Бедная или богатая смесь?

Видели, как горит лужа бензина? Яркое пламя первой вспышки тотчас сменяется густым, темным дымом. А замечали — никогда лужа не горит красивым голубым пламенем, как бензиновая горелка, хороший примус или паяльная лампа, потому что после вспышки продукты сгорания мешают притоку свежего воздуха, она настолько богата топливом, что последнее горит медленно, сгорает плохо, не полностью. Не случайно в ветреную погоду любой пожар намного опасней, а при загорании в быстро движущемся поезде или автомобиле, летящем самолете некоторые элементы конструкции успевают сгореть в считанные минуты, приводя к катастрофе!

В отличие от лужи с ее неорганизованным пламенем, состав смеси, сгорающей в примусе, паяльной лампе, отопителе Запорожца, во всех двигателях внутреннего сгорания, а также газотурбинных, ракетных и так далее, регулируемый: бензин, керосин, дизельное или ракетное топливо смешивается с окислителем (кислородом воздуха, жидким кислородом, азотной кислотой и др.

) в строго определенных соотношениях.

Мы в автомобилях имеет дело с бензином и воздухом. Смесь, в которой на 1 кг паров бензина приходится 15 кг воздуха (со стандартным содержанием в нем кислорода), принято называть нормальной. Если на ней работает двигатель вашего автомобиля, его мощность достаточно высока при неплохой экономичности.

Уменьшим поступление воздуха до 12,5-13 кг. Смесь, как принято говорить, обогатится (бензином) — станет так называемой мощностной, потому что, сгорая в цилиндрах наиболее быстро, создает максимальное давление на поршни, а значит, высокую мощность. Правда, экономичность ухудшается довольно ощутимо, на 15-20% в сравнении с идеалом. Каким? Если стремиться к экономичности, воздуха к смеси следует немного добавить — до 16 кг на 1 кг бензина. Такую смесь и называют экономичной. Расход бензина становится минимальным, правда, ценой некоторых потерь мощности — до 8-10% в сравнении с мощностной. Смесь такого состава принято называть обедненной. Если при сгорании на 1 кг бензина затрачивается лишь 11-12 кг воздуха, смесь называют богатой.

Дальнейшее обогащение 5-6 кг воздуха на 1 кг топлива приводит к тому, что способность смеси к воспламенению ухудшается настолько, что двигатель вообще может остановиться.

Нельзя обеднять смесь беспредельно: когда воздуха больше 20 кг на 1 кг бензина, воспламенение от искры станет ненадежным и может вообще прекратиться. А пока он хоть как-то работает на бедной смеси, нечего ждать не только достаточной мощности, но и, как ни странно, экономичности. Ведь тяговые характеристики машины ухудшаются настолько, что водитель вынужден ее подхлестывать — например, переходя на пониженную передачу там, где вчера легко ехал на высшей.

Не каждый обладает необходимым опытом, чтобы без каких-либо приборов, просто по ощущению, правильно оценить состав смеси, поступающей в цилиндры двигателя на различных режимах работы. Правда, ему может посодействовать в этом ГАИ, остановив для проверки на СО. Тогда приобретенный таким образом опыт становится — буквально! — очень дорогим…

Положим, однако, что вы наблюдательны и своевременно заметили: в теплый летний день выхлопные газы отчетливо видны невооруженным глазом. Дым, дымок… Есть о чем подумать! Выхлопные газы исправного двигателя — по крайней мере, внешне — выглядят чистыми, прозрачными. Откуда же дым?

Основных причин две. Первая — износ деталей двигателя, о чем мы говорили неоднократно. В цилиндры проникает масло и, сгорев, создает красивый голубой шлейф за кормой и довольно неприятный запах гари в салоне. Подышав ею неделю-другую, вы поймете, что с мотором пора что-то делать: заменять детали, растачивать и т. п. Ситуация, действительно, неприятная, но никогда не путайте ее с другой — когда неполадки возникают в системе питания.

Двигатель, расходующий много масла, можно отрегулировать так, что окиси углерода (СО) в выхлопе почти не будет (хотя даже голубой дымок не пахнет французскими духами). Но серый или, еще хуже, черный дым из трубы — позор для настоящего автолюбителя! Тут — вина только ваша или того дяди, которому вы доверили регулировку карбюратора. Как мы уже говорили, это признак богатой смеси. Ни на каких режимах его быть не должно, поскольку содержание СО в выхлопе может превысить допустимое в несколько раз!

Но и это не все. На слишком богатой смеси, как было сказано, мощность мотора существенно снижается, а расход бензина увеличивается. А значит, тотчас и мнение о вас сложится как о беспомощном чайнике — ну, кому это понравится?

Казалось бы, что проще: давайте регулировать карбюратор так, чтобы смесь на любых режимах оставалась бедной — не будет ни СО, ни черного дыма! На деле не все так просто. Карбюратор, даже простейший, должен позволять двигателю приемлемо работать на самых разнообразных режимах, согласовать которые иногда трудно. Зачастую, обеспечивая работу на одном режиме, жертвуют какими-то характеристиками на другой — тем самым оптимизируют работу машины как целого. Например, холодный пуск (зимой) требует сильного обогащения смеси, при горячем же (когда двигатель достиг максимальной эксплуатационной температуры) такое обогащение, наоборот, недопустимо, — и карбюратор должен готовить смесь, соответствующую каждой из этих ситуаций. Другой пример: когда мотор не связан с колесами (передача выключена), вы имеете дело с нормальным холостым ходом двигателя.

Но если сбросить газ на высокой скорости, не разъединяя связи мотора и колес, — это тоже холостой ход, принудительный. Понятно, здесь режимы существенно различны! И снова карбюратор должен готовить то, что нужно для каждого.

Нагрузочных режимов — великое множество. Если максимальная мощность достигается при определенных условиях — скажем, полный газ при 5500 об/мин, то промежуточные значения мощности можно получить (и реализовать на ведущих колесах) по-разному: меняя обороты коленвала, степень открытия дросселей и передачу.

Не забудем и о всевозможных переходных режимах, когда меняются и скорость движения, и открытие дросселей карбюратора, наполнение цилиндров топливно-воздушной смесью, ее состав, давление, температура.

Реальная жизнь нередко преподносит сюрпризы. Трудно, наверное, поверить, что на пути из Тулы в Москву (около 200 км) обыкновенные Жигули способны почти полностью опустошить бак. Но когда хозяин-рекордсмен пустил двигатель, мы увидели тот самый, густо-черный дым из выхлопной трубы.

Мотор, понятно, троил, еле-еле работал…

Беглое ознакомление сразу выявило замечательный букет неисправностей: игольчатый клапан позволял уровню топлива повышаться как угодно; воздушный фильтр был забит жирной грязью (видно, что его не меняли давным-давно!), зажигание работало кое-как (сильно обгорели контакты прерывателя), свечи — сильно закопченные и замасленные (давно пора менять уплотнения!).

Для сегодняшнего разговора нам важны первые два факта. Не раз говорилось: из-за неисправного игольчатого клапана состав смеси может меняться произвольным образом — от нормальной до богатой и даже переобогащенной, когда мотор работает плохо или вообще останавливается. Не менее важно состояние фильтра (на него многие не обращают внимания, пока машина худо-бедно движется). Проделайте на исправном автомобиле такой опыт: когда двигатель полностью прогрет, закройте воздушную заслонку, вытянув кнопку подсоса. Смесь обогатится настолько, что мотор, как правило, перестает тянуть и глохнет (кстати, такую ошибку часто допускают неопытные водители, забывая вовремя убрать подсос).

Забитый пылью, а еще хуже — замасленный воздухоочиститель все равно, что закрытая заслонка: разрежение в диффузорах карбюратора намного больше, чем нужно для нормальной работы, поэтому истечение бензина из жиклеров резко увеличивается. Поступление же воздуха уменьшается. Вывод вам ясен — фильтр нужно вовремя заменять.

Что касается зажигания, важно понять, что при неисправной системе питания и переобогащении смеси скорость ее сгорания становится намного ниже требуемой, а характеристики центробежного и вакуумного регуляторов выбраны исходя из предположения, что карбюратор работает нормально! Для медленно горящей смеси опережение зажигания становится, таким образом, недостаточным: как при классическом позднем зажигании, еще больше падает мощность, смесь догорает в выпускной системе. Кто-то удачно сравнил мотор с хорошо сыгранным оркестром, — но здесь инструменты играют не в лад. Встречаются и другие причины переобогащения. Как правило, жиклеры первой и второй камер различаются производительностью, порой весьма сильно.

Путать их нельзя, но люди это делают — по неопытности, невнимательности. Так, в карбюраторе 2105-1107010-10 диаметры отверстий главных топливных жиклеров равны 1,09 мм для первой камеры и 1,62 мм для второй. Главные воздушные жиклеры одинаковы.

Если перепутать местами топливные жиклеры, то при работе первой камеры расход бензина окажется почти вдвое больше положенного, резко ухудшится тяговая характеристика, упадет мощность. Расход через жиклер второй камеры (если она вступит в работу) будет, наоборот, малым, а смесь — крайне бедной, что лишь усугубит падение мощности. На деле вторая камера в работу может и не вступить: плохо работающая первая просто не позволит двигателю выйти на режим, при котором включится пневмопривод второй камеры.

Итак, богатая или, хуже, переобогащенная смесь — это всегда избыток бензина или недостаток кислорода воздуха. Кстати, для старого двигателя со сниженной компрессией и повышенным давлением картерных газов, что сопровождается выбросом в полость воздухофильтра копоти и капель масла, засорение воздушных жиклеров — дело обычное!

С крайне бедными смесями мы сталкиваемся, когда по каким-либо причинам поступление бензина в карбюратор или отдельные его системы резко ухудшается, — мотор реагирует на это или провалами мощности (не тянет) или вообще глохнет при попытках дать ему даже небольшую нагрузку. Если, например, забит грязью уже упоминавшийся игольчатый клапан, возможна такая картина: пуск и работа на холостом ходу — нормальные, но тронуться с места и проехать десяток метров машина отказывается!

Если подача бензина ослаблена, но не в такой мере, возможны другие фокусы: при низких и средних нагрузках мотор работает нормально, но при попытке интенсивно разогнаться на полной мощности он вдруг проваливает — машина движется словно прыжками, пока не снизится нагрузка. В этом случае нужно искать помеху на пути бензина: забитый грязью бензофильтр, плохо работающий бензонасос, пробки грязи в топливной магистрали, включая игольчатый клапан, и т. д. Такая же картина получится, если плохо вентилируется бензобак, например, дренажная трубка засорена или смята. Знатоки иногда вот так шутят над своими приятелями! Небольшая пробочка в трубке — и ваш коллега надолго лишится покоя: машина у него не едет! Если при чистке карбюратора забудете вернуть на свои места воздушные жиклеры, смесь, понятно, станет бедной. Мотор кое-как будет работать, но прокатиться вам вряд ли позволит.[START:URL_DESC]Autoindex.ru[END:URL_DESC][START:SRC_URL]http://www.autoindex.ru/[END:SRC_URL]

Влияние состава смеси на индикаторный КПД двигателя

Автор: Юлиюс Мацкерле (Julius Mackerle) Источник: «Современный экономичный автомобиль» [1] 12076 0 Рис. 1 Допустимая степень сжатия на границе детонации для различных типов топлива и составов смеси: 1 — циклогексан; 2 — водород; 3 — изооктан; 4 — изооктан с добавкой тетраэтилсвинца 1,06 см3/дм3; 5 — метан. Зависимость степени сжатия на границе детонации от соотношения воздуха и топлива в смеси показана на рис. 1. Наименьшая степень сжатия без возникновения детонации характерна для стехиометрической или слабо обеднённой смеси. При обогащении смеси ее стойкость к детонации возрастает. Это обусловлено главным образом внутренним охлаждением при испарении большего количества топлива в сравнении с бедной смесью. Аналогичный эффект достигается добавлением в топливовоздушную смесь воды или спирта. Такой способ применяют для кратковременного увеличения мощности поршневых авиационных двигателей при взлете самолета. Однако длительная эксплуатация двигателя с добавлением в смесь воды неблагоприятно сказывается на сроках службы свечей зажигания и седел клапанов. У автомобильных двигателей с наддувом для подавления детонации также применяется впрыск воды. Увеличение детонационной стойкости у бедных смесей вызвано меньшей скоростью их горения. Однако широкое использование бедных смесей ограничено пределом их воспламеняемости. В последнее время к автомобильным двигателям предъявляются также требования, связанные с жёстким ограничением содержания в отработавших газах вредных для здоровья человека веществ. В первую очередь контролируется содержание окиси углерода CO, углеводородов CHx и окислов азота NOx. Первые два углеродосодержащих соединения возникают при неполном сгорании топлива в условиях недостатка воздуха. Эти продукты неполного сгорания можно сжечь, добавляя в отработавшие газы свежий воздух и воспламеняя образовавшуюся смесь. Окисление можно провести при помощи катализатора или на горячей поверхности. Это дополнительное сгорание в термическом реакторе очищает отработавшие газы, однако с энергетической точки зрения является потерей, увеличивающей удельный расход топлива. Рис. 2 Влияние состава смеси на индикаторный КПД ηi и среднее индикаторное давление pi. Влияние состава топливовоздушной смеси на индикаторный КПД и среднее индикаторное давление показано на рис. 2. Максимальное среднее индикаторное давление достигается при использовании богатой смеси. Этим обеспечивается хорошее использование всего количества поступившего воздуха, но в отработавших газах остается часть неиспользованного топлива. При бедных смесях полностью сгорает все топливо, но отработавшие газы содержат неиспользованный воздух. В этом случае достигается наилучшее значение индикаторного КПД, что одновременно способствует снижению содержания CO и CHx в выхлопных газах. Рис. 3 Содержание вредных веществ в отработавших газах в зависимости от состава топливовоздушной смеси α. Содержание вредных веществ в отработавших газах в зависимости от состава топливовоздушной смеси изображено на рис. 3. Больше всего окислов азота NOx образуется в случае использования стехиометрической смеси α = 1, соответствующей массовому соотношению воздух/топливо, равному 15. При максимальном значении среднего эффективного давления pe это соотношение равно 13, а при максимальном значении индикаторного КПД – 17. В обоих последних случаях NOx образуется меньше, чем при использовании стехиометрической смеси. Поэтому в зоне вблизи свечи зажигания выгодно создать смесь с соотношением воздух/топливо, равным 13, а в цилиндре – более бедную смесь с соотношением, меньшим 17, и воспрепятствовать перемешиванию этих смесей в процессе сгорания с тем, чтобы снизить образование NOx до минимума. Химические процессы при сгорании топлива в цилиндре сложны, и их подробное описание имеется в специальной литературе. На рис. 3 показан практически лишь результат их протекания. Если ранее для обеспечения максимальной мощности двигателя всегда использовалась богатая смесь, то в настоящее время из-за ограничений содержания вредных веществ в отработавших газах используются смеси стехиометрического состава. В будущем в так называемых «чистых» двигателях перейдут на использование бедных смесей. Наибольшие проблемы создают окислы азота NOx, возникающие в большом количестве при тех соотношениях топливовоздушной смеси, когда содержание CO и CHx минимально. NOx образуются при высокой температуре сгорания. Снизить эту температуру можно добавлением во всасываемый воздух инертного газа. В качестве последнего можно использовать, например, водяной пар. Однако возить и хранить емкость с водой для этих целей неудобно и непрактично, так как зимой вода замерзает. Поэтому используют газ, имеющийся в распоряжении при любых условиях, а именно – охлаждённые отработавшие газы, которые вновь направляются во впускную трубу двигателя (так называемая рециркуляция отработавших газов). Обеднение смеси, как уже говорилось выше, ограничено возможностью её воспламенения. Преодолеть этот барьер можно с помощью образования смеси, расслоённой таким образом, чтобы в зоне свечи находился некоторый объём богатой смеси, способной к легкому воспламенению, который при сгорании затем беспрепятственно воспламенит оставшуюся часть бедной смеси в цилиндре. Расслоение заряда может быть создано как в неразделённой камере сгорания, так и путем создания отдельной дополнительной камеры сгорания с богатым составом смеси. В первом случае используется большая масса неиспарившихся капель топлива и за счет сил инерции при движении двухфазного потока смеси эти капли обогащают топливом определенную часть камеры сгорания. В частности, при вращении топливовоздушного заряда вокруг оси цилиндра богатая смесь образуется на его стенках. Кроме вращения смеси и центробежной силы инерции жидких капель можно использовать также и поступательное движение потока смеси. Этот случай характерен при вытеснении заряда из зазора между поршнем и головкой цилиндра (так называемой зоны вытеснителя, служащей для улучшения антидетонационных свойств камеры сгорания) в конце хода сжатия. Капли топлива в последнем случае ускоряются потоком, выходящим из зазора, и по инерции движутся в предназначенную зону вблизи свечи зажигания. Определенное расслоение происходит также в течение такта сжатия и в условиях камер сгорания без вытеснителей за счет того, что в первой половине хода сжатия капли ускоряются потоком от перемещающегося днища поршня, а во второй половине хода по инерции попадают на стенки камеры сгорания в головке цилиндра. Смесь бедного состава выгодна как с точки зрения достижения высокого индикаторного КПД, так и для снижения образования вредных углеродосодержащих соединений, хотя её использование приводит к уменьшению удельной мощности двигателя. В настоящее время, однако, наиболее важными факторами являются экономичность эксплуатации и снижение содержания вредных веществ в отработавших газах, и поэтому наряду с работой на бедных составах смеси для компенсации снижения мощности используют более высокие степени сжатия. Возникновение детонации предупреждается при этом соответствующим опережением зажигания, что обеспечивает также более мягкое сгорание в двигателе. Последнее обновление 02.03.2012 Опубликовано 14.05.2011 Наверх Читайте также Потери на привод вспомогательного оборудования двигателя Значение потерь на привод оборудования (механизм газораспределения, масляный и топливные насосы, вентилятор и насос системы охлаждения) часто недооценивают, хотя они оказывают большое влияние на механический КПД двигателя. Пластиковый двигатель внутреннего сгорания Создание двигателя внутреннего сгорания с использованием пластмасс позволит уменьшить общую массу автомобиля, сократив тем самым расход топлива. Сноски ↺ Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль/Пер. с чешск. В. Б. Иванова; Под ред. А. Р. Бенедиктова. — М.: Машиностроение, 1987. — 320 с.: ил.//Стр. 114 — 118 (книга есть в библиотеке сайта). – Прим. icarbio.ru Комментарии

Запутался в топливных смесях

Запутался в топливных смесях?

Введение в теорию топливных смесей

Ричард В. Камм

Я постоянно удивляюсь тому, насколько невежественны многие пилоты и авиамеханики в отношении топливно-воздушных смесей, используемых в поршневых авиационных двигателях. Многие басни, которые никогда не применялись, продолжают увековечиваться неосведомленными людьми. Одним из моих наименее любимых является то, что «бедная смесь горит горячее, чем богатая смесь». Как вы должны понять к концу этой статьи, все зависит от пусковой смеси, она может гореть горячее, а может гореть холоднее.

Термины
Для начала мы должны определить несколько терминов, обычно используемых при обсуждении топливных смесей.
Соотношение воздух-топливо Соотношение воздух-топливо (выраженное количество воздуха к топливу) представляет собой весовое отношение и может быть выражено в виде числа. или десятичной дроби. Если задать объемное отношение, число для воздуха будет очень большим и будет меняться при каждом изменении плотности воздуха и, следовательно, станет бессмысленным.
Стехиометрическое соотношение воздух-топливо Это химический термин, относящийся к точной смеси воздуха и топлива для полного сгорания топлива до воды и двуокиси углерода. В процессе горения все топливо и кислород будут израсходованы. Стехиометрическая смесь относится только к характеристикам горения топлива; это не имеет ничего общего с типом системы учета топлива или двигателя. Она зависит от типа используемого топлива. Для бензина и дизельного топлива соотношение воздух-топливо составляет примерно 14,7:1 (соотношение топливо-воздух 0,067). Конструкция двигателя может изменить степень преобразования имеющегося тепла в полезную энергию, но не может изменить химические характеристики топлива. Современные автомобили часто работают в стехиометрическом диапазоне по экологическим причинам, но в самолетах он малопригоден, поскольку не обеспечивает наибольшей мощности или наибольшей экономии, однако дает самую высокую температуру головки цилиндров.

Максимальная мощность
Использование типичного авиационного двигателя с воздушным охлаждением, работающего на нормальной мощности, с дроссельной заслонкой в ​​фиксированном положении, если топливо медленно добавляется к стехиометрической смеси (0,067), добавленное топливо будет иметь охлаждающий эффект, и температура дымовых газов и головки цилиндров снизится. Если двигатель оснащен испытательной клюшкой, гребным винтом с фиксированным шагом или гребным винтом, который можно установить в положение фиксированного шага, гребной винт будет действовать как динамометр, а число оборотов двигателя будет показателем мощности. По мере обогащения смеси мощность (об/мин) будет увеличиваться до тех пор, пока не будет достигнуто соотношение F/A примерно 0,074. От 0,074 до 0,080 мощность останется относительно постоянной, хотя температуры горения продолжат снижаться. По мере дальнейшего обогащения смеси выше 0,080 мощность и температура сгорания будут снижаться. Смеси от 0,074 до 0,080 называются лучшими по мощности смесями, так как их использование приводит к наибольшей мощности при данном расходе воздуха или давлении в коллекторе. Для дальнейшего определения, 0,074 называется максимальной мощностью бережливого производства, а 0,080 — максимальной мощностью богатого продукта. Не дайте себя одурачить термином «бережливая лучшая мощность». Это богатая смесь, так как она богата стехиометрическим составом и смесь охлаждается топливом. Из-за различной конструкции индукционной системы или камеры сгорания наилучшая мощность соотношения могут немного различаться между двигателями, но они всегда сохраняют одно и то же соотношение, богатое стехиометрией.
К сожалению, в условиях уровня моря лучшая силовая смесь не может быть использована при самых высоких мощностях двигателя. Как многообразие давление увеличивается выше диапазона крейсерской мощности, сочетание теплоты сгорания и времени горения может привести к перегреву смеси и возникновению детонации. Для борьбы с этими эффектами мы обогащаем смесь до соотношения воздух/топливо примерно 0,100. Хотя это выводит смесь из диапазона наилучшей мощности, это позволяет использовать более высокое давление в коллекторе и увеличить мощность.

Наилучшая экономия
При использовании того же двигателя с воздушным охлаждением при тех же нормальных условиях мощности, как указано выше, если смесь медленно обедняется ниже 0,067, смесь становится воздушно-охлаждаемой, при этом температура смеси и мощность снижаются все более быстрыми темпами. Эта потеря мощности не обязательно является обязательством, но может быть превращена в актив. По мере обеднения смеси достигается точка, при которой достигается наибольшая мощность на единицу топлива. Эта наибольшая мощность на единицу топлива (наименьший расход топлива на лошадиную силу) называется лучшей экономичной смесью. Этот диапазон состава смеси может незначительно меняться в зависимости от оборотов и других условий, но для большого радиального двигателя он колеблется от 0,060 до 0,065 при нормальном зажигании и от 0,055 до 0,061 при опережающей искре (многие большие радиальные двигатели имели метод опережения искры для лучшего использование лучших экономичных смесей). Лучший экономичный диапазон может быть очень полезным, но его правильное использование зависит от равномерного распределения смеси по всем цилиндрам и возможности внимательно следить за условиями сгорания в цилиндре.
Равномерное распределение смеси воздуха не было серьезной проблемой для больших радиальных двигателей. В их системе впуска после прохождения дроссельной заслонки воздух поступает в центробежную крыльчатку или нагнетатель. Это повышает давление и температуру и обеспечивает равномерное распределение по впускным трубам одинаковой длины для каждого цилиндра.

Влияние конструкции двигателя
Касательно систем впуска для других типов двигателей, даже системы впуска самого простого многоцилиндрового двигателя может и обычно дает разный поток воздуха/смеси в цилиндры. Для визуального доказательства сравните точно настроенную резонансную индукционную систему современного автомобиля с автомобильной индукционной системой 25-летней давности. В этих новых автомобилях используется впрыск топлива, а их системы впуска подают только воздух, что на примере доказывает сложность обеспечения равномерного распределения воздуха. Практически невозможно, чтобы оппозитный двигатель самолета с поплавковым карбюратором мог обеспечить одинаковое распределение смеси по каждому цилиндру; поэтому эти двигатели имеют карбюраторы, которые должны быть откалиброваны для работы в максимальном диапазоне мощностей. Карбюраторы под давлением и системы впрыска топлива действительно обеспечивают некоторое улучшение, но из-за конструкции системы впуска неравномерное распределение смеси все еще остается проблемой. Теперь не надо кричать конструкторам двигателей об их небрежности, так как они должны спроектировать двигатель, который будет соответствовать капоту и системе охлаждения, разработанной производителем самолета для обеспечения минимального сопротивления. Это дает мало вариантов расположения компонентов дозирования топлива. Только представьте себе дополнительное аэродинамическое сопротивление, которое возникло бы, если бы оппозитный двигатель с резонансным двигателем автомобильного типа система индукции была установлена ​​на самолете.
Для максимального зазора винта и пилота обзор вперед, большинство оппозитных впускных коллекторов двигателя расположены под цилиндрами. Это расположение также может вызвать проблемы со смесью. Любое жидкое топливо в цилиндре падает на дно впускного патрубка и может попасть в другие цилиндры. Это одна из причин, по которой многие двигатели с впрыском топлива имеют проблемы с распределением смеси. Это неправильное распределение смеси является еще одной причиной того, что в большинстве двигателей трудно полностью обеднить смесь.
Один из разработчиков компонентов системы дозирования топлива решает проблему распределения путем изготовления жиклеров дозирования топлива разных размеров для форсунки впрыска топлива каждого цилиндра. Это означает, что шестицилиндровый двигатель с оппозитным расположением цилиндров имеет шесть различных форсунок-дозаторов топлива, каждая из которых расположена в своем цилиндре.

Регулировка по цвету топлива, а затем по крутящему моменту
Еще до Второй мировой войны бортинженеры больших трансокеанских летающих лодок переводили свои двигатели на лучшие экономичные смеси в условиях дальнего крейсерского полета. Их метод заключался в том, чтобы контролировать температуру головки цилиндров (CHT) и цвет выхлопных газов в ночное время, соответствующим образом корректируя смеси. Поскольку ТГТ относительно медленно реагирует на изменения температуры, это был утомительный процесс, особенно когда невозможно было увидеть цвет выхлопных газов двигателя.
Во время Второй мировой войны крейсерский контроль в большинстве случаев осуществлялся с использованием карт, специально подготовленных для каждой комбинации самолета и двигателя. После Второй мировой войны широко распространенными стали измерители крутящего момента, измеряющие выходной крутящий момент больших авиационных двигателей. Они использовались в качестве основного инструмента для корректировки смесей до наилучшего экономичного диапазона. Пилот или бортинженер обеднили смесь для определенного падения крутящего момента, и это дало бы наилучшую экономичную смесь.
Бедные смеси сгорают медленнее, чем богатые, поэтому некоторые двигатели были оснащены системой опережения зажигания, обычно контролируемой бортинженером, которая зажигала свечи зажигания на 10 градусов раньше, чем обычно, на такте сжатия. Это позволило получить еще более бедные смеси.

Сегодня доступно более точное управление смесью
Сегодня для самолетов общего назначения доступно несколько систем графического контроля двигателя, которые делают более точным Доступен контроль смеси. Они позволяют пилоту двигателя с впрыском топлива контролировать CHT и EGT (температуру выхлопных газов) отдельных цилиндров. Некоторые системы мониторинга очень компактны, и все состояния цилиндров отображаются на одном приборе. Они также обычно включают встроенные системы предупреждения о любых радикальных изменениях EGT или CHT..

Анализ кривых мощности
Чтобы лучше понять влияние смеси на работу двигателя, мы должны изучить кривые зависимости смеси от мощности, созданные производителями двигателей. Все эти кривые, полученные различными производителями поршневых двигателей для самолетов, показывают схожие характеристики мощности и температуры. Используемая таблица (стр. 12) опубликована Textron Lycoming (Lycoming Flyer Key Reprints 1996 p-37 или Lycoming Service Instruction No. 1094D). Он показывает влияние наклона на двигатель, работающий при постоянных оборотах двигателя и давлении во впускном коллекторе.
Глядя на диаграмму, следует отметить несколько отличий. На диаграмме наилучший диапазон мощности называется диапазоном максимальной мощности, но в тексте и в левой части диаграммы смесь называется наилучшей смесью мощности. Вероятно, это связано с тем, что эти испытания проводились на динамометрическом стенде, где число оборотов в минуту и ​​давление во впускном коллекторе можно было поддерживать постоянными, несмотря на изменение мощности (что неверно, когда двигатель установлен на самолете). Термин «максимальный диапазон мощности» может вводить в заблуждение, так как можно ошибочно предположить, что эта смесь может быть используется при работе двигателя при максимальном давлении во впускном коллекторе. Диаграмма также может ввести в заблуждение случайного читателя, заставив его поверить, что все смеси слева от крейсерской максимальной мощности бедные, а все смеси справа от крейсерской максимальной мощности богатые.
Кривая температуры головки блока цилиндров показывает положение стехиометрической смеси. При отсутствии избытка топлива или воздуха стехиометрическая смесь находится там, где возникает самый высокий ТГЦ. Все смеси справа от пика CHT являются богатыми смесями и охлаждаются топливом, все смеси слева от пика CHT — обедненные смеси с воздушным охлаждением.

Кривые EGT: диапазоны экономичности и мощности
Кривая температуры отработавших газов может использоваться для определения наилучшего диапазона экономичности и мощности. Более медленные характеристики горения бедной смеси приводят к тому, что теплота сгорания сохраняется дальше в такте рабочего хода, а обеднение выхлопных газов достигает пиков стехиометрического. За пределами этой точки даже выхлопные газы охлаждаются воздухом. Как видно из графика, пик EGT приходится на богатую часть оптимального экономичного диапазона. Обогащение смеси примерно до минус 125 градусов по Фаренгейту, богатой пиковой выхлопной трубой, даст наилучшую мощность. Из-за мгновенной реакции EGT на изменения смеси, это, несомненно, лучший инструмент для оценки смеси в оппозитных авиационных двигателях с впрыском топлива. Число оборотов в минуту нельзя использовать в качестве показателя мощности, поскольку практически все самолеты, оборудованные системами EGT, имеют винты постоянной скорости вращения. Аббревиатура TIT означает температуру на входе в турбину на двигателях с турбонаддувом и является синонимом EGT на двигателе без наддува.
Кривая мощности в процентах показывает отношение мощности к смеси при фиксированном давлении в коллекторе. Наибольшая мощность для давления производится в наилучшем диапазоне мощностей. Это широкий плоский диапазон, и системы измерения расхода топлива обычно откалиброваны для работы в наилучшем диапазоне мощностей при плотности воздуха на уровне моря. В некоторых текстах делается вывод о том, что системы дозирования топлива откалиброваны для наиболее экономичных смесей. Это по ошибке. Обратите внимание, что требуется очень небольшое изменение смеси, чтобы получить радикальное изменение мощности в лучшем экономичном диапазоне. Если бы системы дозирования топлива были откалиброваны для работы в наилучшем экономичном диапазоне, даже незначительные колебания плотности воздуха оказали бы заметное влияние на мощность двигателя, что привело бы к нестабильной работе двигателя.

Расход топлива в зависимости от мощности
Кривая удельного расхода топлива (SFC) показывает экономию топлива. Он указывает расход топлива по отношению к произведенной мощности и для целей сравнения обычно выражается в долях фунта на лошадиную силу в час. Чтобы найти удельный расход топлива двигателем, разделите расход топлива в фунтах в час на мощность, которую производит двигатель. Нормальный SFC находится в пределах от 0,40 до 0,50 фунтов. на диапазон л.с., где 0,040 — очень хороший показатель, а 0,60+ — нормальный взлетный SFC.
Нижняя часть диаграммы также содержит пометку, которая рекомендует не работать на обедненной стороне пиковой температуры EGT. Это не потому, что эти смеси непригодны; это из-за специфических характеристик двигателя. По всей вероятности, двигатели начнут работать с перебоями на обедненной стороне пиковой температуры выхлопных газов. Большой разброс мощности между цилиндрами, вызванный неодинаковыми смесями, является основной причиной неравномерной работы двигателя при работе на обедненных смесях.
Производители двигателей нередко устанавливают ограничения на диапазоны мощности, в которых могут использоваться определенные смеси. Типичными примерами этих типов ограничений являются запрет на использование наилучшей экономичной смеси при работе с мощностью выше 65 процентов или ручное наполнение смесей на высоте ниже 5000 футов. В действительности, многие двигатели могут быть переведены на лучшие экономичные смеси на любой высоте, но из-за быстрого падения мощности при небольших регулировках смеси в лучшем экономичном диапазоне производители двигателей и самолетов неохотно рекомендуют переход на обедненные смеси на малых высотах.

Усовершенствованный учет топлива
В настоящее время вся авиация общего назначения Производители поршневых двигателей и несколько производителей компонентов изучают возможность производства интегрированных систем дозирования топлива, которые либо упростят выбор смеси, либо будут автоматически регулировать смеси во время полета. Во многих случаях это может быть объединено с винтом в единое управление.
Aerosance (компания, в настоящее время принадлежащая Teledyne Continental) в настоящее время производит систему полного цифрового управления двигателем (FADEC) для ограниченного числа двигателей Continental и Lycoming и находится в процессе получения сертификата на дополнительные двигатели. Это полностью резервированная цифровая система управления силовой установкой с отдельная резервная батарея, которая измеряет температуру выхлопных газов каждого цилиндра и соответствующим образом регулирует смесь в каждом цилиндре.
Lycoming использует более консервативный подход к системе управления двигателем EPIC (только для двигателей Lycoming). это система электронного управления двигателем (EEC), которая определяет общую смесь двигателя, с механической резервной копией для электронной системы управления.
И последнее замечание: для производителей двигателей, планирующих электронные системы управления, представляет интерес недавно опубликованная (29. 06.01) Консультативный циркуляр FAA 33.28-1 «Критерии соответствия для 14 CFR 33.28, Авиационные двигатели, электрические и электронные системы управления двигателем». Хотя производители двигателей не обязаны следовать рекомендациям FAA по управлению двигателем, этот документ может стать отличным источником информации для тех, кто хочет создать надежную систему электронного управления двигателем.

Об авторе
Профессор Ричард В. Камм 15 лет служил в ВВС США в качестве начальника экипажа реактивной пилотажной группы «Skyblazers», бортинженера, а затем инструктора на B-29, инженера по летно-техническим характеристикам на B -36 и штурман/бомбардир на B-47. Покинув ВВС, профессор Камм стал авиамехаником, а позже получил степень бакалавра в области профессионального образования и степень магистра в области среднего образования. В течение последних 30 лет он преподает курсы по технологии технического обслуживания самолетов в колледже. В течение последних 20 лет он был инструктором в Паркс-колледже Университета Сент-Луиса, специализируясь на двигателях и топливных системах самолетов. Три года назад профессор Камм был удостоен премии Чарльза Тейлора от FAA.

Смесь

 

Смесь Контроль смеси

   Соотношение топливо/воздух подаваемой горючей смеси к двигателю контролируется регулятором смеси. Этот контроль, как правило, расположен рядом с дроссельной заслонкой, чаще всего обозначается красной ручкой (показание к применению с осторожностью). Как и дроссель, у него нет пружины вернуться и останется в любом положении, выбранном пилотом. Он также имеет фрикционный замок для предотвращения «уползания» управления от желаемого параметр.

   Соотношение топлива и воздуха является наиболее важным фактором влияет на выходную мощность двигателя. Если топливно-воздушная смесь слишком обедненный (слишком мало топлива для количества воздуха — в пересчете на вес), грубый работа двигателя, внезапное «выключение» или заметная потеря мощности может произойти. Следует избегать обедненных смесей, когда двигатель работает вблизи максимальная производительность (например, взлеты, наборы высоты и уход на второй круг). В настройках питания сверх 75% от номинальной мощности чрезмерно обедненная смесь вызовет детонация, серьезный перегрев, потеря мощности и повреждение двигателя.

   Если топливно-воздушная смесь слишком богата (слишком много топлива для количество воздуха — в пересчете на вес), неровная работа двигателя и также может произойти ощутимая потеря мощности.

   Карбюраторы и блоки управления подачей топлива обычно калибруются для работы на уровне моря, что означает, что правильная смесь топлива и воздух будет получаться на уровне моря при регулировке смеси в режиме «полный богатое положение. По мере увеличения высоты плотность воздуха уменьшается, что то есть кубический фут воздуха не будет весить так много, как на более низкой высоте. Следовательно, с увеличением высоты полета вес воздуха, поступающего цилиндров уменьшится, хотя объем останется прежним. Количество топлива, поступающего в цилиндры, больше зависит от объема воздуха, чем на вес воздуха. Поэтому с увеличением высоты полета количество топлива останется примерно одинаковым для любого заданного дросселя настройка, если положение регулятора смеси остается неизменным.