Поршневые двигатели с искровым зажиганием работают на смеси летучих жидких углеводородов и воздуха. Смесеобразование - это процесс получения точно подобранной, однородной и легко воспламеняющейся смеси воздуха и паров топлива.
При сгорании атомы водорода и углерода в жидком топливе соединяются с 21 процентом кислорода, содержащегося в атмосферном воздухе, преобразуя молекулярные структуры с более высокой энергией в молекулярные структуры с более низкой энергией. Разница в энергии выделяется в виде тепла.
При так называемом “химически правильном” сжигании топлива (при правильно соотношении топлива и воздуха), образуются только вода и углекислый газ - никаких остатков водорода, углерода или кислорода. Именно так работают датчики кислорода в современных инжекторных двигателях, отслеживая остаточный уровень кислорода). При избытке топлива, топливно-воздушная смесь считается обогащенной. Если воздуха слишком много, смесь называется обедненной.
Эксперимент показал, что искра свечи зажигания не может воспламенить топливно-воздушную смеси при соотношении 18 к 1 (18 кг воздуха к 1 кг бензина - обедненная смесь) или 10 к 1 (10 кг воздуха к 1кг бензина - обогащённая смесь).
Карбюраторная система смесеобразования
Самым ранним способом создания воспламеняющейся топливно-воздушной смеси было испарение. Всасываемый воздух пропускался через слои пропитанной топливом ткани. Это был фитильный карбюратор. Из-за сложности управления смесью такой вид смесеобразования применяли в двигателях с постоянными оборотами, например в генераторных или насосных установках.
В 1893 году Вильгельм Майбах запатентовал распылительный карбюратор. Он использовал тот факт, что движущийся воздух имеет меньшее давление, чем неподвижный: частичный вакуум в быстро текущем всасываемом воздухе позволял более высокому давлению в близлежащем топливном резервуаре (также известном как поплавковая камера) проталкивать топливо в этот впускной воздушный поток. Капли бензина в потоке всасываемого воздуха распадались на еще меньшие частицы, испарялись и равномерно смешивались с воздухом.
Впрыск топлива
С современных двигателях смесеобразование происходит с помощью распыления топлива электронными форсунками. Топливная форсунка представляет собой электромагнитный клапан, обычно с 8 или 12 крошечными отверстиями, через которые топливо распыляется.
Ранние форсунки с одним отверстием, как правило, работали хуже, чем карбюраторы, потому что крупные капли бензина не успевали испарится и смешаться с воздухом.
Время смесеобразования
Время является важной переменной в образовании смеси. Поскольку карбюраторы расположены на некотором расстоянии от впускных клапанов, они обеспечивают самое длительное «время полета», в течение которого капли топлива могут испаряться.
Так же испаряемость бензина зависит от его октанового числа, чем оно выше, тем медленнее испаряется топливо.
Испарение топлива также можно ускорить, нагрев топлива. В гонках Формулы-1 Honda в эпоху 1980-х годов с турбодвигателями, работающими на топливе на основе толуола с высокой детонационной стойкостью, но медленно испаряемая, оснащалась подогревом топлива.
Наименьшее время испарения имеют двигатели с непосредственным впрыском топлива, где впрыск происходит в саму камеру сгорания. Что бы это компенсировать давление впрыска увеличивается. Более высокое давление впрыска позволяет достичь двух целей:
- Происходит быстрая доставка топлива в цилиндр, что добавляет время для испарения.
- Высокое давление увеличивает скорость, с которой топливо бьётся о воздух, тем самым достигая меньшего размера капель топлива.
Капли топлива достигшие 10 микрон или меньше ведут себя во время сгорания так же как пары топлива.
Непосредственный впрыск не является новой технологией, она применялась на поршневых двигателях немецких военных самолетов во время Второй мировой войны, а в середине 1950-х годов на гоночных автомобилях Mercedes.
Как работает топливная форсунка
Электромагнитный клапан открывается путем подачи тока на соленоид и закрывается пружиной при отключении тока. Подача топлива контролируется тем, как долго форсунка остается открытой, то есть тем как долго на нее подает электрический ток. Точный контроль топливно-воздушной смеси является важной технологией для обеспечения высокой производительности при соблюдении предельных значений выбросов выхлопных газов.