3.2 Режимы работы двигателя, смесеобразование и топливовоздушные смеси

Система питания служит для приготовления топливовоздушной (горючей) смеси и распределения её по цилиндрам двигателя. Система должна обеспечивать работу двигателя в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала и нагрузок (режимов).

Можно выделить следующие режимы работы: 1) режим пуска и прогрева; 2) режим холостого хода; 3) частичные нагрузки; 4) полные нагрузки; 5) переходные режимы.

Для получения оптимальных рабочих характеристик двигателя на каждом из этих режимов, горючая смесь в цилиндре должна отвечать двум основным требованиям: 1) сгорать быстро и 2) сгорать полностью. При этом, содержание вредных веществ в отработавших газах должно соответствовать общепринятым нормам токсичности.

Топливовоздушная смесь имеет качественные и количественные показатели. 

Качество смеси. Смесь должна быть хорошо перемешана и гомогенна (однородна). Однородность может быть достигнута лишь в газовых или парогазовых смесях, т.е. тогда, когда топливо полностью подвергается испарению. Улучшению испаряемости содействуют такие мероприятия как подогрев воздуха на входе во впускной коллектор (карбюратор) и распыл топлива (например, через форсунку под давлением). Процессу смесеобразования также способствует создание турбулентности и завихрений газового потока, что обеспечивается специальной конструкцией (формой) камеры сгорания и впускного тракта.

При наличии факторов ухудшающих условия испарения (например, низкая температура) качество смеси также ухудшается.

Гомогенные смеси образуются, главным образом, в двигателях с внешним смесеобразованием, работающих на лёгком топливе и с зажиганием от искры. Процесс образования смеси в таких двигателях достаточно продолжителен по времени. 

Необходимое качество смеси в дизельных двигателях достигается подачей топлива в камеру сгорания через форсунку под большим давлением в конце такта сжатия. Высокое давление впрыска (150 – 2000 бар) необходимо для преодоления компрессии, уменьшения времени подачи топлива и его дробления на мелкие капли. Специальные формы камер сгорания обеспечивают создание вихревых потоков, способствующих лучшему распределению (перемешиванию) топлива в воздушном заряде. Тем не менее, топливовоздушные смеси дизельных двигателей – гетерогенны (неоднородны) и отношение воздуха к топливу может изменяться от чистого воздуха, располагаемого за периферией струи распыла топлива, до чистого топлива в средней части этой струи. В силу конструкции и особенностей работы дизелей, смесеобразование в них продолжается и во время процесса сгорания.

Состав смеси. Горючая смесь состоит из воздуха и паров топлива, соединённых между собой в определённой пропорции. Топливовоздушная смесь, где на одну весовую часть топлива приходится 14,7 весовых частей воздуха, называется нормальной смесью или смесью, имеющей стехиометрический состав. Топливо в смеси стехиометрического состава сгорает полностью и без остатка (т.е. для сгорания одного килограмма бензина требуется примерно 14,7 килограммов воздуха). Если смесь содержит меньшую часть топлива, она называется – обеднённой смесью, если большую, то обогащённой.

Для описания состава смеси используют специальный показатель – коэффициент избытка воздуха, который обозначается буквой лямбда (λ). Коэффициент представляет собой отношение действительного количества воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, к теоретически необходимому количеству, обеспечивающему полное сгорание топлива. При стехиометрическом составе смеси λ = 1. Если λ > 1, смесь обеднённая, если λ < 1, то обогащённая. Бензиновый двигатель не может работать на смесях богаче λ = 0,5 и беднее λ = 1,3 – 1,5, при этом надёжное воспламенение смеси от электрической искры возможно лишь в диапазоне коэффициента избытка воздуха λ = 0,8 – 1,3. Конструкция дизельных двигателей определяет их способность работать на более обеднённых смесях (λ = 1,8), что необходимо для полного сгорания топлива и уменьшения выбросов сажи.

Соотношение количества топлива и воздуха оказывает существенное влияние на рабочие характеристики двигателя.

Смеси, состав которых близок к стехиометрическому,  обеспечивают работу двигателя со средними показателями мощности и экономичности.

Обеднённые смеси горят медленнее, что приводит к некоторому уменьшению давления в цилиндре. Мощность и крутящий момент двигателя также снижается. Одновременно уменьшается расход топлива и выбросы в атмосферу оксида углерода. Смеси нормального и обеднённого состава приготавливаются топливными системами для работы двигателя в режиме частичных нагрузок и устоявшихся частотах вращения коленчатого вала, т.е. тогда, когда от двигателя не требуется полная мощность.

Максимальная мощность и максимальный крутящий момент двигателя достигаются при работе на обогащённой смеси с коэффициентом λ = 0,9. Однако это сопровождается некоторым увеличением расхода топлива и концентрации в отработавших газах углеводородов, сажи и оксида углерода. Смесь обогащённого состава приготавливается системами питания для работы двигателя в режиме полных нагрузок, а также пуска, прогрева и холостого хода.

Слишком бедные и слишком богатые смеси либо вообще не воспламеняются, либо горят плохо, запуск двигателя в этом случае становится затруднённым, а работа неравномерной, мощность падает, увеличивается расход топлива. Указанные признаки являются общими признаками работы двигателя, имеющего нарушения нормального смесеобразования. Также, при работе на бедной смеси может иметь место: 1) вспышки во впускном коллекторе или диффузорах карбюратора; 2) детонация; 3) перегрев впускного коллектора; 4) увеличение концентрации окислов азота. При работе на богатой смеси может иметь место: 1) дымный выпуск чёрного цвета из глушителя; 2) «выстрелы» в глушителе; 3) повышенное отложение нагара на деталях ЦПГ, свечах зажигания и клапанах; 4) увеличение содержания оксидов углерода в отработавших газах.