КАРБЮРАЦИЯ И КАРБЮРАТОРЫ

Лекция 8

КАРБЮРАЦИЯ И КАРБЮРАТОРЫ

1. Требования, предъявляемые к карбюратору

2. Элементарный карбюратор

3. Течение воздуха по впускному тракту

4. Истечение топлива из жиклера

5. Характеристики элементарного и идеального карбюраторов

5.1. Характеристика элементарного карбюратора

5.2. Характеристика идеального карбюратора

6. Главная дозирующая система

7. Вспомогательные устройства

Как уже отмечалось ранее, сгорание топлива может протекать только в присутствии окислителя, в качестве которого используется кислород, находящийся в воздухе. Следовательно, для полного сгорания определенного количества топлива необходимо иметь определенное количество воздуха, соотношение которых в смеси оценивается коэффициентом избытка воздуха.

Так как воздух является газом, а нефтяные топлива — жидкостью, то для полного окисления жидкое топливо необходимо превратить в газ, т. е. испарить. Поэтому кроме рассмотренных четырех процессов, соответствующих названиям тактов работы двигателя, всегда присутствует еще один — процесс смесеобразования.

Смесеобразование — это процесс приготовления смеси топлива с воздухом для сжигания ее в цилиндрах двигателя.

По способу смесеобразования ДВС разделяются на двигатели с внешним смесеобразованием и двигатели с внутренним смесеобразованием.

В двигателях с внешним смесеобразованием приготовление смеси воздуха с топливом начинается за пределами цилиндра в специальном приборе — карбюраторе. Такие ДВС называются карбюраторными. В двигателях с внутренним смесеобразованием смесь приготавливается непосредственно в цилиндре. К таким ДВС относятся дизели.

1. Требования, предъявляемые к карбюратору

Карбюрацией называется процесс приготовления смеси из топлива и воздуха. Различают горючую смесь и рабочую смесь. Горючая смесь — это смесь влажных паров топлива с воздухом. Рабочая смесь образуется в результате смешивания горючей смеси с отработавшими газами, оставшимися от предыдущего цикла в цилиндре. В зависимости от соотношения топлива и воздуха горючие смеси могут быть различных составов. Для различных режимов работы двигателя необходимы смеси определенного состава.

Так как полностью сгорает только испарившееся топливо, то при приготовлении горючей смеси необходимо стремиться получить полное испарение топлива.

Таким образом, карбюратор должен выполнять следующие требования:

• обеспечивать необходимые условия для испарения топлива и перемешивания его с воздухом;

• автоматически поддерживать оптимальные составы горючей смеси для каждого из режимов работы двигателя и быстро переходить на любой из них;

• иметь минимальные гидравлические сопротивления;

• быть простым по устройству и доступным для регулировок.

Процесс смесеобразования начинается в карбюраторе, где скорость воздуха достигает 150—200 м/с, а истечение топлива — 5—6 м/с. Вследствие разности скоростей топлива и воздуха топливо активно распыляется в слоях воздуха и частично испаряется. Дальнейшее испарение топлива продолжается при движении по впускному трубопроводу, стенки которого нагреты, прохождении клапанной щели и заканчивается в цилиндре. Тем не менее, часть испарившегося топлива оседает на стенках впускного трубопровода (тем больше, чем он холоднее) и в виде пленки продолжает движение по нему. Какая-то часть топлива успеет вновь испариться со стенок, какая-то часть поступает в цилиндр в неиспарившемся виде, что увеличивает расход топлива и понижает развиваемую мощность двигателя.

В основе работы всех современных автомобильных карбюраторов лежит процесс так называемого элементарного карбюратора.

2. Элементарный карбюратор

Принципиальная схема элементарного карбюратора показана на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема простейшего карбюратора:
1 — запорный клапан; 2 — поплавок; 3 — балансировочный канал;
4 — распылитель; 5 — диффузор; 6 — дроссельная заслонка;
7 — жиклер; 8 — поплавковая камера

Основными элементами карбюратора являются поплавковая камера 8 с поплавком 2 и запорным клапаном 1, топливный жиклер 7, дроссельная заслонка 6, распылитель 4 и диффузор 5. Свободный от топлива объем поплавковой камеры сообщается, как показано на рисунке, с началом воздушного канала. В этом случае поплавковую камеру называют сбалансированной. С помощью поплавка 2 и игольчатого клапана 1 в поплавковой камере 8 поддерживается примерно постоянный уровень топлива. Для предотвращения вытекания топлива через распылитель устье распылителя располагают выше уровня топлива в поплавковой камере на 2—8 мм (h).

Топливный жиклер 7 дозирует топливо, поступающее через распылитель 4 в воздушный канал карбюратора. Дроссельной заслонкой регулируется количество горючей смеси, подаваемой из карбюратора во впускной тракт и цилиндры двигателя.

На тракте впуска между окружающей средой и цилиндром создается перепад давлений, в результате которого воздух из окружающей среды поступает в воздушный канал карбюратора и движется по этому каналу. В диффузоре 5 сечение воздушного потока уменьшается, в результате чего повышается его скорость и создается местное разряжение. Максимального значения разряжение достигает в наиболее узкой части диффузора, где обычно устанавливается сопло распылителя 4. Под действием разряжения в диффузоре топливо из распылителя фонтанирует в воздушный канал. При выходе из сопла распылителя топливо подхватывается воздушным потоком и перемещаясь по воздушному каналу со значительно меньшей скоростью, чем воздух, мелко распыляется. Затем в смесительной камере, которая находится в зоне дроссельной заслонки, распыленное топливо частично испаряется, образуя горючую смесь.

В зависимости от направления потока горючей смеси различают карбюраторы с восходящим, падающим и горизонтальным потоками. Наибольшее распространение получили карбюраторы с падающим потоком, так как они обеспечивают более равномерное распределение горючей смеси по цилиндрам, что улучшает мощностные и экономические показатели двигателя.

В зависимости от количества смесительных камер различают однокамерные и двухкамерные карбюраторы. Применение двух и более камер также позволяет улучшить смесеобразование, т. е. обеспечить более качественное перемешивание топлива с воздухом и равномерное распределение смеси по цилиндрам в многоцилиндровом двигателе.

3. Течение воздуха по впускному тракту

Конструктивно воздушный канал карбюратора и впускной тракт представляют собой сложный трубопровод с целым рядом местных сопротивлений, на преодоление которых затрачивается часть энергии потока. Наиболее широкая часть воздушного канала находится на входе в карбюратор (сечение А—А) (рис. 2), наиболее узкая — в сечении Б—Б (минимальный диаметр диффузора).

Рис. 7.2. Схема воздушного канала карбюратора

Если пренебречь изменением плотности воздуха по длине впускного тракта, т. е. рассматривать воздух как несжимаемую жидкость, то согласно уравнению Бернулли

где h0 и hд — высота сечения на входе в карбюратор и высота сечения минимального диаметра диффузора соответственно относительно уровня, принятого за начало отсчета;

0 и д — скорости воздуха на входе в канал и в самом узком сечении диффузора соответственно;

р0 и рд — давления в вышеуказанных сечениях;

— коэффициент сопротивления впускного тракта на участке от входа в канал до минимального сечения диффузора.

Учитывая небольшой удельный вес воздуха и незначительную разность уровней между рассматриваемыми сечениями можно принять, что

.

Считая, что скорость воздуха на входе в канал равна 0, получим

(1)

где рд — разряжение в горловине диффузора рд = р0 – рд.

Из уравнения (1) получим скорость воздуха в диффузоре:

.

Обозначив 1/ через с, получим

(2)

где с — скоростной коэффициент, учитывающий потери скорости из-за гидравлических сопротивлений впускного тракта, а также поправку на сжимаемость воздуха, равный 0,75—0,9.

Если скорость воздуха в сечении диффузора составляет 150—200 м/с, то разряжение в диффузоре составит 20—35 кПа. Следовательно, давление рд, действующее на топливо в распылителе (см. рис. 1), становится меньше давления р0 в поплавковой камере. Под действием разности этих давлений рд = р0 – рл происходит истечение топлива из распылителей со скоростью примерно в 25 раз меньшей скорости воздуха, что обеспечивает хорошее распыление топлива и перемешивание его с воздухом.

Скорость истечения топлива можно определить и по уравнению Бернулли:

(3)

где ж — скоростной коэффициент топлива, проходящего через жиклер (ж равен 0,7—0,85);

т — плотность топлива (для бензинов т равно 690—810 кг/м3).

Так как разряжение в диффузоре рд определяет не только расход воздуха, но и истечение топлива, то при конструировании карбюратора стремятся к тому, чтобы это разряжение было наименьшим и в то же время обеспечивало поступление топлива из жиклера, распыление и достаточное испарение.

При площади минимального проходного сечения диффузора fд количество воздуха, проходящего по воздушному каналу, определяется уравнением

(4)

где д — коэффициент расхода диффузора.

Величина д определяется экспериментально и зависит от формы диффузора, состояния его поверхности, сопротивления на входе воздушного канала, разряжения и т. п. примерно равно 0,7—0,8.

Современные карбюраторы имеют два или даже три диффузора, расположенные последовательно. При этом распылитель устанавливают в области наибольшего разряжения (рис. 3). В последующих диффузорах происходит плавное уменьшение разряжения.

Рис. 7.3. Три последовательно расположенных диффузора
и изменение давления в них

Применение многодиффузорных карбюраторов дает наибольший эффект на больших нагрузках. На малых нагрузках разряжение у распылителя уменьшается, и распыливание топлива ухудшается.

4. Истечение топлива из жиклера

При площади проходного сечения жиклера fж расход проходящего через него топлива определяется как

(5)

где ж — коэффициент расхода жиклера.

Величина ж определяется опытным путем, составляет 0,7—0,8 и зависит от состояния жиклера, соотношения его размеров (рис. 4), формы кромок жиклера, давления, температуры вытекающего топлива и пр.

Рис. 4. Зависимость коэффициента расхода жиклера от его размеров (а)
и формы кромок (б): d — диаметр калиброванного отверстия;
l — длина калиброванного отверстия; рд — разряжение;
1 — для жиклера с острыми кромками; 2 — для жиклера с затупленными внутренними кромками

Таким образом, и расход воздуха Gв, и расход топлива Gт при прочих равных условиях определяются коэффициентом расхода диффузора д и коэффициентом расхода жиклера ж.

Состав смеси оценивается коэффициентом избытка воздуха, который согласно уравнению (3.20) представляет собой соотношение

Тогда, принимая во внимание выражения (4) и (5) и то, что и постоянные, можно записать

где с = (fд/l0 fж)().

Следовательно, состав смеси зависит от соотношения д /ж.

5. Характеристики элементарного и идеального карбюраторов

5.1. Характеристика элементарного карбюратора

Под характеристикой карбюратора понимается зависимость коэффициента избытка воздуха от разряжения в диффузоре или расхода воздуха через карбюратор.

Установлено, что с повышением разряжения в диффузоре коэффициент расхода диффузора д достигает некоторого максимального значения и в дальнейшем или остается почти постоянным, или несколько убывает (рис. 5), в то время как коэффициент расхода жиклера ж стабильно повышается во всем диапазоне разряжения.

Рис. 5. Зависимости изменений коэффициентов расхода диффузора д
и жиклера ж и отношения д / ж от разрежения
в диффузоре элементарного карбюратора

Характеры изменения д и ж приводят к тому, что отношение при увеличении разряжения в диффузоре непрерывно падает, приближаясь к некоторому постоянному для каждого карбюратора значению. Таким образом, коэффициент избытка воздуха в элементарном карбюраторе с увеличением расхода горючей смеси непрерывно уменьшается.

5.2. Характеристика идеального карбюратора

Эксплуатационные режимы работы карбюраторных двигателей отличаются большим разнообразием, и для каждого из режимов должен быть приготовлен свой оптимальный состав смеси, который будет обеспечивать наивыгоднейшие показатели работы двигателя.

Двигатель развивает максимальную мощность при <1. При этом, чем меньше нагрузка, тем больше сдвигается в сторону обогащения состав смеси, обеспечивающий максимальную мощность двигателя.

Наиболее экономично двигатель работает при 1,1, если дроссельная заслонка открыта полностью или частично. При незначительном открытии заслонки экономичная работа двигателя достигается при <1. Однако всегда значения на экономичных режимах больше, чем на мощностных режимах.

Кроме того, чтобы поддержать устойчивую работу двигателя с минимальной частотой вращения коленчатого вала на холостом ходу, необходимо приготовить смесь с коэффициентом избытка воздуха 0,7—0,8, а для пуска холодного двигателя — 0,4—0,6.

В табл. 1 приведены смеси для различных режимов работы двигателя.

Таблица 1. Смеси для различных режимов работы двигателя

Режим работы

Вид смеси

Максимальная мощность

0,85-0,9

Обогащенная

Средние (частичные) нагрузки

1,12-1,15

Обогащенная

Разгон

0,8-0,9

Обогащенная

Холостой ход при минимальной частоте вращения коленчатого вала

0,7-0,8

Значительно обогащенная

Пуск

0,4-0,6

Сильно обогащенная

Характеристика идеального карбюратора совершенно не совпадает с характеристикой элементарного карбюратора (рис. 6).

Рис. 7.6. Характеристики карбюраторов:
1 — элементарного; 2 — идеального

Если на основном режиме работы (средние положения дроссельной заслонки) смесь должна быть обедненной, то элементарный карбюратор ее обогащает, при пуске двигателя вместо обогащения смесь обедняется и т. д.

Для того чтобы скорректировать характеристику элементарного карбюратора и приспособить его к работе на всех режимах в конструкцию карбюратора вводится ряд специальных устройств, которые обеспечивают приготовление оптимального состава смеси для каждого из режимов работы двигателя. Такими устройствами являются:

• корректирующие устройства главных дозирующих систем;

• приспособления для облегчения пуска;

• системы холостого хода;

• экономайзеры (обогатители);

• ускорительные насосы (ускорители обогащения).

6. Главная дозирующая система

Главная дозирующая система (ГДС) предназначена для подачи основного количества топлива на всех режимах работы двигателя под нагрузкой. Она обеспечивает корректирование характеристики элементарного карбюратора, т. е. обедняет смесь при работе двигателя на неполных нагрузках. Достигается это одним из следующих способов:

1) изменением соотношения проходных сечений жиклера и диффузора fд/fж;

2) пневматическим торможением топлива.

Для реализации первого способа применяют два-три диффузора. При малых скоростях воздуха работает малый диффузор, а потом вступает в работу большой.

Использование многодиффузорных карбюраторов дает хороший эффект только при больших нагрузках. На малых нагрузках, как правило, разряжение у распылителя снижается, и распыление топлива ухудшается. В этих случаях в многокамерных карбюраторах используется последовательное открытие дроссельных заслонок. При малых нагрузках открывается только одна дроссельная заслонка (в двухкамерном карбюраторе), и работает только одна смесительная камера. При переходе к большим нагрузкам в работу включается вторая камера.

При втором способе используют компенсационные колодцы (рис. 7, а). Колодец с воздушным жиклером 3 размещают между главным жиклером 2 и распылителем 7. С помощью воздушного жиклера перепад давлений на главном жиклере уменьшается. В результате снижается скорость движения топлива через главный жиклер, а следовательно, и расход топлива. При этом коэффициент избытка воздуха увеличивается, и смесь обедняется. Таким образом, для экономичной работы двигателя пропускная способность воздушного жиклера имеет такое же значение, как и пропускная способность топливного жиклера. При этом образуется топливовоздушная эмульсия, которая и поступает через распылитель в смесительную камеру. Такие карбюраторы называются эмульсионными. Истечение эмульсии из распылителя начнется только при определенном значении рд. При давлении меньше этого значения через распылитель будет поступать лишь топливо.

Рис. 7. Способы формирования различных характеристик карбюратора:
а —компенсация состава смеси; б — действие экономайзера; в — использование системы холостого хода; г — использование устройства для облегчения пуска двигателя; д — действие ускорительного насоса; 1 — поплавковая камера; 2 — главный жиклер; 3 — воздушный жиклер; 4 — дроссельная заслонка; 5 — диффузор; 6 — воздушная заслонка; 7 — распылитель; 8 — шток; 9 — клапан экономайзера; 10 — жиклер экономайзера; 11 — компенсационный колодец; 12 — регулировочный винт; 13, 14 — воздушный и топливный жиклеры системы холостого хода; соответственно; 15 — воздушный клапан; 16 — поршень ускорительного насоса; 17 — обратный клапан; 18 — клапан; 19 — форсунка

Диффузор, главный топливный жиклер, распылитель и система компенсации составляют ГДС.

7. Вспомогательные устройства

Экономайзеры и эконостаты применяются в режиме максимальной мощности двигателя для получения обогащенной смеси. Обогащение достигается увеличением расхода топлива посредством специального канала, который начинает открываться при почти полном открытии дроссельной заслонки. То есть при определенной величине открытия дросселя у экономайзеров механически (рис. 7, б), а у эконостатов пневматически (при значительном перепаде давлений) в работу вступает дополнительный жиклер 10, через который проходит добавочное количество топлива. Смесь обогащается до получения коэффициента избытка воздуха 0,85—0,9.

Эконостаты применяют в карбюраторах, питающих относительно небольшое число цилиндров, когда из-за пульсации потока затруднительно организовать компенсацию горючей смеси обычным способом — понизить разряжение у топливного жиклера. Существующие эконостаты подают топливо непосредственно в горловину диффузора через распылитель 3 (рис. 8) или в зону входного патрубка 1 главного воздушного канала карбюратора.

Рис. 8. Схема простейшего эконостата:
1 – входной патрубок воздушного канала; 2, 3 — распылители

В обоих случаях эконостаты устраняют переобеднение смеси, возникающее иногда при высоких частотах вращения коленчатого вала на средних и больших нагрузках, особенно в много камерных карбюраторах.

Ускорительные насосы. При резком открытии дросселя, например при обгоне автомобиля, смесь обедняется, и двигатель не может развить максимальную мощность.

Обеднение объясняется тем, что скорость воздуха в карбюраторе растет более интенсивно, чем скорость истечения топлива.

Предотвращение обеднения горючей смеси при резком открытии дроссельной заслонки достигается с помощью ускорительного насоса, подающего дополнительное топливо. Насос подает только одну порцию топлива, а затем вступает в действие экономайзер. Поршень 16 (см. рис. 7, д) одновременно с открытием дросселя движется вниз, увеличивая давление топлива под собой. В результате шарик клапана 17 прижимается к седлу, закрывая канал поплавковой камеры, и поднимается игла клапана 18. Через форсунку 19 поданная порция топлива впрыскивается в горловину диффузора. В последнее время поршневые ускорительные насосы вытесняются диафрагменными.

Система холостого хода. На холостом ходу эффективная мощность с коленчатого вала не снимается, а вся индикаторная мощность расходуется на преодоление механических потерь. Поэтому для поддержания минимальной частоты вращения коленчатого вала желательно использовать минимальное количество горючей смеси. Но, чтобы двигатель работал устойчиво, смесь должна быть сильно обогащенной. Для получения такой смеси применяют систему холостого хода (рис. 7, в), представляющую собой «отдельный карбюратор» с топливным 14 и воздушным 13 жиклерами. Так как на этом режиме дроссель прикрыт, под ним нарастает разряжение, под действием которого смесь выходит через отверстие под дросселем. Количество смеси регулируется винтом 12.

Экономайзер принудительного холостого хода. Принудительный холостой ход — это режим работы двигателя при движении автомобиля накатом с отпущенной педалью управления дроссельной заслонкой, но не выключенной передачей в коробке передач. В данном режиме коленчатый вал двигателя, приводимый от колес автомобиля, имеет повышенную частоту вращения. В результате под прикрытой заслонкой образуется повышенное разряжение, что за единицу времени приводит к увеличенному расходу богатой горючей смеси. Если уже при обогащенных составах смеси топливо сгорает не полностью, то при сильно обогащенных составах недогорание топлива возрастает еще больше. При этом в окружающую среду выбрасывается увеличенное количество окиси углерода. Чтобы это устранить, а также для экономии топлива необходимо на этот период отключить его подачу. Эту задачу выполняет экономайзер принудительного холостого хода. Он представляет собой электромагнитный клапан, который при частоте вращения коленчатого вала более 1500—1700 мин-1 и закрытой дроссельной заслонке перекрывает топливный канал системы холостого хода.

Для работы экономайзера принудительного холостого хода необходимы два датчика: датчик частоты вращения коленчатого вала и датчик положения дроссельной заслонки. Сигналы с этих датчиков обрабатываются в специальном блоке управления электромагнитным клапаном. Такая система носит название системы автоматического управления экономайзером принудительного холостого хода (САУЭПХХ) и позволяет в условиях городского режима движения автомобиля экономить до 5% топлива на каждые 100 км пробега и снизить выброс в окружающую среду токсичных веществ примерно на 25%.

Устройства для облегчения пуска двигателя. При пуске двигателя из-за низкой частоты вращения коленчатого вала скорость движения воздуха, а если двигатель холодный, то и подогрев заряда отсутствует. Состав смеси, соответствующий пределу воспламенения может быть получен только за счет испарения легкокипящих фракций топлива, что возможно при введении во впускной тракт большого количества топлива, т. е. путем приготовления сильно обогащенного состава смеси, для чего закрывают воздушную заслонку (рис. 7, г), а дроссельную заслонку оставляют немного приоткрытой.

В воздушной заслонке установлен клапан 15, который пропускает небольшое количество воздуха. Так как воздушная заслонка закрыта, возросшее разряжение действует на все топливные жиклеры, и топливо в диффузоры интенсивно поступает как через ГДС, так и через систему холостого хода, что в совокупности с ограничением количества воздуха обеспечивает получение сильно обогащенной смеси. В последнее время клапан на воздушной заслонке не устанавливается. Вместо этого периодически открывается и закрывается сама воздушная заслонка в соответствии с тактами всасывания. Управление воздушной заслонкой осуществляется специальной диафрагменной камерой, которая реагирует на разряжение в смесительной камере.

Ограничители частоты вращения коленчатого вала. Для ограничения максимальной скорости движения грузовых автомобилей в состав системы питания вводят ограничители максимальной частоты вращения коленчатого вала. Наибольшее распространение получил пневмоцентробежный ограничитель (рис. 9), который состоит из центробежного датчика 6 и исполнительного механизма 2.

Рис. 9. Схема пневмоцентробежного ограничителя частоты вращения коленчатого вала: 1 — мембрана; 2— исполнительный мембранный механизм;
3 — двуплечий рычаг; 4 — пружина; 5 — соединительная трубка; 6 — датчик;
7 — клапан; 8 — пружина клапана; 9 — вращающийся корпус;
а — дренажный канал

В неподвижном корпусе датчика размешен вращающийся корпус 9, в котором установлен клапан 7. Пружина 8 клапана отрегулирована таким образом, что при частотах вращения коленчатого вала ниже максимального значения клапан удерживается в открытом положении, при достижении максимальной частоты вращения под действием центробежной силы клапан закрывается.

Полость над мембраной 1 исполнительного механизма 2 сообщается с внутренней полостью вращающегося корпуса датчика и каналами со смесительной камерой и задроссельным пространством карбюратора. Полость под мембраной вместе с полостью неподвижного корпуса датчика через канал а сообщается с впускным патрубком двигателя или с окружающей средой.

При частоте вращения коленчатого вала меньше максимальной, когда клапан 7 датчика открыт, обе полости исполнительного механизма сообщаются между собой, и под действием пружины 4 мембрана прогибается вниз.

При превышении значения максимальной частоты вращения клапан опускается в седло, сообщение полости над мембраной с окружающей средой прекращается, вследствие возникающего разряжения диафрагма прогибается вверх, растягивая пружину 4, и через двуплечий рычаг 3 дроссельные заслонки закрываются. Соединение полости над мембраной как с полостью над дроссельной заслонкой, так и с полостью под ней обеспечивает необходимое разряжение над мембраной при любом положении дроссельной заслонки независимо от нагрузки.

Контрольные вопросы

1. Чем отличается горючая смесь от рабочей?

2. Назовите требования, предъявляемые к карбюратору.

3. Объясните принцип действия элементарного карбюратора.

4. Для чего в карбюраторах применяют диффузоры?

5. Назовите величины коэффициента избытка воздуха, соответствующие режимам работы двигателя: максимальной мощности, средних нагрузок, разгона, холостого хода, пуска.

6. Назначение главной дозирующей системы.

7. Какие элементы карбюратора составляют главную дозирующую систему?

8. Назначения экономайзера, эконостата и ускорительного насоса.

9. Для чего используют многодиффузорные карбюраторы?

10. Какие карбюраторы называются эмульсионными?

11. Принцип действия устройства для облегчения пуска двигателя.

PAGE \* MERGEFORMAT 1

КАРБЮРАЦИЯ И КАРБЮРАТОРЫ