Система живлення (паливна система). Основні відмінності бензинових двигунів від дизельних

4.11.1 Призначення і основні частини системи живлення

Система живлення будь-якого двигуна внутрішнього згоряння слугує для приготування паливо-повітряної суміші, за рахунок згоряння якої в циліндрах двигуна виконується його робота. Паливно-повітряна суміш складається з пального й повітря, змішаних у певній пропорції.

До системи живлення бензинового двигуна входять паливний бак, паливний насос, паливний фільтр, паливопроводи, карбюратор, паливні форсунки, паливна рампа. Схематичне зображення системи живлення бензинового двигуна подано на малюнку 4.46.

Малюнок 4.46 Схема карбюраторного бензинового двигуна.

Малюнок 4.47a Схема карбюраторного бензинового двигуна.

Примітка
Максимально спрощено роботу системи живлення двигуна загалом описано далі.

Пальне з бака за допомогою насоса підводиться до карбюратора, після чого змішується в певній пропорції з повітрям, яке проходить через очисник повітря (схематично зображений на мал. 4.47 а). Якщо ж на двигуні встановлена система упорскування, то пальне підводиться до форсунок, які впорскують його у впускний колектор або безпосередньо в циліндр (детальніше будову і роботу системи впорскування ми розглянемо нижче). Отримана паливо-повітряна суміш подається впускним колектором у циліндри двигуна, де й згоряє. Відпрацьовані гази із циліндрів відводяться через випускний колектор і глушник.

4.11.2 Пальне для живлення бензинових двигунів

Очевидно, що для роботи бензинового двигуна необхідний бензин.

Примітка
Бензин є легким рідким пальним, світлою рідиною, яка випаровується на повітрі й легко займається.

Основними властивостями бензину є випаровуваність, теплотворність і антидетонаційна стійкість. Для пересічного обивателя остання характеристика є визначальною.

Антидетонаційна стійкість визначає можливу величину ступеня стиснення двигуна.

Примітка
Детонація — згоряння пального з такою швидкістю, що його можна сміливо називати вибухом (2000 м/с і вище проти 20-40 м/с за нормального згоряння), який відбувається за надзвичайно високих температур із різким підвищенням тиску в циліндрі. Виникає у випадках використання пального з антидетонаційною стійкістю, що не відповідає ступеню стиснення двигуна.

За детонаційного згоряння суміші у двигуні чути різкі металеві стуки і дзвін, що пояснюється ударами звукових хвиль високого тиску об стінки камер згоряння, циліндрів і днищ поршнів та виникненням вібрації в деталях. При цьому в результаті неповного згоряння пального, посиленої тепловіддачі та збільшення механічних втрат потужність і економічність двигуна різко знижуються.

Примітка
Тривала робота в умовах детонаційного згоряння може призвести не тільки до прискореного зношування деталей двигуна, а й до їх поломки або виникнення значних дефектів — тріщин і вигину деталей із подальшим їх руйнуванням.

Тому якщо під час руху з боку двигуна почали долинати постійні дзвінкі металеві звуки ударів, краще зупинитися. Інакше виникає перспектива капітального ремонту двигуна або його заміни.

Примітка
Детонацію можна усунути, зменшивши навантаження на двигун (перейшовши на більш низьку передачу) і прикривши дросельну заслінку.

Показником, що характеризує антидетонаційні властивості бензину, є його октанове число. Що більше октанове число бензину, то менше він детонує і то більший ступінь стиснення може бути прийнятним для двигуна.

Марки бензину, що продаються на ринку пального, мають свої позначення. Наприклад, А-95, де літера «А» говорить нам про те, що бензин автомобільний, а цифри після неї позначають його октанове число.

4.11.3 Сумішоутворення і склади паливо-повітряної суміші

Сумішоутворенням називають процес змішування дрібно розпорошеного пального з повітрям.

Необхідно, щоб паливо-повітряна суміш, яка готується, відповідала двом основним вимогам:

1) суміш, займаючись у циліндрі двигуна, має згоряти дуже швидко, впродовж часу, що вимірюється тисячними частками секунди, щоб забезпечити відповідний тиск газів на поршень на початку його робочого ходу;

2) бензин, що міститься в паливо-повітряній суміші, має згоряти повністю, щоб забезпечити найбільше виділення тепла і найвищу економічність роботи двигуна.

Суміш може швидко і повно згоряти за умови, що бензин із повітрям змішуються в чітко визначеній ваговій пропорції, а також що розпилення і випаровування бензину в повітрі та їх перемішування дуже ретельне.

При цьому кожна дрібна частка пального буде оточена частинками кисню в необхідній кількості, що й забезпечить одночасне швидке і повне згоряння всієї суміші.

Залежно від вагового співвідношення бензину і повітря розрізняють такі види сумішей: нормальна, збіднена, бідна, збагачена, багата.

4.11.3.a Нормальна суміш

Нормальною називається суміш, у якій на 1 кг бензину припадає приблизно 15 кг повітря. Така кількість повітря теоретично необхідна для повного згоряння палива. На цій суміші двигун працює стабільно із середніми показниками потужності й економічності.

4.11.3.b Збіднена суміш

Збідненою називається суміш, у якій є надлишок повітря проти нормальної кількості пального (приблизно 16,5 кг, а то й більше, на 1 кг).

Під час роботи на збідненій суміші потужність двигуна внаслідок уповільнення швидкості згоряння суміші дещо знижується, але економічність помітно підвищується, оскільки витрачається менша кількість пального.

4.11.3.c Бідна суміш

Бідною називається суміш зі значним надлишком повітря. Через відносно велику відстань між частинками розпорошеного в повітрі бензину бідна суміш горить повільно, і тиск газів у циліндрі двигуна знижується. Внаслідок повільного горіння суміші велика частина тепла поглинається стінками циліндрів і охолоджувальною рідиною, що викликає перегрівання двигуна. Мотор на бідній суміші працює нестійко, його потужність падає, значно зростає питома витрата пального (витрата пального на одиницю потужності).

4.11.3.d Збагачена суміш

Збагаченою називається суміш із незначним браком повітря проти нормальної кількості (близько 13 кг на 1 кг пального). Швидкість згоряння збагаченої суміші зростає, в результаті чого тиск газів у циліндрі на початок робочого ходу поршня збільшується. Тому під час роботи на збагаченій суміші двигун розвиває найбільшу потужність, але при цьому спостерігається певне підвищення витрат пального.

4.11.3.e Багата суміш

Багатою називається суміш, у якій значно менше повітря порівняно з нормальною кількістю. У такій суміші внаслідок браку кисню бензин згоряє не повністю, що викликає зниження потужності двигуна за значних витрат пального. Незгорілі частки пального у вигляді кіптяви частково відкладаються всередині циліндрів, а їх основна частина викидається у випускний трубопровід і виходить із нього у вигляді чорного диму.

Унаслідок догоряння незгорілого пального у випускному трубопроводі утворюються хлопки і постріли, що і є зовнішньою ознакою сильного збагачення суміші.

Отже, судячи з розглянутих властивостей різних складів пальної суміші, можна зробити висновок, що коли двигун за умовами роботи не повинен розвивати повну потужність (за середніх навантажень), найвигіднішою є збіднена суміш, оскільки витрати пального при цьому значно знизяться. Незначне зниження потужності двигуна під час його роботи з неповним навантаженням при цьому значення не має. За великих навантажень доцільніше працювати на збагаченій суміші, позаяк двигун при цьому розвиває найбільшу потужність. Певне збільшення витрат пального внаслідок короткочасності роботи двигуна в такому режимі не призводить до помітного збільшення загальних витрат за великий період часу.

Робота на бідній чи багатій сумішах, що викликають зниження потужності й економічності двигуна, неприпустима.

4.11.4 Найпростіший карбюратор

Усі карбюратори, навіть найсучасніші з тих, що закінчили свій вік у середині дев’яностих років ХХ століття, в основі своїй працюють за принципом, який можна описати на прикладі найпростішого карбюратора. Він і буде описаний і представлений на малюнку 4.47 б.

Малюнок 4.47b Найпростіший карбюратор.

Карбюратором називається пристрій, що забезпечує змішування бензину з повітрям у певній пропорції та ретельне розпилення бензину в повітрі.

Подивившись на малюнок 4.47 б, можна з упевненістю сказати, що нічого складного в карбюраторі справді немає! Він складається з таких частин: камери поплавця з поплавцем і голчастим клапаном, дозувального пристрою з жиклером і розпилювачем, змішувальної камери з дифузором, дросельної та повітряної заслінок. Змішувальна камера карбюратора з’єднується із впускним колектором двигуна.

Поплавцева камера слугує для підтримання постійного рівня пального в розпилювачі. За допомогою поплавця з голчастим клапаном пальне в камері й розпилювачі підтримується на постійному рівні — на 1-1,5 мм вище від нижнього кінця розпилювача. Такий рівень забезпечує легке висмоктування пального з розпилювача і запобігає витіканню з нього пального, якщо карбюратор не працює. У карбюратор, зображений на малюнку 4.47 б, пальне з паливного бака надходить самопливом завдяки всюдисущій на Землі силі тяжіння.

У момент зниження рівня пального в камері поплавець опускається і відкриває голчастий клапан, пальне починає надходити в поплавцеву камеру. Після досягнення нормального рівня пальне підніме поплавець, який за допомогою голчастого клапана перекриє його надходження в поплавцеву камеру.

4.11.4.a Розпилювач

Розпилювач слугує для подачі пального в центр дифузора, де воно розпилюється. Це тонка трубка, що входить у дифузор і сполучається через жиклер із поплавцевою камерою.

4.11.4.b Жиклер

Жиклер дозує кількість пального, що проходить до розпилювача. Він має вигляд пробки з каліброваним отвором.

Змішувальна камера слугує для змішування пального з повітрям і є коротким прямим або вигнутим патрубком, одним кінцем з’єднаним із впускним трубопроводом двигуна, а іншим — із дифузором, через який у карбюратор проходить очищене повітря.

4.11.4.c Дифузор

Дифузор забезпечує збільшення швидкості повітряного потоку у своєму центрі й створює розрідження на кінці розпилювача, що необхідне для висмоктування пального з розпилювача і ліпшого його розпилення.

Дросельною заслінкою змінюють прохідну здатність отвору для паливо-повітряної суміші й тим самим регулюють кількість цієї суміші, що надходить із карбюратора в циліндр двигуна. Відповідно до кількості суміші, що надходить у двигун, змінюється потужність двигуна і число обертів колінчастого вала.

4.11.4.d Повітряна заслінка

За допомогою повітряної заслінки можна зменшити прохідну здатність для повітря, що надходить у карбюратор, і таким чином збільшити розрідження в камері змішувача, а отже, збільшити подачу пального. Повітряну заслінку зазвичай використовують тільки під час запуску двигуна і керують нею з кабіни водія.

4.11.4.e Робота карбюратора

Тепер опишемо роботу карбюратора. За обертання колінчастого вала двигуна під час тактів впускання в його циліндрах через змішувальну камеру карбюратора проходить повітря. Усередині дифузора швидкість повітряного потоку значно зростає, і біля кінця розпилювача утворюється розрідження. При цьому пальне з розпилювача надходить у змішувальну камеру цівками, які розпорошуються на дрібні частки повітрям, що рухається з великою швидкістю. Пальне перемішується з повітрям, випаровується в ньому, і отримана паливо-повітряна суміш надходить у циліндри двигуна впускним трубопроводом.

Поплавцева камера за допомогою поплавця і голчастого клапана безперервно підтримує в розпилювачі нормальний рівень пального (не забудьте, ми описуємо найпростіший карбюратор, у якому немає додаткових пристроїв, таких як економайзер, еконостат або прискорювальний насос).

Керуючи автомобілем, водій, по суті, встановлює дросельну заслінку карбюратора в різні положення, і в циліндри двигуна надходить більша або менша кількість пальної суміші, в результаті чого досягається необхідна потужність двигуна і швидкість руху автомобіля.

4.11.5 Робочі режими двигуна і вимоги до карбюратора

У цьому розділі ми розглянемо різні режими роботи карбюратора залежно від умов роботи двигуна. Також наведемо вимоги до функцій карбюратора і побачимо, яких перетворень має зазнати конструктивно найпростіший карбюратор, щоб виконати всі поставлені перед ним завдання.

Розрізняють такі основні робочі режими двигуна:

• пуск (говорить сам за себе);
• холостий хід (режим, за якого необхідно підтримувати оберти холостого ходу, про це сказано в примітці);

Примітка
Оберти холостого ходу — це мінімальні оберти, за яких двигун може працювати стійко без навантаження. Ви запустили двигун, при цьому жодного руху і впливу на педаль газу не відбувається.

• середні навантаження (рух незавантаженою трасою / дорогою без особливих прискорень — рівномірно);
• повне навантаження (початок руху автомобіля, драг-рейсинг і все в цьому дусі);
• швидкий перехід із середнього навантаження на повне (найчастіше в момент обгону).

Залежно від режиму необхідно не тільки подавати в циліндри двигуна різну кількість суміші, а й використовувати різні співвідношення компонентів для її отримання.

4.11.6 Пуск

При запуску двигуна в його циліндри має надходити більша кількість бензину. Це досягається шляхом сильного збагачення суміші в результаті посиленої подачі пального в змішувальну камеру карбюратора і на стінки впускного колектору.

Коли двигун запускається, розрідження, яке створюється в дифузорі карбюратора, недостатньо для того, щоб пальне почало надходити через розпилювач. Щоб створити необхідне для запуску двигуна розрідження, використовують повітряну заслінку, яку на час запуску прикривають, унаслідок чого навіть через розпилювач починає надходити необхідна кількість пального. Після того як двигун почав працювати і прогрівся, повітряну заслінку знову повністю відкривають.

4.11.7 Холостий хід

На холостому ходу для роботи потрібна невелика кількість пального, проте суміш має бути достатньо збагаченою, щоб цього вистачило для стійкої роботи двигуна.

У найпростішому карбюраторі, розрахованому на нормальну роботу з прикритою дросельною заслінкою, для роботи двигуна з малим числом обертів холостого ходу розрідження в дифузорі зменшується настільки, що пальне з розпилювача не надходить зовсім, тому вводиться система холостого ходу, яка дає двигуну змогу працювати незалежно від розрідження в дифузорі.

4.11.8 Середні навантаження

На середніх навантаженнях (від малих і до 85 % від повного навантаження) для отримання найкращих показників економічності необхідно подавати різну кількість суміші, але завжди одного виду — трохи збідненої.

Примітка
Жиклер — це схожий на болт, тільки без головки, елемент із просвердленим наскрізь отвором, розмір якого дібраний із високою точністю (його називають каліброваним).

Примітка
У найпростішому карбюраторі шляхом добору жиклера відповідного діаметра і дифузора можна отримувати суміші необхідного складу тільки за певного постійного, наприклад середнього, положення дросельної заслінки.

За подальшого відкриття заслінки суміш, яку готує карбюратор, починає збагачуватися. Відбувається це тому, що в цьому випадку значно зростає розрідження в дифузорі, внаслідок чого опір витіканню пального із жиклера стає меншим, ніж за малого розрідження в дифузорі. Тому кількість пального, що надходить у змішувальну камеру, збільшується, але не пропорційно збільшенню кількості повітря, яке туди проходить, що й веде до збагачення суміші. Якщо прикрити заслінку, суміш починає збіднюватися. Для підтримання приблизно постійного найбільш вигідного складу суміші за різної міри відкриття дросельної заслінки на середніх навантаженнях, тобто для компенсації суміші, в карбюраторі має бути встановлений спеціальний пристрій (наприклад, економайзер).

4.11.9 Повне навантаження

За повного навантаження двигуна паливо-повітряна суміш, яка подається в його циліндри, має бути збагаченою, що необхідно для отримання від двигуна максимальної потужності. Найпростіший карбюратор не забезпечує такого збагачення. Для дотримання цієї вимоги в карбюратор потрібно вбудувати спеціальний пристрій, що зветься економайзером.

За швидкого відкриття дросельної заслінки (натискання на педаль газу) необхідно подавати більше бензину, збагачуючи суміш, аби двигун швидко збільшував число обертів, підвищуючи потужність.

За швидкого відкриття дросельної заслінки в найпростішому карбюраторі у перший момент відбувається сильне збіднення суміші, в результаті чого швидкість набору двигуном обертів (прийомистість двигуна) погіршується. Пояснюється це тим, що повітря, яке має меншу щільність і добру рухомість, після відкриття заслінки відразу в значній кількості спрямовується у змішувальну камеру. Пальне внаслідок більшої щільності менш рухоме і не встигає в перший момент швидко проходити через жиклер, тому суміш збіднюється. Для підвищення прийомистості двигуна в карбюратор вбудовують спеціальний пристрій — прискорювальний насос.

Примітка
Таким чином, найпростіший карбюратор за різних режимів роботи двигуна не забезпечує живлення його паливо-повітряною сумішшю відповідного складу і має бути оснащений додатковими пристроями: для компенсації суміші, для легкого запуску двигуна, для його роботи на холостому ходу, для збагачення суміші під час повного навантаження і для поліпшення прийомистості двигуна (див. мал. 4.48).

Малюнок 4.48 Карбюратор сімейства автомобілів ВАЗ 2108/2109 «Солекс»

1 - важіль приводу прискорювального насоса; 

2 - регулювальний гвинт діафрагми пускового пристрою; 

3 - діафрагма пускового пристрою; 

4-  повітряний канал пускового пристрою; 

5 - електромагнітний запірний клапан; 

6 - паливний жиклер системи холостого ходу; 

7 - головний повітряний жиклер першої камери; 

8 - повітряний жиклер системи холостого ходу; 

9 - повітряна заслінка; 

10 - розпилювач головної дозувальної системи першої камери; 

11 - розпилювач прискорювального насоса з кульковим клапаном; 

12 - розпилювач головної дозувальної системи другої камери;

13 - розпилювач еконостата;

14 - головний повітряний жиклер другої камери; 

15 - повітряний жиклер перехідної системи другої камери; 

16 - балансувальний канал поплавцевої камери; 

17 - поплавцева камера;

18 - паливний (голчастий) клапан; 

19 - паливний зворотний штуцер із жиклером;

20 - сітчастий фільтр;

21 - паливопідвідний штуцер; 

22 - діафрагма економайзера режимів потужності;

23 - паливний жиклер економайзера режимів потужності; 

24 - кульковий клапан економайзера режимів потужності;

25 - поплавок; 

26 - паливний жиклер еконостата з трубкою; 

27 - паливний жиклер перехідної системи другої камери з трубкою; 

28 - емульсійна трубка другої камери; 

29 - головний паливний жиклер другої камери; 

30 - вихідний отвір перехідної системи другої камери; 

31 - дросельні заслінки;

32 - демпфуючий жиклер; 

33 - дросельні заслінки;

34 - щілина перехідної системи першої камери; 

35 - вихідний отвір системи холостого ходу; 

36 - блок підігріву карбюратора; 

37 - регулювальний гвинт складу якості суміші холостого ходу; 

38 - штуцер системи вентиляції картера двигуна; 

39 - штуцер відбору розрідження до вакуумного регулятора розподільника запалювання; 

40 - штуцери відбору розрідження системи рециркуляції відпрацьованих газів; 

41 - головний паливний жиклер першої камери; 

42 - емульсійна трубка першої камери; 

43 - кульковий клапан прискорювального насоса; 

44 - діафрагма прискорювального насоса; 

45 - штовхач прискорювального насоса.

4.11.10 Основні відмінності бензинових двигунів від дизельних

Найголовніша відмінність двигунів, що використовують різні види пального, полягає в тому, що паливо-повітряна суміш у бензиновому двигуні підпалюється електричним розрядом свічки, а в дизельному відбувається її самозаймання від сильно розігрітого повітря. Такти такі самі, фази зміщені відповідно до початку і кінця впорскування пального.

У сучасних дизельних двигунах пальне впорскується форсункою під великим тиском безпосередньо в циліндр. Головною умовою нормальної роботи є ретельне перемішування паливо-повітряної суміші.

Отже, перелічимо кілька кардинальних відмінностей дизельного двигуна від бензинового.

1. Запалювання паливо-повітряної суміші відбувається за рахунок сильного нагрівання стисненого в циліндрі повітря.
2. Камера згоряння розташована не в головці блока циліндрів, а в поршні (приклад вигляду такого поршня наведено в підрозділі «Поршень» розділу «Блок циліндрів і кривошипно-шатунний механізм»).
3. У системі подачі пального встановлено два паливні насоси: паливний насос низького тиску (ПННТ, або просто підкачувальний) і паливний насос високого тиску (ПНВТ), який створює у системі достатній тиск, щоб забезпечити нормальне розпилювання пального. Паливний насос високого тиску схематично показаний на малюнку 4.50.
4. Якщо встановлена система впорскування Common-Rail (будову системи показано на малюнку 4.50), то пальне насосом високого тиску нагнітається у спеціальну паливну рампу (показана на малюнку 4.49 і є трубкою). У рампі тиск за допомогою регулятора підтримується на одному рівні (близько 2000 бар або й вище), а з рампи підводиться через паливні патрубки високого тиску до паливних форсунок.

Малюнок 4.49 Система безпосереднього впорскування дизельного двигуна Common-Rail.

5. На сучасних дизельних двигунах у випускній системі встановлений сажовий фільтр.

Примітка
Саме сажа, що міститься у відпрацьованих газах дизельних двигунів, є одним із найнебезпечніших компонентів і, як стверджують учені, може призводити до утворення ракових пухлин.

6. На деяких дизельних двигунах встановлюється система подачі сечовини (так звана SCR-технологія), яка сприяє зниженню викидів шкідливих речовин (а саме оксидів азоту) під час роботи двигуна.

Малюнок 4.50 Система безпосереднього впорскування дизельного двигуна Common-Rail.

4.11.11 Пальне

На дизельних двигунах, як можна здогадатися, застосовується дизельне пальне (часто зване «важким пальним»). Його якість відображає цетанове число.

Примітка
Цетанове число — характеристика займистості дизельного пального, що визначає період затримки горіння робочої суміші, тобто свіжого заряду (проміжок часу від упорскування пального в циліндр до початку його горіння). Що вище цетанове число, то менша затримка і то більш спокійно і плавно горить паливо-повітряна суміш.

Важке пальне містить парафіни і сірку. Що більше їх у складі дизеля, то гірше, оскільки сірка знижує здатність до самозаймання, а парафіни впливають на роботу пального в умовах низьких температур навколишнього повітря. Якщо в дизелі буде високий уміст парафінів, але не буде необхідних присадок, то після ночівлі автомобіля на відкритій стоянці за температури –15 °С завести його не вдасться, оскільки пальне в патрубках перетвориться на подобу желатину або солідолу. Це, до речі, одна з причин установлення на багатьох сучасних автомобілях систем підігріву паливного фільтра і свічок розжарення передпускового підігріву