2.6. Система питания бензиновых и газовых двигателей
Источником энергии для двигателя внутреннего сгорания является органичеcкое топливо — бензин, сжиженный или сжатый газ для двигателей с искровым воспламенением и дизельное топливо для дизелей. Для эффективного сгорания топливо должно быть в определенной пропорции смешано с воздухом. Качественное соотношение количества бензина и воздуха определяется коэффициентом избытка воздуха, представляющего собой отношение действительной массы воздуха в топливной смеси к его теоретически необходимой массе воздуха:
где: α — коэффициент избытка воздуха; Lд — действительная масса воздуха;
Lт— теоретически необходимая масса воздуха.
Теоретически необходимая масса воздуха для сгорания одного килограмма топлива составляет 15 кг. Если действительное количество воздуха в топливной смеси составляет 15 кг, то коэффициент избытка воздуха α = 1, т. е. смесь является нормальной. Увеличение действительного количества воздуха в топливной смеси, приходящегося на один килограмм топлива, приводит к обеднению смеси, при этом коэффициент избытка воздуха становится больше единицы. У двигателей с искровым воспламенением при значении коэффициента α ≥1,3 топливная смесь не воспламеняется. Такая смесь называется бедной. В диапазоне значения коэффициента 1…1,3 смесь обедненная. При работе на такой смеси мощность двигателя несколько снижается, но экономичность — повышается. Если на один килограмм топлива приходится менее 13 кг воздуха, то смесь называется богатой. При работе на такой смеси мощность двигателя снижается, при этом ухудшается экономичность его работы. Если α ≤0,5, то смесь называется переобогащенной. Такая смесь не воспламеняется. Когда на один килограмм топлива приходится от 13 до 15 кг воздуха, смесь называется обогащенной. При работе на такой смеси двигатель развивает максимально возможную мощность, при этом несколько снижается его экономичность. У дизельных двигателей максимальная мощность развивается при нормальной смеси (α = 1), коэффициент избытка воздуха при нормальной работе лежит в диапазоне 1,0… 1,35. Применение обедненных смесей в этом случае обусловлено малым временем смесеобразования при воспламенении от сжатия.
При пуске холодного двигателя смесь, подаваемая в цилиндры, должна быть переобогащенной, т. к. часть топлива в смеси конденсируется на холодных стенках цилиндра, и только оставшаяся часть топлива участвует в создании горючей смеси с коэффициентом избытка воздуха, обеспечивающим воспламенение.
Таким образом, на различных режимах работы двигателя состав горючей смеси должен меняться — при пуске холодного двигателя смесь должна быть переобогащенной, при работе на режиме максимальной мощности — обогащенной, при работе со средними нагрузками — обедненной.
Снабжение двигателя необходимой по составу горючей смесью обеспечивает топливная система. Общая схема топливной системы автобуса ГАЗ-3221 «газель» показана на рис. 2.31.
Рис. 2.31 Общая схема системы питания автобуса ГАЗ-3221 «газель»: 1 — топливный насос; 2 — фильтр тонкой очистки топлива; 3 — питающий топливопровод; 4 — воздухозаборный шланг; 5 — карбюратор; 6 — воздушный фильтр; 7,9-штуцеры; 8 — крышка фильтра тонкой очистки; 10 — прокладка; 11 — фильтрующий элемент; 12 — пружина; 13 — стакан-отстойник; 14 — держатель стакана-отстойника; 15,16 — штуцеры; 17 — крышке фильтре-отстойника; 18 — прокладка;19 — фильтрующий элемент; 20 — пружина; 21 — корпус отстойника с кронштейном крепления; 22 — сливная пробка; 23 — сетчатый фильтр топливозаборнике; 24 — кронштейн топливного бака; 25 — сливной трубопровод; 26 — топливозаборник; 27 — топливный бак; 28 — датчик указателя уровня топлива; 29 — хомут; 30 — наливная горловина; 31 — фильтр-отстойник; 32 — рычаг ручного привода топливного насоса; 33 — прокладка топливного насоса
Существуют два принципиальных способа приготовления горючей смеси — с внешним и внутренним смесеобразованием. Первый из них применяется только на двигателях с искровым зажиганием. Второй может применяться как на двигателях с искровым зажиганием (непосредственный впрыск топлива), так и на двигателях с воспламенением от сжатия (дизельные).
На двигателях с искровым зажиганием и внешним смесеобразованием горючая смесь приготавливается в специальном приборе — карбюраторе.
Приготовление необходимой горючей смеси для бензиновых и газовых карбюраторных двигателей принципиально отличается от такого же процесса для дизелей и двигателей с искровым зажиганием и непосредственным впрыском топлива. Поэтому в дальнейшем эти системы будут рассматриваться раздельно.
Система питания бензинового карбюраторного двигателя обязательно включает в себя емкость для хранения топлива, приборы подачи топлива, системы впуска и выпуска воздуха, карбюратор.
Топливный бак представляет собой резервуар из стали или пластмассы, обеспечивающий хранение необходимого количества топлива, для достижения заданного пробега автомобиля. Топливный бак снабжен заливной горловиной с герметичной крышкой. Чтобы исключить возникновение паровых пробок, из бака в горловину выводится пароотводная трубка. Внутри бака устанавливается датчик уровня топлива (конструкции датчиков будут рассмотрены в разделе «Электрооборудование автобусов). Топливо из бака забирается через топливоприемник, представляющий собой трубу с горловиной, снабженной сетчатым фильтром для задержки крупных частиц.
Система подачи топлива бензиновых карбюраторных двигателей включает в себя топливный насос, топливный фильтр и трубопроводы.
Топливный насос с механическим приводом устанавливается на картере двигателя, привод к нему осуществляется от распределительного вала. Для карбюраторных двигателей применяют насосы диафрагменного типа (рис. 2.32.а и б). Диафрагма, выполненная из многослойного армированного пластика, зажата между двумя половинками корпуса. В верхней половине установлены впускной и выпускной подпружиненные пластинчатые клапаны. Впускной клапан связан с трубопроводом, выходящим из топливного бака, выпускной — с поплавковой камерой карбюратора. В центральной части диафрагмы с помощью двух стальных пластин закреплен шток, получающий перемещение от рычага на оси в корпусе насоса. Рычаг в свою очередь перемещается толкателем, приводящимся в работу эксцентриком распределительного вала. Шток перемещает диафрагму вниз; перемещение диафрагмы вверх обеспечивается пружиной, установленной между диафрагмой и нижней половиной корпуса. Предусмотрено воздействие на рычаг эксцентриком, связанным с рычагом ручной подкачки топлива. Давление, создаваемое диафрагменным насосом, не превышает 0,02…0,03 МПа.
Рис. 2.32 а Конструкция топливного насоса диафрагменного типа: 1 — корпус; 2 — нагнетательный штуцер; 3 — седло нагнетательного клапана; 4 — нагнетательный клапан; 5—сетчатый фильтр; 6 — крышка насоса; 7 — уплотнительное кольцо; 8 — болт крепления крышки; 9 — всасывающий штуцер; 10 — всасывающий клапан; 11 — седло всасывающего клапана; 12 — верхняя тарельчатая шайба; 13 — дистанционная прокладка диафрагмы; 14 — рабочая (двойная) диафрагма; 15 — предохранительная диафрагма; 16 — рычаг ручного привода; 17 — пружина рычага ручного привода; 18 — пружина штока; 19 — рычаг; 20 — шток; 21 — дистанционная прокладка корпуса с дренажным отверстием
Рис. 2.32.б. Схема работы топливного насоса при всасывании (I) и нагнетании (II): 1 — эксцентрик на валу; 2 — толкатель; 3 — диафрагма; 4 — нагнетательный штуцер; 5 — нагнетательный клапан; 6 — всасывающий клапан; 7 — всасывающий штуцер; 8 — шток диафрагмы; 9 — рычаг
Топливный фильтр (рис. 2.33) предназначен для очистки топлива, подаваемого в карбюратор. На двигателях особо малых и малых автобусов применяются неразборные фильтры тонкой очистки, представляющие собой пластмассовую емкость, внутри которой установлен бумажный элемент, через который проходит весь поток топлива. Минимальный размер частиц, улавливаемых таким фильтром — 1,5 мкм. По мере загрязнения фильтр подлежит замене. На некоторых двигателях (ЗМЗ-402) применяют фильтр со съемным стеклянным или пластмассовым стаканом, выполняющим функции отстойника. Фильтр устанавливается между топливным насосом и карбюратором. Возможна установка фильтра между баком и насосом.
Рис. 2.33 Фильтры тонкой очистки топлива с сетчатым (а) и керамическим (б) фильтрующими элементами: 1 — корпус; 2 — входное отверстие; 3 — прокладке; 4 — фильтрующий элемент; 5 — съемный стакан-отстойник; 6 — пружина; 7 — винт крепления; 8 — канал для отвода топлива
Трубопроводы в виде стальных трубок служат для подвода топлива от топливного бака к насосу, от насоса — к фильтру и от фильтра — к карбюратору. Трубки к штуцерам приборов топливной системы присоединяются резиновыми шлангами, герметизация соединений осуществляется червячными хомутами. Для предотвращения возникновения паровоздушных пробок при эксплуатации в условиях высокой температуры предусматривается отвод излишнего топлива из карбюратора в топливный бак через сливной трубопровод.
Система впуска обеспечивает подачу соответственно подготовленного воздуха в систему питания и состоит из воздухозаборника, воздухоочистителя, воздухопроводов, приборов подогрева воздуха, в отдельных случаях — системы наддува (принудительной подачи воздуха под давлением).
Воздухозаборник представляет собой емкость с раструбом, через который воздух подается к очистителю воздуха. Воздухозаборник расположен в зоне повышенного давления, что обеспечивает бесперебойную подачу воздуха в систему питания. Иногда воздухозаборник выведен в наиболее очищенную от пыли зону. В некоторых двигателях воздухозаборник совмещен с воздухоочистителем. В отдельных конструкциях подача воздуха к воздухоочистителю производится разными путями в летнее и зимнее время. В летнее время — через воздухозаборник, расположенный в зоне повышенного давления или в зоне малой запыленности, а в зимнее — из зоны, близкой к выпускному коллектору, где температура воздуха максимальная.
Воздухоочиститель (воздушный фильтр) предназначен для очистки подаваемого в систему питания воздуха от пыли и влаги. Количество пыли в воздухе от 0,0001 до 0,1 г/ м3 , но иногда запыленность может достигать величины 2 г/м3 (нулевая видимость). Если воздух не очищать, то частицы пыли, попадая в цилиндры двигателя, вызовут его интенсивный износ. Для очистки воздуха возможны следующие способы:
• контактная очистка, когда поток воздуха контактирует со слоем масла (сегодня практически не применяется);
• фильтрующая очистка, когда поток воздуха проходит через бумажный фильтр с порами определенного размера;
• центробежная очистка, когда потоку воздуха придается вращательное движение, в процессе которого тяжелые частицы под действием центробежных сил отбрасываются на стенки фильтра и в дальнейшем либо выбрасываются с потоком отработанных газов в выпускную систему, либо откладываются на стенках фильтра и удаляются при плановом техническом обслуживании.
Центробежная очистка позволяет очистить воздух только на 50 % при необходимости очистки на 99,9 %. Поэтому в отдельных конструкциях при работе автобуса в условиях чрезмерной запыленности применяют комбинированную очистку: после предварительной центробежной очистки воздух проходит через бумажный или нитяной, пропитанный маслом, фильтр. В этом случае применение центробежной очистки позволяет увеличить срок службы основного фильтрующего элемента.
На всех автобусах широко применяется фильтрующий способ очистки с применением бумажного сменного фильтра (рис. 2.34).
Рис. 2.34 Конструкция воздушного бумажного фильтра двигателя КамАЗ: 1 — заслонка; 2 — фильтрующий элемент; 3 — гайка; 4 — держатель; 5 — крышка; 6 — уплотнительное кольцо; 7 — корпус
Воздухопроводы соединяют отдельные элементы системы подвода воздуха друг с другом. Это гофрированные или гладкие трубы из резины или из полимерного материала. Уплотнение воздухопроводов с патрубками элементов системы подачи воздуха осуществляется металлическими хомутами. Общая длина воздухопроводов выбирается из условия снижения шума впуска, что особенно важно для автобусов.
Подогрев воздуха может осуществляться во впускном трубопроводе, часто расположенным над выпускным, имеющим высокую температуру. В отдельных случаях подогрев впускного трубопровода осуществляется теплом системы охлаждения двигателя.
Принудительная подача воздуха под давлением применяется для увеличения мощности двигателя при заданном его рабочем объеме. Как известно, вырабатываемая двигателем мощность определяется количеством сожженного топлива, а для сгорания определенного количества топлива требуется соответствующее количество воздуха. Количество воздуха, засасываемого в цилиндры двигателя при отсутствии дополнительных приборов его подачи определяется рабочим объемом двигателя. Для увеличения мощности двигателя данного объема требуется увеличение количества подаваемого воздуха, что обеспечивается путем дополнительного нагнетания воздуха под давлением (наддув). В основном применяют два варианта наддува — объемный, обеспечиваемый специальным компрессором, приводимым от коленчатого вала двигателя и турбонаддув, при котором воздух нагнетается в цилиндры турбокомпрессором, вращаемым выхлопными газами. На современных автобусах в основном применяется турбонаддув (рис. 2.35).
Рис. 2.35. Схема работы турбокомпрессора: 1 — колесо компрессора; 2 — подшипники ротора; 3 — колесо турбины; 4 — перепускной клапан
Карбюратор служит для приготовления топливной смеси необходимого состава на всех возможных режимах работы двигателя. Принцип работы простейшего карбюратора показан на рис. 2.36.
Рис. 2.36. Принцип работы простейшего карбюратора: 1 — топливопровод; 2 — игольчатый клапан; 3 — отверстие в крышке поплавковой камеры; 4 — распылитель; 5 — воздушная заслонка; 6 — диффузор; 7 — дроссельная заслонка; 8 — смесительная камере; 9 — топливный жиклер; 10 — поплавок; 11-поплавковая камера
Система питания при использовании простейшего карбюратора состоит из впускного патрубка, диффузора 6, представляющего собой суженный участок впускного патрубка, дроссельной заслонки 7, топливного жиклера 9, поплавковой камеры 11с поплавком 10, игольчатого клапана 2, отверстия 3, поддерживающего постоянное атмосферное давление в поплавковой камере, распылителя топлива 4 и воздушного фильтра.
К поплавку 10 (герметичной латунной или пластмассовой емкости, заполненной воздухом) прикреплен рычаг, один конец которого с помощью оси шарнирно крепится к корпусу поплавковой камеры. На рычаге имеется язычок, прижимающий запорную иглу к седлу игольчатого клапана поплавковой камеры. Клапан связан с топливопроводом 1 — нагнетательной магистралью топливного насоса. По мере поступления определенного количества топлива в поплавковую камеру поплавок с помощью запорной иглы перекрывает клапан и прекращает подачу топлива, поддерживая в камере его постоянный уровень. Уровень топлива в камере расположен ниже отверстия распылителя 4 в диффузоре 6 для исключения самопроизвольного вытекания топлива в диффузор.
При работающем двигателе на такте впуска поршень движется вниз, впускной клапан открыт, и в цилиндре создается разрежение, благодаря которому поток воздуха засасывается через воздушный фильтр, впускной патрубок, диффузор 6 и, при открытой дроссельной заслонке 7 через впускной коллектор — в цилиндр. При прохождении воздуха через диффузор скорость потока воздуха увеличивается, и в диффузоре создается разрежение. Поскольку распылитель связывает полость диффузора с поплавковой камерой, давление в которой всегда постоянно и равно атмосферному (из-за наличия отверстия 3), топливо под действием разницы давлений поступает в диффузор через топливный жиклер 9, где смешивается с воздухом, образуя горючую смесь. Жиклер представляет собой пробку с калиброванным отверстием, дозирующим подачу топлива в диффузор. Поворот дроссельной заслонки 7 изменяет количество горючей смеси, подаваемой в цилиндр двигателя. Увеличение угла открытия дроссельной заслонки ведет к увеличению частоты вращения коленчатого вала, при этом увеличивается скорость протекания воздуха через диффузор, разрежение в диффузоре увеличивается, что ведет к увеличению мгновенного количества топлива, поступающего из поплавковой камеры в диффузор. Количество воздуха, проходящего через диффузор, с увеличением скорости протекания воздуха увеличивается в меньшей степени, чем количество топлива, истекающего из распылителя. Поэтому с увеличением частоты вращения коленчатого вала топливная смесь обогащается, что ведет к увеличению расхода топлива. Одним из способов согласования состава топливной смеси с режимом работы двигателя (обеднения топливной смеси при увеличении частоты вращения вала двигателя) является принудительное уменьшение количества топлива, подаваемого в диффузор. Это достигается применением компенсационного колодца (рис 2.37). В этом случае топливо поступает в распылитель б и в компенсационный колодец 4 через жиклер 2. При малых скоростях движения воздуха компенсационный колодец заполнен топливом до уровня поплавковой камеры, истечение топлива в диффузор происходит из поплавковой камеры через жиклер 2 и из компенсационного колодца напрямую. По мере увеличения частоты вращения коленчатого вала увеличивается скорость протекания воздуха через диффузор, что ведет к увеличению разрежения в нем и, соответственно, к увеличению количества истекающего через распылитель топлива. Поскольку из компенсационного колодца топливо истекает быстрее, чем из поплавковой камеры, то пространство компенсационного колодца заполняется через воздушный жиклер 5 воздухом, что ведет к уменьшению разрежения перед топливным жиклером поплавковой камеры. Это приводит к обеднению топливной смеси с увеличением частоты вращения коленчатого вала. Сочетание топливного жиклера поплавковой камеры, компенсационного колодца с воздушным жиклером и распылителем называется главной дозирующей системой. Главная дозирующая система обеспечивает устойчивую работу двигателя при малых и средних нагрузках.
Рис. 2.37. Карбюратор с компенсационным колодцем: 1 — дроссельная заслонка; 2 — главный топливный жиклер; 3 — поплавковая камера; 4 — компенсационный колодец; 5 — воздушный жиклер; 6 — распылитель; 7 — диффузор
Для двигателя, устанавливаемого на автобус, характерны и другие режимы работы:
• пуск и прогрев холодного двигателя;
• режим холостого хода;
• режим принудительного холостого хода;
• переходный режим, характерный для ускоренного движения автобуса;
• режим максимальной мощности.
Для обеспечения возможности работы на этих режимах карбюратор снабжается дополнительными устройствами.
Устройство пуска и прогрева. Как указывалось выше, при пуске холодного двигателя часть топлива (горючей смеси) конденсируется на холодных стенках цилиндра, кроме этого медленное вращение коленчатого вала стартером не обеспечивает хорошего перемешивания топлива с воздухом. Для преодоления этих проблем в карбюраторе предусмотрена система пуска. Ее назначение — переобогащение горючей смеси при пуске холодного двигателя и обеспечение хорошего перемешивания паров топлива с воздухом при малой скорости вращения коленчатого вала. На двигателях особо малых и малых автобусов отечественного производства эта задача решается установкой во впускном патрубке воздушной заслонки (рис 2.38). Ось воздушной заслонки 4 установлена во впускном трубопроводе эксцентрично относительно его центра. К заслонке прикреплен двуплечий рычаг 5. Он связан с тросом ручного управления воздушной заслонкой и с дроссельной заслонкой 8. Второе плечо рычага 5 связано с диафрагмой 2 вакуумной камеры, полость которой каналом 10 с жиклером 9 связана с пространством за дроссельной заслонкой. При пуске холодного двигателя водитель предварительно вытягивает трос ручного привода и полностью закрывает воздушную заслонку. При полностью закрытой воздушной заслонке привод 6 открывает дроссельную заслонку на угол 10… 12°. При вращении коленчатого вала стартером в диффузоре создается сильное разрежение, вызывающее интенсивное истечение топлива из распылителя, что ведет к обогащению горючей смеси. Большое разрежение способствует интенсивному испарению топлива и образованию однородной горючей смеси. После начала работы двигателя разрежение в диффузоре увеличивается, и для устойчивой работы двигателя необходимо увеличить подачу воздуха. Это обеспечивается вакуумной камерой, шток которой при большом разрежении в задроссельном пространстве автоматически частично открывает воздушную заслонку. Происходит автоматическое открытие воздушной заслонки при неизменном положении троса ручного управления воздушной заслонкой.
Рис. 2.38. Установка во впускном патрубке воздушной заслонки: 1 — пружина диафрагмы; 2 — диафрагма; 3 — шток; 4 — воздушная заслонка; 5 — рычаг на оси воздушной заслонки; 6 — привод воздушной заслонки; 7 — рычаг на оси дроссельной заслонки; 8 — дроссельная заслонка; 9 — демпфирующий жиклер; 10 — канал подвода разрежения к диафрагменному механизму
Режим холостого хода. ДВС находиться в рабочем состоянии только тогда, когда его коленчатый вал вращается с определенной частотой даже при отсутствии внешней нагрузки. Эта частота называется частотой холостого хода. У современных двигателей она составляет 800…850 мин-1. При холостом ходе дроссельная заслонка полностью закрыта. Поскольку в этом случае разрежение над дроссельной заслонкой мало, то истечение топлива через главную дозирующую систему практически невозможно. Для работы двигателя на режиме холостого хода предусматривается автономная система холостого хода. Система холостого хода подает топливо, необходимое для работы двигателя на данном режиме, в полость впускного трубопровода под дроссельной заслонкой. Схема автономной системы холостого хода представлена на рис 2.39. Топливо из главной дозирующей системы после основного жиклера 1 подается по каналам через жиклер 2 холостого хода в магистраль холостого хода, куда через воздушный жиклер 3 поступает воздух, и происходит образование топливо-воздушной эмульсии. Из магистрали эмульсия поступает к переходному отверстию 9, расположенному над дроссельной заслонкой и к выходному отверстию 7, расположенному под дроссельной заслонкой. Для получения горючей смеси к выходному отверстию 7 через воздушный канал 5 и жиклер 3 подводится воздух из пространства диффузора. В системе предусмотрены регулировочные винты 8, 6. Винт 8 регулирует количество эмульсии, поступающей к выходному отверстию. Через выходное отверстие 7 в задроссельное пространство поступает эмульсия, количество которой регулируется винтом 8, поэтому этот винт часто называют «винтом количества». Изменение положения позволяет регулировать частоту вращения двигателя на режиме холостого хода. Регулировка винта 8 осуществляется на заводе и в процессе эксплуатации не производится. Регулировочный винт 6 изменяет качество смеси и поэтому часто называется «винтом качества». Переходное отверстие 9 позволяет избежать провалов в работе двигателя на переходных режимах.
Рис. 2.39. Автономная система холостого хода: 1 — топливный канал системы холостого хода; 2 — топливный жиклер; 3 — воздушный жиклер; 4 — воздушный канал системы холостого хода; 5 — эмульсионный канал системы холостого хода; 6 — регулировочный винт приоткрытия дроссельной заслонки (винт «количестве»); 7 — выходное отверстие под дроссельной заслонкой; 8 — регулировочный винт состава смеси (винт «качества»); 9 — канал переходной системы
Режим принудительного холостого хода. При движении автомобиля часто возникает необходимость торможения двигателем. В этом случае водитель закрывает дроссельную заслонку, а коленчатый вал вращается трансмиссией автомобиля. Двигатель в этом случае превращается в многопоршневую пневматическую тормозную машину. Данный режим называется режимом принудительного холостого хода. Если не предусмотреть специального устройства, то на режиме принудительного холостого хода топливо через систему холостого хода будет поступать в цилиндры, что вызовет чрезмерный расход топлива и приведет к экологически неблагоприятному режиму работы двигателя. Во избежание этого в современных карбюраторах предусматривается экономайзер принудительного холостого хода ЭПХХ, (рис 2.40). В этом случае выпускное отверстие 10 управляется не только клапаном 7, но и клапаном ЭПХХ 9, на который воздействует диафрагма вакуумной камеры 7. При открытой дроссельной заслонке обе полости камеры находятся под одинаковым давлением, усилие пружины открывает клапан ЭПХХ, горючая смесь поступает в задроссельное пространство через систему холостого хода. В системе предусмотрен микровыключатель 1. При закрытой дроссельной заслонке (режим принудительного холостого хода) рычаг привода дроссельной заслонки нажимает на рычаг микропереключателя, который снимает напряжение с электропневмоклапана 6. При этом пространство над диафрагмой сообщается с атмосферой, разница давлений закрывает клапан 9 и прекращается подача топлива. Для исключения возможности остановки двигателя при уменьшении частоты вращения его коленчатого вала ниже определенного значения (1400 мин-1) предусмотрен электронный блок контроля частоты 2, который при достижении этой частоты независимо от значения разрежения заставляет клапан 6 соединить пространство над диафрагмой с вакуумом, при этом пружина клапана 9 откроет его.
Рис. 2.40. Экономайзер принудительного холостого хода (ЭПХХ): 1 — микровыключатель; 2 — электронный блок управления; 3 — прерыватель; 4 — катушка зажигания; 5 — аккумуляторная батарея; 6 — электромагнитный клапан; 7 — диафрагма; 8 — корпус экономайзера; 9 — клапан; 10 — отверст
Переходный режим, характерный для ускоренного движения автомобиля. Для ускорения автомобиля водитель резко нажимает педаль управления дроссельной заслонкой. При этом возможно кратковременное обеднение горючей смеси из-за разной инерционности бензина и воздуха. Обеднение смеси может привести к провалу в работе двигателя, что не позволит развить ожидаемой скорости. Для исключения возможности обеднения горючей смеси при резком открытии дроссельной заслонки применяют специальное устройство, которое называется ускорительным насосом. При резком открытии дроссельной заслонки он впрыскивает в пространство над диффузором дополнительное количество топлива через соответствующий распылитель. Принципиально возможны два варианта ускорительных насосов — поршневого и диафрагменного типов. На двигателях особо малых и малых автобусов применяют карбюраторы с диафрагменным ускорительным насосом (рис. 2.41). Полость под диафрагмой связана с поплавковой камерой двумя каналами — в одном из них установлен жиклер (не показан), в другом — клапан 6. Толкатель 2 диафрагмы 4 через рычажно-кулачковую систему 1,11 связан с приводом управления дроссельной заслонкой. При резком нажатии педали управления дросселем рычажно-кулачковая система вызывает резкое перемещение толкателя, который через пружину 3 передает усилие на диафрагму 4. Полость за диафрагмой заполнена топливом. Обратный клапан 13 закрывается, топливо под давлением по каналу поступает к шариковому клапану 8, открывает его и попадает в распылитель ускорительного насоса 10, вызывая мгновенное обогащение горючей смеси. Наличие пружины 3 между подпятником и диафрагмой позволяет несколько затянуть по времени процесс впрыска топлива ускорительным насосом. Часть топлива при этом через жиклер возвращается в поплавковую камеру. При плавном нажатии на диафрагму топливо перетекает через жиклер в поплавковую камеру, не попадая при этом в распылитель. При возвращении диафрагмы в исходное положение полость диафрагмы заполняется топливом через открытый при этом клапан 6.
Рис. 2.41. Карбюратор с диафрагменным ускорительным насосом: 1 — кулачок привода ускорительного насоса; 2 — толкатель; 3 — возвратная пружина толкателя; 4 — диафрагма; 5 — возвратная пружина диафрагмы; 6 — шарик всасывающего клапана; 7 — поплавковая камера; 8 — шарик нагнетательного клапана; 9 — распылитель;10 — калиброванное выходное отверстие распылителя; 11 —тяга привода кулачка
Режим максимально возможной мощности. Как указывалось выше, для достижения максимальной мощности двигатель должен в ущерб топливной экономичности, работать на обогащенной смеси. Поэтому при открытии дроссельной заслонки, близком к полному, необходимо предусмотреть возможность дополнительного обогащения горючей смеси путем увеличения порции топлива, подаваемого через специальный канал в распылитель помимо главной дозирующей системы. Решается эта проблема установкой специального устройства — либо экономайзера, либо эконостата. На современных двигателях большого рабочего объема, и, соответственно, многоцилиндровых, установлен экономайзер. В этом случае дополнительное топливо подается через специальный клапан, открывающийся при открытии дросселя, близком к максимальному. Открытие клапана экономайзера происходит механически от системы открытия дросселя или штоком специального поршня (рис. 2.42).
Рис. 2.42. Экономайзер мощностных режимов с пневмоприводом: 1 — главный топливный жиклер; 2 — эмульсионный колодец главной дозирующей системы; 3 — топливный жиклер экономайзера; 4 — распылитель; 5 — дроссельная заслонка; 6 — демпфирующий жиклер; 7 — канал подвода разрежения к экономайзеру; 8 — пружина диафрагмы; 9 — диафрагма экономайзера с толкателем; 10 — шариковый клапан с пружиной; 11 — поплавковая камера
При малом открытии дроссельной заслонки разрежение под ней большое. Это разрежение подается под поршень экономайзера, и поршень под атмосферным давлением опускается, закрывая клапан через соответствующий привод. При большой степени открытия дроссельной заслонки разрежение под ней падает, пружина поднимает поршень, и клапан через привод открывается, обогащая горючую смесь. На двигателях с небольшим рабочим объемом применяют эконостат (рис. 2.43).
Рис. 2.43. Эконостат: 1 — канал подачи топлива к распылителю; 2 — воздушный (дополнительный) жиклер; 3 — распылитель эконостата; 4 — дроссельная заслонка; 5 — топливный жиклер
Он не имеет какого-либо механического привода и представляет собой дополнительный распылитель со своим жиклером, расположенный до распылителя главной дозирующей системы над горловиной диффузора. Топливо в распылитель подается из поплавковой камеры. При малой скорости протекания воздушного потока (при малом открытии дроссельной заслонки) разрежение в зоне расположения распылителя эконостата недостаточно для преодоления сопротивления течению топлива через его жиклер. При скорости течения воздушного потока, соответствующей открытию дроссельной заслонки, близкому к максимальному, разрежение становится достаточным для истечения топлива через жиклер эконостата, что дополнительно обогащает горючую смесь на режимах максимальной мощности.
На рис. 2.44 показан карбюратор К-51 двигателя 3M3-4063. Он имеет две камеры, каждая из которых имеет свою главную дозирующую систему.
Рис. 2.44. Конструкция карбюратора двигателя 3M3-4063: 1 —крышка; 2 — поплавок; 3 — воздушный жиклер переходной системы второй камеры; 4 — топливный жиклер переходной системы второй камеры; 5 — резьбовой винтдержатель распылителя эконостета; 6 — главный воздушный жиклер второй кемеры; 7 — респылитель зконостата; 8 — эмульсионная трубка главной дозирующей системы второй кемеры; 9 — малый диффузор первой кемеры с респылителем; 10—держатель распылителя ускорительного насоса с нагнетательным клапаном; 11 * —распылители ускорительного насоса; 12 — воздушная заслонка; 13 — малый диффузор второй камеры с респылителем; 14 — главный воздушный жиклер первой камеры; 15 — эмульсионная трубка главной дозирующей системы первой камеры; 16-блок топливного и воздушного жиклеров холостого хода с эмульсионной трубкой; 17 — эмульсионный жиклер системы холостого хода; 18 — второй воздушный жиклер холостого хода; 19 — регулировочная игла на жиклере дренажного канала ускорительного насоса; 20 — ограничитель хода всасывающего шарикового клапана ускорительного несоса; 21 — корпус карбюратора; 22 — перепускной (дренажный) жиклер ускорительного насоса; 23 — шарик всасывающего клапана ускорительного насоса; 24 — пружина хода всасывения диафрагмы ускорительного насоса; 25 — диафрагма ускорительного насоса; 26 — крышка диафрагмы ускорительного насоса; 27 — рычаг привода ускорительного насоса; 28 — главный топливный жиклер первой камеры; 29 — штуцер клапана ЭПХХ; 30 — диафрагма клапана ЭПХХ; 31 — запорный клапан ЭПХХ; 32 — вставной пластмассовый ограничитель поворота винта «качества»; 33 — винт регулировки состава смеси (винт «качества») на холостом ходу; 34 — разгрузочное поддиафрагменное отверстие в корпусе клапана ЭПХХ; 35 — корпус экономайзера принудительного холостого хода (узел холостого хода); 36 — седло клапана системы холостого хода; 37 — винт регулировки частоты вращения коленчетого вала на холостом ходу; 38 — прокладка узла холостого хода; 39 — дополнительный винт регулировки состава смеси не главной топливоподающей ветви холостого хода (только на ранних модификациях карбюраторов); 40 — переходное щелевое отверстие системы холостого хода; 41 — дроссельнея заслонка первой камеры; 42 — кулачок привода рычага ускорительного насоса; 43 — ролик рычага ускорительного насоса; 44 — входное окно воздушного канала системы холостого хода; 45 — дроссельная заслонка второй камеры; 46 — термоизоляционная наборная прокладка корпуса карбюратора; 47 — корпус дроссельных заслонок; 48 — штуцер отбора разрежения к электромагнитному клапану управления ЭПХХ; 49 — штуцер отбора разрежения к вакуумному регулятору опережения зажигания; 50 — главный топливный жиклер второй камеры; 51 — штуцер отбора разрежения к клапану рециркуляции отработавших газов; 52 — силовая цепь блока управления ЭПХХ; 53 — цепь микропереключателя системы ЭПХХ; 54 — фильтр на вентиляционном штуцере электромагнитного клапана управления ЭПХХ; 55 — электромагнитный клапан системы ЭПХХ; 56 — винт крепления корпуса топливного фильтра; 57 — топливный фильтр; 58 — топливный штуцер; 59 — пробка на стенке поплавковой камеры; 60 — запорный клапан поплавкового механизма; 61 — серьга запорной иглы; 62 — язычок поплавка. У карбюраторов, установленных на двигателе ЗМЗ-402, распылитель имеет одну форсунку, направленную в первую камеру.
Камеры включаются в работу последовательно, что обеспечивается соответствующей кинематикой привода. Этим достигается экономия топлива при малых нагрузках (т. к. работает только первая камера) и обеспечивается хорошее смесеобразование при больших нагрузках, когда в работу включается вторая камера. На рис 2.45 показан привод управления дроссельными заслонками двух камер карбюратора.
Рис. 2.45.Привод управления дроссельными заслонками: 1 — винт двуплечего рычага пускового устройства; 2 — рычаг пускового устройства; 3 — рычаг на оси воздушной заслонки; 4 — тяга привода воздушной заслонки; 5 — микропереключатель системы ЭПХХ; 6 — стяжная пружина свободного хода рычага управления дроссельными заслонками; 7 — накладной рычаг кулачка управления пусковым устройством; 8 — регулировочный винт положения тяги привода воздушной заслонки; 9 — открывающий усик рычага дроссельной заслонки второй камеры;10 — закрывающий усик рычага дроссельной заслонки второй камеры; 11 — кулачок пускового устройства; 12 — винт-упор рычага заслонки второй камеры
Карбюратор К-90 восьмицилиндрового двигателя ЗИЛ-508 также двухкамерный, однако в данном случае камеры включаются параллельно, каждая из них обслуживает четыре цилиндра «своей» половины блока.
Система питания двигателя от газобаллонной установки. Двигатель, работающий на сжиженном или сжатом газе, обязательно должен иметь возможность работы и на бензине. В этом случае применяется комбинированная система питания. Кроме узлов, необходимых для работы на бензине, она включает в себя баллоны для сжиженного или сжатого газа, соединительную арматуру, фильтры для газового топлива, редукторы высокого и низкого давления, проставку с форсункой между впускным трубопроводом и карбюратором, манометры для контроля давления в баллонах и в редукторе низкого давления, электромагнитные клапаны для перехода с газового топлива на бензин (рис 2.46).
Рис. 2.46. Система литания двигателя от газобаллонной установки: 1 — дроссельная заслонка; 2 — проставка; 3 — распылитель; 4 — карбюратор-смеситель; 5 — форсунка; 6 — трубка; 7,8 — манометры низкого и высокого давления соответственно; 9 — баллоны для хранения СПГ; 10 — соединительная арматура; 11 — трубки; 12 — расходный вентиль; 13 — заправочный вентиль; 14 — теплообменник; 15 — приемная труба; 16 — дозирующая шайба; 17 — магистральный вентиль; 18—редуктор высокого давления; 19 — фильтр; 20 — двухступенчатый редуктор; 21 — соединительная трубка; 22 — впускной трубопровод
При использовании сжатого (природного) газа в качестве топлива для двигателей больших и особо больших автобусов емкость для хранения газов представляет собой последовательно соединенные между собой баллоны высокого давления из стали с толщиной стенки 6…7 мм, максимальное давление в которых составляет 20 МПа. Количество баллонов определяется средним эксплуатационным расходом газа и необходимым запасом хода.
Для сжиженного газа (бутан-пропановая смесь) применяются баллоны из стали, рассчитанные на максимальное давление 2 МПа, необходимости в установке редуктора высокого давления нет.
Система подачи топлива при использовании сжатого природного газа включает в себя газовый редуктор высокого давления (ГРВД), фильтр, газовый редуктор низкого давления (ГРНД), манометры для контроля за давлением в газовых баллонах и на входе в редуктор низкого давления. Газовый редуктор высокого давления предназначен для снижения давления с 20 МПа (при котором газ содержится в баллонах) до 1,2 МПа (при котором газ подается в газовый редуктор низкого давления). Схема работы газового редуктора высокого давления приведена на рис. 2.47. Газ из баллона попадает в полость А через керамический фильтр 15. Клапан 14 редуктора изолирует полость высокого давления А от полости низкого давления Б. Снизу на клапан действует пружина 13, а сверху — толкатель 3, передающий усилие пружины 4 через мембрану 2. При давлении газа в полости Б меньше заданного пружиной 4 (1,2 МПа) клапан опущен; по-лости А и Б сообщены через дополнительный фильтр 12, газ поступает из баллона в магистраль, ведущую к газовому редуктору низкого давления. При достижении заданного давления в полости Б усилие на диафрагме 2 становится больше усилия пружины 4, диафрагма с толкателем 3 перемещаются вверх, пружина 13 перемещает клапан 14 вверх, разобщая полости А и Б. При расходе газа из редуктора низкого давления давление в полости Б падает, клапан 14 опускается, сообщая полости А и Б.
Рис. 2.47. Конструктивная схема газового редуктора высокого давления: 1— датчик давления; 2 — мембрана; 3 — толкатель; 4,13 — пружины; 5 — регулировочный винт; 6 — колпак; 7 — аварийный датчик; 8 — штуцер; 9 — входной штуцер; 10 — предохранительный клапан; 11 — седло клапана; 12 — фильтр; 14 — редукционный клапан; 15 — входной фильтр; 16 — накидная гайка; А, Б — полости
Газовый редуктор низкого давления снижает давление газа до значения, необходимого для нормального смешения воздуха и природного газа в карбюраторе-смесителе. Схема ГРНД показана на рис. 2.48. В редукторе происходит двухступенчатое понижение давления газа. На входе в ГРНД установлен электромагнитный клапан, прекращающий подачу газа от ГРВД при выключенном зажигании. При включенном зажигании и неработающем двигателе газ из ГРВД поступает на вход в ГРНД и через открытый клапан 50 — в полость Г. В полостях А, Б и В — давление атмосферное. По мере заполнения полости Г газом давление в ней растет до величины 0,12…0,15 МПа. При достижении этого давления мембрана 45 прогибается, преодолевая сопротивление пружины 36, при этом привод 43 закрывает клапан 50. Таким образом происходит первая ступень редуцирования (понижения) давления. При пуске двигателя возникающее во впускном коллекторе разрежение устанавливается через канал 18 в полости А. Кольцевая мембрана 56, преодолевая усилие пружины, перемещается вниз, освобождая мембрану 1 от упоров 2. При этом усилия пружины 64 становится недостаточно для удержания клапана 32 и он под давлением газа из полости Г открывается. Газ перетекает в полость В второй ступени редуктора, создавая там избыточное давление 50… 100 Па. Из полости В газ через калиброванное отверстие поступает в смеситель. Степень открытия клапана 32 зависит от соотношения давлений в полостях Б и В. Увеличение расхода воздуха вызывает увеличение расхода газа из полости В, давление в ней падает, и атмосферное давление в полости Б вызывает увеличение прогиба мембраны 2 и, соответственно, увеличение степени открытия клапана 32. В итоге количество подаваемого в смеситель газа растет. Так осуществляется автоматическое регулирование качества смеси. При полных нагрузках срабатывает пневматический привод клапана экономайзера 26, через который газ из полости В напрямую по каналу 18 попадает в смеситель параллельно с газом, поступающим через калиброванное отверстие. Таким образом происходит дополнительное обогащение смеси, необходимое для получения максимальной мощности.
Рис. 2.48. Газовый редуктор низкого давления (ГРНД) РЗАА: а — конструкция; б — принципиальная схема работы с карбюратором-смесителем; 1 — диск мембраны 2-й ступени; 2 — упорные пластины мембраны 2-й ступени; 3 — крышка корпуса редуктора; 4, 6, 8, 16, 30 — прокладки; 5 — корпус разгрузочного устройства; 7 — крышка корпуса разгрузочного устройства;9 — корпус редуктора; 10 -рычаг клапана 2-й ступени; 11, 35 — оси рычагов; 12, 38, 48, 60 — контргайки;13 — толкатель клапана 2-й ступени; 14 — регулировочный винт клапана 2-й ступени; 15 — отверстие экономичной регулировки; 17 — отверстие мощностной регулировки; 18 — канал подвода газа к клапану экономайзера; 19 — клапан; 2 0 — толкатель; 21, 24 — пружины; 22 — замочная шайба; 23 — мембрана; 25 — крышка экономайзера; 26 — диск мембраны; 27 — вакуумная полость экономайзера; 28 — корпус экономайзера; 29 — газовая полость экономайзера; 31 — пластина с дозирующими отверстиями; 32 — клапан 2-й ступени; 33 — седло клапана 2-й ступени; 34 — рычаг клапана 1-й ступени; 36 — пружина мембраны 1-й ступени; 37 — регулировочная гайка; 39 — датчик давления 1-й ступени; 40 — верхняя крышка корпуса редуктора; 41 — шток мембраны 1-й ступени; 42 — диск мембраны 1-й ступени; 43 — соединительная тяга; 44 — корпус газового фильтра; 45 — мембрана 1-й ступени; 46 — фильтрующий элемент; 47 — седло клапана 1-й ступени; 49 — регулировочный винт клапана 1-й ступени; 50 — клапан 1 -й ступени; 51 — полость 1-й ступени; 52 — пружина разгрузочного устройства; 53 — полость разгрузочного устройства; 54 — пробка; 55 — полость 2-й ступени; 56 — мембрана разгрузочного устройства; 57 — мембрана 2-й ступени; 58 — шток мембраны 2-й ступени; 59 — регулировочный ниппель мембраны 2-й ступени; 61 — колпачок; 62 — опорная шайба; 6 3 — стержень штока мембраны 2-й ступени; 64 — пружина; 65 — патрубок подвода разрежения; 66 — кран слива конденсата; 67 — канал основной подачи газа; 68 — обратный клапан; 69 — патрубок подвода газа; 70, 71 — винты регулировки холостого хода; 72 — дроссельная заслонка
Приготовление горючей смеси при использовании в качестве топлива сжатого природного или сжиженного нефтяного газа происходит в специальном смесителе. Чаще всего такой смеситель представляет со-бой проставку 2 между частью карбюратора, в которой находится диффузор 4, и частью карбюратора, в которой расположена дроссельная заслонка 1 (рис.2.49).
Рис. 2.49. Смеситель для природного сжатого или нефтяного сжиженного газа: 1 — дроссельная заслонка; 2 — проставка; 3 — распылитель; 4 — диффузор; 5 — трубка подвода газа; 6 — впускной коллектор
Системы впрыска топлива. Современный карбюратор не может полностью обеспечить точное количественное соотношение топлива и воздуха в горючей смеси во всех цилиндрах двигателя. Так, например, при применении современного карбюратора состав смеси в различных цилиндрах многоцилиндрового двигателя может отличаться на 15… 17 %. Кроме этого, непрерывный расход топлива через жиклеры карбюратора придает процессу смесеобразования элемент «стихийности», что не позволяет двигателю развить полную теоретически возможную мощность и обеспечить полное сгорание горючей смеси с минимально возможным содержанием вредных выбросов в отработавших газах. Поэтому в настоящее время карбюраторы вытесняются системами непосредственного впрыска топлива, где строго дозированное количество топлива впрыскивается во впускной трубопровод в зоне расположения впускного клапана или непосредственно в цилиндр во время такта впуска. Впрыск топлива осуществляется специальной форсункой, открывающейся либо давлением топлива, подающегося из специального дозатора-распределителя (система Bosch K-Jetronic), либо электромагнитом (система L-Jetronic). В настоящее время системы с механическим управлением форсунками (K-Jetronic) вытесняются системами с электронным управлением электромагнитными форсунками (L-Jetronic). На отечественных особо малых и малых автобусах применяют систему непосредственного впрыска с электронным управлением электромагнитными форсунками. Общая схема системы непосредственного впрыска, применяемой на двигателе ЗМЗ-4062, устанавливаемом на малых и особо малых автобусах, показана на рис.2.50. Система включает в себя воздушный тракт с установленной в нем дроссельной заслонкой 3, топливный бак, магистраль высокого давления, электрический топливный насос 17, топливный фильтр 18, регулятор давления 13 и магистраль слива лишнего топлива, форсунку 5, регулятор холостого хода. Работа системы обеспечивается микропроцессором 12, получающим сигналы от датчиков: положения коленчатого вала 1, температуры воздушного потока 8, температуры охлаждающей жидкости 21, датчика положения распределительного вала 19, кислородного датчика в выпускной магистрали ( λ—зонд), датчика расхода воздуха 4, датчика положения дроссельной заслонки 2, датчика детонации 14. Микропроцессор вырабатывает управляющий сигнал, поступающий на форсунку 5 и на регулятор холостого хода. Учет всех факторов, от которых зависит устойчивая работа двигателя при минимизации вредных выбросов, обеспечивает высокие потребительские качества такой системы.
Рис. 2.50. Общая схема системы непосредственного впрыска двигателя ЗМЗ-4062: 1 — датчик углового положения коленчатого вала (датчик синхронизации); 2—датчик положения дроссельной заслонки; 3—дроссельная заслонка; 4—датчик массового расхода воздуха; 5 — электромагнитные форсунки; 6—топливная рампа; 7 — регулятор дополнительного воздуха; 8 — датчик температуры воздуха во впускном трубопроводе; 9 — диагностический разъем; 10—реле системы управления двигателем; 11 — реле топливного насоса; 12 — электронный блок управления двигателем; 13 — регулятор давления топлива; 14—датчик детонации; 15 — катушки зажигания; 16 — лампа сигнализатора; 17 — топливный насос; 18—топливный фильтр; 19 — датчик положения распределительного вала (фазы); 20 — свечи зажигания; 21 — датчик температуры охлаждающей жидко
Топливоподача систем непосредственного впрыска. Очевидно, что и при механическом управлении форсунками, и при электронном управлении электромагнитными форсунками давление топлива, создаваемое топливным насосом, должно быть существенно выше того, которое создается диафрагменными насосами. Поэтому в системах непосредственного впрыска топлива применяют специальные объемные насосы, которые могут создать давление 0,4…0,5 МПа при производительности 1…2 л/мин. Чаще всего применяют насосы роликового типа (рис.2.51). В корпусе насоса 1 с эксцентриситетом установлен ротор, снабженный пазами (секциями) с цилиндрическими роликами 4. При вращении ротора каждая из секций меняет свой объем. В зоне увеличенного объема устанавливается штуцер всасывающей магистрали, в зоне уменьшенного объема — штуцер напорной магистрали. Применение роликов позволяет уменьшить изнашивание деталей насоса. Вращение ротора обеспечивается электродвигателем, постоянный магнит которого закреплен на статоре топливного насоса, а якорь связан с ротором. Установлен насос в герметичном корпусе под кузовом рядом с топливным баком и связан с ним топливной магистралью, подводящей топливо к штуцеру (возможен вариант установки насоса внутри бака в специальной, постоянно заполненной бензином емкости). Топливо попадает в нагнетательный узел и, через внутреннюю полость электромотора, в нагнетательный штуцер через обратный клапан. Предусмотрен предохранительный клапан, перепускающий топливо при повышении давления свыше допустимого обратно во всасывающую полость. Электродвигатель работает в топливе целиком, что исключает необходимость уплотнения опор его вала.
Рис. 2.51 Конструкция роликового топливного насоса: 1 — корпус; 2 — входной (всасывающий) канал; 3 — полость всасывания; 4 — ролик; 5 — выходной (нагнетательный) канал; 6 — полость нагнетания; 7 — вал электродвигателя
Характеристика насоса двигателя ЗМЗ-4062.10
Марка …………………………………….52.1159
Номинальное напряжение, В ………….12
Потребляемый ток, А, не более ……..6,5
Производительность, л/ч……………… 130
Рабочее давление, МПа, не менее… 0.3
Максимальное давление, МПа 0,45…0,6
За топливным насосом в магистрали высокого давления установлен топливный полнопоточный фильтр тонкой очистки. Фильтр одноразовый, корпус выполнен из алюминия, в качестве фильтрующего элемента используется пористая бумага с размером пор не более 10 мкм. После фильтра топливо подается в топливную магистраль высокого давления, откуда попадает к форсункам с электромагнитным управлением. В топливной магистрали установлен регулятор давления, через который происходит слив в топливный бак неизрасходованного форсунками топлива. Регулятор давления (рис.2.52) представляет собой корпус 1 и крышку 2, разделенные мембраной 4, нагруженной пружиной. Полость Б соединена с впускным коллектором, а полость А заполнена топливом. К мембране прикреплен подвижной клапан 5, который при падении давления в топливной магистрали перекрывает канал в седле корпуса 1, прекращая слив топлива в бак. Соединение верхней полости регулятора с впускным коллектором позволяет открывать клапан для слива избыточного топлива при меньшем давлении в топливной магистрали при падении давления во впускном коллекторе.
Рис. 2.52. Регулятор давления топлива: 1—корпус; 2 — крышка; 3 — патрубок для вакуумного шланга; 4 — мембрана; 5 — клапан; А — топливная полость; Б — вакуумная полость
Форсунка с электромагнитным управлением. Форсунка предназначена для впрыска топлива во впускной коллектор в районе расположения впускного клапана. Конструкция форсунки представлена на рис. 2.53. В корпус 8 вставлена обмотка электромагнита 7, внутри которой расположен сердечник электромагнита 3 и корпус клапана-распылителя 9. Коническое отверстие клапана-распылителя закрывается иглой 2, конус которой прижимается к седлу клапанараспылителя пружиной. Топливо, подаваемое в форсунку под давлением, через каналы попадает в полость клапана-распылителя. При подаче импульса тока на обмотку электромагнита сердечник 3 поднимается вместе с иглой 2 на 0,15 мм, отверстие в клапане-распылителе открывается и топливо под давлением впрыскивается в полость впускного коллектора на впускной клапан. Перемещение клапана ограничивается зазором между буртом запорной иглы 2 и ограничительной шайбой. Количество впрыскиваемого топлива ограничивается временем открытия клапана-распылителя.
Рис. 2.53 Конструкция форсунки распределенного впрыска с электромагнитным управлением: 1— распылительное отверстие; 2 — игла клапана; 3 — сердечник; 4 — электрический разъем; 5 — фильтр; 6 — уплотнительное кольцо; 7 — обмотка электромагнита; 8 — корпус форсунки; 9 — корпус клапан
Верхняя часть форсунки устанавливается в приливе рампы топливопровода высокого давления, которая крепится на впускном коллекторе. Нижние концы форсунок устанавливаются в отверстиях впускного трубопровода. Топливо под высоким давлением через штуцер подводится к каналу рампы и затем к форсункам. Давление топлива регулируется регулятором давления. Лишнее топливо сбрасывается в бак. Регулятор управляется давлением воздуха во впускном трубопроводе, подаваемом в регулятор через штуцер.
Регулятор холостого хода является частью системы холостого хода. Общая схема системы представлена на рис. 2.54. Регулятор 2 каналом 3 подключен параллельно впускному трубопроводу. При закрытой дроссельной заслонке 6 регулятор, получая сигнал от блока управления 1, открывает путь воздуху во впускной коллектор 4 в обход закрытой дроссельной заслонки 6. Сигнал блока управления вырабатывается с учетом частоты вращения коленчатого вала на режиме холостого хода и температуры охлаждающей жидкости, данные о которых поступают в блок управления от датчиков: положения дроссельной заслонки 5; температуры охлаждающей жидкости 7; частоты вращения коленчатого вала 8, 9. Регулятор представляет собой поворотную заслонку, управляемую шаговым электродвигателем (рис. 2.55). В корпус регулятора 4 вставлен поворотный стакан 2, в котором закреплен постоянный магнит 3. Стакан 2 установлен в шариковом подшипнике. В стакане 2 закреплена ось поворотной заслонки 7. Другой конец оси установлен на игольчатом подшипнике 10 в корпусе регулятора. Внутри стакана 2 установлен якорь 5 с обмоткой 13, ось 12 якоря неподвижно закреплена в корпусе регулятора. При подаче от электронного блока управления электрического сигнала на обмотку якоря стакан 2 поворачивается, открывая на определенный угол поворотную заслонку 7, направляя тем самым воздух в обход дроссельной заслонки.
Рис. 2.54. Общая схема системы холостого хода: 1 — блок управления; 2 — регулятор холостого хода; 3 — канал регулятора холостого хода 4 — впускной коллектор; 5 — датчик положения дроссельной заслонки; 6 — дроссельная заслонка; 7 — датчик температуры охлаждающей жидкости; 8, 9 — датчик частоты вращения коленчатого вала; 10 — коленчатый вал
Рис. 2.55. Регулятор холостого хода, управляемый шаговым электродвигателем: 1 — втулка ротора; 2 — поворотный стакан; 3 — постоянный магнит; 4 — корпус регулятора; 5 — якорь; 6 — защитная шайба; 7 — поворотная заслонка; 8 — входной патрубок; 9 — упор поворотной заслонки; 10 — игольчатый подшипник; 11 — выходной патрубок; 12 — ось якоря; 13 — обмотка якоря
Регулятор холостого хода прекращает подачу воздуха во впускной трубопровод при работе двигателя в режиме принудительного холостого хода. В этом случае при вращении коленчатого вала с частотой, превышающей частоту холостого хода и при закрытой дроссельной заслонке ЭБУ подает сигнал на регулятор холостого хода, поворотный стакан которого прекращает подачу воздуха во впускной трубопровод, одновременно прекращается впрыск топлива электромагнитными форсунками. Для исключения возможности остановки двигателя при падении частоты вращения коленчатого вала до 1500…1300 мин-1 ЭБУ возобновляет подачу топлива к форсункам и дает сигнал к открытию воздушного канала регулятора холостого хода.
Датчик положения дроссельной заслонки. В системе непосредственного впрыска двигателя ЗМЗ-4062.10 применен датчик положения дроссельной заслонки, представляющий собой сдвоенный переменный резистор, выполненный на керамической подложке (рис.2.56). Датчик состоит из корпуса 1, печатной платы 6 с резисторами R1…R4 и подвижного контакта 3, установленного на поворотной площадке 2 с ограничителем 7. Площадка 2 установлена на оси 8 дроссельной заслонки. Датчик установлен на дроссельном патрубке.
Рис. 2.56. Датчик положения дроссельной заслонки: 1 — корпус датчика; 2 — поворотная площадка; 3 — подвижной контакт; 4 — штекерная колодка; 5 — штекер; 6 — печатная плата; 7 — упор поворотной площадки; 8 — ось поворотной площадки; R1…R4 — резисторы
Датчик расхода воздуха. На части двигателей ЗМЗ в качестве измерителя расхода применяется датчик абсолютного давления воздуха (рис 2.57). Он представляет собой изолированный корпус 6, входной штуцер 9 которого связан с впускным трубопроводом. Внутренняя полость датчика разделена мембраной 1. Полость под мембраной 1 соединена с входным штуцером 9. В полости 4 над мембраной — атмосферное давление. Мембрана нагружена пружиной 3, размещенной в верхней полости. На поверхность мембраны напылены кремниевые резисторы 2, к которым подводится постоянное напряжение 5 В. При изменении давления во впускном трубопроводе мембрана деформируется, что ведет к изменению сопротивления резисторов. Выходной электрический сигнал через разъем 8 подается в электронный блок управления ЭБУ. Информация датчика давления необходима в ЭБУ для определения количества воздуха, проходящего через входной трубопровод.
Рис. 2.57. Датчик абсолютного давления воздуха: 1 — мембрана; 2 — кремниевые терморезисторы; 3 — пружина мембраны; 4 — полость над мембраной; 5 — схема усиления; 6 — изолированный корпус; 7 — разъем; 8 — выводы; 9 — входной штуцер; 10 — полость под мембраной (рабочая полость датчика)
Кроме рассмотренного выше датчика давления в качестве расходомера воздуха на двигателях ЗМЗ-4062.10 может применяться термоанемометрический датчик (рис. 2.58). В этом случае в поток воздуха помещена платиновая нить, через которую из электронного модуля пропускается постоянный ток. Поток воздуха постоянно охлаждает нагретую током нить, увеличение потока воздуха вызывает ее большее охлаждение. В цепь питания нити включен термокомпенсационный резистор. Электронный модуль поддерживает постоянную температуру нагрева нити на постоянном уровне, увеличение тока для поддержания постоянной температуры нити характеризует степень увеличения расхода воздуха. Термоанемометрический датчик отличается от датчика абсолютного давления повышенной точностью измерения расхода воздуха и быстродействием. Недостатком таких датчиков является возможность загрязнения нити инородными частицами. Для очистки нити она периодически нагревается током до 1000 °С.
Рис. 2.58. Термоанемометрический датчик массового расхода воздуха: 1 — воздушный патрубок; 2 — корпус электронного модуля; 3 — кронштейн крепления кольца; 4 — термокомпесационный резистор; 5 — чувствительный элемент (платиновая нить); 6 — кольцо; 7 — предохранительная сетка; 8 — стопорное кольцо; 9 — корпус датчика; 10 — винт регулировки содержание СО; 11 — крышка; 12 — колодка электрического разъема; 13 — штекер; 14 — уплотнитель; 15 — электронный модуль
Датчик температуры охлаждающей жидкости дает информацию о температурном режиме двигателя для корректировки топливоподачи. Датчик установлен в блоке цилиндров и представляет собой металлический корпус, в который вставлен полупроводниковый терморезистор. Сопротивление резистора зависит от температуры охлаждающей жидкости: с увеличением температуры это сопротивление уменьшается, что фиксируется ЭБУ.
Датчик температуры воздуха необходим для коррекции топливоподачи и угла опережения зажигания в зависимости от температуры воздуха во впускном трубопроводе. По конструкции аналогичен датчику температуры охлаждающей жидкости, но имеет другие характеристики.
Датчик детонации (рис 2.59) устанавливается на блок цилиндров в районе четвертого цилиндра, в его изолированном корпусе установлена инерционная масса 7, поджимаемая тарельчатой пружиной 6. При колебаниях датчика инерционная масса 7 воздействует на пьезоэлемент 5, деформация кристаллической решетки которого создает импульс напряжения, подаваемый на контакт в штекере 13 и затем — в ЭБУ. При возникновении детонации частота колебания инерционной массы совпадает с его собственной частотой колебаний; вырабатываемый при этом сигнал датчика воспринимается ЭБУ, который меняет угол опережения зажигания.
Рис. 2.59. Конструкция датчика детонации: 1 — штекер; 2 — изолятор; 3 — канал; 4 — корпус; 5 — гайка; 6 ,7 — упругая и инерционная шайбы; 8 — пьезоэлемент; 9 — контактная пластина
Датчик частоты вращения и угла поворота коленчатого вала. В настоящее время наибольшее распространение получили индукционные датчики. Принцип их работы заключается в формировании переменного электрического тока в обмотке неподвижного индукционного датчика при изменении магнитного потока, вызванного попеременным прохождением перед датчиком выступов и впадин вращающегося зубчатого колеса. Датчик частоты вращения коленчатого вала, примененный в двигателе ЗМЗ-4062.10, показан на рис. 2.60. Датчик установлен в приливе передней крышки цепи. В корпусе датчика 2 установлены постоянный магнит 3, сердечник 7 и обмотка катушки 1. Перед сердечником 7 с зазором 1 мм проходят зубья зубчатого колеса 8, прикрепленного к носку коленчатого вала двигателя. 58 зубьев дискового колеса и 58 равноудаленных впадин чередуются при прохождении перед сердечником через 6°. Для создания опорного импульса на дисковом колесе удалены два зуба. Вырезанные зубья определяют начальное положение коленчатого вала. При вращении коленчатого вала двигателя впадины зубчатого колеса изменяют магнитный поток в магнитопроводе датчика, вследствие чего в его обмотке с определенной частотой индуцируется переменный ток, частота колебаний которого соответствует частоте вращения коленчатого вала. Поступающие импульсы обрабатываются в блоке управления. Сначала они проходят формирователь импульсов, который формирует импульсы прямоугольной формы из поступающего сигнала. Прямоугольные импульсы затем поступают на делитель частоты. Делитель частоты преобразует частоту следования импульсов так, что независимо от числа цилиндров на рабочий цикл приходится два импульса работы форсунки. Начало импульса соответствует началу впрыска топлива форсункой. Таким образом, за один оборот коленчатого вала каждая форсунка впрыскивает топливо один раз, независимо от положения впускного клапана. При закрытом клапане топливо остается на нем, а при следующем открытии клапана сдувается воздухом в камеру сгорания. Обеспечить начало впрыска топлива на такте впуска может синхронизация процесса с использованием датчика положения распределительного вала.
Рис. 2.60. Датчик частоты вращения коленчатого вала: а — размещение датчика; б — венец; 1 — обмотка; 2 — корпус; 3 — магнит; 4 — уплотнитель; 5 — провод; 6 — кронштейн крепления; 7 — магнитный сердечник (магнитопровод); 8 — диск синхронизации
Датчик положения распределительного вала предназначен для определения верхней мертвой точки первого цилиндра при такте сжатия. В двигателе ЗМЗ-4062.10 датчик установлен в приливе головки блока цилиндров у четвертого цилиндра со стороны выпускного коллектора. На распределительном валу выпускных клапанов закреплена пластина. При прохождении пластины мимо торца датчика происходит изменение магнитного потока, вызывающее в обмотке сердечника датчика переменный электрический сигнал. Сигнал датчика, обработанный ЭБУ, позволяет синхронизировать подачу топлива в форсунки на такте впуска.
Датчик кислорода (λ-зонд) устанавливается в выпускном тракте и служит для определения содержания кислорода в отработавших газах. По содержанию остаточного кислорода в выхлопных газах можно судить о коэффициенте α избытка воздуха горючей смеси, подаваемой в цилиндры. В зарубежной практике аналогом α является λ. Отсюда термин — λ-зонд. Сигнал датчика кислорода подается в ЭБУ и при отклонении значения от нормы ЭБУ изменяет продолжительность впрыска топлива. На современных двигателях с принудительным впрыском топлива применяют циркониевые или титановые датчики. На двигателе ЗМЗ-4062.10 — циркониевый датчик (рис.2.61.а). В металлическом корпусе 1 установлен керамический чувствительный элемент в форме купола, изготовленный из двуокиси циркония. Чувствительный элемент закрыт защитным колпачком с прорезями для прохода отработавших газов к датчику. Внутренняя и внешняя поверхности чувствительного элемента покрыты платиной или ее сплавом, которые служат катализатором и токопроводящей средой. Внутренняя полость датчика контактирует с воздухом окружающей среды, наружная — обтекается отработавшими газами. Материал чувствительного элемента представляет собой твердый электролит, поэтому при обтекании датчика отработавшими газами между наружной и внутренней поверхностями чувствительного элемента возникает разность потенциалов, величина которой зависит от содержания кислорода в отработавших газах. Электрический сигнал, вырабатываемый датчиком, подается в ЭБУ для коррекции продолжительности впрыска топлива форсунками, обогащая или обедняя горючую смесь. Поскольку нормальная работа датчика возможна только при определенной температуре (300…400 °С), внутри датчика расположен нагревательный элемент, на который при холодцом состоянии датчика подается напряжение 0,45…0,5 В, являющееся опорным напряжением измерительной системы ЭБУ.
Рис. 2.61 Датчик кислорода (циркониевый): а — устройство: 1 — корпус; 2 — уплотнение; 3 — соединительный кабель; 4 — кожух; 5 — контактный стержень; 6 — твердый электролит из диоксида циркония; 7 — защитный колпачок с прорезями; б — схема размещения: 1 — электропроводное уплотнение; 2 — корпус; 3 — твердый электролит; 4, 5 — внешний и внутренний электроды; в — характеристике выходного сигнала