Соотношение бензина и воздуха в двс: Обогащение смеси. Оптимальное соотношение бензина и воздуха в двигателе

Содержание

Рабочая (горючая) смесь

Эта статья относится только к бензиновым двигателям. Процесс и особенности смесеобразования в дизельных двигателях описаны на соответствующей странице в этом разделе.

Содержание статьи

1 Состав горючей смеси
2 Влияние нарушения состава рабочей смеси на работу двигателя
3 Детонация и самовоспламенение

Состав горючей смеси

Горючая смесь состоит из паров топлива и воздуха.

Рабочий процесс в цилиндрах бензинового двигателя протекает очень быстро, каждый такт в двигателе, работающим с числом оборотов коленчатого вала 2000 об/мин, совершается за 0,015 сек.

Горение жидкого топлива происходит относительно медленно, а необходимо, чтобы сгорание топлива в цилиндре происходило за более короткое время, чем совершается какой-либо такт. Повысить скорость сгорания до 25-30 м/сек можно лишь при том условии, если жидкое топливо будет размельчено на мельчайшие капельки, а затем испарено. Образование мельчайших капелек достигается распыливанием и испарением топлива, а быстрое сгорание происходит благодаря тщательному перемешиванию этих паров с необходимым количеством воздуха.

Для полного сгорания топлива необходимо строго определенное количество кислорода, находящегося в воздухе. Если воздуха будет недостаточно, то все топливо сгореть не сможет, при избытке воздуха топливо сгорает все, но еще остается неиспользованная часть кислорода в воздухе.

Установлено, что для сгорания 1 кг топлива необходимо иметь 15 кг воздуха. Смесь такого состава носит название нормальной (стехиометрической). Однако при соотношении 1:15 полного сгорания топлива не происходит и часть его бесцельно теряется.

Для полного сгорания соотношение топлива и воздуха должно быть 1:17 – 1:18, такая смесь носит название обедненной. Вследствие избытка воздуха в обедненной смеси понижается ее теплотворная способность, что приводит к понижению скорости сгорания и снижению мощности двигателя.

Для повышения мощности двигателя смесь должна гореть с наибольшей скоростью, а это возможно при соотношении топлива и воздуха 1:13, такая смесь называется обогащенной. При таком составе смеси полного сгорания топлива не происходит и экономичность двигателя ухудшается, зато удается получить от него наибольшую мощность.

При соотношении топлива и воздуха меньше 1:13 скорость горения уменьшается, экономичность двигателя и его мощность снижается. Смесь такого состава называют богатой. Если соотношение топлива и воздуха в смеси больше 1:18, скорость ее горения также резко снижается, что также приводит к потере экономичности и мощности. Смесь такого состава называется бедной.

Когда содержание воздуха в смеси менее 6 кг на 1 кг топлива или более 20 кг на 1 кг топлива, горючая смесь в цилиндрах не воспламеняется.

В работающем двигателе обычно различают пять основных режимов: пуск холодного двигателя, работа на малых оборотах (холостой ход), работа при частичных нагрузках (средние нагрузки), работа при полных нагрузках и работа при резком увеличении нагрузки или числа оборотов. Для каждого из режимов состав смеси должен быть разным.

При пуске холодного двигателя условия смесеобразования очень плохие: двигатель холодный, большая часть топлива конденсируется на стенках цилиндров и во впускном трубопроводе, а скорость потока воздуха невелика, так как коленчатый вал двигателя проворачивается с небольшим числом оборотов. Для обеспечения пуска холодного двигателя смесь должна быть богатой с тем, чтобы возместить ту часть топлива, которая конденсируется на стенках цилиндров.

При малых оборотах холостого хода условия смесеобразования также плохие вследствие недостаточной очистки цилиндров от отработавших газов. Количество смеси при этом режиме должно быть невелико, но по качественному составу она должна быть обогащенной.

При средних нагрузках от двигателя полной мощности не требуется и для экономии топлива смесь должна быть обедненной, т.е. такой, которая полностью сгорает.

При полных нагрузках смесь должна обладать наибольшей скоростью сгорания с тем, чтобы от двигателя получить наибольшую мощность. Этим условиям удовлетворяет обогащенная смесь, но при этом двигатель работает менее экономично, чем при средних нагрузках.

При резком увеличении нагрузки или числа оборотов коленчатого вала смесь должна быть обогащенной, в противном случае двигатель остановится.

Влияние нарушения состава рабочей смеси на работу двигателя

Неисправности системы питания заключаются в образовании смеси несоответствующего качества и повышенном расходе топлива. К наиболее часто встречающимся неисправностям системы питания относится образование богатой или бедной горючей смеси.

Богатая рабочая смесь обладает пониженной скоростью горения и вызывает перегрев двигателя, работа его при этом сопровождается резкими хлопками в глушителе. Хлопки появляются в результате неполного сгорания смеси в цилиндре (не хватает кислорода воздуха), и догорание ее происходит в глушителе, сопровождающееся черным дымом.

Длительная работа двигателя на богатой смеси приводит к перерасходу топлива и большому отложению нагара на стенках камеры сгорания и электродах свечей зажигания. Образованию богатой горючей смеси способствует уменьшение количества поступающего воздуха или увеличение количества поступающего топлива.

Бедная горючая смесь также обладает пониженной скоростью сгорания, двигатель перегревается, и его работа сопровождается резкими хлопками во впускном трубопроводе. Хлопки появляются в результате того, что смесь еще догорает в цилиндре, когда уже открыт впускной клапан и пламя распространяется во впускной трубопровод.

Длительная работа двигателя на бедной смеси также вызывает перерасход топлива вследствие того, что мощность двигателя в этом случае падает и чаще приходится пользоваться пониженными передачами. Образованию бедной горючей смеси способствует либо уменьшение количества поступающего топлива, либо увеличение количества поступающего воздуха.

Детонация и самовоспламенение

При нормальных условиях сгорание рабочей смеси в цилиндрах двигателя происходит со скоростью 25-30 м/сек и давление в цилиндре нарастает плавно. Двигатель работает в нормальном тепловом режиме, без стуков и отказов.

При применении топлива более низкого качества, перегреве двигателя, установке очень раннего момента воспламенения смесь начинает гореть со скоростью, доходящей до 2000 м/сек. Такое взрывное сгорание смеси называется детонацией. При детонационном сгорании давление в отдельных частях цилиндра резко возрастает, появляются металлические стуки, мощность двигателя падает, появляется черный дым из глушителя. Наиболее вредно явление детонации сказывается на состоянии деталей кривошипно-шатунного механизма, где возможно разрушение отдельных деталей.

Склонность топлива к детонации условно оценивают октановым числом. Чем выше октановое число, тем топливо меньше склонно к детонации. Бензин с более высоким октановым числом применяют для двигателей с более высокой степенью сжатия.

Детонационное сгорание смеси иногда ошибочно путают с самовоспламенением или калильным зажиганием. Самовоспламенение может наступить в цилиндрах перегретого двигателя в тот момент, когда электрическая искра еще не поступила в цилиндр, а также при воспламенении от раскаленных частиц нагара или электродов свечи. Как в том, так и в другом случае смесь горит с нормальной скоростью. Обычно это явление наблюдается при выключении зажигания, когда двигатель еще продолжает некоторое время работать.

Рабочий состав — журнал За рулем

Об этой системе мы и хотим поговорить сегодня. Понятно, что кое-как подав топливо и воздух в двигатель, можно его вообще не запустить, а нам надо, чтобы он не только пускался с первых оборотов стартера, но и хорошо тянул, не расходовал лишнего, не отравлял выхлопом природу и нас. Это возможно только в том случае, когда система питания правильно работает.

«АЛЬФА» КАК ОНА ЕСТЬ

Возможно, тема сегодняшней беседы не покажется интересной грамотному автомобилисту, легко связывающему воедино теорию и практику. Но мы в первую очередь имеем здесь в виду новичков, для которых далеко не все, что происходит в цилиндрах двигателя, понятно, а тем более — очевидно.

Итак… К концу такта сжатия в камере сгорания над поршнем должна быть такая смесь воздуха и паров топлива, которая способна воспламениться от искры между электродами свечи. Далеко не любая смесь на это способна. Если в ней слишком мало воздуха (много топлива) или наоборот — сгорание становится ненадежным или вообще прекращается.

За правильным составом рабочей смеси в цилиндрах двигателя следит система питания. Нынче она либо карбюраторная, либо впрысковая (инжекторная). У каждой свои плюсы и минусы. Первая (по крайней мере, опытным автомобилистам) кажется попроще. Зато вторая, если правильно настроена, обеспечивает высокую стабильность рабочего процесса в цилиндрах — именно к ней и пришли, стремясь к идеалу — экологически чистому автомобилю.

Чтобы топливо сгорело полностью, требуется участие в процессе достаточного количества окислителя: на один килограмм паров (подчеркну!) бензина — не менее 14,9 кг воздуха. Вот такое их соотношение обозначают коэффициентом a=1,0. По мере уменьшения подачи воздуха смесь называют (условно) обогащенной (a=0,85–0,90), богатой, переобогащенной. Та же логика — при увеличении доли воздуха: обедненная (a=1,05–1,15), бедная и так далее.

При обогащенных смесях удается достичь наивысшей мощности, но ценой несколько большего расхода топлива из-за его неполного сгорания. В то же время дефицит окислителя означает «недоокисление» продуктов: первой в выхлопных газах появляется окись углерода СО, а дальнейшее обогащение приводит к черному выхлопу, так как вместе с газами выбрасывается несгоревший углерод С — частички сажи. Кстати, к этому моменту содержание СО может вырасти до 9–10%. Ездить на такой машине недопустимо.

При обедненных смесях мотор экономичнее, но недобирает в мощности. Обогащать смесь до значений a ниже 0,85 нет смысла — еще больше вырастет расход топлива, а мощность снизится, поскольку слишком богатая смесь хуже горит. Обеднять выше 1,15 тоже не нужно: в силу ряда причин (замедленное воспламенение, неустойчивое горение и т. п.) заметно снизятся мощностные показатели, расход топлива начнет расти — не в последнюю очередь из-за того, что появляются пропуски вспышек в цилиндрах. Результат — повышенное содержание в выхлопных газах СН — несгоревших углеводородов. То есть паров бензина.

Итак, возможный диапазон изменений состава смеси для бензинового двигателя довольно узок. Для чего мы об этом говорим, если «альфу» пальцем не пощупаешь, линейкой не измеришь? А чтобы было понятно: не всякое «баловство» с системой питания оправдано, «настраивать» ее нужно очень тщательно. Об этом стоит сразу напомнить тем, кто мечтает повысить экономичность мотора, поставив в карбюратор топливные жиклеры поменьше. Или достичь сказочной мощности, закрутив неоправданно большие! В обоих случаях, как правило, получают противоположные результаты. Заодно предостережем тех, кто путает местами жиклеры первой и второй камер. Случись такое, первая будет готовить очень богатые смеси (мотор прожорлив, а тянет еле-еле), а вторая, если и до нее дело дойдет, — слишком бедные. Конечно, оба «коктейля» в цилиндрах как-то смешаются, но приведут к новым проблемам.

В первую очередь все сказанное касается карбюраторных машин. Большинство начинающих даже самого слова «карбюратор» побаивается, а среди опытных автомобилистов немало тех, кто с этим прибором «на ты». Но и они от ошибок не застрахованы. Принципиально иное дело — система электронного впрыска. Многие ли нынче сами чинят телевизор, магнитофон, холодильник? Так и с впрыском: специалисты могут его проконтролировать, перенастроить и т. п., а владельцу с отверткой тут делать нечего. Кого-то это огорчает, но большинство довольно.

НА «ЖИВОЙ» МАШИНЕ

Итак, карбюраторные. Львиную часть времени двигатель эксплуатируют на режимах, не требующих максимальных мощности или крутящего момента, когда разумнее немного обеднить смесь. Пусть мотор работает экономичнее, да и токсичность выхлопа снизится. Среди коварнейших врагов нашего здоровья, как известно, окись углерода СО, не имеющая ни цвета, ни запаха. Только обедненная смесь позволяет снизить содержание СО до приемлемых значений и не конфликтовать с ГАИ.

Требование минимальной токсичности распространяется и на холостой ход. Современные карбюраторы (а системы впрыска — тем более) с этим справляются легко — лишь бы не вмешался неумелый владелец. Квалифицированный специалист-карбюраторщик может снизить долю СО в выхлопных газах до 0,5% и даже меньше. Но при обязательном контроле СН, так как чрезмерный рост последнего тоже недопустим. На «принудительном холостом ходу» (то есть при торможении машины двигателем) подача топлива в цилиндры вообще прекращается. В них ничего не горит, в выхлопе — почти чистый воздух.

Но есть режимы работы двигателя, при которых карбюратор готовит обогащенный состав смеси, обеспечивающий лучшие мощностные показатели. Например, для более быстрого разгона автомобиля карбюратор снабдили «ускорительным насосом». Его задача — поддерживать оптимально обогащенную смесь на режиме разгона.

Большинство карбюраторов имеют устройства, «дообогащающие» смесь и при скорости машины, близкой к максимальной, или при разгоне на пониженных передачах с педалью газа «в пол». Это так называемые эконостаты, экономайзеры мощностных режимов и т. п. И если водитель замечает, что именно на этих режимах двигатель не развивает полную мощность, то и об этих системах забывать не следует. Особенно если проверка всех прочих покажет, что с ними все в порядке.

Пуск холодного бензинового двигателя — известная проблема. В чем ее причина? В слабом испарении топлива, особенно в мороз. Большая его часть попадает в цилиндры в жидком состоянии, а паров, которые искра могла бы поджечь, образуется мало — смесь беднейшая. Как ее обогатить? Карбюраторы оснащают пусковыми устройствами. В наших «Озоне» и «Солексе», например, воздушная заслонка перед пуском закрывается (водитель вытягивает кнопку «подсоса») и при работе стартера в цилиндры подсасывается в 5–10 раз больше топлива, чем требуется для прогретого двигателя. Испаряться будут только самые легкие низкотемпературные фракции бензина, которые и воспламенятся. Но уже при первых вспышках воздушную заслонку оставлять закрытой нельзя — цилиндры зальет бензином. Не допустит этого простейший полуавтомат, реагирующий на разрежение за дросселем карбюратора. Он приоткроет заслонку на строго заданную величину (см. таблицу). Одновременно приоткрыта и дроссельная, причем оба зазора подобраны так, чтобы мотор работал устойчиво на обогащенной смеси и держал обороты примерно в половину от номинальных (до 2500–2800 об/мин), поскольку промороженное, вязкое масло создает большое сопротивление. Регулировка зазоров (см. таблицу и рисунок) очень важна, часто только от этого зависит успех пуска.

Нелишне здесь напомнить о типичных ошибках неопытных автолюбителей. Будьте аккуратнее с «подсосом»! Очень важно представлять, когда пользоваться им недопустимо. Если карбюратор исправен и настроен, «подсос» нужен только при пуске двигателя, да и то холодного. В теплое время года он, простояв сутки, вполне заводится и без подсоса. Боже упаси закрывать воздушную заслонку при пуске горячего мотора — смесь может так переобогатиться, что перестанет воспламеняться. Если водитель — по ошибке или недомыслию — вытягивает «подсос», когда горячий двигатель работает под значительной нагрузкой, его остановка удивлять не должна: и смесь плохо горит, и мощности не хватает.

Трудно завести мотор, который в жаркую погоду «остывал» под капотом минут 10–15 (вообще-то время зависит и от конкретного сорта бензина, его испаряемости.) Когда над поверхностью бензина в поплавковой камере и выше, в воздухофильтре, скопятся плотные пары топлива, мотор не пустишь, пока эти пары, пройдя цилиндры, не уйдут в выпускную систему. Первые вспышки — свидетельство того, что в цилиндры стала поступать смесь, способная сгорать. Сначала мотор работает словно с натугой (смесь еще слишком богатая), потом легче и, наконец, «подхватывает»! В этой ситуации не только о подсосе нужно забыть. Строго противопоказано и «топтать» педаль газа, чтобы не срабатывал ускорительный насос и дополнительно не обогащал смесь. Ускорить «продувку» и последующий пуск можно, удерживая педаль газа нажатой, но, повторяем, не играя ею!

Различные модели карбюраторов оснащаются и другими устройствами, которые помогают правильно управлять составом смеси. Ну а в системах впрыска (особенно современных электронных) все проблемы, которых мы касались, решаются по-своему просто, точно и гибко. Но это уже другая тема…

Схема пускового устройства («Озон»): 1 — воздушная заслонка; 2 — пневмопривод воздушной заслонки; 3 — дроссельная заслонка.

Рабочий состав

Руководство по соотношению воздух-топливо — Как обеспечить безопасность двигателя

Ничто так не приводит к отказу двигателя, как неправильное соотношение воздух-топливо. Мы покажем вам, почему это происходит и как это предотвратить.

Слова: Став.

Соотношение воздух-топливо на автомобилях не самая сексуальная тема в тюнинге, будем честными. Но это может быть разницей между жизнью и смертью для вашего двигателя. Что лучше с научной точки зрения? Что лучше для экономии топлива? Есть ли лучшее соотношение воздух-топливо для мощности? И, наконец, что лучше для жизни вашего двигателя? Это четыре совершенно разные вещи.

Чтобы еще больше усложнить ситуацию, они различаются от двигателя к двигателю и даже от топлива к топливу. Однако на самом деле вам не нужно быть экспертом, это работа вашего настройщика.

Понимание основ соотношения воздух-топливо может сэкономить ваш двигатель и дорогостоящий ремонт.

Руководство по соотношению воздух-топливо

Когда детали вашего тюнингованного автомобиля ломаются, это редко связано с тем, что они просто недостаточно прочны. Больше мощности и оборотов доводят дело до предела. Если прокладка головки блока цилиндров лопнула или поршень расплавился, весьма вероятно, что это произошло из-за детонации, вызванной неоптимальным соотношением воздух-топливо.

Слишком часто люди попадают в ловушку, думая: «О, у меня пробило прокладку головки блока цилиндров. Я возьму более сильный, чтобы это больше не повторилось». Часто проблемы с надежностью продолжаются, потому что причиной поломки является детонация, а не слабые компоненты. Подавляющее большинство автомобилей могут потреблять примерно вдвое больше стандартной мощности на стандартных внутренних компонентах. Но это только при правильном соотношении воздух/топливо. В противном случае даже самый мощный двигатель быстро выйдет из строя при относительно низкой мощности.

Почему плохое соотношение воздух-топливо может убить мой двигатель?

Одно слово, детонация. Детонация – это когда воздушно-топливная смесь воспламеняется сама по себе, без помощи свечи зажигания. Чаще всего это происходит, когда бедные смеси повышают температуру камеры сгорания до уровня, при котором топливо самопроизвольно воспламеняется.

В то время как в легкой форме это довольно безвредно, тяжелая форма, характерная для тюнинга автомобилей, очень разрушительна. Детонация вызывает огромное давление в цилиндрах, намного превышающее даже то, что может дать самое высокое давление наддува без детонации. Это, как минимум, приводит к разрыву прокладки головки блока цилиндров, расплавлению поршней и сокращению срока службы двигателя.

Этот катастрофический сбой может произойти очень быстро. Вот почему прокладки ГБЦ часто проектируются как самое слабое место в двигателе. Починить прокладку ГБЦ намного дешевле, чем полностью переделывать днище!

Научные данные о соотношении воздух-топливо

Соотношение воздух-топливо (AFR) — это соотношение воздуха и топлива, впрыскиваемого в ваш двигатель. Воздух либо всасывается (обычно без наддува), либо выдувается (с турбонаддувом или с наддувом), либо впрыскивается (закись азота) во время впрыска топлива. Соотношение этой смеси влияет на экономию топлива, производительность, надежность или даже на вообще бегает.

Научно «идеальная» смесь для нормального бензина составляет 14,7:1, что в 14,7 раз больше массы воздуха и топлива. Однако это не означает, что машина должна работать на этом. Для оптимальной экономии топлива обычно лучше всего подходит соотношение 16-17:1, если меньше, машина начнет давать пропуски зажигания. Максимальная мощность обычно находится между 12-14:1, но это может быть слишком мало для безопасности на многих двигателях. Для максимальной надежности при полной мощности наилучшим считается соотношение воздух-топливо от 10,5 до 12,5:1, в зависимости от двигателя. Богаче, чем около 10,5: 1, вы начинаете получать заметный черный дым из выхлопной трубы. Автомобиль также может изо всех сил пытаться работать должным образом без пропусков зажигания.

Тюнинг еще больше усложняет ситуацию. Различные степени сжатия, распределительные валы, давление наддува и т. д. влияют на идеальное соотношение воздух-топливо, необходимое в любой точке. Это указывает на важность переназначения вашего автомобиля при добавлении к нему компонентов для тюнинга. Чтобы получить хороший автомобиль в целом, вам нужно иметь смесь этих AFR. Это должно зависеть от того, как ведет себя машина в любой момент времени. К счастью, это то, что может дать вам современный впрыск топлива, при условии, что автомобиль правильно настроен.

Как узнать, безопасно ли мое соотношение воздух-топливо?

Лучший способ убедиться, что ваш AFR безопасен, — это обратиться к проверенному и надежному тюнеру для выполнения настройки. То, что безопасно на одном двигателе, не обязательно будет на другом. Привлечение помощи эксперта, чтобы убедиться, что вещи в безопасности, является наиболее важным здесь. Стоит проверять все каждые шесть месяцев или около того, чтобы убедиться, что все по-прежнему так, как должно быть.

Если вы уверены, что вам нужен измеритель AFR, убедитесь, что это широкополосная установка. Узкая полоса говорит только о том, 14,7:1, тоньше или богаче. Учитывая, что с точки зрения производительности даже 14,7:1 слишком мало для максимально безопасной работы, узкополосный датчик бесполезен.

Соотношение воздух-топливо у меня в порядке, значит ли это, что мой двигатель не взорвется?

По правде говоря, никогда нельзя быть полностью уверенным, что двигатель не заглохнет. До тех пор, пока ваш угол опережения зажигания не слишком неправильный, а комок находится в хорошем общем состоянии, наличие безопасного AFR является ключом к долговечности.

Прочие вопросы; масло, охлаждение и общая прочность компонентов всегда могут разрушить двигатель. Но убийцей номер один, особенно среди тюнингованных турбомоторов, является детонация из-за неправильного соотношения воздух-топливо.

Что изменит соотношение воздух-топливо?

На автомобилях время от времени выходит из строя электроника, это просто факт владения автомобилем. Однако иногда отказ датчика может иметь катастрофические последствия для вашего двигателя. Существуют различные датчики, влияющие на подачу топлива. Но датчики расхода воздуха, давления воздуха и температуры, скорее всего, сильно повлияют на вашу заправку. Неудача, приводящая к тому, что машина работает богато, означает, что вы должны это заметить, но никакого ущерба нанесено не будет. Неудача и работа автомобиля в обедненном режиме могут закончиться катастрофой.

Вы мало что можете сделать, чтобы остановить это, кроме решения любых текущих проблем, как только вы их заметите. Однако проверка AFR каждые шесть месяцев может указывать на ранние признаки проблемы. Замена датчиков на обновленные версии, особенно таких, как датчики расхода воздуха и давления, также вызовет проблемы с бережливой работой, если автомобиль не был переназначен соответствующим образом.

Замена кулачков

Замена кулачков на более высокий подъем и увеличенный срок службы позволяет вашему двигателю дышать легче. Это часто означает, что необходимы большие изменения подачи топлива не только для обеспечения безопасности двигателя, но и для получения максимальной производительности от кулачка. На высоких оборотах, когда улучшенное дыхание дает заметное увеличение мощности, обычно требуется дополнительное топливо, чтобы автомобиль не работал на обедненной смеси. Но на низких оборотах, особенно на холостом ходу, часто требуется более богатая смесь, чтобы сохранить управляемость. Кулачки с более длительным сроком службы означают, что больше топлива выбрасывается из выхлопных газов на низких оборотах.

Проблемы с топливной системой

Все компоненты имеют свои пределы возможностей, и при настройке двигателей вы часто достигаете предела того, с чем могут справиться ваши топливные форсунки, топливный насос и даже топливопроводы и фильтр. При превышении максимального расхода ваш двигатель будет работать на обедненной смеси и в конечном итоге выйдет из строя. Возраст — еще один важный фактор топливных систем, так как они постепенно забиваются грязью. Проводка топливного насоса также может выйти из строя, что уменьшит расход. Последний момент, о котором стоит упомянуть, это вакуумная трубка к регулятору давления топлива, особенно на двигателях с турбонаддувом и наддувом. Если эта трубка разорвется или будет удалена, двигатель будет работать с невероятной нагрузкой на наддуве, а иногда и не выдержит ни одного запуска на полном газу.

Замена топливной системы

Установка усовершенствованных деталей топливной системы жизненно важна для большинства автомобилей, тюнингованных помимо основных деталей Stage 1, но их установка без соответствующей настройки автомобиля может вызвать большие проблемы. Установка форсунок большего размера без подходящего переназначения может привести к значительному перерасходу топлива в двигателе, что, хотя и не приводит к мгновенной смерти, не способствует экономичности или производительности. Наиболее потенциально опасным обновлением является регулятор давления топлива, так как вы можете быть почти уверены, что обновленная замена не будет настроена на ваше правильное давление. В то время как слишком большое давление не является убийцей, слишком малое равно бедной работе и заглохшему двигателю. Из-за этого манометр давления топлива является жизненно важным инструментом при замене регулятора.

Замена выхлопной системы

Вы можете считать выхлопную систему незначительным обновлением, но если она обеспечивает значительно больший поток и производительность, автомобилю потребуется больше топлива, чтобы двигатель не работал на опасной обедненной смеси. Некоторые движки автоматически в некоторой степени компенсируют изменения, подобные этому. Но многие автомобили, особенно с турбонаддувом, могут работать с опасным обеднением из-за простой полной замены выхлопной системы. Поэтому для этого потребуется соответствующее переназначение ECU.

Улучшенный промежуточный охладитель

Более холодный воздух может снизить вероятность детонации, но он также намного плотнее и, следовательно, снабжает двигатель большим количеством кислорода. В результате двигателю потребуется больше топлива, чтобы не работать на обедненной смеси. Как и в случае с выхлопом, некоторые автомобили компенсируют это и не вызывают проблем, но некоторым автомобилям требуется перенастройка, чтобы компенсировать интеркулер.

Турбина большего размера

Даже если давление наддува точно такое же, если вы установите турбину большего размера, вы будете подавать в двигатель гораздо больше воздуха. Следовательно, он может так же легко работать на обедненной смеси и умереть, как и при увеличении наддува. Причина этого в том, что большая турбина не только дает более холодный и плотный воздух, но и выпускает гораздо больше воздуха из выхлопных газов, что, в свою очередь, пропускает больше воздуха в цилиндры. Без дополнительного топлива для компенсации, да, как вы уже догадались, он будет работать на обедненной смеси, взорвется, и двигатель выйдет из строя.

Повышение давления наддува

Это основная причина обедненного соотношения воздух/топливо, и поэтому многие автомобили с турбонаддувом имеют незаслуженную репутацию из-за продувки прокладок головок и плавления поршней. Повышение наддува улучшает мощность и крутящий момент из-за последующего значительного увеличения воздушного потока, но без соответствующего увеличения топлива автомобиль будет работать с опасной обедненной смесью и детонировать. Проблемы возникают не только из-за увеличенного воздушного потока, большее давление наддува означает более высокую температуру воздуха. С более высокими температурами увеличивается вероятность детонации, что делает его палкой о двух концах.

Альтернативные виды топлива

Детонация является основной причиной для беспокойства по поводу соотношения воздух-топливо, но это потому, что обычные виды топлива для насосов не очень устойчивы к ней. В то время как супер неэтилированный бензин широко доступен на большинстве заправок, его октановое число 97-99 RON довольно низкое, и это большая часть причины, по которой мы должны работать так богато, особенно на автомобилях с турбонаддувом, чтобы сохранить вещи в безопасности.

Гоночное топливо

Дорогое и недоступное на местной заправочной станции гоночное топливо обычно предназначено только для гоночных автомобилей. Чтобы получить максимальную отдачу от него, потребуется переназначить его, если вы поместите его в свой автомобиль. Он может иметь невероятно высокое октановое число (часто 120+ RON) и, следовательно, очень устойчив к детонации даже на более бедных смесях, но вы должны быть богатыми, чтобы использовать его для своей дорожной машины!

Метанол

Подходит только для полноценных гоночных автомобилей из-за его высокой токсичности, коррозийности и горючести. Вам также потребуется примерно в четыре раза больше топлива, чем вам нужно для работы на обычном бензине. Он популярен для автомобилей с полным сопротивлением, так как он невероятно устойчив к детонации, очень холодный, часто устраняет необходимость в промежуточном охладителе и сам содержит много кислорода, что еще больше увеличивает мощность.

E85

Хотя это топливо в основном рекламируется как дешевое и экологически чистое топливо, его главная привлекательность для поклонников тюнинга заключается в том, что его октановое число составляет около 106 и, следовательно, оно очень устойчиво к детонации. Подобно метанолу, ему требуется дополнительное топливо для работы с максимальной производительностью, но на гораздо более благоприятных для дороги уровнях, и он может стать предпочтительным топливом для повышения производительности.

Сжиженный нефтяной газ

При стоимости примерно вдвое меньше обычного топлива он в основном используется для экономии денег, но у него также есть потенциал производительности. Сжиженный нефтяной газ невероятно устойчив к детонации, поэтому с системой, оптимизированной для мощности, сжиженный нефтяной газ может использоваться в качестве отличного топлива для двигателей большой мощности с турбонаддувом и наддувом.

Соотношение воздух-топливо в дизельных двигателях

Соотношение дизель-воздух-топливо почти такое же, как у бензина, и на самом деле проблемы возникают из-за чрезмерно обогащенных смесей. Бережливость хороша для здоровья дизельного двигателя, если бы не количество энергии, которую он производит. Несмотря на это, дизельный двигатель работает на невероятно обедненной смеси по сравнению с бензиновым двигателем, и более богатые смеси на самом деле являются теми вещами, которые увеличивают нагрев в двигателе и приводят к отказу компонентов.

Детонация гораздо менее опасна для дизелей, фактически лязгающий шум в дизелях тесно связан с этим. Но это не вредно, за исключением некоторых ситуаций, когда это невероятно серьезно, и, к сожалению, это обычно связано, как и на бензиновых двигателях, с серьезными ошибками настройки!

Журналы Kelsey Performance

Добавление прямого контроля соотношения воздух/топливо

Фото 1: Компоненты контроля воздуха/топлива Ballenger. По часовой стрелке сверху слева: жгут проводов, блок обработки и индикации, руководство по эксплуатации, приварная заглушка, кислородный датчик НТК и заглушка (для работы без датчика).

Прямое измерение соотношения воздух/топливо (массовое отношение воздуха к топливу) уже много лет используется в качестве золотого стандарта для оптимизации работы двигателя в автогонках. Тем не менее, несмотря на то, что мы ссылаемся на контроль смеси и обеднение в работе силовых установок наших самолетов, мы на самом деле не знаем фактическую смесь напрямую и обычно выполняем корректировки, используя температуру выхлопных газов в качестве показателя отношения воздух/топливо. Дэйв Хиршман недавно написал прекрасную вступительную статью («Lean on Me», AOPA Pilot, февраль 2018 г.), в которой превозносит достоинства контроля отношения воздух/воздушная смесь в самолетах. Наша цель здесь состоит в том, чтобы более подробно остановиться на теории контроля соотношения воздух/вода, описать полную установку и просмотреть результаты и эксплуатационные данные, что, мы надеемся, позволит другим строителям дома сделать свои собственные установки.

Исходная информация

Автомобильная промышленность, движимая экологическими стандартами, начала использовать каталитические нейтрализаторы еще в 1975 году. Это создало потребность в методе прямого измерения соотношения A/F в автомобилях, сначала для оптимизации эффективности каталитического нейтрализатора, а затем для минимизации выбросы и оптимизация экономии топлива, а также возможность работы в замкнутом контуре с электронным впрыском топлива. Примерно в 1990 году компания Bosch представила совместимый с автомобильным оборудованием (читай, экономичный) кислородный датчик, и эта технология сохраняется и по сей день в качестве ключевого компонента эффективных и минимально загрязняющих окружающую среду транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания. Дополнительным побочным эффектом, который мы обсудим позже в отношении работы авиационных двигателей, была необходимость устранения свинца в бензине, поскольку свинец загрязняет каталитические нейтрализаторы и ухудшает работу датчика кислорода.

Теория соотношения воздух/топливо и работа авиационных двигателей

Как пилоты, мы уже знакомы с концепцией соотношений воздух/топливо из-за использования регуляторов смеси в процессе обеднения. И вы, возможно, уже знаете, что оптимальное соотношение масс составляет 14,7:1, а это означает, что для полного сгорания каждого фунта бензина требуется 14,7 фунтов воздуха, чтобы обеспечить точное количество молекул кислорода, необходимое для полного сгорания бензина. С точки зрения химии это известно как стехиометрическая смесь. Соотношение менее 14,7 приводит к обогащенной смеси с избытком бензина, а соотношение более 14,7 — к обедненной смеси с избытком кислорода.

Спонсор освещения авиашоу:

Как правило, работа на стехиометрической смеси приводит к пиковым температурам выхлопных газов (см. рис. 1). Пиковые ТГТ обычно возникают в районе от -30 до -50 градусов EGT с богатым пиком, а пиковая мощность — от -100 до -120 градусов EGT с богатым пиком. С нашими авиационными двигателями с воздушным охлаждением непрерывная работа на максимальной мощности и стехиометрической смеси приведет к опасным температурам и внутреннему давлению, поэтому мы взлетаем и набираем высоту на богатых смесях, где избыток топлива обеспечивает необходимое охлаждение и защиту от детонации, а в крейсерском режиме богатые пики. при работе на мощности 75%, и либо на обедненной, либо на богатой пиковой мощности при работе ниже мощности 75%, независимо от вашего убеждения.

Рисунок 1: Типичное изображение CHT, EGT и мощности в зависимости от воздушно-топливной смеси.

Эффективность и риски, связанные с эксплуатацией экономичного режима пиковой нагрузки, продолжают оставаться предметом жарких споров. На стороне защитников режима пиковой нагрузки очень информативные статьи Джона Дикина на AVweb «Pelican’s Perch» о работе двигателя1 и, конечно же, люди из GAMI. С другой стороны, как Lycoming ², так и Continental ³ по большей части выступают за наилучшую мощность, богатую пиковым режимом работы, и очень осторожный, хорошо оснащенный режим работы на обедненных пиках для максимальной дальности, если это необходимо! На самом деле, большинство руководств по эксплуатации двигателей Lycoming рекомендуют экономичный крейсерский режим при мощности менее 75% при пиковой температуре EGT 9. 0177 4,5 .

За исключением знания, где находится пик, EGT сам по себе является относительно бессмысленным числом. Пиковая температура также варьируется в зависимости от настроек мощности и других факторов, поэтому повторная настройка смеси требует повторного определения пиковой температуры EGT. Наша цель при мониторинге соотношения A/F состоит в том, чтобы отказаться от использования EGT в качестве косвенного показателя соотношения A/F и иметь возможность устанавливать смесь непосредственно и предсказуемо.

Контроль состава смеси A/F и пригодность для авиации

Кислородные датчики для автомобилей должны контролировать соотношение смеси только в узкой области, только по обе стороны от стехиометрического, и поэтому классифицируются как узкополосные. Для самолетов кислородный датчик должен иметь возможность измерять смесь в гораздо более широком диапазоне, что требует несколько иной технологии широкополосного датчика. Такие устройства производят Bosch и NTK. В прошлом эти датчики легко загрязнялись содержанием свинца в топливе, что делало их непригодными для использования с авиационным газом, но современные конструкции более терпимы. Датчик NTK особенно более устойчив к этилированному топливу. Мониторы доступны от нескольких компаний, ориентированных в первую очередь на сообщество автогонщиков. Одной из популярных моделей является серия AEM Electronics X, в которой используется датчик Bosch LSU 4.2. Другой — Ballenger Motorsports AFR500v2, который может использовать либо Bosch, либо NGK/NTK Wideband O 9.0189 2 Сенсор, последний из которых имеет репутацию гораздо более устойчивого к этилированному топливу, и поэтому я выбрал именно его. Кроме того, у него прямоугольный дисплей, который лучше подходит для моей панели, чем круглые дисплеи, типичные для большинства других устройств.

Фото 2: Заглушка, вваренная в выхлопную трубу.

Установка

На фото 1 показаны компоненты комплекта Ballenger AFR500v2, состоящего из блока дисплея, датчика, соединительного кабеля и заглушки для установки датчика. Последний необходимо приварить к выхлопной трубе, рекомендуется на расстоянии от 1 до 4 футов от выпускного отверстия. Учитывая, что цилиндры могут иметь пиковые значения EGT при разных настройках смеси, необходимо принять решение о том, где лучше всего разместить датчик. У меня двойная выхлопная система «два в одном», объединяющая цилиндры 1 и 3 справа и 2 и 4 слева. Цилиндры 1, 3 и 4 достигают пика примерно при той же смеси, в то время как цилиндр 2 достигает пика примерно на 0,5 галлона в час раньше. Я решил установить датчик на стороне цилиндра 1 и 3. Пробка для крепления датчика изготовлена из нержавеющей стали, и на Фото 2 показано, что она приварена к правой выхлопной трубе. На фото 3 показана трубка, установленная с кислородным датчиком.

Фото 3: Кислородный датчик установлен в пробке.

Первоначально контроллер/дисплей был временно установлен поверх антибликового щита во время тестовых запусков и установления долгосрочной жизнеспособности системы. Кабель, соединяющий дисплейный блок и датчик, должен проходить через брандмауэр. Зная о такой возможности, Балленджер дает инструкции о том, как разобрать кабельный разъем, чтобы уменьшить сборку и облегчить проникновение через брандмауэр.

Конструкция монитора соотношения воздух/вода Ballenger AFR500v2 превосходна. Тем не менее, размер дисплея значительно больше, чем площадь панели, которую я хотел посвятить этой функции, и не включает никакого затемнения. Несмотря на увещевание Балленджера не открывать и не модифицировать модуль управления, инженер-электрик во мне не мог устоять перед заменой его на внешний дисплей меньшего размера с автоматическим затемнением. На фото 4 показана окончательная установка.

Фото 4: Готовая установка. Индикатор соотношения воздух/топливо расположен в верхней части панели, над магнитным компасом.

Испытательные полеты и результаты

После установки я решил выполнить два испытательных полета, первый на высоте 3000 футов, второй на высоте 6500 футов. Для моей комбинации Lycoming I/O-390 и винта Hartzell 75% мощности приходится на 2500 об/мин и давление в коллекторе 24,6 дюйма. Поскольку компания Lycoming рекомендует работать на обедненной смеси только при мощности менее 75%, испытание на высоте 3000 футов проводилось при мощности около 65%, что соответствует давлению в коллекторе 23,5 дюйма. На рис. 1 показан известный график Лайкоминга мощности, CHT и EGT в зависимости от расхода топлива. Пик EGT соответствует стехиометрической смеси, и по мере обеднения смеси в сторону обогащения пик CHT немного опережает пик EGT.

Рисунок 2: EGT, соотношение A/F и количество миль на галлон в зависимости от расхода топлива на высоте 3000 футов, 2500 об/мин и давлении в коллекторе 23,5 дюйма.

На рис. 2 показаны результаты испытаний выхлопной трубы, соотношения воздух/топливо и миль на галлон в зависимости от расхода топлива на высоте 3000 футов, 2500 об/мин и давлении во впускном коллекторе 23,5 дюйма. На рис. 3 показаны те же данные для испытания на высоте 6500 футов и давлении в коллекторе 23,4 дюйма. На рисунках 4 и 5 показаны EGT и воздушная скорость в зависимости от отношения A/F и расхода топлива как на высоте 3000 футов, так и на высоте 6500 футов. Первое, на что следует обратить внимание, это то, что пик EGT на самом деле возникает практически при соотношении A/F, равном 14,7. Как замечательно, реальность соответствует теории! И датчик A/F работает нормально. Затем «расход газа» равномерно увеличивается с наклоном. Скорость полета увеличивается и уменьшается пропорционально мощности, как и ожидалось.

Рисунок 3: EGT, соотношение A/F и количество миль на галлон в зависимости от расхода топлива на высоте 6500 футов, 2500 об/мин и давлении в коллекторе 23,4 дюйма.

Просто для справки, поскольку испытания на высоте 3000 футов проводились при мощности 65% и максимальной скорости 179 миль в час, скорость при мощности 75% составляет около 185 миль в час. На высоте 6500 футов лучшая скорость составляет около 189 миль в час.

Рис. 4: EGT и воздушная скорость в зависимости от отношения воздуха к воздуху на высоте 3000 футов, 2500 об/мин и 23,5-дюймовом давлении в коллекторе и 6500 футов, 2500 об/мин и 23,4-дюймовом давлении в коллекторе.

Рис. 5: EGT и воздушная скорость в зависимости от расхода топлива на высоте 3000 футов, 2500 об/мин и 23,5-дюймовом давлении в коллекторе и 6500 футов, 2500 об/мин и 23,4-дюймовом давлении в коллекторе.

Использование отношения A/F

Итак, что мы можем теперь сделать с этими данными и что в них хорошего? Что ж, возвращаясь к проверенному временем методу обеднения, он состоит из мгновенного наклона к пику EGT, а затем корректировки смеси до смещения EGT от пика на заранее определенное количество градусов. Это число либо рекомендовано производителем, либо выбрано оператором в соответствии с его оценкой безопасной и желательной рабочей точки. Косвенным и желаемым результатом является конкретное и постоянное соотношение воздух/топливо.

Именно здесь прямое указание соотношения A/F значительно упрощает процесс настройки крейсерской смеси. Просто сделайте один запуск, чтобы определить и отметить соотношение A/F, которое приводит к желаемому смещению температуры EGT, и во всех будущих полетах устанавливайте смесь с этим соотношением A/F. Измените настройки мощности или высоты и измените настройки смеси, чтобы сохранить желаемое соотношение A/F. Это так просто! Конечно, всегда следите за CHT — значениями и тенденциями — и убедитесь, что они находятся в приемлемом диапазоне.

Для наилучшей скорости/производительности я обычно использую обогащенную смесь 85 F, что соответствует соотношению A/F около 12,5. В экономичном крейсерском режиме я провожу около 50 пиковых нагрузок с отношением A/F около 16.

Тем не менее, изучая эксплуатационные рекомендации, мне стало ясно, что мы, пилоты, многого не понимаем. Вторая врезка «Отношение A/F и взаимосвязь с детонацией, предварительным зажиганием и безопасными условиями эксплуатации» представляет собой попытку углубить это понимание.

Долгосрочная эффективность

После нескольких недель полета с этой установкой она мне очень нравится. Забегая вперед, ключевой вопрос заключается в том, какова будет долговечность кислородного датчика. Дэйв Хиршман в своей статье цитирует Клауса Савьера, основателя Light Speed Engineering, калифорнийской фирмы, занимающейся разработкой и продажей электронных систем зажигания:

«Лямбда-датчики избавляют от необходимости строить предположения.

Разное