где GВц — массовый заряд воздуха, поступающий в цилиндр за цикл; α — коэффициент избытка воздуха; l0 — количество воздуха, теоретически необходимое для сгорания одного килограмма топлива.
Известно, что величина GВц определяется выражением
где Vh — рабочий объем двигателя; γ0 — плотность воздуха; i — число цилиндров; ηv — коэффициент наполнения.
Очевидно, что для определения цикловой подачи топлива необходимо знать ηv и γ0, которые зависят от разрежения (или абсолютного давления) во впускном тракте, частоты вращения, теплового состояния двигателя, температуры и давления атмосферного воздуха. Вместо величины разрежения может быть использовано сочетание двух величин — частоты вращения двигателя и угла открытия дроссельной заслонки. В зависимости от способа определения циклового расхода воздуха для конкретного двигателя может быть представлена в виде одной из следующих функций:
Здесь Δрk — разрежение во впускном трубопроводе; рk — абсолютное давление во впускном трубопроводе; φ — угол открытия дроссельной заслонки; n — частота вращения двигателя; р0 — атмосферное давление; ТВ — температура, воздуха на входе во впускной тракт; Тж — температура жидкости в системе охлаждения двигателя, определяющая его тепловое состояние.
Известно также, что величина коэффициента избытка воздуха при изменении режимов и условий работы двигателя не остается неизменной. Оптимальные значения коэффициента избытка воздуха, при которых достигается получение либо оптимума мощностных показателей, либо минимума токсичности отработавших газов, либо минимальных удельных расходов топлива, зависят от режима работы двигателя, внешних условий и теплового состояния двигателя, т. е. от тех же параметров, что и цикловой расход воздуха.
Таким образом, цикловая подача топлива является сложной функцией ряда переменных, определяющих режимы и условия работы двигателя. Определение и анализ зависимостей цикловых подач от этих переменных (требуемой программы регулирования топливоподачи двигателя с впрыском топлива) целесообразно производить методом сечений, фиксируя значения большинства переменных и приводя тем самым исследуемую функцию к функции от одного или, в крайнем случае, двух аргументов.
Введем понятие основной программы регулирования топливоподачи. Под основной программой регулирования топливоподачи будем понимать зависимости изменения цикловой подачи, обеспе-чивакцуей получение требуемых мощностных и экономических показателей двигателя, а также низкой токсичности отработавших газов при нормальных условиях окружающей среды (р0=760 мм рт. ст.; tB=20±5°С), когда двигатель прогрет (tж=80°С) и работает на установившихся режимах. В этом случае требуемые значения цикловых подач полностью определяются сочетанием Δрk — n (при регулировании по разрежению и частоте вращения), либо рк —п (при регулировании по абсолютному давлению во впускном трубопроводе и частоте вращения), либо φ — n (при регулировании по углу поворота дроссельной заслонки и но частоте вращения).
Требуемые зависимости изменения цикловых подач от разрежения, абсолютного давления во впускном трубопроводе и угла поворота дроссельной заслонки при неизменной частоте вращения двигателя приведены на рис. 42. Анализ регулировочных характеристик, приведенных на рис. 11, показывает, что одновременное достижение оптимальных мощностных и экономических показателей двигателя с получением минимальных концентраций токсичных составляющих в отработавших газах не представляется возможным. Поэтому режимы работы двигателя следует рассматривать дифференцированно с точки зрения выбора оптимальных значений цикловых подач.
Рис. 42. Требуемые зависимости изменения цикловых подач от разрежения (а), абсолютного давления во впускном трубопроводе (б) и угла поворота дроссельной заслонки (а); неизменный скоростной режим. Цикловые подачи: 1 - обеспечивающие низкую токсичность; 2 - обеспечивающие оптимальные мощностные показатели; 3 - требуемые эксплуатационные регулировки
Очевидно, что при работе двигателя на режимах частичных нагрузок, определяемых ненулевым значением разрежения (абсолютным давлением во впускном трубопроводе, меньшим, чем атмосферное давление), либо не полностью открытой дроссельной заслонкой, не следует выбирать такие регулировки топливной аппаратуры, которые обеспечивают получение оптимальных мощностных показателей. Поскольку режимы частичных нагрузок встречаются в процессе эксплуатации автомобиля наиболее часто, они должны характеризоваться в первую очередь низкой токсичностью отработавших газов и приемлемыми расходами топлива.
Увеличение мощности, которое можно получить при каком-либо режиме частичной нагрузки путем обогащения состава смеси до мощностного, может быть достигнуто и при регулировках топливной аппаратуры на оптимум токсичности и экономичности, для чего достаточно увеличить расход воздуха, потребляемого двигателем, т. е. больше открыть дроссельную заслонку. Поэтому использование мощностных регулировок на режимах частичных нагрузок нецелесообразно и оправдано только при работе двигателя на полных нагрузках. Параметрами, определяющими перевод топливной аппаратуры с экономических регулировок на мощностные и обратно, может служить только разрежение во впускном трубопроводе или угол поворота дроссельной заслонки. Использование для этой цели абсолютного давления во впускном трубопроводе исключается, поскольку его влияние на режимах полной нагрузки зависит от атмосферного давления, т. е. неоднозначно определяет эти режимы.
Таким образом, цикловая подача, требуемая для получения оптимальных показателей автомобильного двигателя, работающего на неизменном скоростном режиме, может быть представлена в виде одного из выражений:
где kM — масштабный коэффициент, зависящий в первую очередь от Δрk или φ; для мощностных режимов основной программы регулирования он обычно равен 1,1—1,3, а для режимов частичных нагрузок — равен единице. Qц(Δрk), Qц(рk), Qц(φ) — зависимости цикловой подачи соответственно от разрежения, абсолютного давления и угла поворота дросселя при регулировках, обеспечивающих низкую токсичность при достаточной экономичности.
Рис. 43. Требуемые зависимости изменения цикловых подач от частоты вращения при регулировании по разрежению во впускном трубопроводе (с) и по углу поворота дроссельной заслонки (б)
При изменении частоты вращения и фиксированном разрежении (или абсолютном давлении) во впускном трубопроводе цикловой расход воздуха может изменяться за счет влияния ряда факторов, таких, как колебательные явления во впускном тракте, аэродинамическое сопротивление впускной трубы и впускных клапанов и т. п. Кроме этого, при изменении скоростного режима меняются и условия протекания рабочего процесса двигателя, что вызывает изменение требуемой величины коэффициента избытка воздуха. Этим объясняется наличие зависимостей требуемых цикловых подач от частоты вращения, характер которых иллюстрируется кривыми, приведенными на рис. 43. Конкретный вид этих зависимостей определяется конструкцией двигателя, в частности геометрическими размерами и формой впускного трубопровода, конструкцией системы газораспределения и ее фазами. В ряде случаев частотная зависимость цикловых подач хорошо аппроксимируется путем изменения масштаба зависимости от разрежения (или абсолютного давления), т. е. Qц=knkмQц (Δрk) или
где kn — масштабный коэффициент, являющийся функцией частоты вращения двигателя.
Иногда лучшая аппроксимация достигается путем эквидистантного сдвига характеристик по разрежению (абсолютному давлению), т. е.
или
При регулировании цикловых подач по t углу поворота дроссельной заслонки частотные зависимости выражены значительно более отчетливо (рис. 43, б). При неизменных углах открытия дросселя по мере роста частоты вращения требуемые значения цикловых подач, как правило, уменьшаются, особенно при малых углах открытия. Реализация таких зависимостей по сравнению с реализацией при регулировании по Δрk или рk представляет более сложную задачу. Это, в частности, является одной из причин того, что регулирование по углу поворота дроссельной заслонки и частоте вращения не находит широкого применения.
На режимах принудительного холостого хода (торможения двигателем) производится прокрутка двигателя при частично или полностью прикрытой дроссельной заслонке за счет кинетической энергии движущегося автомобиля. Характерной особенностью таких режимов являются весьма глубокие разрежения во впускном трубопроводе двигателя, величины которых превышают значения разрежений, присущих режимам холостого хода на соответствующих частотах вращения. Даже если рабочий процесс двигателя и продолжается при принудительном холостом ходе (что имеет место в случае, когда разрежения не сильно отличаются от разрежений холостого хода), то протекает он вяло и нестабильно из-за очень неблагоприятных условий воспламенения и сгорания Смеси. Это приводит к повышенной концентраций несгоревших углеводородов в отработавших газах и к повышенному износу цилиндро-поршневой группы из-за смывания смазки с трущихся поверхностей несгоревшим топливом. Поэтому на режимах принудительного холостого хода целесообразно отключать подачу топлива. Это позволяет практически полностью ликвидировать токсичные составляющие в отработавших газах на данных режимах, увеличить срок службы двигателя, несколько улучшить эксплуатационную, экономичность автомобиля.
В качестве параметров, определяющих момент отключения подачи топлива, может быть использовано разрежение (или абсолютное давление) во впускном трубопроводе, либо сочетание угла поворота дроссельной заслонки и частоты вращения двигателя. В случае определения режима отключения подачи по разрежению (абсолютному давлению) зависимости цикловых подач от этих параметров должны иметь вид кривых, изображенных на рис. 44. Определение момента отключения подачи по углу поворота дросселя и частоте вращения принципиально равнозначно с методом, использующим для этой, цели разрежение, поскольку при. неизменных условиях окружающей среды величина разрежения полностью определяется сочетанием этих двух параметров.
Рис. 44. Зависимости изменения цикловых (подач от разрежения (a) и абсолютного давления (б), учитывающие режимы отключения подачи топлива
При реализации программы регулирования топливоподачи следует учитывать изменения атмосферного давления, поскольку оно не остается неизменным в реальных условиях эксплуатации автомобильного двигателя. Даже в равнинной местности атмосферное давление может изменяться в достаточно широких пределах — 720—790 мм рт. ст., не говоря уже об эксплуатации автомобиля в горных условиях, где изменение атмосферного давления может превышать 300 мм рт. ст.
Если регулирование цикловых подач осуществляется по абсолютному давлению во впускном трубопроводе, то в первом- приближении, не учитывая изменения противодавления на выпуске, можно считать, что на режимах частичных нагрузок и при принудительном торможении двигателя цикловая подача определяется только величиной рk и не зависит от атмосферного давления. При неизменном абсолютном давлении во впускном трубопроводе и при прочих равных условиях изменение атмосферного давления не вызовет изменения режима работы двигателя.
Однако, как упоминалось выше, включение мощностной регулировки топливной аппаратуры на режимах полных нагрузок не может осуществляться по величине атмосферного давления, поскольку у двигателя с впрыском на полном дросселе рk≈p0=var, и должно производиться либо по величине разрежения, либо по углу открытия дроссельной заслонки.
Более строгий подход к этому вопросу показывает, что пренебрегать изменением противодавления на выпуске нельзя. Так как по мере уменьшения атмосферного давления улучшается очистка цилиндров двигателя, то даже при постоянном абсолютном давлении во впускном трубопроводе уменьшение атмосферного, давления будет приводить к необходимости некоторого увеличения цикловых подач. Это иллюстрируется графиками, приведенными на рис. 45. Таким образом, при регулировании цикловых подач по абсолютному давлению для более точного программирования топливоподачи следует вводить коррекцию по атмосферному давлению на всех режимах работы двигателя, что требует применения дополнительных узлов.
Рис. 45. Зависимость изменения цикловых подач от атмосферного давления при регулировании по абсолютному давлению во впускном трубопроводе (a) и по разрежению (б): 1 - высокое атмосферное давление; 2 - низкое атмосферное давление
При регулировании по разрежению во впускном тракте изменение атмосферного давления будет приводить прежде всего к сдвигу характеристики Qц=f(Δрk) вдоль оси разрежений. Соответственно сдвигается и значение разрежения, при котором следует отключать подачу топлива. Как и при регулировании по абсолютному давлению, наклон характеристики здесь также зависит от атмосферного давления. Очевидно, что для компенсации вариаций атмосферного давления здесь должно быть применено соответствующее корректирующее устройство. Однако при такой схеме программирования нет необходимости в корректировании момента включения мощностной регулировки, поскольку этот момент определяется величиной разрежения и не зависит от атмосферного давления.
При сравнительном анализе обоих способов регулирования топливоподачи следует учитывать, что регулирование по рk требует применения датчика с вакуумированным воспринимающим элементом, реагирующим не только на изменение атмосферного давления, но и на изменение режимов работы двигателя, а также на пульсации давления во впускном трубопроводе. Это предъявляет жесткие требования к надежности воспринимающего устройства. При регулировании Δрk по эти требования резко снижаются, так как даже при появлении на воспринимающем элементе микротрещин датчик может оставаться работоспособным. Введение коррекции по атмосферному давлению здесь осуществляется дополнительным датчиком, воспринимающий элемент которого реагирует только на изменения атмосферного давления, что резко снижает требования к его циклопрочности.
При программировании топливоподачи следует учитывать температуру окружающей среды, которая совместно с атмосферным давлением определяет плотность воздуха, и следовательно, является одним из факторов, влияющих на цикловой расход воздуха. Это особенно существенно для двигателей с впрыском, где необходимо обеспечить поступление в цилиндры по возможности более холодного воздуха и ликвидировать подогрев впускного тракта для достижения более высоких мощностных показателей. По мере понижения температуры воздуха на входе во впускной тракт весовое наполнение цилиндров увеличивается, что требует соответствующего увеличения цикловых подач. Коррекция по температуре воздуха обычно производится путем изменения масштаба зависимости цикловой подачи от разрежения (или абсолютного давления) и точно так же, как и барометрическая коррекция, вводится на всех режимах работы двигателя. Величина изменения масштабного коэффициента в диапазоне температур (—20)—(+80)°С находится в пределах от 1,00 (при температуре +80°С) до 1,20—1,30 (при —20°С).
На закономерности изменения топливоподачи весьма большое влияние оказывает тепловое состояние двигателя, которое совместно с температурой воздуха, поступающего в двигатель, определяет весовой заряд воздуха в конце наполнения. Кроме того, от теплового состояния двигателя в сильной степени зависят характер протекания рабочего процесса, скорость воспламенения и сгорания смеси, что влияет на величину оптимального коэффициента избытка воздуха. Обычно тепловое состояние двигателя характеризуется температурой жидкости в системе охлаждения. Аналитические зависимости требуемой цикловой подачи от температуры жидкости сложны и недостаточно надежны. Поэтому программа регулирования топливоподачи по температуре жидкости обычно определяется экспериментальным путем. Как правило, при этом разделяются процессы пуска холодного двигателя и его прогрева.
Рис. 46. Изменение масштабного коэффициента KtK в зависимости от температуры жидкости в системе охлаждения двигателя
Коррекция топливоподачи при прогреве двигателя осуществляется аналогично коррекции по температуре воздуха на входе во впускной тракт, путем изменения масштаба зависимости цикловой подачи от Δрk (или рk) Обычно эта коррекция производится до температуры охлаждающей жидкости (+60)—(+70)°С, выше которой корректирующие устройства отключаются. Ориентировочная зависимость масштабного коэффициента от температуры охлаждающей жидкости представлена на рис. 46. Из рисунка видно, что при изменении температуры жидкости от +20 до +70°С масштабный коэффициент меняется в относительно небольших пределах, от 1,0 (при +70°С) до 1,2—1,3 (при +20°С). Дальнейшее понижение температуры жидкости приводит к более резкому изменению масштабного коэффициента, который достигает значений 2,0—2,5 при температуре охлаждающей жидкости —20°С. Однако даже такого обогащения состава смеси по сравнению с прогретым двигателем недостаточно для обеспечения надежного запуска двигателя при температурах жидкости в системе охлаждения ниже (+15)—(+10)°С. В этом случае дополнительная подача топлива осуществляется специальными устройствами, введенными в состав системы регулирования, увеличивающими цикловые подачи .при низких температурах в 2,5—3 раза.