Процессы смесеобразования в карбюраторном двигателе

Под смесеобразованием в карбюраторном двигателе понимают комплекс взаимосвязанных процессов, имеющих место при дозировании топлива и воздуха, распыливании, испарении и перемешивании топлива с воздухом. Смесеобразование начинается в карбюраторе, продолжается во впускном тракте и заканчивается в цилиндре двигателя.

Рассмотрим основные физические процессы, имеющие место при смесеобразовании в карбюраторном двигателе, и их влияние на качество смеси, поступающей в цилиндры двигателя.

Распыливание топлива. Сразу же после выхода струи топлива (или смеси топлива с небольшим количеством воздуха, называется эмульсий) из распылителя начинается её распад в результате воздействия сил аэродинамического сопротивления, причем скорость воздуха существенно выше скорости топлива. Такой способ распыливания называют воздушным или пневматическим, так как для дробления топлива используется кинетическая энергия воздуха. На расстоянии нескольких миллиметров от отверстия распылителя струя распадается на пленки и капли разных диаметров, в дальнейшем капли могут дробиться на всё более мелкие. Улучшение распыливания увеличивает суммарную поверхность капель и способствует более быстрому их испарению. Опыты показывают, что средний диаметр капель на выходе из карбюратора ориентировочно можно считать равным около 0,1 мм.

Распыливание топлива интенсифицируется при увеличении относительной скорости обдува воздухом, и, наоборот, мелкость и однородность распыливания ухудшаются при больших значениях вязкости и коэффициента поверхностного натяжения топлива. Процесс распыливания топлива эффективно происходит и при прохождении смесью сечения между впускным клапаном и его седлом, а на частичных нагрузках – и в щели, образуемой прикрытой дроссельной заслонкой.

Образование и движение пленки топлива. Направление движения топлива на выходе его из распылителя, силы, возникающие при взаимодействии капель с потоком воздуха, а также гравитационные силы обусловливают оседание частиц на стенках главного воздушного канала карбюратора и впускного трубопровода. Растекаясь на этих стенках, капли образуют топливную пленку. При достаточно большом количестве пленки с неё потоком воздуха могут срываться капельки топлива, т.е. наблюдаются вторичные процессы образования капель. На пленку топлива воздействуют сила сцепления со стенкой, касательное усилие со стороны потока воздуха, перепад статического давления по периметру сечения, а также силы тяжести и поверхностного натяжения. В результате этих сил траектория движения пленки приобретает сложный характер. Скорость движения пленки в несколько десятков раз меньше скорости потока смеси.

Наибольшее количество пленки образуется на режимах полных нагрузок и малой частоты вращения, когда скорость потока воздуха, а, следовательно, и мелкость распыливания топлива сравнительно невелики. На этих режимах количество пленки на выходе из впускного трубопровода может доходить до 25% от общего расхода топлива. При дросселировании двигателя количество пленки во впускном трубопроводе оказывается меньше вследствие вторичного распыливания топлива около дроссельной заслонки и повышения температуры стенок трубопровода.

Испарение топлива. С поверхности капель и пленки топливо испаряется при сравнительно небольших температурах. В начальный период при встрече топлива с воздухом скорость их относительного движения может достигать 100 м/с и больше, что способствует интенсивному оттоку паров, но затрудняет передачу теплоты во встречном направлении – от воздуха к капле. По этим причинам испарение в рассматриваемый период идет в основном за счет теплоты самих капель. После разгона капель потоком испарение лимитируется теплообменом между воздухом и топливом. Капли находятся во впускной системе примерно в течение 0,005-0,5 с. За это время успевают полностью испариться лишь самые мелкие из них.

Существенную роль в общем испарении топлива играет испарение с поверхности пленки, которая интенсивно обдувается потоком. Большое значение для испарения пленки имеет теплообмен со стенками впускного тракта, поэтому впускной трубопровод обычно обогревается охлаждающей двигатель жидкостью или отработавшими газами.

В зависимости от конструкции впускного тракта и режима работы двигателя на выходе из впускного трубопровода содержание в горячей смеси топлива в виде паров, капель и пленки может соответственно составлять 60-95; 5-25 и 0-25%. Процесс испарения топлива продолжается в цилиндре во время тактов впуска и сжатия, к началу сгорания топливо практически испаряется полностью.

Неравномерность состава смеси по цилиндрам. Скорости движения воздуха и паров топлива во впускном тракте равны, а скорость капель на 2-6 м/с меньше, чем скорость воздуха. Из-за неодинакового сопротивления ветвей впускного тракта наполнение отдельных цилиндров воздухом может отличаться не более чем на 2-4%. Распределение топлива по каналам разветвленного впускного трубопровода, а значит, и по цилиндрам двигателя может характеризоваться значительно большей неравномерностью главным образом за счет неодинакового распределения пленки. Это означает, что и состав в цилиндрах будет неодинаковым.

Неравномерность состава смеси зависит от режима работы двигателя. Как уже указывалось, с ростом частоты вращения улучшается распыливание и испарение топлива, поэтому неравномерность состава смеси снижается. Смесеобразование улучшается при уменьшении нагрузки, что, в частности, выражается в уменьшении степени неравномерности состава смеси.

Различные фракции бензина выкипают в интервале температур 35-200^оС (ГОСТ 2084-77), поэтому при смесеобразовании в карбюраторном двигателе происходит фракционирование бензина, при котором в первую очередь испаряются главным образом легкие фракции, а в каплях и пленке оказываются преимущественно средние и тяжелые фракции. В результате неравномерного распределения жидкой фразы топлива в цилиндрах может оказаться не только смесь с разным но и фракционный состав топлива также может быть неодинаковым. Сказанное относится к распределению по цилиндрам присадок к бензину.

При переборке впускной системы в процессе эксплуатации карбюраторных двигателей необходимо обращать внимание на правильность взаимоположения сопрягаемых деталей (карбюратор, впускной трубопровод, головка цилиндра) и не допускать нарушений геометрических форм тракта из-за выступления уплотнительных прокладок в его сопряжениях, так как это может вызвать увеличение неравномерности состава смеси.