СИСТЕМА ЖИВЛЕННЯ ДВИГУНІВ ПАЛИВОМ ТА ПОВІТРЯМ

Для більшості типів двигунів внутрішнього згоряння використовують рідке паливо, яке безпосередньо не горить. Процес згоряння може відбуватися лише за умовою змішування з повітрям та випаровування палива у необхідній пропорції і створення пальної суміші.

Суміш парів палива з повітрям називають пальною сумішею.

Для повного згоряння однієї вагової одиниці палива необхідно близько 15 вагових одиниць повітря. Останнім часом проводяться роботи по збільшенню цього співвідношення 1:30 і більше, тобто забезпечення роботи двигунів на бідних сумішах.

У бензинових інжекторних двигунах паливо підкачуючим насосом з бака поступає до фільтрів де воно очищається від механічних домішок та води і поступає до насоса високого тиску, рампи і до форсунок, або безпосередньо до насос-форсунок.

Подача палива у двигунах, які працюють на важкому паливі: Паливо з паливного баку поступає до фільтра-відстійника де воно відділяється від механічних домішок та води. Від фільтра-відстійника паливо засмоктується паливо підкачуючим насосом і по трубопроводах низького тиску через фільтр грубої та тонкої очистки подається до насоса високого тиску (насос-форсунок). Від насоса високого тиску по трубопроводах високого тиску паливо поступає до рампи, а потім до форсунок, або форсунок безпосередньо, які впорскують його у циліндри і створюють пальну суміш.

Подача повітря: Повітря засмоктується (та нагнітається у двигунах з наддуванням) при такту впуску, через повітряний фільтр у карбюратор, де створюється пальна суміш, яка по впускних трубопроводах через впускні клапани поступає у циліндри двигуна.

У двигунах з впорскуванням бензину у впускний трубо провід, повітря через повітряний фільтр поступає у впускний трубопровід, де змішується з впорскнутим паливом і далі у вигляді пальної суміші поступає у циліндри двигуна.

У бензинових двигунах з впорскуванням бензину безпосередньо у циліндри та у дизелях повітря через повітряний фільтр поступає у впускні трубопроводи і дальше через впускні клапани у циліндр двигуна.

Для покращення ефективності роботи двигуна та збільшення потужності на багатьох сучасних двигунах в системі живлення використовують елементи збільшення кількості поступаючого повітря у двигун шляхом наддування повітря.

Для цієї мети використовуються турбокомпресори, система охолодження повітря після компресора, хвильові обмінники тиску, динамічне наддування (найбільш економічне), зміну довжини впускного трубопровода.

 

Напрями розвитку систем живлення двигунів:

А). Паливом:

1. Бензинових: удосконалення конструкції, зменшення витрат палива

та оптимізація роботи за рахунок впровадження електронних систем керування робочими процесами, застосуванням інжекторних систем з безпосереднім впорскуванням палива, використанням наддуву, пошарового впорскування палива, збільшенням ступеню стискання, зменшенням витрат енергії на привод паливного обладнання, збідненням робочих сумішей тощо;

- Двигуни з карбюратором поступаються місцем більш досконалим інжекторним системам;

- Впорскування бензину одинарне моноінжекторне поступається місцем багатоточковому безпоседньому багатошаровому; Набуває широкого розповсюдження багатоточкова інжекторна акумуляторна система живлення;

- Намітилась тенденція збільшення ступеню стискання за рахунок використання більш якісного бензину та електронних автоматичних систем керування роботою системи живлення;

2. Автомобілі використовують більш дешевий у порівнянні з

бензином газ (метан, пропан та бутан, воднень, тощо).

3. У дизелях все більше застосувуються автоматичні електронні

систем керування. Звичні паливний насос і форсунки потіснені системою "Коммон рейл";, де паливо знаходиться в загальному ресівері (рампі) під постійним тиском, а доступ до форсунок йому відкривають клапани, керовані електронікою.

Проводяться роботи по впровадженню комбінованих систем живлення дизеля, які дають можливість також працювати на стисненому газі.

Сумішоутворенням дизелів здійснюється:

- Об’ємним у нерозділених камерах згоряння.

- Плівковим у напіврозділених камерах згоряння.

- Обємно-плівковим у напіврозділених камерах згоряння.

- З використанням вихрової камери та передкамери у двигунах з розділеними камерами згоряння (основної та додаткової, які з’єднуються одним або декількома каналами).

 

Б). Повітрям:

Розрізняють наддув за ступенем підвищення тиску π_к (відношенням тиску подачі пальної суміші в циліндр до тиску навколишнього середовища):

- З низьким наддуванням π_к ≤1,9, який забезпечує приріст потужності на 20…35%;

- З середнім наддуванням 1,9≤ π_к ≤2,5 який забезпечує приріст потужності на 35…50%;

- З високим наддуванням π_к> 2,5 який забезпечує приріст потужності на 50% і більше;

Наддування механічними нагнітачами:

1. Відцентровими;

2. Пластинчатими;

3. Роторними з гвинтовими лопатями;

4. Роторно-поршневими.

На автомобільних двигунах використовуються системи наддування з

низьким або середнім підвищенням тиску.

- Останнім часом у багатьох двигунах використовується наддування

повітря з використанням енергії відпрацьованих газів, двигуна, комбіноване (механічне та з використанням енергії відпрацьованих газів), хвильових коливань (динамічний та резонансний наддування) за рахунок зміни довжини впускного колектора.

- Для забезпечення подачі в циліндри необхідної маси повітря використовуються автоматичні електронні системи керування подачею повітря;

- На багатьох двигунах для охолодження повітря використовуються інтеркулери, що дає змогу збільшити масу заряду повітря, який поступає в циліндр.

 

Вимоги до сучасних двигунів:1- технічна здійсненність, потужність, надійність, необхідна сила тяги, економічність і при цьому відносна невелика вартість. З іншого боку, йому необхідно відповідати строгим екологічним вимогам, які постійно посилюються. Тільки недавно тому набули чинності вимоги Євро II,ІІІ, а нині ще строгіші Євро IV та V. Вони диктують нові технічні рішення: конструкція нового двигуна часто включає дуже дорогі системи, які не підвищують, а іноді і знижують його споживчі характеристики. Конструкторам приходиться йти на компроміси - коли на першому місці законодавчо стоять екологічні критерії.

Впускні трубопроводи змінної довжини стали звичними і їх застосовують на двигунах "Ауди", "Фольксваген", БМВ, "Опель", "Дэу" тощо.

Двигун автомобіля "Мерседес-Бенц-S500" (Євро IV) з регульованим впускним трубопроводом, трьома клапанами на циліндр, одним розподільним валом в голівці, роликовими штовхальниками і системою відключення чотирьох з восьми циліндрів при роботі з неповним навантаженням: 4966 см³; 220 кВт/299 к.с.; 460 Н(м при 3000 об/хв. Ускладнення конструкції дозволило оптимізувати крутний момент, що виключає "провали" і "підхоплення", та забезпечує рівномірну тягу в усьому діапазоні обертів.

Агрегати наддування отримали досить широке поширення не лише на дизелях, але і на бензинових моторах. А ось приводні нагнітачі так і залишилися рідкістю ("Мерседес-Бенц-CLK" і SLK, "Ягуар-XJR", деякі моделі "Дженерал моторc"). Зате турбокомпресор виступив в новій якості: так зване наддування низького тиску - це не засіб підвищення потужності, як частенько розглядають будь-яке наддування. Іншими словами, завдання не в тому, щоб спалити більше палива заради додаткових сил, а щоб дати меншій кількості згоріти з максимальною ефективністю ("Фольксваген - 1,8 Т",

Дизельний двигун "Опель-ЭКОТЕК" з неподіленою камерою згорання, чотирьохклапанною схемою газорозподілу, турбонаддувом, проміжним охолодженням і балансирними валами. "Вольво - 2, Про Т" (118 кВт/160 л.с.) і 2,5 Т (142 кВт/193 л.с.), "СААБ - 2,0 Турбо" (113 кВт/154 л.с.). Хоча своїй спортивній спеціальності турбокомпресор не забув і у цих моделей існують "заряджені" версії з "правильним" наддуванням ("Вольво-Т4" (147 кВт/200 л.с.) і Т 5 (176 кВт/240 л.с.), "СААБ - 2,0 Турбо" (136 кВт/185 л.с.). Регульований турбокомпресор двигуна БМВ з електричним управлінням.

Рядний шестициліндровий дизель БМВ (Євро III) c чотирьохклапанною схемою газорозподілу, неподіленою камерою згорання, системою уприскування "Коммон рейл", роликовими штовхальниками, регульованим турбокомпресором і проміжним охолодженням повітря (ліворуч). У системах подачі палива - невелика революція. Уперше серійні мотори з безпосереднім уприскуванням бензину в циліндр з'явилися в Європі на "Мицубиси-Каризма" в 1998 році. Цього року список таких моделей і фірм розшириться. Першим з європейців в нім виявився "Вольво", наступним, по прогнозам, буде "Фольксваген". Серійний бензиновий двигун "Мицубиси-Каризма" з безпосереднім уприскуванням (Євро III): 1834 см³; 92 кВт/125 к.с.; 174 Н(м при 3750 об/мин. Є думка, що двигуни з уприскуванням палива в циліндр (його і називають безпосереднім) дозволять досягти найкращих економічних і екологічних характеристик. По економічності "Мицубиси-Каризма" з таким двигуном вже сьогодні впритул наближається до дизелів. У транс'європейському пробігу через 12 країн автомобіль середнього класу показав середню витрату бензину 4,83 л/100 км при середній швидкості 90,47 км/год. Мінімальна витрата на одній з ділянок склала 3,69 л/100 км!. Тепер на автомобілях ("Мерседес-бенц", "Ауди", "Шевроле"), тощо заслінкою управляє електронна система, а педаль перетворилася на банальний потенціометр. Існують плани "відмінити" зовсім дросельну заслінку, замінивши регулюванням підйому впускних клапанів або (у віддаленій перспективі) їх електричним або електрогідравлічним приводом.

Регулювання фаз газорозподілу використовується у більшості сучасних двигунів "Ауди", БМВ, "Хонди", "Тойоты", тощо.

Кількість клапанів на циліндр. Чотири або п'ять клапанів на циліндр, як виявилися потрібні далеко не усім двигунам. Якщо від двигуна не потрібно особливо висока літрова потужність, то цілком можна обійтися трьома ("Мерседес-бенц", "Хендэ", "Тойота") або навіть двома клапанами (БМВ, "Фольксваген", "Мерседес - Бенц", "Форд"). Разом з ними той же "Фольксваген" успішно застосовує п'ятиклапанні двигуни, але поголовна "мода на багатоклапанность" пройшла. Адже окрім незаперечних достоїнств (висока якість продування і наповнення циліндрів), така конструкція має і "зворотну сторону"" (складність, проблеми з охолодженням голівки, збільшені втрати на тертя). Тепер, схоже, кількість клапанів вибирається не за принципом "більше, ніж у конкурента", а керуючись реальною необхідністю для конкретної моделі двигуна. Навіть у багатоклапанних голівках усі клапани часто приводяться одним розподільним валом ("Хонда", "Мерседес-бенц", "Опель") для зниження втрат на тертя. Заради цього і новинка з розряду "добре забуте старе" - роликові штовхальники клапанів.

Розвивиток в останні роки дизельних двигунів. Повсюдне поширення отримали неподілені камери згорання (безпосереднє уприскування), багатоклапанні голівки циліндрів і турбонаддув ("Мерседес-бенц", "Опель", БМВ, "Пежо").

Перший у світі дизель для легкового автомобіля з безпосереднім уприскуванням був "Фольксваген TDI" на сьогодні значно удосконалився.

Звичні паливний насос і форсунки здають позиції системі "Коммон рейл";, де паливо знаходиться в загальному ресівері (рампі) під постійним тиском, а доступ до форсунок йому відкривають клапани, керовані електронікою ("Мерседес-бенц", ФИАТ, БМВ, "Пежо", "Ситроен", "Рено"). Така система живлення двигуна з неподіленою камерою згорання дозволила, понизити шум і токсичність, практично виключити димлення.

"Коммон рейл" дозволяє досягти максимум 135 МПа, тоді як паливні насоси високого тиску - до175 МПа. Адже чим вище тиск, тим більшої тонкості распилювання палива можна добитися - на благо робочому процесу і, природно, потужностним, економічним і екологічним показникам. Концерн "Фольксваген" першим почав серійне виробництво дизелів з насос-форсунками. Це дало змогу збільшити тиск до 205 МПа – і можливо вище. Насос-форсунки, крім усього іншого, дозволять в перспективі реалізувати уприскування з урахуванням особливостей роботи кожного циліндра. Такий двигун приходить на зміну дуже економічному 1,9 TDI (81 кВт/110 к.с.), який не укладався в норми Євро III. Новий двигун ще потужніший і економічніший: 85 кВт/115 к.с., його крутитний момент більший на 50 Н/м Середня витрата палива у "Фольксвагена-Пассат 1,9 TDI" з таким двигуном 5,3 л/100 км. БМВ і "Ауди" вже випускають такі машини з шестициліндровими турбодизелями.
Система живлення "Коммон рейл"понизила рівень шуму, а для більшого комфорту пасажирів легкові дизелі нині поміщають в капсулу з шумопоглинаючих матеріалів. Застосування единої жорсткої кришки колінчастого вала збільшує жорсткість нижньої частини блоку - що понижує шум і вібрацію. Урівноважуючі вали в конструкції КШМ почали застосовувати на рядних "четвірках" - до цих пір вважалося, що неурівноваженими силами інерції другого порядку можна просто нехтували.

Двигуни з безпосереднім уприскуванням, як дизельні, так і бензинові, продовжать все більше застосовуватись. А тепер детальніше розглянемо деякі новинки, заслуговуючі великого уваги і найбільш перспективні розробки інженерів в області розвитку автомобільних двигунів внутрішнього згорання.