Смесеобразование в двигателях
В двигателях внутреннего сгорания горючая смесь требуемого состава приготавливается из топлива и воздуха в специальном устройстве (карбюратор, система впрыска), а затем подается в нужном количестве внутрь мотора. Смесь, в которой на 1 кг бензина приходится 15 кг воздуха (со стандартным содержанием кислорода), принято называть нормальной. Если быть точным, смесь бензина и воздуха в соотношении 1:14,7 называют стехиометрической. Это основные пропорции для любого двигателя, но бывают варианты.
Уменьшим поступление воздуха до 12,5 – 13 кг. Смесь обогатится (бензином) – станет мощностной, потому что, сгорая в цилиндрах наиболее быстро, создает максимальное давление на поршни, а значит высокую мощность. Правда, экономичность ухудшается на 15-20%. Если при сгорании на 1 кг бензина затрачивается от 13 до 15 кг воздуха смесь называют обогащенной, если менее 13 кг воздуха – богатой.
Дальнейшее обогащение 5-6 кг воздуха на 1 кг топлива приводит к тому, что способность смеси к воспламенению ухудшается настолько, что двигатель может остановиться. Если соотношение бензина и воздуха станет 1:5, то смесь не воспламеняется.
Если стремиться к экономичности, воздуха к смеси следует немного добавить – до 15-17 кг на 1 кг бензина. Такую смесь называют обедненной. Расход бензина становится минимальным, правда потеря мощности до 8-10% в сравнении с "мощностной". Если воздуха свыше 17 кг – смесь такого состава называют бедной. Смесь при соотношении бензина и воздуха 1:21 и более не воспламеняется.
Нельзя обеднять смесь беспредельно: когда воздуха больше 20 кг на 1 кг бензина, воспламенение от искры станет ненадежным и может прекратиться. Пока он работает на бедной смеси, нечего ждать достаточной мощности и, как ни странно, экономичности. Ведь тяговые характеристики машины ухудшаются настолько, что водитель вынужден ее "подхлестывать", переходя на пониженную передачу там, где легко ехал на высшей.
Для чего обедняют смесь?
Смесь обеднять нужно в любом случае – это экономичность и токсичность при одинаковой мощности. Топливовоздушная смесь воспламеняется от искры в некотором диапазоне концентраций. Направленным движением воздуха (зависит от формы коллектора, клапанных каналов, камеры сгорания поршня) в цилиндре и факелом впрыскиваемого топлива можно достичь локальной "богатой" смеси в районе свечи зажигания на всех режимах работы, что позволит ей надёжно воспламеняться. При этом суммарно смесь в цилиндре будет "бедной".
На некоторых режимах (х.х., низкая нагрузка) нет необходимости в большой дозе топлива. Соответственно, нет необходимости и в большом количестве воздуха. Для таких режимов могут уменьшить количество воздуха, например, не открывая один из двух впускных клапанов или сильно искажая фазы их открытия/закрытия, создавая дополнительное сопротивление на выпуске.
Обедненная горючая смесь
Обедненная горючая смесь содержит на 1 кг бензина от 15 до 17 кг воздуха. [1]
Обедненная горючая смесь содержит на 1 кг бензина от 15 до 16 5 кг воздуха. При таком составе происходит полное сгорание топлива, но скорость горения несколько уменьшается, мощность двигателя также несколько снижается, но достигается наибольшая экономия бензина. [2]
В обедненной горючей смеси содержится от 16 5 до 17 кг воздуха на 1 кг бензина. При такой смеси обеспечивается полное сгорание бензина, но скорость сгорания уменьшается и в результате этого мощность двигателя снижается. [3]
Образование обедненной горючей смеси вызывает вспышки ( хлопки) в карбюраторе, снижается развиваемая мощность и приемистость, двигатель перегревается, расход топлива возрастает. [4]
Спад, вызванный теплоотдачей обедненной горючей смеси . Таким образом, в силу изложенного, кривые изменения температуры и падающих лучистых потоков по ходу факела приобретают специфический характер и, как правило, имеют четко выраженный максимум, местоположение которого при заданных условиях охлаждения топочных газов зависит от коэффициента избытка воздуха а, реакционной способности топлива и размера частиц. [6]
Стремление повысить экономичность двигателя приводит к использованию обедненных горючих смесей , для надежного воспламенения которых требуется большая длина искрового промежутка свечи. Увеличение этого промежутка с 0 6 – 0 7 до 0 8 – 0 9 и даже до 1 0 мм также вызывает повышение пробивного напряжения. [7]
При сильном нагреве горелки и ( или) обедненной горючей смеси возможен проскок пламени в распылительную камеру со всеми вытекающими последствиями. Разработаны безопасные горелки для пламени ацетилена с воздухом и оксидом диазота. Основная идея заключается в максимальном уменьшении массы металла и площади контакта материала горелки с фронтом горения пламени. Это достигается заменой щели многочисленными отверстиями диаметром 0 7 – 2 мм в тонких выступах длиной до 20 мм. [8]
В целях некоторой экономии топлива стремятся работать на обедненных горючих смесях . Но воспламенение обедненной рабочей смеси искрой более затруднительно, и для надежной бесперебойной работы двигателя увеличивают расстояние между электродами свечи до 0 7 мм и даже до 1 мм вместо 0 5 мм. [10]
Более широкие пределы воспламеняемости газо-воздушных горючих смесей позволяют использовать обедненные горючие смеси на частичных нагрузках, что улучшает топливную экономичность двигателя. [11]
Все жиклеры подобраны так, что до развития скорости движения автомобиля 80 км / ч в карбюраторе приготовляется обедненная горючая смесь . При увеличении нагрузки двигателя и скорости автомобиля выше 80 км / ч вступает в работу вторичная смесительная камера карбюратора. Как только отверстие 40 переходной системы вторичной камеры попадает в зону разрежения, через него начинает поступать эмульсия. [12]
Детонацией называется взрывное сгорание рабочей смеси, возникающее в цилиндрах двигателя при применении бензина с малым октановым числом, обедненной горючей смеси , большом угле опережения зажигания и перегреве двигателя. Вследствие взрывного сгорания смеси резко возрастает давление газов в камере сгорания, что вызывает быстрый износ и даже поломку деталей кривошипно-шатунного механизма. Происходит разрушение подшипников и выгорание днищ поршней. При детонации рабочая смесь не сгорает полностью, что снижает мощность двигателя и вызывает появление хлопков черного дыма из глушителя. Резкое возрастание давления газов вызывает вибрацию стенок цилиндров, а также поршней, что создает звонкие металлические стуки двигателя. [13]
С переходом двигателя в другой режим регулятор поворачивает дроссельную заслонку, увеличивая или уменьшая степень ее открытия и тем самым вызывая образование обогащенной или обедненной горючей смеси . [14]
Таким образом, в корне факела имеет место быстрый подъем температуры, обусловленный интенсивным тепловыделением при горении топлива, а в хвостовой части факела – постепенный спад, вызванный теплоотдачей обедненной горючей смеси . [15]
Нормальная или теоретическая — это такая смесь, в которой на 1 кг бензина приходится 14,95 кг воздуха (округленно считается 15 кг). Теоретически определено, что для полного сгорания одного килограмма бензина требуется именно такое количество воздуха. На такой смеси двигатель работает устойчиво, расход топлива наименьший, но двигатель не может развивать наибольшую мощность. После сгорания такой смеси в отработавших газах не обнаруживается ни паров бензина, ни кислорода воздуха.
Обогащенная — это такая смесь, в которой на 1 кг бензина приходится 13. 15 кг воздуха. В такой смеси воздуха недостаточно для сгорания всего бензина и около 20 % бензина будет выбрасываться в атмосферу. Скорость сгорания обогащенной смеси возрастает, за счет этого давление газов в цилиндре к началу рабочего хода поршня увеличивается. Поэтому при работе на обогащенной смеси двигатель развивает наибольшую мощность, но экономичность снижается, так как работа сопровождается повышенным расходом топлива.
Богатой называется смесь, в которой на 1 кг бензина будет менее 13 кг воздуха. В такой смеси воздуха недостаточно и бензин сгорает не полностью, что вызывает снижение мощности двигателя при значительном расходе топлива. Часть несгоревших частиц топлива в виде копоти оседает внутри цилиндров на стенках камер сгорания, днищах поршней и головках клапанов, а остальные выбрасываются в выпускной трубопровод и через глушитель выходят в атмосферу в виде черного дыма. В результате догорания несгоревшего топлива в глушителе образуются хлопки и выстрелы, что и является внешним признаком переобогащения горючей смеси. Если на 1 кг бензина будет приходиться менее 5 кг воздуха, то такая смесь вообще не воспламенится, так как частицы топлива не окружены частицами воздуха.
Обедненной называется смесь, когда на 1 кг топлива приходится 15. 16,5 кг воздуха. При сгорании такой смеси в отработавших газах не остается паров бензина, но будут остатки несгоревшего кислорода. При работе на такой смеси двигатель не может развивать максимальной мощности вследствие замедления скорости сгорания топлива, но экономичность работы значительно повышается, так как расходуется меньшее количество топлива.
Бедной называется смесь, у которой на 1 кг бензина приходится более 16,5 кг воздуха. Из-за удаленности частиц бензина в воздухе смесь горит медленно, давление сгорающих газов в цилиндре двигателя понижается. Вследствие медленного горения смеси большая часть теплоты поглощается стенками цилиндров и окружающей их охлаждающей жидкостью, что вызывает перегрев двигателя. Двигатель на бедной смеси работает неустойчиво, мощность его падает, и сильно возрастает удельный расход топлива (расход топлива на единицу мощности). Работа на бедной смеси сопровождается обратными вспышками в карбюраторе — «чиханием», так как пламя медленно догорающей в цилиндре смеси при открытии впускного клапана перебрасывается во впускной трубопровод, воспламеняя идущую по нему свежую смесь. Если количество воздуха в смеси превышает 21 кг на 1 кг бензина, то такая смесь вообще не воспламеняется.
Итак, рассмотрение свойств различных составов горючей смеси показало:
• если двигатель по условиям работы не должен развивать полной мощности (при средних нагрузках), самой выгодной является обедненная смесь, так как расход топлива при этом значительно снижается. Получающееся при этом некоторое снижение мощности двигателя при работе его с неполной нагрузкой значения не имеет;
• при больших нагрузках целесообразно работать на обогащенной смеси, так как двигатель при этом развивает наибольшую мощность, но увеличивается расход топлива из-за неполноты его сгорания;
• работа на бедной или богатой смеси вызывает перегрев двигателя и снижение мощности и экономичности, поэтому не целесообразна.
