Система питания: топливный заряд

Предложений изменить программу управления мотором пруд пруди. Наберете в поисковике заветную фразу – убедитесь. Но лишь те мастера хороши, которые могут объяснить, что при этом происходит в цилиндрах.

ПЕРВЫМ ДЕЛОМ САМОЛЕТЫ

Законы физики едины для любой техники. Но то, что в поршневом двигателе скрыто от наших глаз, в реактивном порой видно снаружи! Как-то приятель затащил меня на тренировку знаменитых «Витязей». Когда гром, всего минутой раньше сотрясавший небо и землю, постепенно затих, Толя, закурив, лукаво подмигнул: «Ну, как тебе… наша цветомузыка?».

Так шутник обозначил и неописуемую акустику двигателей АЛ-31Ф, и кинжальное пламя, изрыгаемое их форсажными камерами: у большинства двигателей пламя форсажа желто-белое, а тут – прозрачно-синее, что говорит о чистоте сгорания и меньшем расходе топлива. Непросто было в те годы добиться такой великолепной настройки! В цифровой системе управления, интеллекте двигателя осталась частичка труда моего друга, который гордился этим до последнего часа.

Вот так горит топливо и в любом первоклассном автомобильном двигателе.

ГОРИ, ГОРИ ЯСНО

Топливо может гореть по-разному. На снимках – портативная газовая горелка. Если воздух в ней максимально прикрыть, то пьезоискорка газ не зажигает. Разве что спичка… Возле сопла пламя сизое, а дальше – бело-желтое, неустойчивое, мечущееся:

Плюс черный дымок. Нет, такое нам не подойдет!

Добавляя воздуха, получаем смесь, которая отлично загорается от искры:

Голубой кинжал огня быстро нагрел докрасна стальной прут диаметром 5 мм. Но при подводе еще большего количества воздуха процесс становится неустойчивым: пламя трещит – и стремится оторваться от горелки. Худо, если погаснет, а закрыть кран (допустим, на вашей кухне) некому… Поняли, как важна устойчивость горения?

В цилиндрах действуют те же принципы. Для сгорания бензина, солярки, газа и т. п. тоже необходим кислород воздуха. Легкость воспламенения бензина зависит от притока окислителя и соотношения масс этих компонентов. Если оно близко к 14,7:1, смесь называют стехиометрической – воздуха ровно столько, сколько нужно для полного сгорания бензина. Отклонения от этого идеала для удобства оценивают коэффициентом избытка воздуха λ. В нашем примере λ = 1. Еcли λ больше единицы, смесь называют бедной, меньше – богатой.

Теоретически, при полном сгорании бензина отработавшие газы должны содержать два продукта реакций – углекислый газ СО2 (13,7% объема) и водяной пар H2O (13,1%). Прочее – в основном негорючий азот. Но в реальном двигателе не всё так чисто, как в теории, – есть закоулки, где процесс сгорания замедлен, из-за этого в выхлопе появляются недоокисленные соединения – до 0,7% СО и до 0,2% СН. Окись углерода CO – угарный газ, ему не хватило кислорода, чтобы стать безобидным СО2. СН – это пары топлива, углеводороды, до которых пламя вообще не добралось. А в режимах с высокими температурами может появиться около 0,1% оксидов азота NOx.

С этими скромными дозами «ядов» трехкомпонентный каталитический нейтрализатор справляется легко. Первые два дожигает, а NOx восстанавливает до безвредного азота N2.

БОГАЧ – БЕДНЯК

Если обогатить смесь до λ = 0,8…0,9, скорость сгорания будет максимальной. Обычно такая используется для получения высокой мощности. Но часть топливного заряда в цилиндре не успевает отработать, экономичность хуже, доли СО и СН растут. Мораль: зазря машину не «педалировать»!

При неисправностях смесь бывает и богаче. Например, форсунки льют, а воздуха не хватает. Мощность снижена, мотор прожорлив, в выхлопе уйма СО и СН, а вдобавок черная копоть.

Что она собой представляет? Это углерод С, полученный в ходе реакций и не окислившийся из-за нехватки кислорода. Увы, он закорачивает свечи, и несгоревшее топливо, попадая в нейтрализатор, перегревает, губит его. Поэтому система самодиагностики, решив, что в каком-либо цилиндре много пропусков воспламенения, отключает его форсунку и сигнализирует: «Проверь двигатель».

Ну а смесь, в которой окислителя так мало, что она и вовсе не горит, называют переобогащенной. Например, бензиновые пары в баке не взрываются, хотя указатель уровня топлива может искрить!

что будет, если обеднять смесь? При λ = 1,05…1,10 мотор наиболее экономичен, но с явным недобором мощности. Горение замедленное, а лишний воздух уносит в трубу немало полезной теплоты. В отработавших газах больше азота, есть и лишний кислород. При сильном обеднении смеси (в основном у двигателей с непосредственным впрыском топлива в цилиндры) быстро растут выбросы NOx. Обычный нейтрализатор с ними не справляется, нужны более сложные системы очистки.

Наконец, смесь, в которой так много воздуха, что она вовсе не воспламеняется, называют переобедненной. Бывает и такая. Если при резком открытии дросселя мотор «проваливает», значит, топливо не поспевает за воздухом. Типичная причина – забитый грязью фильтр на входе в бензонасос.

Вновь повторим: мотор не может развивать максимум мощности при минимуме расхода топлива. Наш график это подтверждает. Элементарная физика! Посему оптимальной для наиболее распространенных инжекторных двигателей считается стехиометрическая смесь. Экономичность и мощность приемлемые – и почти никакого вреда для экологии!

При одном и том же составе смеси невозможно одновременно добиться максимума мощности и минимума расхода топлива!