Четырех тактный двигатель, устройство и принцип работы

Принцип работы простейшего  карбюратора

Поплавковая камера

Для начала, нужно  знать, что мотор автомобиля во время  возвратно поступательного движения всасывает воздух, т.е. создает разряжение за пределами силового агрегата (как  воздушный насос).

Поэтому инженерам  пришла идея, что с помощью этого  всасывания можно с воздухом подать и бензин.

Так вот в карбюраторе  есть камера (поплавковая камера) с  бензином, где находится поплавок (полый пластмассовый шарик), к  которому прикреплена запорная игла, которая перекрывает подачу топлива  при всплытии шарика. В нем имеется  отверстие, чтобы в камере поддерживалось нормальное атмосферное давление. С  помощью бензонасоса, через сетчатый фильтр, топливо попадает именно в  эту камеру. И по мере заполнения камеры поплавок всплывает и закрывает  подачу топлива с помощью запорной иглы. С другой стороны камеры, есть распылитель (связан с поплавковой  камерой с помощью топливного жиклера), который распыляет топливо  в диффузорном пространстве. Сверху поступает воздух, который смешивается в диффузоре с бензином, разделяет его на капельки и дальше по мере открытия дроссельной заслонки идет в цилиндры.

Устройство карбюратора

Устройство и принцип  действия простейшего карбюратора

 
Рис. 2.28. Схема работы карбюратора: 1 - поплавок; 2 - игольчатый клапан; 3 ка; 5 - диффузор ; 6 - дроссельная заслонка; 7 - впускной клапан; 8 - жиклер распылитель 
Карбюратор (его можно назвать «главным поваром» двигателя) предназначен для приготовления горючей смеси. В зависимости от режимов работы двигателя карбюратор готовит ему необходимую по качеству (соотношению бензина и воздуха) и количеству топли-вовоздушную смесь. 
Карбюратор - один из самых уважаемых водителями приборов автомобиля. Рассмотрим устройство и работу элементарного карбюратора. 
Элементарный карбюратор (рис. 2.28) состоит из следующих основных частей: 
- входного патрубка; 
- смесительной камеры с диффузором; 
- дроссельной заслонки; 
- поплавковой камеры; 
- поплавка; 
- игольчатого запорного клапана с седлом; 
- топливного жиклера; 
- трубки распылителя. 
В поплавковой камере постоянный уровень топлива поддерживается поплавком, соединенным с игольчатым клапаном. По мере расходования топлива поплавок опускается, открывается игольчатый клапан и новая порция бензина вливается в топливную камеру. При достижении нормального уровня в поплавковой камере поплавок, всплывая, закрывает иглой входное отверстие и прекращает доступ бензина. Если вам это не совсем понятно, то вспомните работу бачка унитаза. Аналогичное устройство размещено и в поплавковой камере карбюратора. 
По трубке распылителя бензин из поплавковой камеры попадает в смесительную камеру, где смешивается с поступающим из входного патрубка воздухом. Уровень топлива в поплавковой камере несколько ниже кромки выходного отверстия распылителя, поэтому при неработающем двигателе топливо из поплавковой камеры не вытекает даже при наклонном положении машины. Для дозирования бензина в нижнюю часть трубки распылителя ввернут жиклер, представлявший собой пробку с калиброванным отверстием.  
Диффузор (суженный внутри короткий патрубок) служит для увеличения скорости воздушного потока в центре смесительной камеры и создания разрежения около конца распылителя (при работающем двигателе), что необходимо для высасывания топлива из топливной камеры и лучшего его распыления. Количество горючей смеси, подаваемой в цилиндры двигателя, регулируется дроссельной заслонкой, связанной с педалью «газа». Эта заслонка изменяет площадь проходного сечения за смесительной камерой. Водитель управляет заслонкой с помощью педали «газа». 
Простейший карбюратор не способен приготовлять оптимальную по составу горючую смесь на всех режимах работы двигателя. При увеличении степени открытия дроссель¬ной заслонки смесь будет обогащаться. Оптимальное же изменение состава смеси должно быть другим. Современные карбюраторы бензиновых двигателей обеспечивают создание горючей смеси, по составу близкой к оптимальной, на всех режимах работы двигателя. Они значительно отличаются от элементарного карбюратора главным образом за счет наличия дополнительных вспомогательных устройств, позволяющих на тех или иных режимах работы двигателя в той или иной степени обеднять или обогащать смесь. Различают карбюраторы с восходящим, горизонтальным и падающим потоком. Наиболее часто используют карбюраторы с падающим потоком, в которых смесь в смесительной камере движется сверху вниз. Карбюратор может иметь одну или две камеры. В последнем случае они могут устанавливаться последовательно или параллельно. Чаще всего используются двухкамерные карбюраторы с параллельным расположением камер. В общем случае современный карбюратор состоит из следующих основных устройств: главного дозирующего устройства, пускового устройства, системы холостого хода, экономайзера, ускорительного насоса, балансировочного устройства и ограничителя частоты вращения коленчатого вала. Иногда в состав карбюратора входят также эконостат и система принудительного холостого хода. Водитель, находясь в салоне автомобиля, «общается» с карбюратором не только правой ногой (нажимая на педаль «газа»), но и рукой. Обычно под панелью приборов или прямо на ней есть специальная рукоятка, которая управляет воздушной заслонкой карбюратора. Водители называют эту рукоятку «подсосом». Вытягивая ее, водитель прикрывает воздушную заслонку, сокращая доступ воздуха и увеличивая разрежение в смесительной камере карбюратора. В результате этого бензин из поплавковой камеры высасывается более интенсивно и при недостатке воздуха «готовит» для двигателя обогащенную горючую смесь. А именно такая смесь необходима для пуска холодного двигателя. О включении «подсоса» (вытягивании рукоятки на себя) просигнализирует лампа на щитке контрольно-измерительных приборов. 
По мере прогрева следует постепенно утапливать ручку «подсоса», возвращая ее в первоначальное положение. При этом вы будете приоткрывать воздушную заслонку, увеличивая доступ воздуха и обедняя горючую смесь. После прогрева утопите рукоятку «подсоса» 
до предела, открыв полностью воздушную заслонку карбюратора. При этом погаснет лампочка, сигнализирующая о прикрытии воздушной заслонки. Заметьте: движение с прогретым двигателем должно осуществляться именно с полностью открытой воздушной заслонкой. 
Степень прогрева двигателя вы можете контролировать по указателю температуры охлаждающей жидкости, расположенному на щитке приборов. При пуске холодного двигателя карбюратор должен обеспечивать создание значительно обогащенной смеси, способной воспламеняться даже при низкой температуре.

 
Рис. 2.29. Простейший карбюратор с закрытой воздушной  заслонкой: 1 - поплавок; 2 - игольчатый клапан; 3 - распылитель; 4 - воздушная заслонка; 5 - диффузор; 6 - дроссельная заслонка; 7 - впускной клапан 
 
Перед пуском воздушную заслонку карбюратора необходимо полностью закрыть, т.е. рукоятку «подсоса» следует полностью вытянуть (рис. 2.29). Во время холостого хода, когда автомобиль движется «накатом» или стоит на месте, а водитель не нажимает на педаль «газа», в цилиндры подается небольшое количество горючей смеси, но она должна быть обогащенной, чтобы двигатель работал устойчиво. Воздушная заслонка полностью открыта (рукоятка утоплена), а дроссельная заслонка закрыта (еще раз повторим: водитель не нажимает на педаль «газа»). На средних нагрузках в цилиндры нужно подавать разное количество смеси, причем она должна быть слегка обедненной, что необходимо для экономичной работы двигателя. Воздушная заслонка полностью открыта, а водитель нажатием на педаль «газа» заставляет двигатель работать на средних оборотах. При полной нагрузке (значительном, но плавном нажатии на педаль «газа») для получения наибольшей мощности двигателя необходимо готовить в карбюраторе обогащенную смесь. 
Для обеспечения хорошей приемистости двигателя, 
т.е. способности быстро увеличивать частоту вращения коленчатого вала (например, резкое нажатие на педаль «газа» для интенсивного разгона при обгоне), необходимо при быстром открытии дроссельной заслонки также подавать в цилиндры обогащенную смесь. Наиболее экономично карбюратор работает на средних нагрузках. Некоторые легковые автомобили оборудованы эконометрами - приборами, показывающими, какое количество топлива расходует в данный момент двигатель. Пользуясь такой информацией, водитель может подобрать оптимальный режим работы двигателя для конкретных условий движения. Езда рывками (резкий разгон с последующим замедлением) не только удручающе действует на пассажиров, но и увеличивает расход топлива, так как при резком нажатии на педаль «газа» двигателю (для быстрого набора оборотов и исключения провалов в работе) требуется обогащенная смесь. Это «богатство» достигается с помощью ускорительного насоса - специального устройства карбюратора, выпрыскивающего в смесительную камеру дополнительную порцию бензина (см. рис. 2.30).

 
Несколько слов о традиционных неисправностях системы питания и способах их устранения. 
Если бензин не поступает в карбюратор, то первым делом установите, есть ли он вообще в баке. Что делать, если его там нет, вы, наверное, знаете. Если бензин на месте, то преградить ему путь к карбюратору может засорение сетчатого фильтра топливозаборника или фильтра тонкой очистки, а также разрежение в топливном баке, возникающее из-за «закупорки» воздушного клапана в пробке или вентиляционной трубки бака. Зимой путь бензину может перекрыть замерзшая вода, скопившаяся в системе питания. Она тяжелее бензина (имеет большую плотность) и скапливается на дне бака, как раз там, где расположен топливозаборник. Прочистка, продувка или замена элементов, блокирующих дорогу бензину, откроет ему путь к карбюратору. Топливный бак в специальном обслуживании чаще всего не нуждается, однако следите за чистотой его пробки и воздухоотводящей трубки. Необходимость полной очистки и промывки бака может возникнуть при попадании в него воды или прочей «нечисти». В настоящее время в продаже имеются препараты, позволяющие расправиться с водой и прочими нечистотами без ручной чистки. 
Причиной «бойкота» может стать неисправность топливного насоса. Если порвалась диафрагма насоса и ее нечем заменить, бывалые водители используют вместо нее целлофан, сложенный в несколько раз. Насос может не работать и вследствие поломки пружин, рычага, заклинивания клапанов. Здесь поможет промывка, прочистка и замена вышедших из строя деталей. 
Если двигатель работает с перебоями, не развивает полной мощности, следует проверить уровень топлива в поплавковой камере. Если он в норме, то проверьте чистоту топливных и воздушных фильтров, жиклеров и каналов, а также регулировку карбюратора. Кстати, в перебоях в работе двигателя может оказаться виноват вовсе не карбюратор, а отсутствие или уменьшение зазора в контактах системы зажигания (в автомобилях с такой системой зажигания). Проверить этот зазор гораздо проще, чем снимать, разбирать, проверять, промывать и регулировать карбюратор. Не герметичность топливной системы - весьма опасная неисправность. Она возникает вследствие нарушения целостности элементов системы питания и разгерметизации соединений топливопровода. При обнаружении указанных неисправностей немедленно замените поврежденные элементы, подтяните хомуты креплений топливных шлангов. Если же в бензобаке образовалась трещина, то доехать до автомастерской вам поможет обычное мыло, которым можно замазать повреждение. 
Загрязнение воздушного фильтра повышает расход топлива и увеличивает концентрацию вредных веществ в выхлопных газах. Длительная эксплуатация автомобиля с загрязненным воздушным фильтром может привести к образованию нагара внутри цилиндров двигателя. Во избежание этого своевременно заменяйте фильтрующий элемент в сроки, установленные заводом-изготовителем. Имейте в виду, что при эксплуатации машины на пыльных трассах фильтр загрязняется гораздо быстрее. 
Нарушение регулировки карбюратора, загрязнение жиклеров и каналов не дают возможности двигателю получать необходимую горючую смесь, что незамедлительно сказывается на его работе. Признаками излишнего переобогащения топливной смеси являются: 
- повышенный расход топлива; 
- потеря мощности двигателя; 
- черный дым и хлопки из глушителя; 
- перегрев двигателя; 
- снижение вязкости масла сверх допустимого. Переобогащение возникает из-за высокого уровня топлива в поплавковой камере, увеличения отверстий жиклеров или повреждения их прокладок, засорения воздушных фильтров и жиклеров, неполного открытия воздушной заслонки карбюратора. 
Признаки излишнего переобеднения: 
- затрудненный пуск двигателя; 
- хлопки в карбюраторе; 
- перегрев и потеря мощности двигателя. 
Причинами приготовления бедной смеси может стать уменьшение подачи бензина, подсос воздуха через прокладку крепления карбюратора к впускному коллектору, засорение топливных жиклеров и увеличенное проходное сечение воздушных жиклеров. При обслуживании карбюратора его корпус очищают снаружи и внутри, продувают сжатым воздухом жиклеры и каналы, проверяют и при необходимости регулируют уровень бензина в поплавковой камере, проводят регулировку оборотов холостого хода двигателя с по¬мощью винтов, отвечающих за качество и количество топливовоздушной смеси. 
Изучив руководство по устройству и обслуживанию своего автомобиля, вы можете самостоятельно заняться промывкой и наладкой карбюратора. При этом соблюдайте все правила пожарной безопасности. Это особенно касается курильщиков. Однако лучше проводить работы с карбюратором в специальных мастерских, где имеются стенды для проверки правильности регулировки карбюратора. 
Итак, подведем промежуточный итог: карбюратор это сложное механическое устройство, смешивающее бен- 
зин с воздухом в определенных пропорциях и осуществляющее доставку подготовленной смеси к цилиндрам двигателя. Простейший карбюратор доставляет топливо пропорционально количеству воздуха, проходящего через него. Чтобы подготавливать топливовоздушную смесь для разных режимов работы двигателя, карбюратор оснащают разнообразными приспособлениями. Схема работы и основные элементы двухкамерного карбюратора показаны на рис. 2.30. Значительное количество каналов, жиклеров и механических элементов снижает надежность карбюратора. 

ТОПЛИВНЫЕ НАСОСЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Чтобы лучше понять устройство и  принцип действия топливных насосов  высокого давления, рассмотрим сначала  принципиальную схему насоса (рис. 73).

Рис. 73. Схема действия топливного насоса высокого давления

Внутри неподвижной гильзы помещен подвижной плунжер. Плунжер — это поршень, длина которого значительно превышает диаметр. Вместе эти детали —- гильза и плунжер — образуют плунжерную пару. Плунжер подобран к гильзе или притерт к ее стенкам так плотно, что утечки топлива между ними почти не происходит. Зазор между плунжером и гильзой не превышает обычно 1,5—4 мкм, что в 50—100 раз меньше диаметра волоса человека. Трубопровод, подходящий к окну А гильзы, всегда заполнен топливом. 
Проследим, как плунжер такого насоса подает топливо. Когда плунжер находится в нижнем положении, топливо через окно А заполняет пространство над плунжером (рис. 73, а). При вращении кулачкового вала привода топливного насоса кулачок набегает на ролик толкателя (рис. 73, б), плунжер начинает двигаться вверх и верхней кромкой а постепенно закрывает окно А. При этом нагнетательный клапан, прижатый к своему седлу пружиной, испытывает снизу давление топлива, вытесняемого плунжером, а сверху — усилие пружины и давление топлива, оставшегося в трубопроводе. Пока усилие на клапан, создаваемое давлением топлива, меньше усилия, создаваемого пружиной, клапан закрыт и часть топлива, не имея другого выхода, устремится из надплунжерного пространства обратно в окно 4 (см. рис. 73, б). Когда плунжер кромкой а полностью закроет окно А (рис. 73, в), вытекание топлива через него прекратится. Примерно с этого момента при продолжающемся ходе плунжера вверх начнется нагнетание: давление топлива преодолеет усилие пружины нагнетательного клапана, он откроется, и топливо будет через трубопровод поступать в форсунку до тех пор, пока плунжер не достигнет своего крайнего положения (рис. 73, г). Когда плунжер начинает двигаться вниз, прекращается подача топлива. Нагнетательный клапан под действием пружины снова садится на свое седло. Сбегая с выступа кулачка, ролик вместе с толкателем и плунжером возвращается в первоначальное положение (см. рис. 73, а). 
Если бы дизель всегда работал только на одной постоянной мощности, то рассмотренный нами топливный насос вполне удовлетворял бы требованиям работы на дизеле, так как за один ход плунжера он подает одно и тоже количество топлива, необходимое для получения нужной мощности. Количество топлива, подаваемого таким насосом, постоянно потому, что высота кулачка, а следовательно, и ход плунжера являются величинами постоянными, а начало и конец нагнетания топлива, определяемые ходом плунжера в процессе работы, как мы видим, при такой конструкции не могут быть изменены. 
Однако условия работы тепловоза, как уже указывалось, требуют, чтобы мощность дизеля могла изменяться. Дизель, как и всякий транспортный двигатель внутреннего сгорания, должен быть приспособлен к переменному режиму работы локомотива.

Рис. 74. Форма головок плужнера

Мощность дизеля зависит от количества впрыскиваемого в цилиндры топлива. Чем больше топлива поступит в цилиндр во время рабочего хода, тем большую мощность будет развивать дизель. Поэтому нужно чтобы топливный насос при необходимости позволял изменять количество топлива, подаваемого в течение одного хода плунжера в каждый из цилиндров дизеля, соответственно его нагрузке. 
В самом деле, при наибольшей мощности 2200 кВт (3000 л.с.) и максимальной частоте вращения коленчатого вала (850 об/мин) дизель 10Д100 расходует в среднем 8,25 кг топлива в минуту (495 кг в час). Очевидно, за один оборот вала (дизель двухтактный) расход топлива всеми десятью цилиндрами дизеля составит 8,25:850=0,0097 кг. 
Подача топлива в цилиндр одним насосом за один оборот вала будет в 20 раз меньше (на каждый цилиндр установлены два топливных насоса), т. е. 0,00048 кг, или 0,48 г. При минимальной подаче топлива, когда коленчатый вал делает 400 об/мин и вращается вхолостую, подача топлива одним насосом может сократиться до 0,07 г, т. е. за цикл почти в семь раз меньше, чем в первом случае (при 850 об/мин). 
Каким же образом можно изменять (регулировать) количество подаваемого топлива, не усложняя слишком конструкцию топливного насоса? Наиболее просто изменение подачи топлива в таком диапазоне решается путем изменения активного хода плунжера. Для этого конструкцию верхней части плунжера, называемую головкой, надо изменить. На некотором расстоянии от верхней кромки плунжера сделаем поперечную кольцевую выточку (рис а). Теперь как показано на рис.б, в головке плунжера прорежем и вертикальный сквозной паз. После этого часть металла головки уберем таким образом, чтобы на ней образовался специальный косой срез—со спиральной (винтовой) кромкой О. В результате головка плунжера примет вид, изображенный на рис. в. 
Если окрасить головку плунжера и катить ее по плоскости, то на ней останется след от поверхности (и кромок) плунжера.

Рис. 75. Развертка головки плужнеоа

Этот след является поверхностью цилиндра, развернутого на плоскости, или просто разверткой. Развертка рабочей поверхности  головки плунжера представляет собой  прямоугольник, один угол которого срезан. Срез соответствует спиральной кромке О и является прямой линией ей. Спиральная кромка О плунжера имеет большое значение, так как она является регулирующей. С ее помощью можно изменять количество топлива, подаваемого плунжером. Посмотрим, как это происходит. Количество подаваемого топлива зависит от положения, которое занимает регулирующая кромка О относительно окна А (рис. 76) гильзы плунжера. В самом деле, топливо начнет подаваться после того, как верхний торец плунжера перекроет окно А, а прекращение подачи соответствует моменту, когда плунжер, продолжая двигаться вверх, своей спиральной кромкой откроет это окно. Нетрудно, однако, сообразить, что если наш плунжер будет лишен возможности поворачиваться вокруг своей вертикальной оси, то кромка О никогда не сможет регулировать величину подачи топлива, так как она будет открывать окно А одним и тем же участком. Следовательно, при одном поступательном движении плунжера спиральная кромка О не решает задачи.

Рис. 76. Схемы различных положений  плунжера в гильзе

Для того чтобы изменить подачу топлива  насосом, нужно заставить плунжер  повернуться на некоторый угол так, чтобы против окна оказался другой участок головки. Задача осложняется  тем, что повернуть плунжер нужно  «на ходу», т. е. во время возвратно-поступательного  перемещения заставить плунжер  участвовать одновременно в двух разных движениях: поступательном (вверх, вниз вдоль оси В—В, рис. 76) и вращательном (вокруг оси В—В). 
Как мы уже видели, поступательное движение плунжеру насоса сообщает кулачок (см. рис. 73). Поворот же его осуществляется с помощью специального механизма через выступ (поводок) плунжера. На рис. 76 показаны различные положения плунжера, соответствующие нулевой, частичной и полной подаче топлива плунжером. 
Чтобы лучше понять, как происходит изменение количества подаваемого топлива с помощью спиральной кромки, зададим себе такой вопрос: при каком положении плунжера насос вовсе не будет подавать топливо? Мы уже знаем, что вертикальный паз соединяет надплунжерное пространство с кольцевой выточкой. Следовательно, топливо всегда заполняет не только надплунжерное пространство, но и вертикальный паз и кольцевую выточку. Если повернуть плунжер так, что вертикальный паз расположится прямо против окна А в гильзе, то, как это видно из рис. 76, а, при движении плунжера вверх топливо просто будет вытекать (перепускаться) через окно Л и ни одна капля его не попадет в нагнетательный трубопровод. 
Теперь повернем плунжер вокруг оси В—В по часовой стрелке так, чтобы окно А было изолировано от вертикального паза (рис. 76, б). В этом случае хотя в пазу и есть топливо, но попасть в окно А оно может только, пройдя через полость б, когда кромка О приоткроет окно А. Плунжер при этом поднимется на величину h1 объем вытесненного в цилиндр топлива будет равен площади поперечного сечения плунжера, умноженной на расстояние h1. Дальнейшее движение плунжера вверх происходит вхолостую, так как вытесняемое топливо перепускается через окно А. 
Если плунжер повернуть еще больше (рис. 76, в), то полезный ход его увеличится и станет равным h2. Соответственно увеличится и объем топлива, вытесненного плунжером и поданного через форсунку в цилиндр. Таким образом, каждому значению мощности дизеля соответствует определенное положение спиральной кромки О плунжера относительно окна гильзы. При увеличении мощности дизеля плунжер будет поворачиваться по часовой стрелке, и подача топлива увеличится до нужной величины. Уменьшение нагрузки будет сопровождаться поворотом плунжера в обратном направлении. Чем больше угол, на который повернется плунжер по часовой стрелке, тем позднее спиральная кромка откроет окно А, тем больше топлива будет подано плунжером за один ход и тем меньше топлива уйдет обратно через окно А. 
Итак, изменение величины подачи топлива производится поворотом плунжера. Практически для изменения подачи топлива от нуля до максимума плунжер достаточно повернуть на 1/4 оборота. 
Возникает вопрос: каким же образом производится поворот плунжера вокруг вертикальной оси В—В во время его хода?