Рис. 11. Регулировочная характеристика по топливу двигателя с впрыском: Ne - эффективная мощность; ge - удельный расход топливе; α - коэффициент избытка воздуха; СО, CnHm - компоненты отработавших газов двигателя, %
Современные требования к уровню токсичности отработавших газов заставляют при решении вопроса о выборе состава смеси и допустимых пределах его отклонения обращаться также к кривым зависимости состава отработавших газов от а (рис. 11, б). Ввиду необходимости ограничить выделение как окиси углерода СО, так и углеводородов CnHm. приходится устанавливать дополнительные ограничения на отклонение величины а от заданной.
Мощность установленного на автомобиле двигателя с впрыском топлива, как и мощность карбюраторного двигателя, регулируется изменением положения дроссельной заслонки, связанной с педалью акселератора. Если у карбюраторного двигателя при этом изменяется количество поступившей в цилиндр топливовоздушной смеси, то дроссельная заслонка двигателя с впрыском топлива регулирует непосредственно только количество воздуха, состав же смеси зависит от количества топлива, впрыскиваемого топливоподающей аппаратурой. Для поддержания состава смеси в заданных пределах необходим автоматический регулятор состава смеси, дозирующий топливо в точном соответствии с количеством поступившего воздуха. Наиболее простой и очевидной является схема регулятора, реагирующего непосредственно на изменение расхода воздуха. При цикловом дозировании цикловая подача топлива должна задаваться в соответствии с цикловым зарядом воздуха. Известно, что цикловой заряд воздуха пропорционален задроссельному разрежению во впускной трубе двигателя.
Зависимость между цикловым зарядом воздуха и разрежением в первом приближении представляется линейной. Построенный на этом принципе регулятор смеси может поддерживать постоянный ее состав в широком диапазоне нагрузок. По этой схеме был выполнен регулятор наиболее раннего двигателя с впрыском топлива Мерседес Бенц 300 SL. Регулятор оказался вполне работоспособным, но была отмечена повышенная инерционность при переходе двигателя с режима на режим.
Более тщательный анализ зависимости циклового заряда от разрежения показывает, что здесь имеет место влияние частоты вращения и что для точного регулирования необходима еще коррекция по частоте. В настоящее время это легко осуществляется в системах впрыска с электронным управлением, у которых коррекция топливоподачи по частоте вращения двигателя достигается выбором частотных характеристик электронного блока. Для уменьшения инерционности в систему часто вводится электрическое «ускорительное» устройство, обеспечивающее дополнительную подачу топлива на режимах разгона подобно тому, как это имеет место у карбюраторных двигателей путем применения насоса-ускорителя.
В начале 60-х годов для повышения динамических показателей систем впрыска с плунжерными насосами была предложена схема с чисто механическим регулированием. Она базировалась на следующем основном принципе. При постоянной частоте вращения прогретого двигателя дроссельная заслонка находится в каком-то фиксированном положении; этому положению соответствует вполне определенный расход воздуха. Если при неизменной частоте изменить положение дросселя, то новому положению будет также соответствовать новый вполне определенный расход.
Протарировав таким образом дроссельный патрубок по углу поворота дросселя, можно для данных условий получить кривую расхода воздуха. По этой кривой можно, задавшись определенными значениями α, определить необходимые расходы топлива и спроектировать привод, обеспечивающий взаимное перемещение по выбранному закону дроссельной заслонки и рейки насоса, регулирующей подачу топлива. Такая схема вполне приемлема, хотя точное профилирование кулачка для заданной программы подачи топлива представляет известные трудности. Однако описанная схема будет пригодной только для одной частоты вращения. Изменение частоты вращения потребует изменения и закономерности привода. При применении кулачкового привода понадобился бы набор кулачков и пришлось бы переходить с одного кулачка на другой соответственно изменению частоты вращения. В действительности же используется не набор кулачков, а один кулачок переменного профиля, передвигаемый центробежным регулятором. В окончательном виде система дополнена корректирующими устройствами, учитывающими колебания давления окружающего воздуха, а также изменение теплового состояния двигателя. Система обеспечивает хорошие динамические показатели двигателя, так как при открытии дроссельной заслонки непосредственно увеличивается подача топлива.
На описанном принципе построены механические регуляторы состава смеси фирмы «Бош». Схема такого устройства приведена на рис. 12, а. Дроссельная заслонка 1 системой тяг связана с рычагом управления 2, соединенным непосредственно с педалью акселератора. При изменении ее положения изменяется не только положение дросселя, но и посредством рычага 5 поворачивается на определенный угол пространственный кулачок 6. К поверхности кулачка прижат ролик 8, перемещение которого через систему рычагов 9 передвигает рейку топливного насоса 3. Таким образом, каждому положению дросселя соответствует своя цикловая подача топлива, заданная соотношением плеч рычагов и профилем кулачка б.
Рис. 12. Механическое регулирование состава смеси: а - схема системы Бош; б - схема системы Кугельфишер
Как указывалось выше, эта взаимосвязь должна изменяться при изменении частоты вращения. Поэтому в системе предусмотрен центробежный регулятор 7, приводимый во вращение валом 4. При изменении частоты вращения грузы регулятора перемещают кулачок 6 вдоль оси вала 4, подводя под ролик 8 соответствующий участок профиля кулачка 6. В системе предусмотрена коррекция топливоподачи по изменению атмосферного давления и температуры охлаждающей жидкости двигателя. Для этого используется анероидная коробка 10, и омываемый охлаждающей жидкостью термоэлемент 12. При изменении давления или температуры они через систему рычагов 11 перемещают ось качания рычагов 9, что изменяет цикловую подачу на необходимую величину.
На аналогичных принципах построен механический регулятор состава смеси фирмы «Кугельфишер», принципиальная схема которого дана на рис. 12, б. Дроссельная заслонка 1 управляется рычагом 2, связанным тягой с рычагом 3. Палец рычага 3 входит в проточку пространственного кулачка 4. На поверхность кулачка опирается толкатель 8, действующий на регулирующий рычаг 9. Перемещение рычага 9 изменяет цикловую подачу на сосной секции 10. Таким образом осуществляется связь между открытием дроссельной заслонки и цикловой подачей при постоянных оборотах. Для изменения подачи топлива при изменении частоты вращения предусмотрен специальный механизм, позволяющий отказаться от центробежного регулятора. На валике насоса установлена магнитная муфта 7, внутренняя часть которой связана со спиральной пружиной, размещенной внутри барабана 6. С увеличением частоты вращения момент, воздействующий на внутреннюю часть муфты, возрастает, и угол закручивания спиральной пружины увеличивается. Угловое перемещение, пропорциональное частоте, передается через шестерню 5 кулачку 4, так что кулачок 4 поворачивается и изменяет положение регулирующего рычага 9. В системе предусмотрено корректирование топливоподачи по температуре; термоэлемент 11 через систему рычагов и тяг поворачивает эксцентрично установленную ось рычага 9.
Принцип регулирования топливоподачи по положению дроссельной заслонки и частоте вращения двигателя может быть реализован и в системах с электронным управлением. В этом случае в системе должен быть предусмотрен датчик угла поворота дроссельной заслонки; влияние частоты вращения двигателя может быть учтено подбором частотных характеристик устройства формирования импульсов. По опубликованным данным, на этих принципах построена подготавливаемая к производству система впрыска с электронным управлением фирмы «Лукас».
На иных основах строится регулирование топливоподачи в системах непрерывного впрыска топлива. Ввиду непрерывности истечения топлива здесь удобнее задавать состав смеси изменением отношения часового расхода воздуха к часовому расходу топлива. На этом принципе основывается регулирование распространенной в прошлом системы впрыска Рочестер. Часовой расход воздуха в этой системе измеряется насадкой Вентури, установленным на входе во впускной тракт двигателя. Расход топлива регулируется изменением его давления в системе, для чего служит регулятор давления с диафрагменным приводом. Разрежение из горловины насадка подается к диафрагме регулятора, так что между давлением топлива в системе и расходом воздуха устанавливается непосредственная связь. При всей простоте и очевидной целесообразности такой системы ее реализация связана с существенными трудностями. Поскольку часовой расход топлива в системе питания двигателя от холостого хода до полной нагрузки изменяется примерно в 20 и более раз, то для того чтобы получить такое изменение расхода через жиклер постоянного сечения, перепад давления должен быть изменен в 202, т. е. 400 раз. Если учесть, что в системе Рочестер при максимальной мощности давление равно 14 кгс/см², то на режимах, близких к холостому ходу, потребуется давление всего около 0,04 кгс/см². Спроектировать регулятор, обладающий необходимой точностью в таком диапазоне изменения давлений, трудно, поэтому систему непрерывного впрыска в таком виде целесообразно использовать только на спортивном автомобиле, практически не работающем в области малых нагрузок. На транспортных автомобилях, несмотря на ряд последующих усовершенствований, системы непрерывного впрыска по указанным причинам распространения пока не получили.