Gaźniki jako takie

Gaźniki, rurki emulsyjne, ich szczegóły działania i szczegóły konstrukcji, to tematy, które przez współczesnych entuzjastów motoryzacji znane są niekoniecznie, a jeśli nawet, to jedynie bardzo powierzchownie. A ponieważ tak wyszło, że ja akurat znam je bardzo dobrze, więc postanowiłem o nich co nieco napisać. Tym bardziej, że w samochodowym sporcie gaźniki nie wyszły całkowicie z użycia i pewnie prędko nie wyjdą, jako, że coraz więcej pojawia się tzw. klas historycznych, w których gaźniki muszą być niejako z obowiązku, ponieważ w latach gdy owe obecnie historyczne już pojazdy budowano, produkowane były właśnie z gaźnikami.

Dla tych co już zapomnieli co to są gaźniki, przypominam.

Gaźniki, to części benzynowego układu paliwowego silników spalinowych, tworzące mieszankę paliwowo-powietrzną o właściwym składzie i dostarczające ją do układu ssącego silnika w całym zakresie jego użytkowych obrotów i obciążeń. A więc od rozruchu silnika aż do jego maksymalnych obrotów. Na początek, tradycyjnie, kilka uwag natury ogólnej, dotyczących wszelkich rodzajów i typów gaźników.

Otóż działanie gaźnika opiera się na wykorzystaniu prawa Bernoulliego, które mówi, że każdemu zwiększeniu się prędkości, a co za tym idzie ciśnienia dynamicznego, musi automatycznie towarzyszyć zmniejszenie się ciśnienia statycznego i na odwrót. Co w praktyce oznacza, że jeśli w rurę, którą płynie powietrze wstawimy zwężkę zwiększająca swoją mniejszą średnicą prędkość przepływu, to w zwężce tej powstanie podciśnienie, którego wartość będzie rosła wraz z rosnącą prędkością przepływu.

Poniżej rysunek przedstawiający występujące w gaźniku podciśnienia

D – zwężka, F – przepustnica, M – manometr, (h1,h2,h3) – różnice ciśnień

gaźnik5

Natomiast poniższy rysunek przedstawia schemat gaźnika w maksymalnym uproszczeniu. Powietrze zasysane przez tłok w czasie suwu ssania skutkiem maksymalnie otwartej przepustnicy przepływa przez zwężkę gaźnika D. Występujące w zwężce podciśnienie działając na dyszę G powoduje zasysanie paliwa z komory pływakowej V.przez kanał paliwowy wtryskiwacza S. Do utrzymywania stałego poziomu paliwa w komorze pływakowej V służy pływak z zaworkiem iglicowym odcinającym dopływ paliwa, gdy poziom osiągnie właściwą wartość. Oczywiście komora pływakowa V posiada otwór A łączący ją z atmosferą, by zawsze panowało w niej ciśnienie atmosferyczne, zaś poziom paliwa jest tak ustalany, by był zawsze poniżej poziomu wylotu wtryskiwacza w zwężce, gdyż w przeciwnym przypadku paliwo samoistnie wypływało by z wtryskiwacza np. na postoju, lub przy pochyleniach, ze wszystkimi złymi skutkami takiej sytuacji. Ilość podawanego przez gaźnik paliwa zależna jest od ilości i prędkości powietrza przepływającego przez zwężkę gaźnika, regulowaną poprzez zmianę otwarcia przepustnicy F, której wychylenie sterowane jest pedałem przyspieszenia przez kierowcę.

gaźnik6

Przedstawiony powyżej schemat działania gaźnika to maksymalnie uproszczona wersja konstrukcji (zbliżona do tzw. gaźnika elementarnego), który w przyrodzie motoryzacyjnej praktycznie nie występuje, gdyż praktycznie, aby silnik pracował właściwie w całym zakresie obrotów i obciążeń, konstrukcja gaźnika musi być znacznie bardziej skomplikowana, a gaźnik wyposażony w kilka dodatkowych układów jak:

  • rozruchowy
  • wolnych obrotów
  • przejściowy
  • główny (tworzenia i kompensacji składu mieszanki)
  • wzbogacania mieszanki
  • przyspieszania (pompka przyspieszania)
  • odcinający paliwo przy hamowaniu silnikiem (ZHS)

A także, szczególnie w najmłodszych konstrukcjach gaźników, części elektryczne i elektroniczne.

Dzieje się tak ponieważ silnik spalinowy do właściwego działania wymaga różnego składu mieszanki w różnych okolicznościach pracy. Najczęściej konieczne jest wzbogacenie mieszanki podczas zimnego rozruchu silnika, a także przy gwałtownym przyspieszaniu oraz przy pełnym otwarciu przepustnicy, czyli przy pełnej mocy. Zaś zachowanie ubogiego składu mieszanki podczas jazdy z wyrównanym obciążeniem silnika i stałą prędkością. Przebieg optymalnego składu mieszanki (lambda) w funkcji kąta uchylenia przepustnicy, lub jak kto woli obciążenia przedstawia poniższy wykres.

gaźnik1a

Układ rozruchowy potocznie zwany “ssaniem” umożliwia uruchomienie zimnego silnika w niskich temperaturach otoczenia, gdy do rozruchu wymagana jest bardzo bogata mieszanka w dużych ilościach. Do stosownego wzbogacenia mieszanki i zwiększenia jej ilości zasadniczo stosowane są dwa rozwiązania:

  1. dodatkowa przepustnica zwana zasysaczem wraz z układem mechanicznym zwiększającym uchylenie przepustnicy głównej
  2. dodatkowy układ paliwowy z otwieranym ręcznie zaworem, którego rysunek i schemat działania znajduje się poniżej.

gaźnik11

Działanie zasysacza jest identyczne jak działanie przepustnicy. Jest on wbudowany na wlocie powietrza do gaźnika, przed gardzielą. Jego przymknięcie połączone mechanicznie z większym uchyleniem przepustnicy głównej zwiększa znacząco podciśnienie działające na rozpylacz w zwężce co powoduje wzrost ilości paliwa wydobywającego się z układu głównego paliwa.. Sterowanie zasysaczem odbywa się ręcznie z kabiny kierowcy lub zastosowany może być układ automatycznie przymykający dodatkową przepustnicę zależnie od temperatury silnika (sprężyna z bimetalu). Stosowane są rozwiązania pośrednie, w których uruchomienie zasysacza odbywa się ręcznie, a za jego stopniowe zwalnianie odpowiedzialny jest układ reagujący na temperaturę silnika.

Układ wolnych obrotów jest układem, który umożliwia silnikowi prace na bardzo niskich obrotach rzędu 700 – 900 obr/min, gdy skutkiem niemal całkowicie zamkniętej przepustnicy przepływ powietrza przez zwężkę jest zdecydowanie za mały, by panujące w niej podciśnienie było w stanie uruchomić podawanie paliwa przez układ główny. Schemat układu wolnych obrotów przedstawia poniższy rysunek.

Podczas biegu jałowego silnika, kiedy kierowca nie naciska na pedał przyspieszenia, przepustnica jest prawie całkowicie zamknięta. Pozostaje tylko niewielka szczelina dla przepływu dawki powietrza pozwalającej utrzymać obroty silnika na poziomie 700-900 obr/min. A ponieważ prędkość przepływu powietrza w zwężce jest na tyle mała, że z rozpylacza układu głównego paliwo nie wypływa, więc pobierane jest przez dysze wolnych obrotów ze studzienki rurki emulsyjnej i po zmieszaniu z powietrzem pobieranym z dyszy powietrza wolnych obrotów dostaje się kanałem 18 do otworu mieszczącego się pod przepustnicą, którego czynny przepływ regulowany jest stosowną śrubą regulacyjną o stożkowym kształcie.

Układ przejściowy, to zespół kilku małych otworków umieszczonych w bliskości krawędzi przepustnicy w położeniu przymknięcia, jakie występuje na wolnych obrotach, a które pokazuje powyższy rysunek z oznaczeniem 21. Gdy przepustnica jest przymknięta w celu uzyskania wolnych obrotów, paliwo wypływa z regulowanego śrubą iglicową otworu umieszczonego pod nią, Gdy przypustnica zaczyna być otwierana dopuszczając większą ilość powietrza jej krawędź zaczyna odsłaniać kolejne otworki układu przejściowego, z których skutkiem podciśnienia zaczyna wypływać coraz większa ilość paliwa. Otworki układu przejściowego są tak rozmieszczone, że ich działanie kończy się, gdy uchylenie przepustnicy jest na tyle duże, by dawkowanie paliwa całkowicie przejął na siebie układ główny.

Układ główny gaźnika Weber 28IMB Fiata 126p

gaźnik10

Weber 28IMB

Jednym z pozornie najprostszych konstrukcyjnie gaźników stosowanych w silnikach samochodów jest gaźnik konstrukcji włoskiej firmy Weber Fiata 126p o oznaczeniu 28IMB. Pozornie, ponieważ poza pompką przyspieszenia posiada wszystko to, co dobry gaźnik posiadać powinien. Zaś brak pompki przyspieszenia nie wynika w nim z oszczędności, lecz wyłącznie z braku potrzeby jej stosowania w zasadzie w bezkolektorowym silniku Fiata 126p, Niejako w zastępstwie kolektora ssącego występuje jedynie podkładka bakielitowa pod gaźnik, której zadaniem podstawowym jest izolacja termiczna gaźnika, chroniąca go przed nadmiernym rozgrzaniem od chłodzonej powietrzem głowicy.

Skutkiem owego braku kolektora ssącego odległość gaźnika od zaworów ssących jest na tyle mała, że stosowanie pompki przyspieszenie nie jest konieczne, bo praktycznie niczego nie poprawia, a jedynie zwiększa zużycie paliwa.

Urządzenie kompensacyjne dotyczy układu głównego paliwa i ma za zadanie utrzymywanie wymaganego składu mieszanki przy wszelkich zmianach obciążenia i prędkości obrotowej silnika. Najczęściej stosowanym urządzeniem kompensacyjnym jest powietrzna dysza hamująca układu głównego o odpowiedniej średnicy, współpracująca ze stosowną rurką emulsyjną umieszczoną w studzience paliwowej doprowadzającej paliwo z dyszy głównej paliwa znajdującej się w komorze pływakowej do rozpylacza znajdującego się w zwężce. Wzrost podciśnienia w zwężce prowadzi do wzrostu podciśnienia w studzience rurki emulsyjnej co powoduje podnoszenie paliwa na zewnątrz rurki emulsyjnej i jednoczesne opadanie poziomu paliwa wewnątrz niej. Opadające paliwo wewnątrz rurki emulsyjnej odsłania jej kolejne otwory, z których wydostające się powietrze porywa paliwa do rozpylacza w zwężce, tworząc jednocześnie paliwowo-powietrzną mieszankę.

Inne rozwiązania opierają się na przesłanianiu otworu dyszy paliwa zaworem iglicowym sterowanym mechanicznie lub podciśnieniowo, zależnie od stopnia otwarcia przepustnicy. Stosowane są też dodatkowe zawory powietrza w gaźniku otwierające się przy zwiększonym podciśnieniu, ruchome elementy w gardzieli zmieniające pole przekroju zwężki gaźnika, lub dodatkowe rozpylacze kompensacyjne.

Rurka emulsyjna

Podstawowym, powszechnie stosowanym elementem konstrukcji gaźnika wspomagającym tworzenie się mieszanki paliwowo-powietrznej jeszcze przed jej dostarczeniem do rozpylacza jest tzw. rurka emulsyjna. Paliwo przedostając się kanałem z komory pływakowej przez główną dyszę paliwa przechodzi przez studzienkę, w której dzięki umieszczonej w niej rurce emulsyjnej miesza się wstępnie z powietrzem wydostającym przez stosowne otworki z wnętrza rurki emulsyjnej do studzienki. Wielkość, ilość oraz sposób rozmieszczenia tych otworków w znacznym stopniu decyduje o przebiegu składu mieszanki w funkcji uchylenia przepustnicy.

gaźnik8

Układ wzbogacania ma zapewnić odpowiednie wzbogacanie mieszanki przy maksymalnych obciążeniach silnika. Podczas normalnej jazdy z niewielkim uchyleniem przepustnicy i niewielkim obciążeniem silnika gaźnik zapewnia stosunkowo ubogą mieszankę w celu poprawy ekonomii użytkowania pojazdu. Natomiast podczas maksymalnego obciążenia silnika mieszanka uboga być nie może, bo po pierwsze nie umożliwi pożądanego wzrostu mocy, a po drugie może stanowić zagrożenie dla trwałości silnika z powodu znacznie wyższej temperatury spalania. Owe wzbogacanie mieszanki przy pełnym obciążeniu może być realizowane kilkoma sposobami. W najprostszym przypadku może to być sterowany mechanicznie lub podciśnieniowo zawór, który otwiera się przy całkowicie otwartej przepustnicy i pozwala na dopływ dodatkowej dawki paliwa, lub dodatkowy wtrysk paliwa wynikający z uruchomienia przez podciśnienie układu paliwowego wolnych obrotów przy pełnym obciążeniu, jak ma to miejsce w seryjnym gaźniku Fiata 126p Weber28IMB. Wtrysk wzbogacającego paliwa odbywa otworkiem w zwężce, połączonego z kanałem wolnych obrotów 18, jak zaznaczyłem na poniższym rysunku.

gaźnik7

Pompka przyspieszająca ma za zadanie podać do przelotu gaźnika dodatkową ilość paliwa podczas gwałtownego naciśnięcia pedału przyspieszenia. W momencie szybkiego otwarcia przepustnicy mieszanka przez krótką chwile jest zubażana na skutek bezwładności przepływu paliwa. Dlatego duży wzrost prędkości powietrza w gardzieli nie powoduje równie szybkiego wzrostu ilości zasysanego paliwa i powoduje zdławienie silnika w reakcji na „dodanie gazu”. Pompka przyspieszająca ma zapobiec takiej sytuacji wstrzykując odpowiednią dawkę paliwa i wzbogacając mieszankę.

Typowe rozwiązanie pompki przyspieszającej to studzienka wypełniona paliwem, w której porusza się tłoczek połączony mechanicznie z przepustnicą. Wielkość tłoczka jest tak dobrana aby przy powolnych ruchach przepustnicy paliwo swobodnie przepływało przez przestrzeń pomiędzy tłoczkiem a ściankami studzienki. Przy gwałtownym otwarciu przepustnicy szybki ruch tłoczka powoduje wypchnięcie paliwa ze studzienki i jego rozpylenie w przelocie gaźnika.

gaźnik9

Gp – wtryskiwacz paliwa

Gal – pływak

Vm – zaworek zwrotny tłoczenia

Va – zaworek zwrotny ssania

Vp – wzbogacacz pełnej mocy

Sp – tłoczek pompki

G – dysza główna paliwa

Drugim sposobem realizacji wzbogacania mieszanki podczas gwałtownego otwarcia przepustnicy jest pompka z membraną poruszaną przy szybkich zmianach podciśnienia w dolocie.

Zawór hamowania silnikiem (ZHS) to zawór głownie zmniejszający zużycie paliwa, poprzez współpracuje z urządzeniem biegu jałowego. Układ ZHS sterowany jest podciśnieniem panującym w przelocie gaźnika. Popularny układ składa się z membrany, w której z jednej strony panuje ciśnienie atmosferyczne, a druga strona połączona jest z przelotem gaźnika. Przy zamkniętej przepustnicy urządzenie biegu jałowego zapewnia dostarczanie do cylindrów mieszanki w ilości wystarczającej do utrzymania wolnych obrotów silnika. Zawór ZHS jest otwarty ponieważ podciśnienie panujące w przelocie gaźnika jest zbyt małe aby ugiąć membranę zaworu. W przypadku kiedy kierujący pojazdem hamuje silnikiem, czyli kiedy podczas jazdy samochodem przy włączonym biegu zamyka przepustnicę gaźnika, podciśnienie przekracza znacznie podciśnienie panujące w przelocie podczas pracy na biegu jałowym. ZHS powoduje przymknięcie układu biegu jałowego. Gdy obroty silnika zmaleją do obrotów biegu jałowego różnica podciśnienia i ciśnienia atmosferycznego maleje do wartości, przy której membrana ZHS ponownie otwiera układ biegu jałowego pozwalający utrzymać wolne obroty silnika.

Znacznie lepszym sposobem całkowitego blokowania wypływu paliwa z układu wolnych obrotów jest układ ze sterowanym elektroniką elektrozaworem zamontowanym na dyszy paliwa wolnych obrotów. Składa się z elektrozaworu z dysza paliwa wolnych obrotów, elektrycznego stycznika na dźwigni przepustnicy oraz elektroniki mierzącej obroty silnika. Praca układu polega na blokowaniu elektrozaworem dyszy paliwa wolnych obrotów, gdy przepustnica jest zamknięta, a obroty wyższe od 1200 obr/min.

Elementy elektryczne i elektroniczne stosowane w gaźnikach mogą ograniczać się do prostych elementów, jak elektrozawory, mogą też być to zaawansowane układy sterujące pracą gaźnika w zależności od sygnałów docierających z różnych czujników. Najprostszym elementem elektrycznym stosowanym w gaźnikach jest elektromagnetyczny zawór zamykający dyszę wolnych obrotów po wyłączeniu zapłonu. Zapobiega on powstawaniu samozapłonów. W gaźnikach gdzie występuje duża ilość elementów sterujących mówi się o gaźnikach elektronicznych. Mogą one być wyposażone w elektryczne siłowniki uchylenia przepustnicy, siłowniki przepustnicy rozruchowej, czujnik położenia przepustnicy. Do sterowania wykorzystywane są sygnały z szeregu czujników jak: czujnik prędkości obrotowej, położenia wału, podciśnienia, temperatury, składu spalin (sonda lambda).