Под составом смеси понимается соотношение между количеством воздуха и топлива, поступающего в двигатель. Теоретически полное сгорание одного килограмма бензина произойдет в том случае, если при этом будет участвовать чуть меньше 15 килограммов воздуха. Величина эта определяется химическими реакциями горения и зависит от состава самого топлива. Однако в реальных условиях оказывается выгоднее поддерживать состав смеси хотя и близко к названной величине, но с отклонениями в ту или иную сторону. Смесь, в которой топлива меньше чем теоретически необходимо, называется бедной; в которой больше — богатой. Для количественной оценки принято использовать коэффициент избытка воздуха α, показывающий избыток воздуха в смеси:
GB - расход воздуха, кг/час;
GT - расход топлива, поступившего в цилиндры двигателя, кг/час;
l0 - расчетное количество воздуха в кг, необходимое для сжигания 1 кг топлива (14,5...15).
Для бедных смесей α > 1, для богатых - α < 1, смеси с α = 1 называются стехиометрическими.
Таким образом, через карбюратор проходит смесь воздуха с пропорциональным количеством топлива. Количество приготовленной бензовоздушной смеси регулируется дроссельными заслонками, расположенными на выходе карбюратора. Ими регулируется наполнение цилиндров, а значит и нагрузка двигателя. Полная нагрузка соответствует максимальным открытиям дросселя и характеризуется наибольшим поступлением горючей смеси в цилиндры. На полном дросселе двигатель развивает наибольшую для данной частоты вращения мощность. Противоположным полной нагрузке является холостой ход. Применительно к автомобилю холостой ход - это работа двигателя с отключенной коробкой передач, независимо от того, какова частота вращения двигателя. Все промежуточные режимы работы двигателя (от холостого хода до полных нагрузок) попадают под определение "частичные нагрузки". При постоянном положении дросселя, количество смеси проходящей через карбюратор, изменяется в зависимости от частоты вращения двигателя пропорционально числу рабочих циклов в единицу времени. В целом нагрузка и частота вращения определяют режим работы двигателя; каждому режиму работы соответствует определенный расход воздуха и должен соответствовать определенный состав смеси.
Основными выходными параметрами для двигателя являются эффективная мощность Ne (кВт) и удельный эффективный расход топлива ge = Gm/Ne (г/кВт·ч), который является показателем совершенства рабочего процесса двигателя, мерой экономичности (чем меньше величина ge, тем выше эффективный к.п.д). И тот, и другой параметр зависят как от количества смеси, так и от ее состава (качества). Каковы эти зависимости и каков требуемый состав смеси для каждого режима можно определить по регулировочным характеристикам, получаемым на тормозном стенде. Одна из таких характеристик приведена на рис. 1. Карбюратор для подобных испытаний оборудуют устройствами, позволяющими плавно регулировать состав смеси без остановки двигателя, дроссельные заслонки устанавливают в разные фиксированные положения, а усилие тормоза регулируют так, чтобы частота вращения двигателя не изменялась.
Рис. 1. Регулировочная характеристика по составу смеси. Двигатель ВАЗ-2108, n=3000 мин-1
На графике хорошо видно, что максимум мощности достигается при обогащенной смеси (такую смесь принято называть мощностной), а минимум удельного расхода топлива, т.е. максимум экономичности, при бедной (смесь так и называется экономичной). Повышение экономичности двигателя при обеднении смеси от мощностной до экономичной объясняется увеличением полноты сгорания топлива. При дальнейшем обеднении смеси экономичность снова начинает ухудшаться из-за значительного падения мощности, вызываемого уменьшением скорости сгорания смеси. 0.6 этом надо помнить тем, кто в надежде повысить экономичность своего двигателя стремится ограничить поступление в него бензина.
Можно заключить, что целесообразные пределы регулирования лежат в интервале между точками мощностной и экономичной регулировок. За этими пределами составы горючей смеси невыгодны, так как работа на них сопровождается одновременно ухудшением экономичности и падением мощности. Следует помнить, что мощности, соответствующей мощностному составу смеси, можно достичь при несколько большем количестве смеси, но зато экономичной. Можно использовать и более обедненные смеси при еще большем увеличении их количества. На практике мощностной состав горючей смеси обычно организуют только при полных нагрузках, а на всех остальных режимах оставляют смесь экономичной.
Сняв серию регулировочных характеристик при разных положениях дросселя, можно построить так называемые характеристики оптимального регулирования, показывающие, как должен изменяться состав смеси при изменении нагрузки (рис. 2).
Рис. 2. Идеальная характеристика дозирования
В целом, идеальный (с позиций экономичности) карбюратор должен обеспечивать изменение состава смеси в соответствии с линией abc. Экономичному составу смеси соответствует линия ab. Это самая протяженная часть характеристики. В точке b начинается плавный переход к обогащению смеси, продолжающийся до точки с. Любая величина мощности могла бы быть достигнута и при использовании только мощностных смесей по всей характеристике (линия de). Однако работа с мощностными составами смеси на частичных нагрузках не имеет особого смысла, поскольку есть резерв достижения той же мощности за счет простого открытия дросселя и впуска дополнительного количества все еще экономичной смеси. Обогащение действительно необходимо только при полных открытиях дросселя, когда исчерпаны резервы увеличения количества смеси.
Кроме дозирования топлива, важной задачей, стоящей перед карбюратором, является организация смешения топлива с воздухом. Дело в том, что для горения необходимо не жидкое, а газифицированное, испаренное топливо. Непосредственно в карбюраторе процесс испарения бензина не успевает произойти полностью. В нем происходит первая стадия подготовки смеси — распыливание топлива, дробление его на возможно более мелкие капли, а продолжается испарение во впускной трубе двигателя и в самом цилиндре на такте сжатия. Тепло, необходимое для испарения, отнимается от охлаждающей жидкости и подводится к топливовоздушной смеси.
Следует помнить, что определенные по характеристикам составы смеси не являются догмой, а могут изменяться в зависимости от различных факторов. Так все они определяются при нормальном тепловом состоянии двигателя. При пониженном тепловом режиме, например при прогреве двигателя, полнота испарения топлива уменьшается. Если карбюратор готовит экономичную смесь для прогретого двигателя, то при пониженной температуре эта смесь окажется беднее, чем необходимо для экономичной работы, удельный расход окажется резко повышенным, а работа - неустойчивой. Аналогичное влияние могут оказывать сбои в системе зажигания ^двигателя или низкая равномерность распределения топлива по отдельным цилиндрам. Чем "холоднее" двигатель, тем большее обогащение требуется для того, чтобы оставаться в рамках экономичных регулировок.
В огромной степени состав топливовоздушной смеси определяет токсичность отработавших газов. Нормальными продуктами сгорания углеводородных топлив являются, как известно, углекислый газ СО2 и вода Н2О. В цилиндрах двигателей внутреннего сгорания процесс окисления не всегда проходит до конца, в результате чего образуются продукты неполного сгорания топлива. На рис. 3 представлены типичные кривые изменения концентраций трех наиболее известных компонентов от α.
Рис. 3. Зависимость выбросов токсичных компонентов от состава смеси
Концентрация окиси углерода CO закономерно растет с обогащением смеси, что объясняется недостатком кислорода для полного окисления углерода до СО2. Рост концентраций несгоревших углеводородов CnHm в области богатых смесей объясняется теми же причинами, а при обеднении дальше некоторого предела резкий подъем кривой CnHm обусловлен вялым сгоранием и даже пропусками в воспламенении столь обедненных смесей.
Одним из наиболее токсичных компонентов в отработавших газах являются окислы азота, NOx. Это условное обозначение присвоено смеси оксидов азота NO и NO2, которые не являются продуктами сгорания топлива, а образуются в цилиндрах двигателя при наличии свободного кислорода и высокой температуры. На режимах холостого хода в цилиндрах двигателя "холодно" и выброс NOx невелик, поэтому при проверке токсичности по ГОСТ 17.2.2.03 - 87 этот компонент не учитывается.
К сожалению пик окислов азота приходится на составы смеси наиболее близкие к экономичным. Любые попытки снизить концентрацию NOx приводят к необходимости "испортить" рабочий процесс двигателя.