Состав топливовоздушной смеси в современных ДВС.

 

    В качестве топлива на современных автомобильных двигателях используются топлива двух видов и физического состояния (жидкие, газообразные). Вместе с тем существуют ДВС работающие на твердом топливе, благодаря присутствию специальных устройств преобразования потенциальной энергии в тепловую энергию расширяющихся газов, относятся газогенераторные установки. Наибольшее распространение имеет жидкое топливо нефтяного происхождения: бензин и дизельное топливо.

 

    При существующих темпах роста добычи нефти, а также ее потребления по прогнозам запасов нефти хватит до 2015 года. Возникает необходимость использования альтернативных источников топлива, которые имеют ряд существенных недостатков (химическая агрессивность к двигателю, ядовитость, трудность технологии).

 

 

              Требования к топливовоздушной смеси ДВС.

 

1. Необходимый качественный состав согласно режиму работы.

2. Необходимый качественный состав смеси.

 

Указанные требования выполняются при помощи специальных устройств смесеобразования.

 

                       Типы устройств системы смесеобразования.

 

Исходя из способов образования смеси существуют конструкции специальных устройств, обеспечивающих смесеобразование топливовоздушной смеси согласно указанным требованиям.

 

Устройство, обеспечивающее процесс приготовления горючей смеси из топлива и воздуха вне цилиндра ДВС на основе принципа пульверизации, называется карбюратором.

 

              Основы конструкции карбюратора.

Конструкция карбюратора создана на основе следующих наблюдений:

 

    1. Испарение жидкости происходит интенсивней в воздушном потоке.

    2.Испарение происходит интенсивней при увеличении площади контакта жидкости с воздушным пространством.

 

    Для создания воздушного потока используются направляющие устройства в виде трубы, в которую передается напряжение создаваемое в ДВС.

    Для увеличения площади контакта, топливо подается в воздушный поток и разбивается им на мелкие частицы. Подача топлива в направляющее устройство обеспечивается за счет разности величин давления воздуха внутри воздушного потока и атмосферного давления. Скорость воздушного потока приводит к снижению потока в нем.

 

Схема элементарного карбюратора:

 

                      

 

    Чем больше скорость воздушного потока, тем больше разность давлений, а значит более эффективно идет процесс распыления. Для увеличения скорости воздуха в направляющем устройстве уменьшают поперечное сечение этого направляющего устройства, т.е. делают сужение. Место сужения называют диффузором. Для автоматизации подачи топлива в резервуар (1) устанавливают поплавок (2) запирающий канал подачи топлива (3) при достижении определенного уровня топлива в резервуаре – поплавковая камера. Для количественной регулировки подаваемого топлива, карбюратор оснащается устройством, регулирующим скорость воздушного потока за счет изменения поперечного сечения направляющего устройства. Изменение обеспечивается конструктивным элементом в виде заслонки, имеющей возможность изменять свое положение, – дроссельная заслонка (4).

    Существуют два типа карбюраторов исходя из направления движения воздушного потока в направляющем устройстве:

 

1) карбюратор с восходящим потоком.

2) карбюратор с падающим потоком.

 

 

Требования к составу смеси при работе ДВС:

Состав смеси, приготавливаемой смесеобразующим устройством, должен изменяться в зависимости от режимов работы ДВС. Режим работы зависит от условий эксплуатации.

                           

                       Режимы работы.

 

    1. Режим холостого хода (отсутствие нагрузки, минимальное число оборотов).

    2. Режим средних нагрузок (работа в режимах средних нагрузок).

 

                       ne = 0.5 nemax                   ne – число оборотов.

 

    При незначительном сопротивлении вращению выходного вала двигателя со стороны внешних устройств подключенных к двигателю.

 

    3. Режим максимальных нагрузок (наличие максимального сопротивления вращающегося входного вала ДВС со стороны внешних нагрузок).

    4. Режим ускорения (резкое изменение числа оборотов ДВС).

    5. Режим пуска (обеспечение запуска ДВС, т.е. начало самостоятельного вращения вала ДВС).

    Каждый из указанных режимов требует для своего осуществления определенный состав смеси. Определенный состав топлива в воздушной смеси приготавливает система смесеобразования называется горючей смесью.

    Состав горючей смеси на различных режимах работы ДВС различаются ее качественными и количественными показателями.

 

    Качественные показатели бензовоздушной горючей смеси.

 

    Качество бензовоздушной смеси определяется коэффициентом избытка воздуха a

a=1 – нормальная (стехиометрическая смесь)

    1кг бензина и 14,9 кг воздуха

a<1 – богатая (0,7 0,85)

a>1 – бедная (1,11,2)

Различают:

обогащенная – (0,850,95)

обедненная – (1,051,1)

    Существует пределы качественного состава смеси при котором возможно воспламенение ее богатая a=0,5, бедная a=1,35.

    Согласно существующим требованиям к экономичности ДВС и АТС в целом набольшая экономия обеспечивается при подаче 17кг воздуха.

Максимальная мощность достигается, если смесь обогащения 1кг топлива – 13кг воздуха.

Каждый из рассмотренных режимов ДВС требует своего качественного состава смеси.

 

Состав горючей смеси на различных режимах работы бензинового ДВС.

 

    При пуске ДВС необходимо очень богатая смесь a=0,2  0,6.

Причина: малая скорость воздушного потока, плохая испаряемость и пульверизация                                                     топлива. Часть топлива в смеси конденсируется.

Режим работы на холостом ходу требует богатой смеси a=0,7 0,8.

 

Лекция № 7

 

Простейший элементарный карбюратор при его установке на двигатель обеспечивает создание горючей смеси специального состава.

 

 

Для работы двигателя на рассмотренных ранее режимах требуется состав смеси следующего характера. Анализируя график, следует отметить, что простейший карбюратор соответствует идеальному только в 2 точках:

1 – промежуточные режимы средних нагрузок

2 – мах нагрузки

Для приближения возможности конструкции карбюратора и созданию идеальной смеси в его устройстве устанавливают дополнительные приспособления, разделяющиеся на 2 группы:

1 – главное дозирующее устройство

2 – дополнительные дозирующие устройства

Главное дозирующее устройство обеспечивает создание горючей смеси для наиболее частых режимов работы двигателя (режима средних нагрузок). Дополнительные устройства обеспечивают необходимый состав горючей смеси на следующих режимах:

1 – Пуск

2 – Холостой ход

3 – мах нагрузки

4 – разгон

К дополнительным устройствам карбюратора относятся: система пуска, система холостого хода, экономайзер (не всегда присутствует в конструкции), ускорительный насос.

 

Основы конструкции главных дозирующих устройств карбюратора

 

Главное дозирующее устройство должно обеспечивать состав приготовленной горючей смеси близкой к экономичной во всем диапазоне частичных нагрузок двигателя кроме режима холостого хода. В конструкции главного дозирующего устройства возможно выделить 2 составные части: 1 – конструкция представляет собой простейший карбюратор; 2 – конструкция в виде компенсирующего устройства, обеспечивающее объединение горючей смеси в необходимых пределах по мере расхода воздуха.

Из анализа графиков состава горючей смеси простейшего и идеального карбюратора следует, что для изменения состава в сторону объединения возможно использовать 2 способа: 1 путь – замедление интенсивности истечения топлива из главного жиклера; 2 путь – добавление воздуха в горючую смесь. На современных карбюраторах наибольшее распространение получили конструкции 1 направления (уменьшение подачи топлива).

Способы снижения подачи топлива

1. Пневматическое (воздушное) торможение топлива

2. Изменение разрежения в диффузоре

3. Изменение площади поперечного сечения диффузора

4. Установка дополнительного жиклера

5. Комбинированные способы

6. Совместное действие главного дозирующего устройства и дополнительного устройства в виде системы холостого хода.

Принципиальная схема конструкции компенсации горючей смеси в главном дозирующем устройстве с воздушным пневматическим торможением топлива

 

4

1

3

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              При открытии дроссельной заслонки уровень топлива в поплавковой камере падает и становится тем меньше чем больше открывается заслонка. Понижение уровня топлива приводит к открытию окон в начале 1 а потом 2 эмиссионной трубки 3, поступающий воздух уменьшает разрежение, повышает давление внутри эмиссионной трубки и тем самым понижает перепад давление под которым топливо выходит из поплавковой камеры через главный жиклер 4, а значит и подача его в смесительную камеру карбюратора, т.е. смесь обедняется.

Принципиальная схема компенсации горючей смеси путем регулирования разрежения в воздушном диффузоре

 

 

    ๐

                                          ๐                

 

 

Лекция № 9

 

Недостатки системы:

1. Невысокая экономичность из-за постоянной подачи топлива к форсункам

2.

 

С целью повышения экономичности необходима дискретная подача топлива, т.е. определенными порциями в нужный момент времени в системе с дискретной подачей. Первым примером подобных систем впрыска являются системы с центральным впрыском, т.е. моносистемы с 1 форсункой располагаемой в начале воздушного канала подачи смеси, т.е. вместо карбюратора. Как правило, форсунки центрального впрыска требуют высокого быстродействия от 20 до 220 Гц поэтому эти форсунки обладают катушками управления имеющими малую индуктивность и небольшие электрические сопротивления соленоида от 2 до 6 Ом. Форсунка устанавливается в специальный блок, который крепится на место карбюратора.

 

 

Управление форсункой обеспечивается специальным электрическим блоком в соответствии с сигналами подаваемыми к нему от датчиков по определенной программе.

Минимальное количество датчиков и их состав

1. Датчик положения дроссельной заслонки

2. Датчик частоты оборотов выходного вала двигателя

3. Датчик положения поршня в цилиндре двигателя

4. Датчик температуры состояния жидкости

По мере увеличения числа датчиков сложность программы которая находится в блоке управления растет что способствует улучшению экономических, экологических, силовых характеристик двигателя.

Для работы в режиме холостого хода состав смеси при центральном впрыске обеспечивается следующими способами:

1. Управлением положения дроссельной заслонки при помощи актюатора (двигатель постоянного тока)

2. Подача дополнительного воздуха под блок центрального впрыска способствует перемешиванию топлива с воздухом до степени при которой резко уменьшается количество вредных составляющих отработавших газов.

Недостаток системы:

Потеря качественного состава смеси в цилиндрах двигателя из-за различной длины трубопроводов подводящих смесь к цилиндру.

Для устранения указанного недостатка были созданы системы с распределенным впрыском которые имеют форсунки расположенные непосредственно у цилиндра двигателя, т.е. в конце канала подачи горючей смеси и каждая форсунка обеспечивает только своему цилиндру согласно такта работы, т.е. система была аналогична кGтроник, но с электрическим управлением и дискретной подачей топлива. Для работы в режиме пуска система может использовать 2 способа:

1. Установка дополнительной пусковой форсунки обеспечивающей обогащение горючей смеси

2. Перевод работы форсунок в режим непрерывной подачи

Форсунка дискретной системы имеет катушку управления более высокого сопротивления, т.к. работает с меньшей частотой.

 

Устройство смесеобразования двигателей работающих на дизельном топливе

Основным элементом является форсунка обеспечивающая распыление топлива под давлением

 

На современных дизельных двигателях устанавливаются форсунки с электрическим управлением электромагнитного типа, в которых положение иглы закрытое, обеспечивается электромагнитной катушкой.

Устройства в системе смесеобразования

- совокупность элементов образующих систему воздухоподачи, системы топливоподачи

Требования к устройствам:

1. Обеспечить необходимый качественный состав подаваемых компонентов смеси, т.е. очистка воздуха и топлива.

2. Обеспечение количественной подачи компонентов

3. Минимальное сопротивление в процессе смесеобразования

Система воздухоподачи:

Типы системы:

1. Атмосферная (естественная)

2. Наддув (принудительная)

Структурная схема системы:

Фильтр очистки

 

 

 

Воздухоочистители:

воздух

Инерционные и щелевые

					Улавливаются механические частицы за счет прохождение воздуха через колиброваное отверстие. Для улучшения работы щелевого фильтра устанавливают дополнительно лабиринтное устройство

 

Для улучшения воздухоподачи используют принудительную подачу за счет установки нагнетателя.

Типы нагнетателя:

Турбинный и роторный

 

Каналы подачи воздуха:

Обеспечивают:

1. Необходимое направление воздуха при подаче к смесеобразующему устройству

2. Обеспечивает необходимую количественную подачу воздуха обладая определенной пропускной способностью канала

Требования к конструкции: минимальное сопротивление движению огибая внутреннюю поверхность

Впускное устройство

2 основных типа: клапанные и золотниковые

Система топливоподачи обеспечивает подачу топлива в систему смесеобразования

Конструкция зависит от:

1. Агрегатного состояния топлива на котором работает двигатель

2. Способа смесеобразования

Т.е. различают системы подачи топлив, системы подачи газообразных топлив, твердого топлива (газогенераторная система), система подачи топлива с впрыском и карбюраторная система

Система подачи жидких топлив обеспечивает подачу топлива из резервуара для хранения его на борту ТС.

Типы систем подачи жидкого топлива:

Естественного и искусственного в зависимости от способа создания силы обеспечивающей движение топлива в системе.

 

 

Недостаток: необходимость установки топливного бака на более высоком уровне чем уровень расположения смесеобразовательного устройства.

Диаграмма рабочих циклов двигателя

 

 

 

Особенности компоновки элементов конструкции силового устройства двигателя

Как правило, современные двигатели многоцилиндровые в которых работа совершается в каждом цилиндре обеспечивает вращение 1 общего выходного вала двигателя.

 

Система принудительной подачи топлива

В основе этой системы лежит установка насосов обеспечивающих подачу топлива от бака к системе смесеобразования. Подобная система дает возможность расположить бак в удобном и компактном месте. В зависимости от типа смесеобразования существует 2 типа систем принудительной подачи (с высоким давлением, с низким давлением), которая обеспечивается за счет установки специальных насосов.

Насосы низкого давления диафрагменного и поршневого типов

 

Диафрагменный насос

 

  

        ๐  ๐

                                    ๐    ๐

 

                   ๐               ๐

                    ๐                    ๐

               ๐                         ๐

             ๐                              ๐

 

 

Поршневой насос

           ๐ ๐

                                   ๐    ๐

               ๐                      ๐

               ๐                      ๐

            

Насосы высокого давления, обеспечивающие подачу топлива к системе смесеобразования. Для создания высокого давления в искровых двигателях используют лопастные насосы, приводимые в действие электромотором.

 

Насосы подобной конструкции проталкивают топливо через мотор электропривода, охлаждая его. Подобные устанавливаются либо в топливном баке либо в топливопроводе. В дизельных двигателях насосы высокого давления обеспечивают кроме создания необходимой величины давления возможность количественного изменения подачи топлива к форсункам. Как правило, это насосы плунжерного типа. Основными элементами конструкции являются плунжер и гильза представляющие собой прецензионную пару (не разукомлектуются).

 

 

 

 

2

                  ๐     ๐

 

 

 

Постепенное снижение давления в трубопроводе 1 после нагнетательного клапана 2 приводит к возможности образования в конце впрыска капель на форсунке. Для предотвращения каплеобразования необходим режим отсечки подачи топлива, т.е. резкое падение давления в нагнетательном трубопроводе 1. С этой целью нагнетательный клапан имеет специальную форму посадочной плоскости А – конусная поверхность возможно с проточкой благодаря чему при опускании клапана в седло резко возрастает объем пространства над клапаном а значит давление резко падает.

Современные системы создания высокого давления при подаче топлива, а также двигателей первых дизелей (Яаз-204, ЯАЗ-М206) имеют специальную конструкцию представляющую собой совмещение 2 устройств (топливного насоса высокого давления и форсунки) которая называется насос-форсунка.

 

 

                  ๐    ๐

                  ๐    ๐

                  ๐    ๐

                  ๐    ๐

 

 

 

Система подачи газового топлива

Обеспечивает качественное и количественное изменение газа в топливовоздушной смеси. Различают: системы подачи газа для двигателей АТС работающих на сжатом топливе и на жженом топливе.

Основным элементом системы подачи является газовый редуктор предназначенный для снижения давления газа поступающего из устройства для хранения (баллона) до заданного значения.

Редукторы низкого давления это устройства в виде 2-х или 3-х ступенчатого редуктора мембранно-рычажного типа выполняющего специальные функции:

1. Снижение давления газа до атмосферного

2. Обеспечение необходимого расхода в зависимости от режима работы двигателя.

3. Прекращение подачи при остановке двигателя.

Современные редукторы обеспечивают небольшое избыточное давление на выходе от 20 до 100 Па, что улучшает работу двигателя на переходных режимах и облегчает пуск двигателя.

Схема 2-х ступенчатого универсального газового редуктора для снижения давления газа при подаче в систему смесеобразования

Конструкция редуктора образует 4 полости (А,Б,В,Г) в виде соединяющихся между собой камер редуктора. Полость А обеспечивает снижение давления поступающего газа до величины 0,18-0,2 мПа.

Усилие пружины 1 обеспечивает прижатие тарелки клапана 2 при котором давление газа поступающего в полость А находится в пределах 0,18-0,2 мПа.

Лекция №11

 

При подаче топлива (газа) избыточное давление системы обеспечивает преодоление усилия пружины 1, открывает клапан 2 и заполняет полость А. Момент заполнения определяется временем необходимым для создания внутри полости давления соответствующего усилию пружины 1.

При работе двигателя полость Б соединяется с полостью коллектора (впускным клапанам системы питания) давление в полости понижается. Газ из полости А переходит в полость Б. Разрежение впускного клапана передается в полость В создаваемую 2 герметичными диафрагмами. Давление в полости В определяет количество газа поступающего в систему смесеобразования за счет выравнивания усилия на диафрагме от пружины и усилие на клапане 5. По мере расхода газа процесс повторяется.

Силовая система ДВС

Обеспечивает преобразование потенциальной энергии отработавших газов в кинетическую энергию вращения выходного вала. Согласно приведенных ранее схем наибольшее распространение получила силовая система в которой энергия продуктов сгорания преобразуется в механическую работу при помощи КШМ преобразует поступательное движение обусловленное расширяющемся газом во вращательное движение вала.

Принципиальная схема цилиндро-поршневого кривошипно-шатунного силового устройства двигателя

Сила расширяющихся газов Р действует на поршень 1 который посредством шатуна 2 соединяет с кривошипом коленчатого вала. При этом сила Р раскладывается на 2 составляющие. Составляющая Р действует на кривошип создает крутящий момент на валу двигателя. Величина момента зависит от радиуса кривошипа и длины шатуна.

Основные параметры силового устройства двигателя:

Геометрические, силовые, экономические.

Геометрические устанавливают размеры элементов силового устройства (диаметр цилиндра, ход поршня). Ход поршня и диаметр устанавливают объем цилиндра. Пространство обуславливающее полость для смесеобразования называют рабочей камерой или камерой сгорания. Объем камеры сгорания и объем обеспечивающийся перемещением поршня в цилиндр обуславливают полный объем.

Соотношение указанных объемов определяют степень сжатия двигателя, представляет собой отношение полного объема и объема камеры сгорания.

Положение поршня в цилиндре определяется движением его от 2-х крайних точек в цилиндре характеризующаяся понятием верхняя мертвая точка и нижняя мертвая точка.

Сложились определенные соотношения между размерными диаметрическими параметрами двигателей.

1. Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, которая находится в пределах от 1 до 3,5.
2. Отношение хода поршня к диаметру 0,7-2,2

Двигатели с соотношением меньше 1 называются короткоходными. Некоторые двигатели имеют смещение положения осей цилиндра и вала двигателя. Указанное смещение обеспечивает уменьшение боковой силы, такие двигатели называются осесмещенными.

Силовые параметры двигателя:

Сила Р от 3 до 4 кг/см

Момент до 450 н/м

Мощность до 1000 кВт

Рабочие процессы обеспечиваемые силовым устройством двигателя

Силовое устройство обеспечивает получение механической работы за счет ряда последовательно совершаемых периодически повторяющихся процессов, которые образуют рабочий цикл двигателя. Часть рабочего цикла при движении поршня между 2 мертвыми точками образует такт силового устройства двигателя. Существует 2 типа конструкций силовых устройств обеспечивающих рабочий цикл за 2 либо 4 такта.

Такты обеспечивающие рабочий процесс

При работе возникает необходимость выполнения следующих составляющих:

1. Обеспечение впуска горючей смеси в цилиндр двигателя
2. Предварительное сжатие горючей смеси.
3. Восприятие расширяемой газовой формы отработавших газов
4. Освобождение цилиндра от отработавших газов

Каждый из указанных процессов обеспечивается движением поршня в определенном направлении. Впуск и рабочий ход от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке; Выхлоп – от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке.

Указанные такты выполняются последовательно в определенном порядке при этом в 2-х тактном двигателе порядок совершения выхлоп-впуск или рабочий ход-сжатие, т.е. при движении поршня от верхней мертвой точки к нижней совершается рабочий ход и выпуск отработавших газов. При движении поршня в обратном направлении совершается выхлоп и сжатие. В 4-х тактном все проц