Автомобильный транспорт потребляет ежегодно миллионы тонн горючего. Поэтому повышение экономичности автомобильных двигателей и, тем самым, уменьшение количества сжигаемого ими топлива имеет огромное народнохозяйственное значение.
На подавляющем большинстве современных автомобилей как в СССР, так и за рубежом установлены бензиновые двигатели, в цилиндрах которых воспламенение бензовоздушной смеси достигается электрической искрой. Непрерывное совершенствование двигателя этого типа, происходившее на протяжении более чем полувека, способствовало значительному повышению их надежности, долговечности, экономичности и других важнейших показателей. Так, за последние двадцать лет экономичность автомобилей улучшилась в среднем более чем на 40°/о. Это было достигнуто с помощью ряда мер, наиболее важной из которых являлось повышение степени сжатия. Однако возможности увеличения степени сжатия резко ограничиваются качеством применяемого топлива и в первую очередь его октановым числом. В то же время получение высокооктановых топлив сопряжено с серьезным переоборудованием нефтеперерабатывающих заводов и представляет собой одну из труднейших проблем современной топливной промышленности. В настоящее время в результате многолетней работы Института химической физики Академии наук СССР, Научно-исследовательского автомоторного института (НАМИ) и автозаводов найден новый, весьма эффективный способ улучшения экономичности бензиновых двигателей без повышения степени сжатия.
Для правильного понимания сущности этого нового способа следует уяснить себе некоторые особенности рабочего процесса современного бензинового двигателя и условия его работы на автомобиле.
Как известно, смесь бензина с воздухом в цилиндрах двигателя может воспламениться и быстро сгореть только при определенных составах этой смеси. При избытке воздуха более 10—15% горение смеси происходит недостаточно быстро, а при избытке 25—30% она перестает воспламеняться. Поэтому необходимое при работе на автомобиле изменение мощности, развиваемой двигателем, производится путем регулирования поступающего в него количества горючей смеси.
С уменьшением поступления свежей смеси, достигаемым дросселированием, неизбежно возрастает концентрация остаточных газов в общем составе смеси, заполняющей цилиндры двигателя (так как количество остаточных газов остается почти неизменным). В связи с этим для обеспечения надежного воспламенения и быстрого сгорания такой смеси становится необходимым значительно обогащать поступающую бензовоздушную смесь, т. е. приготовлять ее таким образом, чтобы количество воздуха было недостаточным для полного сгорания топлива.
Хорошо известно также, что при эксплуатации автомобиля его двигатель работает чаще всего с неполной нагрузкой. Например, нагрузка двигателя грузового автомобиля в среднем не превышает 60—70%, а легкового автомобиля — 30%. Естественно, что в этих условиях бензиновый двигатель работает в основном на обогащенных смесях, т. е. с неполным использованием тепла расходуемого топлива. Таким образом, особенности, присущие рабочему процессу автомобильного бензинового двигателя с искровым зажиганием, обусловливают его пониженную топливную экономичность. Работа такого двигателя сопровождается, кроме того, повышенным нагарообразо-ванием, а также загрязнением окружающего воздуха ядовитыми газами, образующимися в результате неполного сгорания топлива. В основу нового способа улучшения экономических и других показателей бензинового двигателя положена идея резкого увеличения мощности источника зажигания. Практически это нашло выражение в использовании факела пламени, направленного в камеру сгорания. Отсюда и сам способ получил название факельного зажигания.
Схема факельного зажигания показана на рис. 1. Основная камера сгорания при помощи сопловых отверстий сообщается с небольшой полостью (объемом в несколько куб. см), называемой предкамерой (или форкамерой). Последняя заполняется хорошо воспламеняющейся от искры и быстро сгорающей обогащенной смесью, а основная камера, в зависимости от нагрузки двигателя, — в большей или меньшей степени обедненной смесью. В результате воспламенения обогащенной смеси давление в предкамере повышается и в основную камеру через сопловые отверстия вылетают струи пламени, интенсивно поджигающие по большому фронту обедненную смесь.



Рис. 1. Схема двигателя с факельным зажиганием.

Опытами установлено, что при зажигании факелом обеспечивается надежное воспламенение и быстрое сгорание смесей со значительным избытком воздуха; это дает существенное повышение экономичности работы двигателя благодаря сгоранию всего топлива и лучшему использованию выделяющегося тепла, которое возрастает по мере обеднения смеси. Создались одновременно и предпосылки для устранения других недостатков, присущих двигателю с искровым зажиганием.
Новые возможности ведения рабочего процесса позволяют регулировать мощность двигателя не только увеличением или уменьшением количества поступающей в цилиндры горючей смеси, но и изменением качества смеси, обедняя ее по мере уменьшения нагрузки двигателя.
Соответственно различным по составу смесям, поступающим в предкамеру и основную камеру, в карбюраторе, приготовляющем эти смеси, имеются две самостоятельные системы, в основу действия которых положены известные принципы карбюрации.
В описанной выше схеме для простоты изложения не затронут наиболее важный в проблеме факельного зажигания вопрос о способе заполнения предкамеры обогащенной смесью. От правильного решения этого вопроса зависит возможность наиболее полного использования преимуществ двигателя с факельным зажиганием.
В настоящее время разработаны два принципиально отличных способа заполнения предкамеры смесью.
Коллективом Горьковского автозавода создана конструкция двигателя с факельным зажиганием на базе двигателя ГАЗ-51. В этой конструкции заполнение предкамеры обогащенной смесью происходит при ходе впуска за счет разряжения, создающегося в цилиндре двигателя. Очевидно, что при последующем ходе сжатия неизбежно перетекание части обедненной смеси из цилиндра в предкамеру, при этом состав смеси в предкамере изменится в зависимости от состава смеси, поступившей в цилиндр двигателя. Поэтому для создания в предкамере смеси, хорошо воспламеняющейся и сгорающей независимо от нагрузки двигателя, необходимо строго определенная, автоматически обеспечиваемая взаимосвязь в работе основной и пред-камерной части карбюратора. Решение этой задачи привело к существенному усложнению карбюратора и определенным трудностям в его регулировке.
Иная конструкция, практически устраняющая перетекание обедненной смеси в предкамеру, разработана в Научно-исследовательском автомобильном и автомоторном институте (НАМИ) на базе двигателя ЗИЛ-120. В этом случае подача смеси в предкамеру осуществляется принудительно при ходе сжатия, благодаря чему показатели двигателя находятся в меньшей зависимости от стабильности работы карбюратора и необходимости в его усложнении не возникает. Такое преимущество, естественно, достигается за счет известного усложнения конструкции двигателя.
Особенности двигателя ЗИЛ-120 с факельным зажиганием показаны на рис. 2.



Рис. 2. Внешний вид двигателя ЗИЛ-120 с факельным зажиганием.

Обогащенная смесь нагнетается в предкамеры при помощи небольших поршеньков 1, перемещающихся в цилиндрических выемках головки цилиндров. Привод поршеньков осуществляется при помощи дополнительных коромысел 2, штанг и толкателей от распределительного вала.
При движении поршенька 1 вверх в подпоршневом пространстве создается разряжение. Благодаря этому в конце хода поршенька сюда засасывается из смесераспределительного канала 3 (который сообщается с предкамерной частью карбюратора и подпоршневым пространством) обогащенная смесь. При. последующем ходе поршенька вниз перекрываются отверстия, соединяющие подпоршневое пространство с каналом 3, и поршенек, сжимая смесь, нагнетает ее через автоматически открывающийся клапан 4 в предкамеру. Дальнейший процесс образования факелов пламени ясен из рис. 1. На рис. 3 представлены основные показатели описанного двигателя — расход топлива на одну л. с., мощность и крутящий момент при полной нагрузке и различных числах оборотов. Для сравнения здесь же приведены соответствующие показатели стандартного двигателя ЗИЛ-120.


Рис. 3. Основные показатели двигателя ЗИЛ-120 с факельным зажиганием.

Сопоставляя эти данные, можно сделать вывод о превосходстве двигателя с факельным зажиганием не только по экономичности, но и по мощности и величине крутящего момента, хотя возрастание последних двух показателей должно быть отнесено, главным образом, за счет необходимого при факельном зажигании верхнего расположения клапанов.
Дорожно-экономические характеристики автомобилей ЗИЛ-150, оборудованных стандартным двигателем ЗИЛ-120 и двигателем ЗИЛ-120 с факельным зажиганием, приведены на рис. 4. Сравнение этих характеристик также показывает, что расход топлива автомобилем при установке на него двигателя с факельным зажиганием существенно снижается (до 20%).