Принцип действия и характеристика элементарного карбюратора

 

Схема элементарного карбюратора показана на рис.32. В его состав входят диффузор 1, по которому проходит воздушный поток, регулируемый дроссельной заслонкой 2, и распылитель 3, выходящий в узкое сечение диффузора; топливо к распылителю подается через жиклер 4 из поплавковой камеры 5. В поплавковой камере поддерживается постоянный уровень топлива, находящийся на величину D h ниже среза распылителя. Давление в поплавковой камере равно атмосферному или, при установке за турбокомпрессором, давлению наддувочного воздуха. Благодаря перепаду уровней D h топливо при неработающем двигателе не вытекает в диффузор. При работе двигателя движение воздуха через диффузор создает разрежение, зависящее от расхода воздуха. Если это разрежение превышает гидростатическое давление столба топлива высотой D h, топливо вытекает через распылитель, распыливается в потоке воздуха и движется с ним к цилиндрам, постепенно испаряясь. Следует заметить, что часть топлива обычно оседает на стенках воздушного коллектора, образуя пленку, движущуюся со скоростью, меньшей чем скорость воздушного потока. Это явление характерно не только для элементарного карбюратора, но и для всех карбюраторных систем. Оно приводит к неравномерному распределению топлива по цилиндрам, поскольку часть его, движущаяся по стенкам, попадает преимущественно в ближайшие к карбюратору цилиндры. Кроме того, поведение пленки существенно отражается на составе смеси при резких изменениях режима работы двигателя.

Расход топлива через распылитель определяется разрежением в диффузоре, которое в свою очередь зависит от скорости и расхода воздуха. Следовательно, в элементарном карбюраторе в качественном отношении реализуется первое требование к системе подачи топлива бензинового двигателя: расход топлива связан с расходом воздуха. Количественно эта связь может быть представлена в виде характеристики карбюратора, представляющей зависимость коэффициента избытка воздуха от разрежения в диффузоре или от расхода воздуха. При выводе данной зависимости воздух можно считать несжимаемой жидкостью, так как разрежение в диффузоре обычно не превышает 20 кПа. Тогда расход воздуха

,

где m_д, f _д - коэффициент расхода и сечение диффузора, D р _д - разрежение в диффузоре, r_к - плотность воздуха.

Расход топлива определяется эффективным сечением жиклера m_ж f _ж, разрежением в диффузоре D р _д и разностью гидростатических давлений между срезом распылителя и уровнем в поплавковой камере на отрезке D h:

,

где r_т – плотность топлива.

Коэффициент избытка воздуха

.

В этом выражении единственная переменная - разрежение в диффузоре, причем с увеличением разрежения коэффициент избытка воздуха уменьшается (рис. 33). Такая характеристика неприемлема для режимов частичной нагрузки, где по условиям минимума расхода топлива и токсичности отработавших газов (ОГ) требуется слегка обедненная смесь при некотором росте a с увеличением нагрузки (разрежения в диффузоре). На режиме максимальной мощности требуется обогащенная смесь, как и на режиме холостого хода. Кроме того, требуется учесть особые условия неустановившихся режимов. Из этого следует, что карбюратор, реализующий хотя бы самые основные требования, не может быть построен на принципе элементарного карбюратора. Как правило, современный карбюратор включает несколько систем, каждая из которых обеспечивает требования определенной группы режимов.

 

Главная дозирующая система

 

Главная дозирующая система предназначена для подачи топлива в основном диапазоне режимов, т.е. на всех установившихся режимах, кроме максимальной нагрузки (полного дросселя) и холостого хода. Для этих режимов требуется состав смеси, близкий к стехиометрическому (слегка обедненный), и увеличение обеднения с ростом разрежения. Иными словами, требуется уменьшать подачу топлива по отношению к характеристике элементарного карбюратора, т.е. компенсировать последнюю. Соответственно способы воздействия на характеристику называются компенсацией.

Наиболее распространенный вариант - компенсация за счет разрежения у жиклера. Карбюраторы с главной дозирующей системой, действующей по этому принципу, называют также эмульсионными.

Схема карбюратора показана на рис.34. Наряду с диффузором 1, распылителем 2, главным жиклером 3 и поплавковой камерой 4, он содержит компенсационный колодец 5 с воздушным жиклером 6. В зависимости от разрежения в диффузоре можно выделить три режима работы карбюратора.

1. Разрежение в диффузоре меньше, чем гидростатическое давление, соответствующее разности уровней среза распылителя и поплавковой камеры, D р _д < D h r_т g. Расхода топлива нет. Уровни топлива в компенсационном колодце и поплавковой камере одинаковы.

2. D h r_т g < D р _д < (H + D h)r_т g. Под действием разрежения в диффузоре топливо вытекает через распылитель. Уровень в компенсационном колодце понижается соответственно росту разрежения, но остается выше уровня главного жиклера, поэтому давление воздуха в колодце остается неизменным. Расход топлива через главный жиклер подчиняется той же закономерности, что и для элементарного карбюратора, как и зависимость коэффициента избытка воздуха от разрежения в диффузоре.

3. Разрежение в диффузоре достаточно, чтобы "высосать" топливо из компенсационного колодца: D р _д > (H + D h)r_т g. Через воздушный жиклер и колодец в распылитель поступает воздух, образующий уже в канале распылителя топливо-воздушную эмульсию (отсюда и название "эмульсионный карбюратор"). Это способствует лучшему распыливанию и испарению топлива. В колодце устанавливается разрежение, определяемое сопротивлением воздушного жиклера потоку воздуха, протекающему через колодец. Расход воздуха через распылитель (равный расходу через воздушный жиклер) определяется эффективным сечением распылителя и перепадом давлений между компенсационным колодцем и диффузором. Следует иметь в виду, что в этом режиме движется не воздух, а эмульсия, имеющая существенно иные физические свойства. Однако для упрощенного анализа предполагают, что наличие топлива в распылителе не влияет на характер движения воздуха, так что его расход:

.

С другой стороны, расход воздуха через воздушный жиклер

,

где D p _кл - разрежение в компенсационном колодце.

Из равенства расходов воздуха через распылитель и воздушный жиклер следует

,

откуда

D р _кл = k D p _д, где k = 1/[1 + (m_в f _в/m_р f _р)²].

Иными словами, разрежение в компенсационном колодце пропорционально разрежению в диффузоре и меньше его, причем коэффициент пропорциональности можно подбирать, изменяя сечение воздушного жиклера.

Расход топлива через главный жиклер определяется гидростатическим давлением в поплавковой камере перед жиклером и разрежением в компенсационном колодце:

,

откуда коэффициент избытка воздуха (в предположении, что дополнительное количество воздуха, поступающее через воздушный жиклер, незначительно):

.

Соответствующие графики представлены на рис.35. Геометрические характеристики элементов карбюратора подбираются так, чтобы на рабочие режимы двигателя приходился участок характеристики карбюратора, соответствующий обеднению смеси с ростом расхода воздуха. Абсолютная величина коэффициента избытка воздуха и степень обеднения могут регулироваться подбором сечений главного и воздушного жиклеров.

Аналогичный результат может быть получен в схеме с компенсационным жиклером (рис.36). Здесь топливо подается в диффузор через два параллельных распылителя 5 и 4, соединенных с поплавковой камерой двумя жиклерами: главным 1 и компенсационным 2. У выхода компенсационного жиклера располагается компенсационный колодец 3. Если разрежение в диффузоре превышает величину р _дп = H + D h r_т g, компенсационный колодец опорожняется, и давление у выхода компенсационного жиклера равно давлению воздуха на входе карбюратора, а следовательно, истечение топлива через компенсационный жиклер происходит только под действием гидростатического давления в поплавковой камере. Тогда расход топлива через этот жиклер не зависит от разрежения в диффузоре

G _тк = m_жк f _жкr_т ,

а коэффициент избытка воздуха, соответствующий этой части подаваемого топлива, растет пропорционально расходу воздуха.

Для второй части системы, действующей как элементарный карбюратор, коэффициент избытка воздуха уменьшается. В совокупности подбором сечений жиклеров можно получить характеристику изменения a, близкую к желательной (рис. 37).

Принципиально другой подход к компенсации состава смеси реализуется в карбюраторах с регулируемым разрежением в диффузоре. При этом топливоподающая часть главной дозирующей системы сохраняет схему элементарного карбюратора, в воздушном же тракте предусматривается устройство, благодаря которому разрежение в диффузоре растет не пропорционально квадрату расхода воздуха, а менее интенсивно. Соответственно медленнее растет расход топлива, а коэффициент избытка воздуха меняется в направлении обеднения при увеличении открытия дросселя. Осуществить это можно двумя способами: пропуском части воздушного потока в обход диффузора или изменением сечения самого диффузора.

В первом случае в воздушном канале карбюратора вокруг диффузора предусматриваются обходные каналы, прикрытые упругими пластинами или клапаном (рис.38,а,б,в). При некотором значении расхода воздуха, соответствующем разрежению D р _дн, скоростной напор равен упругой силе пластин. При дальнейшем увеличении расхода пластины отжимаются и часть воздуха идет мимо диффузора. Характеристика такого карбюратора показана на рис.39, где точка Н соответствует началу открывания обходного канала, а точка П - полному его открытию. При закрытом и при полностью открытом канале изменение коэффициента избытка воздуха соответствует характеристике элементарного карбюратора, т.е. смесь обогащается. При промежуточных открытиях дросселя увеличивающийся перепуск воздуха приводит к некоторому обеднению смеси. Во втором варианте (см. рис.38,г) канал диффузора образуют подвижные подпружиненные крылья, которые раздвигаются с увеличением расхода воздуха, замедляя рост разрежения.

Отметим, что обогащение смеси при полностью открытом канале диффузора или перепускного отверстия отвечает требованию к составу смеси на режиме полной мощности.

Требуемый характер изменения состава смеси в зависимости от режима работы можно также обеспечить за счет изменения сечения жиклера. Этот принцип применяется, в частности, в карбюраторах некоторых мотоциклетных двигателей. Как показывает схема на рис.40, топливный жиклер прикрывается иглой, движение которой, а следовательно, и сечение жиклера связывается с открытием дроссельной заслонки. Связь иглы с дросселем может быть механической, пневматической (зависимой от разрежения) и пневмомеханической (по разрежению и положению дроссельной заслонки). За счет подбора кинематики этой связи и профиля иглы можно обеспечить практически любой вид характеристики карбюратора.

Комбинация обоих принципов, т.е. регулируемое сечение как диффузора, так и жиклера, применяется в так называемом карбюраторе с постоянным разрежением в диффузоре (рис.41). Карбюратор располагается горизонтально. Поплавковая камера 8 находится в нижней его части вокруг распылителя 7, так что уровень топлива, определяющий гидростатическое давление у входа в распылитель, мало зависит от наклона карбюратора. Диффузор образуется стенками корпуса карбюратора и торцевой плоскостью поршня 4, который в верхней части соединен с диафрагмой 2. Выше диафрагмы находится полость, соединенная отверстием в поршне и каналом внутри поршня с диффузором. Давление в полости под диафрагмой равно давлению на входе карбюратора. Таким образом, на диафрагму действует вверх усилие

P = D p _д(F - F _п),

где D р _д - разрежение в диффузоре, а F и F _п - соответственно площади мембраны и поршня.

Это усилие уравновешивается поршнем и пружиной 3; при малой жесткости пружины оно может считаться постоянным.
Благодаря чему разрежение в диффузоре также будет постоянным, т.е. поршень будет занимать положение, поддерживающее постоянное разрежение при любом расходе воздуха. При этом положение поршня является показателем расхода воздуха. С поршнем соединена коническая игла 5; кольцевой зазор между иглой и стенками распылителя образует жиклер переменного сечения. При постоянном разрежении в диффузоре расход топлива пропорционален сечению этого жиклера. Профилирование иглы позволяет в принципе получить любую заданную характеристику изменения подачи топлива и, соответственно, коэффициента избытка воздуха в зависимости от нагрузки двигателя. Так, игла в виде конуса с диаметром основания, равным диаметру распылителя, и высотой, на 10% превышающей ход поршня, позволяет изменять коэффициент избытка воздуха от 0,6 до 1,1. Обогащение смеси на режимах, близких к максимальной мощности, осуществляется при подъеме поршня до ограничителя; дальнейший рост разрежения вызывает обогащение смеси, как в элементарном карбюраторе. Валик 9 и амортизатор 1 обеспечивают необходимые характеристики при пуске и разгоне.