Азбука впрыска
Продолжение, начало см. № 45

Прежде чем начать детальное знакомство с системами управления двигателем автомобилей ВАЗ, необходимо пояснить несколько моментов, касающихся базовых принципов работы самого двигателя.

Как работают двигатели внутреннего сгорания?

Наибольшее применение в автомобилестроении нашел так называемый двигатель Отто - двигатель внутреннего сгорания с принудительным зажиганием, в котором энергия, выделяемая при сгорании топлива, превращается в механическую энергию поступательного движения поршня. В этом двигателе топливовоздушная смесь (на базе бензина или газа) приготавливается вне камеры сгорания с помощью смесеобразующих устройств. Смесь всасывается в камеру сгорания движущимся вниз поршнем. При движении поршня вверх смесь сжимается и в нужный момент поджигается. В результате сгорания топлива с выделением большого количества тепла давление в цилиндре резко повышается, и поршень с отдачей энергии через коленчатый вал снова идет вниз. После каждого сгорания отработавшие газы выводятся из цилиндра и вновь всасывается свежая топливовоздушная смесь. Такой газообмен проходит по четырехтактному принципу. Для совершения одного рабочего цикла требуется два оборота коленчатого вала. Для управления газообменом в цилиндре используются впускной и выпускной клапаны. На рис. 1 показан процесс газообмена в четырехтактном двигателе:

• первый такт - впуск - впускной клапан открыт, выпускной клапан закрыт, движущийся вниз поршень увеличивает объем цилиндра и всасывает свежую топливовоздушную смесь через открытый впускной клапан. Уже в цилиндре свежая топливовоздушная смесь смешивается с отработавшими газами, оставшимися от предыдущего цикла сгорания, образуя рабочую смесь. Сгорания рабочей смеси нет;
• второй такт - сжатие - впускной и выпускной клапаны закрыты, движущийся вверх поршень уменьшает объем в цилиндре и сжимает рабочую смесь, повышая ее температуру и давление. Степень сжатия определяется рабочим объемом цилиндра Vh и объемом камеры сгорания Vc (см. рис. 2) и в зависимости от конструкции двигателя может составлять от 7 до 13 единиц. С ростом степени сжатия увеличивается термический К.П.Д. двигателя, и топливо используется более эффективно. Перед достижением верхней мертвой точки (ВМТ) электрическая искра поджигает смесь, начиная тем самым процесс сгорания;
• третий такт - рабочий ход - впускной и выпускной клапаны закрыты. Рабочая смесь сгорает с выделением большого количества тепла, давление газов растет и движет поршень вниз. Сила давления газов от поршня передается через поршневой палец и шатун на коленчатый вал, создавая на нем крутящий момент;
• четвертый такт - выпуск - впускной клапан закрыт, выпускной клапан открыт, движущийся вверх поршень выталкивает отработавшие газы через открытый выпускной клапан. После этого цикл повторяется. В целях улучшения газообмена, наполнения и продувки цилиндров на определенный промежуток времени оба клапана остаются открытыми.

Для получения большей мощности и равномерного вращения коленчатого вала двигатели автомобилей делают многоцилиндровыми. В нашей стране (в частности, на ВАЗе) наибольшее распространение получил четырехцилиндровый двигатель, в котором за два оборота коленчатого вала получается уже не один, а четыре рабочих хода. Для равномерной и плавной работы многоцилиндрового двигателя одноименные такты в разных цилиндрах чередуются в определенной последовательности, которая называется порядком работы цилиндров. На рис. 3 условно показан четырехцилиндровый двигатель с порядком работы 1-3-4-2. В первом случае (рис. 3а) поршень первого цилиндра находится в ВМТ на такте сжатия, и смесь поджигается с помощью электрической искры. В четвертом цилиндре поршень также находится в ВМТ, но на такте выпуска. Рабочий ход происходит во втором цилиндре. Через пол-оборота коленчатого вала в ВМТ на такте сжатия придет поршень третьего цилиндра (рис. 3б), еще через пол-оборота - поршень четвертого цилиндра (рис. 3в), а затем - второго (рис. 3г). Далее процесс повторяется.

Топливовоздушная смесь

Топливовоздушная смесь приготавливается вне камеры сгорания и поступает в цилиндры на такте впуска. Для того, чтобы двигатель работал оптимально, топливо необходимо подавать в цилиндр в определенной пропорции с воздухом. Наиболее полное сгорание происходит, если смесь состоит из 14.7 частей воздуха и одной части паров бензина. Такое соотношение воздух/топливо называется стехиометрическим. Степень отклонения реального состава топливовоздушной смеси от стехиометрического определяется коэффициентом избытка воздуха (:

Если ( = 1, то реальный расход воздуха соответствует теоретической потребности.
Если ( < 1, то воздуха недостаточно для стехиометрического сгорания, топливовоздушная смесь обогащенная. В диапазоне ( = 0.95 ... 0.8 двигатель развивает свою максимальную мощность.
При ( > 1 - топливовоздушная смесь обедненная. В диапазоне ( = 1.05 ... 1.2 достигается максимальная топливная экономичность работы двигателя. При ( > 1.3 топливовоздушная смесь становится трудновоспламеняемой, двигатель начинает работать с перебоями.
На рис. 4 и 5 показаны зависимости мощности и удельного расхода топлива, а также зависимости содержания углеводородов CH, оксида углерода СО и окислов азота NOx в отработавших газах от коэффициента избытка воздуха (. Из них видно, что идеального состава смеси, при котором все факторы имели бы оптимальные значения, не существует. Так, например, для обеспечения эффективной работы каталитического нейтрализатора (т.е для максимального снижения токсичности отработавших газов) необходимо точно поддерживать стехиометрический состав топливовоздушной смеси, но при этом двигатель будет работать не оптимально с точки зрения топливной экономичности. С другой стороны, для сокращения времени прогрева нейтрализатора до рабочих температур двигатель должен поработать на обедненных смесях. Чтобы разобраться, какая же топливовоздушная смесь и при каких условиях является оптимальной для двигателя, рассмотрим его основные рабочие режимы:

• холодный пуск. При холодном пуске всасываемая топливовоздушная смесь обедняется. Это происходит в результате недостаточного перемешивания воздуха с топливом, недостаточного испарения топлива и усиленного оседания топлива на стенках впускных труб. Для компенсации этого явления и облегчения пуска холодного двигателя требуется подача дополнительного количества топлива в момент пуска (( < 1);
• послепусковая фаза. После пуска при низких температурах на короткое время требуется обогащение смеси (( < 1) путем подачи дополнительного количества топлива до тех пор, пока не повысится температура в камере сгорания и не улучшится смесеобразование в цилиндре. Дополнительно, за счет богатой смеси достигается больший крутящий момент, что способствует к переходу к нужным оборотам холостого хода;
• прогрев двигателя. За пуском и послепусковой фазой следует прогрев двигателя. В связи с тем, что при пониженных температурах смесеобразование ухудшено (например, из-за слабого перемешивания воздуха с топливом, а также образования капель топлива), во впускной трубе образуется пленка топлива, которая испаряется только при достижении высоких температур. Поэтому при пониженных температурах топливовоздушную смесь необходимо обогащать (( < 1). У двигателей, оснащенных каталитическим нейтрализатором, в диапазоне температур от + 15(С до +40(С топливовоздушная смесь обедняется (( > 1). Это делается специально для быстрого прогрева нейтрализатора до рабочих температур;
• частичные нагрузки.Для двигателей, оснащенных каталитическим нейтрализатором, при частичных нагрузках необходимо точно поддерживать стехиометрический состав топливовоздушной смеси (( = 1). Для двигателей без нейтрализатора главным критерием оптимальности топливовоздушной смеси является минимальный расход топлива (т.е. (=1.05 ... 1.2);
• полная нагрузка. При полностью открытой дроссельной заслонке двигатель должен достигать своего наибольшего крутящего момента или максимальной мощности. Для этого топливовоздушная смесь должна быть обогащенной до (=0.8 ... 0.9;
• ускорение. При быстром открытии дроссельной заслонки состав топливовоздушной смеси кратковременно обедняется вследствие ограниченной способности топлива к испарению при повышении давления во впускной трубе. Поэтому для предотвращения этого явления и достижения хороших разгонных характеристик автомобиля топливовоздушную смесь необходимо обогащать (( < 1);
• принудительный холостой ход.В этом режиме автомобиль замедляется, двигаясь по инерции. С целью экономии топлива в определенном диапазоне оборотов двигателя топливоподача может полностью прекращается;
• высотная коррекция.С ростом высоты над уровнем моря плотность воздуха падает. Это означает, что при движении в горах всасываемый в двигатель воздух имеет меньшую массу, чем на равнине. Если это явление не учитывать в расчетах, то топливовоздушная смесь будет переобогащаться, что в свою очередь приведет к проблемам с пуском двигателя, к проблемам с ездовыми качествами автомобиля, а также к повышенным расходам топлива.
  
  В следующем выпуске мы рассмотрим вопросы, связанные с задачей воспламенения топливовоздушной смеси.
  
  "Семь Верст", № 47 , 2003г.

Назад в раздел