2.7.1. Назначение системы, система питания двигателей с карбюратором
Система питания служит для хранения топлива, очистки топлива и воздуха, приготовления горючей смеси требуемого качества, подачи ее в цилиндры двигателя и удаления отработавших газов. В зависимости от выполняемых функций элементы системы питания можно разделить на устройства, обеспечивающие очистку и подачу воздуха, подачу топлива и его перемешивание с воздухом, а также отвод отработавших газов.
Система питания должна обеспечивать следующее: автоматически и по возможности точно дозировать топливо на всех установившихся и переходных режимах работы двигателя; качественно распыливать и перемешивать топливо воздухом с целью получения высоких экономических показателей и низкой токсичности отработавших газов; иметь малую удельную массу и конструкцию, удобную для обслуживания и стабильную в работе.
В бензиновых двигателях применяются следующие конструкции системы питания: карбюраторные и с впрыском топлива.
В карбюраторном двигателе горючая смесь готовится в специальном устройстве — карбюраторе, а процесс ее приготовления называется карбюрацией. Чтобы топливо в цилиндрах сгорало полностью с большой скоростью, выделяя при этом большое количество теплоты, оно должно пройти подготовку к сгоранию, которая заключается в том, что жидкое топливо раздробляется на мелкие капельки, интенсивно перемешивается с воздухом и и спаряется. Распыление топлива в карбюраторе происходит при попадании тонкой струи вытекающего из распылителя топлива в быстродвижущийся поток воздуха, который разбивает струю топлива на мелкие капли и таким образом смешивается с ним.
В основе работы всех автомобильных карбюраторов лежит рабочий процесс так называемого простейшего карбюратора, который имеет поплавковую 3 (рис. 2.34, а) и смесительную 9 камеры и воздушный патрубок с воздушной заслонкой 10. В поплавковой камере, соединенной через дренажное отверстие 11 с атмосферой, расположен поплавок 2 и игольчатый клапан 1. В смесительной камере расположен диффузор 8, распылитель 5 и дроссельная заслонка 6. Распылитель соединен с поплавковой камерой через жиклер 4. Воздушный патрубок карбюратора соединяется с воздухоочистителем, а смесительная камера — с впускным коллектором двигателя.
Рис. 2.34. Схема работы простейшего карбюратора:
а — устройство; б — график изменения состава топливной смеси при разных режимах работы двигателя; 1 — игольчатый клапан; 2 — поплавок; 3 — поплавковая камера; 4 — жиклер; 5 — распылитель; 6 — дроссельная заслонка для горючей смеси; 7 — впускной трубопровод; 8 — диффузор; 9 — смесительная камера; 10 — воздушная заслонка; 11 — дренажное отверстие; I — требуемая характеристика карбюратора; II — фактическая характеристика простейшего карбюратора; Ne — эффективная мощность; α — коэффициент избытка воздух
При такте впуска в цилиндре двигателя создается разрежение. Атмосферный воздух поступает в цилиндр через смесительную камеру карбюратора и впускной коллектор. Наибольшая скорость воздуха достигается в самом узком месте диффузора 8, куда выходит распылитель 5. Выходное отверстие распылителя на 2…3 мм выше уровня топлива в поплавковой камере, поэтому топливо не вытекает из распылителя при неработающем двигателе.
За счет разности давления в поплавковой камере и горловине диффузора топливо вытекает из распылителя и, попав в воздушный поток, распыливается на мелкие частицы. Одновременно топливо перемешивается с воздухом, испаряется и образует горючую смесь. Открывая или прикрывая дроссельную заслонку, можно увеличивать или уменьшать количество горючей смеси, подаваемой в цилиндры двигателя, и ее состав. Основным недостатком простейшего карбюратора является то, что он не обеспечивает условий приготовления горючей смеси требуемого состава на разных режимах работы двигателя.
При увеличении мощности (см. рис. 2.34, б, кривая II) горючая смесь, приготовляемая простейшим карбюратором, обогащается (α < 1) по мере увеличения разрежения ∆рд, т.е. с увеличением расхода воздуха. Однако согласно регулировочным характеристикам при увеличении мощности двигателя горючая смесь должна обедняться (кривая I). Отсюда следует, что простейший карбюратор не отвечает предъявляемым требованиям. Чтобы устранить недостатки простейшего карбюратора и обеспечить приготовление смеси требуемого состава (кривая I) в конструкцию карбюраторов включают дополнительные дозирующие устройства.
Для обеспечения необходимого качества состава смеси на всех режимах работы карбюраторы имеют следующие системы и дозирующие устройства с автоматическим регулированием:
• пусковую систему, обогащающую горючую смесь при пуске;
• систему холостого хода, обеспечивающую устойчивую работу двигателя на малых частотах вращения коленчатого вала;
• главную дозирующую систему, поддерживающую оптимальный состав смеси на малых и средних нагрузках;
• экономайзер с механическим приводом, обогащающий смесь при полной нагрузке;
• ускорительный насос для кратковременного обогащения смеси в момент резкого открытия дроссельной заслонки;
• экономайзер принудительного холостого хода (ЭПХХ) с электронным управлением для уменьшения удельного расхода топлива и снижения уровня токсичности отработавших газов.
Автоматическое изменение коэффициента α на частичных нагрузках в соответствии с оптимальной характеристикой карбюратора (кривая I) называют корректированием (компенсацией) состава смеси, которое осуществляется главной дозирующей системой. В большинстве современных карбюраторов главная дозирующая система работает с компенсацией состава смеси путем понижения разрежения у топливного жиклера 4 — пневматического торможения топлива. В отличие от простейшего карбюратора главная система, например, карбюратора К-90 имеет воздушные жиклеры 6 (рис. 2.35), которые сообщаются с атмосферой. Необходимая степень обеднения смеси в соответствии с оптимальной характеристикой карбюратора достигается при данной системе компенсации выбором определенного сочетания размеров главного и воздушного жиклеров.
Рис. 2.35. Карбюратор К-90:
а — устройство карбюратора; б — датчик положения дроссельных заслонок; 1 — корпус воздушной горловины; 2 — игольчатый клапан поплавка; 3 — сетчатый топливный фильтр; 4 — балансировочный канал поплавковой камеры; 5 — жиклер холостого хода; 6 — воздушный жиклер; 7 — малый диффузор; 8 — форсунка; 9 — воздушная заслонка; 10 — клапан; 11 — толкатель; 12 — поплавковая камера; 13 — поршень ускорительного насоса; 14 — шариковый обратный клапан ускорительного насоса; 15 — шариковый клапан; 16— нагнетательный игольчатый клапан; 17 — электромагнитные клапаны; 18 — регулировочный винт; 19 — прямоугольное отверстие; 20 — круглое отверстие; 21 — дроссельная заслонка; 22 — корпус смесительных камер; 23 — главный жиклер; 24 — жиклер полной мощности; 25 — кольцевая щель; 26 — поплавок; 27 — пружина; 28 — рычаг; 29, 30 — контакты датчика положения дроссельных заслонок; 31 — ось дроссельных заслонок; 32 — большой диффузор
В процессе приготовления горючей смеси большое значение имеет испаряемость топлива. Условия для испарения топлива в карбюраторе неблагоприятны: время измеряется долями секунды, температура сравнительно невысокая. Для улучшения испаряемости топлива, уменьшения неравномерности распределения смеси по цилиндрам, предотвращения конденсации и уменьшения пленкообразования применяется подогрев горючей смеси.
Приведенная на рис. 2.35, а в качестве примера система карбюратора К-90 установлена на V-образном двигателе автомобиля ЗИЛ-4314. Карбюратор двухкамерный с падающим потоком смеси, сбалансированный, имеет главную дозирующую систему с пневматическим торможением топлива. Обе смесительные камеры работают параллельно на всех режимах работы двигателя.
Каждая камера приготовляет горючую смесь для четырех цилиндров своего ряда. Поплавковый механизм, экономайзер с механическим приводом, ускорительный насос и воздушная заслонка — общие для обеих камер, система холостого хода и главные дозирующие системы — отдельные. Карбюратор состоит из трех основных частей: корпуса 1 воздушной горловины, корпуса поплавковой камеры 12 и корпуса 22 смесительных камер. Все три части соединены болтами и для уплотнения имеют прокладки.
В карбюраторах требуемые качество и количество горючей смеси автоматически изменяются в зависимости от режима работы двигателя. Это достигается согласованием работы дозирующих устройств.
Основными режимами работы двигателя являются пуск, холостой ход, частичные (малые) и средние нагрузки, неустановившийся режим (переход от частичных к полным нагрузкам) и полные нагрузки.
Припуске холодного двигателя температурный режим низкий, условия для смесеобразования неблагоприятные. Чтобы обеспечить надежный пуск, карбюратор должен приготовлять богатую смесь (α = 0,5…0,7). Обогащение смеси достигается прикрытием воздушной заслонки 9. Дроссельные заслонки 21 открыты незначительно (примерно на одну четверть). Воздушный поток, проходящий через карбюратор, слабый. Под действием возникающего в диффузорах разрежения из кольцевых щелей 25 малых диффузоров 7 происходит усиленное истечение топлива. Чтобы предотвратить переобогащение смеси при закрытой воздушной заслонке, на ней установлен автоматический клапан 10.
Прихолостом ходе температурный режим двигателя пониженный, условия для распыливания и испарения топлива неблагоприятны. Для устойчивой и бесперебойной работы двигателя карбюратор должен приготовлять обогащенную смесь (α = 0,7… 0,8). При холостом ходе дроссельная заслонка 21 прикрыта, поэтому скорость воздуха и разрежение в малых диффузорах 7 незначительны, и топливо не вытекает из кольцевых щелей 25. За дроссельными заслонками возникает большое разрежение, которое передается через прямоугольные отверстия 19 и эмульсионные каналы к жиклерам 5 холостого хода. Под действием этого разрежения топливо из поплавковой камеры поступает через главные жиклеры 23 в топливные каналы жиклеров 5 холостого хода и перемешивается с воздухом, проходящим через верхние отверстия этих жиклеров, в результате образуется эмульсия.
Образовавшаяся эмульсия поступает в смесительные камеры через регулируемые круглые отверстия 20 и дополнительно перемешивается с воздухом, поступающим через прямоугольные отверстия 19. При большем открытии дросселя прямоугольные отверстия 19 попадают в зону большого разрежения и из них так же, как и из нижних круглых отверстий 20, начинает поступать эмульсия, что способствует плавному переходу от работы системы холостого хода к работе главной дозирующей системы. Качество смеси на холостом ходу и тем самым устойчивую работу двигателя на этом режиме регулируют винтами 18. При отвертывании винта смесь обогащается, при завертывании — обедняется.
На малых и средних нагрузках от двигателя не требуется полной мощности, поэтому горючая смесь должна постепенно обедняться от α = 0,7…0,8 до α = 1,0… 1,15 при нагрузках 80…90% полной мощности.
При увеличении нагрузки дроссельную заслонку 21 постепенно открывают. Скорость воздушного потока возрастает, температурный режим двигателя повышается. Условия для распыливания и испарения топлива улучшаются. По мере открывания дроссельной заслонки возрастает скорость движения воздуха в больших 32 и малых 7 диффузорах, разрежение у прямоугольных 19 и круглых 20 отверстий уменьшается, а в зоне кольцевых щелей 25 малых диффузоров становится достаточным для вступления в работу главной дозирующей системы карбюратора. Топливо из поплавковой камеры 12 поступает через главные жиклеры 23 и жиклеры полной мощности 24. К топливу подмешивается воздух, проходящий через воздушные жиклеры 6. Через кольцевую щель 25 малых диффузоров в смесительные камеры поступает эмульсия. Шариковый клапан 15 экономайзера с механическим приводом закрыт. Карбюратор приготовляет обедненную горючую смесь.
Приполной нагрузке , когда от двигателя требуется наибольшая мощность, горючая смесь должна быть обогащенной (α = 0,8…0,9). Такая смесь сгорает с наибольшей скоростью, поэтому двигатель развивает максимальную мощность. Обогащение горючей смеси до состава при полностью или почти полностью открытой дроссельной заслонке обеспечивается вступлением в работу экономайзера с механическим приводом. При открывании дроссельной заслонки на 80…85% привод механического экономайзера открывает шариковый клапан 15, и горючая смесь, приготовляемая главной дозирующей системой, обогащается.
При переходе от частичных нагрузок к полным, что происходит при резком открывании дроссельной заслонки 21, частота вращения коленчатого вала должна быстро увеличиваться, при этом разрежение в малом диффузоре 7 карбюратора возрастает, а за дроссельной заслонкой 21 снижается, что приводит к обеднению смеси. Обеднение смеси ухудшает приемистость двигателя и может вызвать перебои в его работе. Чтобы это предотвратить, горючую смесь кратковременно обогащают ( α = 0,8…0,9) впрыском дополнительного количества топлива в смесительную камеру карбюратора с помощью ускорительного насоса (детали 8, 13, 14). Ускорительный насос вступает в работу на первой половине процесса резкого открывания дроссельной заслонки.
Для уменьшения удельного расхода топлива и снижения уровня токсичности отработавших газов в карбюраторе К-90 предусмотрены электромагнитные клапаны 17 — ЭПХХ с электронным управлением.
Система автоматического управления экономайзером имеет электронный блок управления, датчик частоты вращения коленчатого вала в виде счетчика электрических импульсов системы зажигания, датчик температуры охлаждающей жидкости, датчик положения дроссельных заслонок и два электромагнитных клапана, встроенных в каналы холостого хода карбюратора.
Система работает следующим образом. Датчики температуры охлаждающей жидкости и частоты вращения коленчатого вала постоянно посылают сигналы в блок управления. Когда педаль подачи топлива отпущена, дроссельные заслонки карбюратора полностью прикрыты, т.е. двигатель работает в режиме принудительного холостого хода (торможение двигателем), блок управления включает электромагнитные клапаны, которые перекрывают каналы системы холостого хода карбюратора. Для срабатывания электромагнитных клапанов необходимо, чтобы температура охлаждающей жидкости была выше 60 °С, а частота вращения коленчатого вала более 1000 мин-1.
При уменьшении частоты вращения коленчатого вала до минимальной или при ее увеличении после нажатия на педаль подачи топлива блок управления выключает электромагнитные клапаны, и двигатель переходит на нормальный режим работы.
При снижении нагрузки частота вращения коленчатого вала может возрасти выше допустимого, что вызывает перегрузку деталей КШМ. Для предотвращения этого в карбюратор ряда двигателей встроен специальный пневматический или пневмоцентробежный ограничитель, который связан с дроссельными заслонками.
При чрезмерном росте частоты вращения коленчатого вала этот механизм прикрывает дроссельные заслонки, поступление горючей смеси в цилиндры уменьшается, в результате чего частота вращения коленчатого вала двигателя уменьшается и не превышает расчетной величины.
В систему питания карбюраторного двигателя наряду с карбюратором 6 (рис. 2.36) входят топливный бак 1 с фильтром 11, фильтры грубой 3 и тонкой 5 очистки топлива, топливный насос 4, воздушный фильтр 7, впускной 8 и выпускной 9 коллекторы, выхлопная труба с глушителем 10.
Рис. 2.36. Система питания карбюраторного двигателя:
1 — топливный бак; 2 — указатель уровня топлива; 3 — фильтр грубой очистки; 4 — топливный насос; 5 — фильтр тонкой очистки; 6 — карбюратор; 7 — воздушный фильтр; 8 — впускной коллектор; 9 — выпускной коллектор; 10 — глушитель; 11 — фильтр топливного бака; — ► — движение топлива
Топливный бак (рис. 2.37), изготовленный из стали, размещен на кронштейнах, закрепленных на раме машины. Для увеличения жесткости в баке имеются перегородки, благодаря которым также предотвращается плескание топлива во время движения. В верхней части топливного бака имеется наливная горловина с крышкой 6, топливоприемная трубка с фильтром и краном 7, датчик 4 указателя уровня топлива, а в нижней части — сливная пробка. Для удобства заправки топлива устанавливают выдвижную горловину.
Рис. 2.37. Топливный бак:
а — устройство; б — крышка бака; 1 — фильтр-отстойник; 2 — кронштейн крепления бака; 3 — указатель уровня топлива; 4 — датчик; 5 — корпус бака; 6 — крышка горловины топливного бака; 7 — кран; 8, 14 — отверстия; 9 — корпус крышки; 10 — облицовка; 11 — пружина выпускного клапана; 12, 13— впускной и выпускной клапаны; 15 — прокладка; 16 — пружина впускного клапана; 17 — цепочка крепления пробки к горловине; —-→ — движение паров топлива; →— движение воздуха
Внутри бака необходимо поддерживать определенное давление — по мере расходования топлива в нем не должно возникать разрежение, а при испарении топлива не должно быть повышенного давления. Поэтому в крышке 6 наливной горловины топливного бака установлены клапаны — впускной 12 и выпускной 13.
Впускной клапан пропускает наружный воздух в бак при снижении давления в нем на 0,002…0,004 МПа по сравнению с атмосферным, обеспечивая бесперебойную подачу топлива в карбюратор.Выпускной клапан открывается при величине превышения атмосферного давления до 0,012 МПа. Уровень топлива в баке контролируется с помощью указателя 3 уровня топлива, установленного на щитке контрольных приборов.
Фильтр грубой очистки топлива (рис. 2.38, а) предназначен для отделения от топлива механических примесей и воды. В качестве фильтрующих элементов применяется набор тонких латунных пластин 11. Фильтр задерживает частицы размером более 0,05 мм. В нижней части скапливается вода, которая удаляется через сливное отверстие, закрытое пробкой 9. Между топливным насосом и карбюратором устанавливается фильтр тонкой очистки, в корпусе которого находится мелкопористый керамический фильтрующий элемент 19 (рис. 2.38, б). Проходя через фильтр тонкой очистки, топливо очищается от мельчайших механических примесей.
Рис. 2.38. Топливные фильтры:
а — грубой очистки; б — тонкой очистки; 1 — прокладка; 2 — корпус; 3 — стяжной болт; 4 — топливопровод от топливного бака; 5 — прокладка фильтрующего элемента; 6 — фильтрующий элемент; 7 — стойка фильтрующего элемента; 8 — отстойник; 9 — пробка сливного отверстия; 10 — выходной топливопровод; 11 — латунная пластина фильтрующего элемента; 12 — отверстия для прохода топлива; 13 — выступ; 14 — отверстия для стоек; 15 — впускное отверстие; 16 — корпус; 17 — выпускное отверстие; 18 — прокладка; 19 — фильтрующий элемент; 20 — стакан-отстойник; → — направление движения топлива
Топливный насос предназначен для подачи топлива из бака в поплавковую камеру карбюратора. Наиболее часто применяются диафрагменные насосы, приводимые в действие эксцентриком 12 (рис. 2.39) распределительного вала.
Между крышкой 5 и клапанной головкой 4 установлена диафрагма 8. Диафрагма перемещается вниз под действием штока и коромысла, а вверх — под действием пружины 10. В головке насоса и ее крышке имеются впускная и нагнетательная полости, в которых расположены впускные 3 и выпускные 7 клапаны. В специальных приливах корпуса установлен валик с рычагом 11 для ручной подкачки топлива.
Рис. 2.39. Диафрагменный топливный насос:
1 — коромысло; 2 — шток; 3 — впускные клапаны; 4 — клапанная головка; 5 — крышка; 6 — сетчатый фильтр; 7 — выпускные клапаны; 8 — диафрагма; 9 — корпус насоса; 10 — пружина; 11 — рычаг; 12— эксцентрик распределительного вала; 13 — штанга; → — направление движения топлива
При вращении распределительного вала эксцентрик 12 поднимает штангу 13 и поворачивает коромысло 1, в результате чего диафрагма 8 прогибается вниз. Над диафрагмой создается разрежение, впускные клапаны 3 открываются и топливо, проходя через сетчатый фильтр 6, заполняет полость над диафрагмой. При сбегании эксцентрика диафрагма под действием пружины 10 идет вверх и вытесняет топливо через выпускные клапаны 7 в нагнетательную полость. Впускные клапаны при этом закрываются под действием давления топлива.
Для прокачки системы питания карбюраторного двигателя и заполнения поплавковой камеры карбюратора топливом оно может подаваться вручную при помощи рычага 11.
Воздушный фильтр предназначен для очистки воздуха от механических примесей перед поступлением в цилиндры двигателя. Твердые частицы (оксиды кальция, железа, кремния) вызывают ускоренное изнашивание цилиндров, поршней и других трущихся деталей. На карбюраторных двигателях в основном применяют комбинированные воздухоочистители, сочетающие инерционный и фильтрующий способы очистки. Различают двух- и трехступенчатые воздухоочистители.
На рис. 2.40 показан воздушный фильтр двигателя автомобиля ЗИЛ-4314, обеспечивающий двухступенчатую очистку воздуха. Под действием разрежения, создаваемого двигателем, воздух поступает в корпус 8 фильтра и, двигаясь вниз, соприкасается с маслом 2. Вследствие резкого изменения направления движения происходит инерционная очистка воздуха от тяжелых частиц. При соприкосновении с маслом воздух захватывает его частицы и уносит их в фильтрующий элемент 4, где происходит очищение от мелких частиц пыли. Очищенный воздух по большому патрубку 1 поступает в карбюратор, и по малому патрубку 5 — в компрессор.
Рис. 2.40. Воздушный фильтр двигателя автомобиля ЗИЛ-4314:
1 — большой патрубок; 2 — масло; 3 — отражатель; 4 — фильтрующий элемент; 5 — малый патрубок; 6 — кольцевая щель; 7 — кольцевое окно; 8 — корпус фильтра
Впускной коллектор предназначен для подвода горючей смеси из карбюратора в цилиндры двигателя; изготовляется из чугуна или алюминиевого сплава и снабжен фланцем для крепления карбюратора. Для равномерного распределения горючей смеси впускной коллектор делается симметричным относительно карбюратора.
Выпускные трубопроводы служат для выпуска отработавших газов, расположены для V-образных двигателей по обеим сторонам блок-картера и крепятся к головкам блока шпильками.
Глушитель служит для уменьшения шума отработавших газов. Действие глушителя основано на многократном их расширении и охлаждении. Глушитель состоит из корпуса — перфорированной трубы со щелями, который разделен перегородками на три камеры. Отработавшие газы, попадая в камеры через щели в трубе, расширяются и охлаждаются, скорость движения их снижается, в результате уменьшается шум от их выпуска. При прохождении отработавших газов через глушитель снижается наполнение цилиндров свежим зарядом, что приводит к потере мощности двигателя на 5…7 %.