвечать двум основным требованиям: 1) сгорать быстро и 2) сгорать полностью. При этом, содержание вредных веществ в отработавших газах должно соответствовать общепринятым нормам токсичности. 
Топливовоздушная смесь имеет качественные и количественные показатели.  
Качество смеси. Смесь должна быть хорошо перемешана и гомогенна (однородна). Однородность может быть достигнута лишь в газовых или парогазовых смесях, т.е. тогда, когда топливо полностью подвергается испарению. Улучшению испаряемости содействуют такие мероприятия как подогрев воздуха на входе во впускной коллектор (карбюратор) и распыл топлива (например, через форсунку под давлением). Процессу смесеобразования также способствует создание турбулентности и завихрений газового потока, что обеспечивается специальной конструкцией (формой) камеры сгорания и впускного тракта. 
При наличии факторов ухудшающих условия испарения (например, низкая температура) качество смеси также ухудшается. 
Гомогенные смеси образуются, главным образом, в двигателях с внешним смесеобразованием, работающих на лёгком топливе и с зажиганием от искры. Процесс образования смеси в таких двигателях достаточно продолжителен по времени.  
Необходимое качество смеси в дизельных двигателях достигается подачей топлива в камеру сгорания через форсунку под большим давлением в конце такта сжатия. Высокое давление впрыска (150 – 2000 бар) необходимо для преодоления компрессии, уменьшения времени подачи топлива и его дробления на мелкие капли. Специальные формы камер сгорания обеспечивают создание вихревых потоков, способствующих лучшему распределению (перемешиванию) топлива в воздушном заряде. Тем не менее, топливовоздушные смеси дизельных двигателей – гетерогенны (неоднородны) и отношение воздуха к топливу может изменяться от чистого воздуха, располагаемого за периферией струи распыла топлива, до чистого топлива в средней части этой струи. В силу конструкции и особенностей работы дизелей, смесеобразование в них продолжается и во время процесса сгорания. 
Состав смеси. Горючая смесь состоит из воздуха и паров топлива, соединённых между собой в определённой пропорции. Топливовоздушная смесь, где на одну весовую часть топлива приходится 14,7 весовых частей воздуха, называется нормальной смесью или смесью, имеющей стехиометрический состав. Топливо в смеси стехиометрического состава сгорает полностью и без остатка (т.е. для сгорания одного килограмма бензина требуется примерно 14,7 килограммов воздуха). Если смесь содержит меньшую часть топлива, она называется – обеднённой смесью, если большую, то обогащённой. 
Для описания состава смеси используют специальный показатель – коэффициент избытка воздуха, который обозначается буквой лямбда (λ). Коэффициент представляет собой отношение действительного количества воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, к теоретически необходимому количеству, обеспечивающему полное сгорание топлива. При стехиометрическом составе смеси λ = 1. Если λ > 1, смесь обеднённая, если λ < 1, то обогащённая. Бензиновый двигатель не может работать на смесях богаче λ = 0,5 и беднее λ = 1,3 – 1,5, при этом надёжное воспламенение смеси от электрической искры возможно лишь в диапазоне коэффициента избытка воздуха λ = 0,8 – 1,3. Конструкция дизельных двигателей определяет их способность работать на более обеднённых смесях (λ = 1,8), что необходимо для полного сгорания топлива и уменьшения выбросов сажи. 
Соотношение количества топлива и воздуха оказывает существенное влияние на рабочие характеристики двигателя. 
Смеси, состав которых близок к стехиометрическому,  обеспечивают работу двигателя со средними показателями мощности и экономичности. 
Обеднённые смеси горят медленнее, что приводит к некоторому уменьшению давления в цилиндре. Мощность и крутящий момент двигателя также снижается. Одновременно уменьшается расход топлива и выбросы в атмосферу оксида углерода. Смеси нормального и обеднённого состава приготавливаются топливными системами для работы двигателя в режиме частичных нагрузок и устоявшихся частотах вращения коленчатого вала, т.е. тогда, когда от двигателя не требуется полная мощность. 
Максимальная мощность и максимальный крутящий момент двигателя достигаются при работе на обогащённой смеси с коэффициентом λ = 0,9. Однако это сопровождается некоторым увеличением расхода топлива и концентрации в отработавших газах углеводородов, сажи и оксида углерода. Смесь обогащённого состава приготавливается системами питания для работы двигателя в режиме полных нагрузок, а также пуска, прогрева и холостого хода. 
Слишком бедные и слишком богатые смеси либо вообще не воспламеняются, либо горят плохо, запуск двигателя в этом случае становится затруднённым, а работа неравномерной, мощность падает, увеличивается расход топлива. Указанные признаки являются общими признаками работы двигателя, имеющего нарушения нормального смесеобразования. Также, при работе на бедной смеси может иметь место: 1) вспышки во впускном коллекторе или диффузорах карбюратора; 2) детонация; 3) перегрев впускного коллектора; 4) увеличение концентрации окислов азота. При работе на богатой смеси может иметь место: 1) дымный выпуск чёрного цвета из глушителя; 2) «выстрелы» в глушителе; 3) повышенное отложение нагара на деталях ЦПГ, свечах зажигания и клапанах; 4) увеличение содержания оксидов углерода в отработавших газах.

Газообмен и фазы газораспределения.

Фазами газораспределения  называют моменты открытия и  закрытия клапанов, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала относительно мёртвых точек. Фазы определяют степень наполнения цилиндров горючей смесью и их очистки от отработавших газов. Наполнение цилиндров характеризуется коэффициентом наполнения, а степень очистки - коэффициентом остаточных газов. Численные значения углов опережения открытия, запаздывания закрытия и перекрытия клапанов задаются конструктивно и у современных двигателей лежат в широких пределах. Так как условия газообмена для различных условий работы неодинаковы, желательно иметь возможность управлять углами открытия/закрытия клапанов. В идеале, эти углы должны быть тем больше, чем выше обороты коленчатого вала. Увеличение времени открытия клапанов компенсирует сокращение времени впуска при высоких скоростях движения поршня и обеспечивает должную «зарядку» и очистку цилиндров. 
Наполняемость цилиндров горючей смесью на различных режимах работы двигателя управляется специальными устройствами, изменяющими высоту подъёма клапанов, момент и продолжительность их открытия. Равномерность распределения смеси по цилиндрам обеспечивается устройствами, изменяющими длину впускных трубопроводов. 
При сбитых метках фаз газораспределения наполняемость и очистка цилиндров ухудшается, что даже при нормальном функционировании системы питания приводит к ухудшению показателей двигателя.

Токсичность отработавших газов.

Продуктами полного сгорания бензовоздушной смеси являются азот (N), двуокись углерода (он же углекислый газ – CO2) и вода (H2O). 
При неполном сгорании в атмосферу с отработавшими газами выбрасываются углеводороды, оксид углерода (CO), оксиды азота (NOХ), побочные продукты сгорания топливных присадок (оксиды и галогениды свинца) и загрязнителей топлива (оксиды серы). 
Азот, углекислый газ и водяные пары – нетоксичны. Опасными для окружающей среды и здоровья человека являются оксид углерода (угарный газ), оксиды азота, и углеводороды. 
Оксид углерода бесцветный газ без вкуса и запаха. Его концентрация увеличивается с обогащением смеси. Содержание CO в воздухе в объёмной концентрации 0,3% может привести к смерти человека в течение получаса. 
Оксид азота (NO) бесцветный газ без вкуса и запаха. Попадая в воздух, медленно окисляется до ядовитого NОх, имеющего резкий и неприятный запах. 
Углеводороды, окисляясь в воздухе и взаимодействуя с оксидами азота, могут образовывать токсичные вещества. Некоторые из углеводородов являются канцерогенами и при длительном воздействии на организм человека вызывают раковые заболевания.