Классическим способом приготовления горючей смеси в бензиновых поршневых двигателях является способ карбюрации. Карбюрация — это процесс внешнего смесеобразования путем распыления бензина в потоке воздуха за счет самоистечения бензина из отверстия топливного жиклера в быстрый поток воздуха под действием разрежения в зауженном диффузоре. Пневмомеханическое устройство, реализующее такой процесс, называется карбюратором. Почему карбюраторы, хотя они и дешевле, не выдержали конкуренции перед системами питания с форсунками впрыска? Рассмотрим подробно недостатки карбюрационного смесеобразования.
Из теории поршневых двигателей внутреннего сгорания известно, что самым совершенным из них является дизельный двигатель. Он меньше расходует топлива на единицу вырабатываемой энергии, больше отдает мощности на единицу рабочего объема цилиндров, может работать на низкосортных цетановых топливах, менее опасен в экологическом отношении и так далее. Суть всех преимуществ дизельного ДВС (при всем их разнообразии) состоит в том, что топливовоздушная смесь в нем образуется непосредственно внутри цилиндров. То есть в дизельных ДВС имеет место внутреннее смесеобразование, при котором потери топлива и вырабатываемой энергии минимальны.
Возникает вопрос, а почему столь совершенный внутренний способ приготовления горючей смеси нв нашел широкого распространения на бензиновых ДВС? Главная особенность дизеля, заключающаяся в самовоспламенении топливовоздушного заряда от сильного сжатия, не может быть реализована с применением бензина в качестве топлива. Пары бензина при сильном нагревании и под большим давлением сгорают очень быстро и взрывообразно, а значит, неуправляемо, и даже в обычных бензиновых ДВС это в ряде случаев приводит к детонациям, разрушающим двигатель.
Вторая сложность состоит в том, что при применении принудительного зажигания бензиновых смесей внутреннее смесеобразование хотя и возможно, но крайне затруднительно из-за необходимости впрыскивать бензин во внутрь сильно разогретого цилиндра (в конце впуска температура воздуха достигает 300°-400°). В таком случае может иметь место быстрое испарение бензина и образование облака без перемешивания с воздухом.
Равномерный качественный процесс внутреннего смесеобразования может не состояться.
Для реализации внутреннего смесеобразования бензина с воздухом требуется интенсивная турбулентность внутри цилиндра, для чего необходимо применение бензонасоса высокого давления, специальных форсунок впрыска, специальных камер сгорания, клапанов и поршней. Конструкция двигателя при этом значительно усложняется, а стоимость заметно возрастает.
Третьим недостатком карбюраторного смесеобразования является многократное изменение агрегатного состояния горючей смеси по пути из миксерной зоны в камеру сгорания под влиянием изменений температуры и давления. В карбюраторном двигателе этот путь включает в себя: диффузор карбюратора, дроссельную заслонку, трубы впускного коллектора, предклапанную зону головки цилиндров, впускной клапан и сам цилиндр. На каждом переходе горючая смесь, даже если она идеально приготовлена в миксерной зоне карбюратора, теряет свои стехиометрические свойства, и к моменту воспламенения в камере сгорания совершенно не известно, какой у этой смеси коэффициент избытка воздуха а (альфа).
На практике получается так: в цилиндре бензина сгорает столько, сколько это возможно в данных условиях протекания химической реакции горения; а чтобы процесс горения не прерывался от цикла к циклу, карбюратор заблаговременно обогащает смесь с учетом потерь топлива по длинному пути. Это достигается соответствующим увеличением отверстий в топливных жиклерах. Заблаговременное обогащение рабочей смеси при карбюрации есть неизбежный недостаток такого способа смесеобразования.
Четвертым существенным недостатком карбюраторного способа смесеобразования является тот факт, что в процессе пульверизации бензин не может быть распылен на очень мелкие капли. Диаметр капель в карбюраторе не бывает меньше 100-120 мкм, в то время как при принудительном распылении бензина под давлением через форсунку диаметры капель не превышают 40-50 мкм, а при впрыске бензина под высоким давлением или одновременно с нагнетаемым в форсунку воздухом и того менее (до 20 мкм). Крупные капли бензина так же, как и длинный путь горючей смеси при карбюраторном способе смесеобразования, способствуют более быстрому переходу паров бензина обратно в жидкое состояние.
Из сказанного ясно, что система внешнего смесеобразования с карбюратором, у которой протяженность впускного канала для топливовоздушной смеси всегда значительна, а распыленные капли бензина всегда достаточно крупные, изначально является несовершенной по показателям экономичности топлива и по качеству приготовляемой смеси. Как следствие, часть бензина в карбюраторном ДВС расходуется бесполезно, так как выбрасывается через выхлопную систему в атмосферу либо в виде несгоревших паров бензина, либо в виде ядовитого угарного газа СО. Осевший на стенки цилиндров бензин может оказаться в системе смазки ДВС.
Эти обстоятельства и заставили разработчиков новых моделей автомобильных двигателей внутреннего сгорания перейти от карбюрации к впрыску бензина в системах топливного питания.
