Многодиффузорные карбюраторы
Карбюратор
« Карбюрэтор» (Американский или Канадский вариант произношения), карбюратор, карбюрэттор, или карбюратор (Британский вариант) это устройство, смешивающее воздух и топливо для ДВС. Слово карбюрировать означает (и отсюда карбюрация) означает смешивать воздух и топливо, или оборудовать двигатель карбюратором для этих целей.
История и развитие
Карбюратор был изобретен Итальянцем Луиджи де Кристофорисом в 1876 г. В университете Падуа К. был улучшен Енрико Бернарди в 1882 году для использовании в его Мотрис Пиа – первом бензиновом ДВС (один цилиндр, 121,6 куб.см), который был разработан в 1882. Ранние карбюраторы были испарительного типа, в которых воздух обогащался парами топлива посредством пропускания через поверхность бензина. Фредерик Вильям Ланкастер из Бирмингема, Англия экспериментировал с автомобильным фитильным карбюратором. В других странах, некоторые автомобили Lada выпускались с карбюраторами до 2006 года. Многие мотоциклы до сих пор используют карбюраторы, потому что они просты, т.к карбюраторы не нуждаются в электрических системах.
Принцип работы
Карбюратор работает по принципу Бернулли: чем быстрее движется воздух, тем меньше его статическое давление, и тем больше его динамическое давление. Связь с дроссельной заслонкой (педалью акселератора) не на прямую управляет потоком жидкого топлива. Вместо этого, она приводит в действие механизм карбюрации, который измеряет поток воздуха, затягиваемого в двигатель. Скорость этого потока, а следовательно, его давление определяет количество топлива, которое засасывается в него.
Когда карбюраторы использовались в ЛА с поршневыми двигателями, были необходимы специальные устройства и решения для предотвращения недостатка топлива во время полета вниз головой. Поздние двигатели использовали карбюратор с избыточным давлением. Большинство производимых карбюраторных двигателей имеют отдельный карбюратор и соответствующий впускной коллектор, который разделяет и проводит смесь к впускным клапанам, хотя, некоторые двигатели, такие как у мотоциклов, используют много карбюраторов, или составные карбюраторы.
Большинство производимых карбюраторных двигателей, в отличие от инжекторных, имеют отдельный карбюратор и соответствующий впускной коллектор, который разделяет и проводит смесь к впускным клапанам, хотя, некоторые двигатели, такие как у мотоциклов, используют много карбюраторов, или составные карбюраторы. Увеличение числа карбюраторов, было также основным улучшением, при модификации двигателей в Америке с 1950-х до середины 60-х годов, так же, как в течение последующего десятилетия выспокопроизводительных масл-каров, когда топливом наполнялись отдельные камеры впускного коллектора двигателя.
Старые двигатели использовали карбюраторы с восходящим потоком, в которых воздух входит снизу карбюратора, а выходит из верха. Это устройство имеет преимущество невозможности затопления двигателя, т.к. любая капля топлива выпадет из карбюратора, вместо того, что бы попадать во впускной коллектор. Это так же привело к возникновению масляного воздушного фильтра, в котором масло под сеткой у дна карбюратора всасывалось на поверхность сетки и воздух проходил через сетку, покрытую маслом. Эта система была эффективна, в то время, когда не существовало бумажных воздушных фильтров.
Вынесенные за пределы капота карбюраторы, как правило те, в которых реализовано среднее прохождение воздуха, так как они должны быть уложены один – на – верх другого в порядке, в котором они подают топливо цилиндрам при их вертикальном расположении.
Главным недостатком карбюраторов, основанных на принципе Бернулли является то, что будучи гидродинамическим устройством, понижение давления при эффекте завихрения Вентури, как правило, пропорционально квадрату скорости входящего воздуха. Струя топлива намного меньше и ограничена, в основном, вязкостью, поэтому поток топлива пропорционален изменению давления. По этому, струи топлива, имеющей размер, соответствующий большей мощности будет не хватать двигателю на меньших оборотах и при не полном открытом дросселе. Наиболее часто, это исправляется использованием множества струй топлива. При холодном запуске, в многоструйных карбюраторах был использован другой принцип. Клапан сопротивления воздуху, который называется заслонкой, аналогично дроссельной заслонке, был расположен вверху по ходу течения основного потока для того, что бы уменьшить впускное давление и засосать дополнительное топливо из форсунок.
Режим работы
Фиксированный воздушный клапан
При котором изменение скорости потока воздуха в расходомере изменяет поток смеси, такая схема используется на большинстве карбюраторов.
Изменяемый воздушный клапан
При котором открытие жиклера изменяется скользящим затвором (который одновременно изменяет поток). В карбюраторах с постоянным разряжением у жиклера это выполняется с помощью вакуумного поршня, соединенного с конической иглой, которая скользит в жиклер
Во всех условиях работы двигателя, карбюратор должен:
· Измерять воздушный поток в двигателе
· Подавать нужное количество топлива для того, чтобы держать нужное соотношение смеси воздух/топливо (подстраивать под такие факторы, как температура)
· Смешивать их тонко и равномерно
Этот процесс был бы простым, если бы воздух и бензин были бы идеальными средами, однако, на практике, отклонение их параметров от идеальных происходит благодаря вязкости, гидродинамического сопротивления, инерции и т.д. требуют огромной сложности в их компенсации для высоких и низких оборотов двигателя. Карбюратор должен обеспечивать надлежащую топливо / воздушную смесь в широком диапазоне температур окружающей среды, атмосферного давления, частоты вращения двигателя и нагрузки, и центробежных сил:
· Холодный запуск
· Горячий запуск
· Холостой ход и малые обороты
· Ускорение
· Высокие обороты / максимальная мощность при полном открытии дросселя
· Крейсерская скорость в режиме частичного открытия дросселя (легкие нагрузки)
В дополнение к этому, современные карбюраторы должны совершать все это, при этом соответствуя малым значениям по вредным выбросам.
Для того, что бы правильно работать при всех этих условиях, большинство карбюраторов содержат в себе сложный набор механизмов для того, что бы поддерживать несколько различных режимов эксплуатации, называемых циклами.
Основы
В основе, карбюратор содержит открытую трубку, через которую проходит воздух во впускной коллектор двигателя. Трубка имеет форму расходомера Вентури: она сужается к середине и затем опять расширяется, что приводит к тому, что скорость потока воздуха возрастает в самом узком месте. Под трубкой Вентури располагается дисковый поворотный клапан, который называется дроссельным клапаном, представляет из себя вращающийся диск, который может поворачиваться торцом к потоку воздуха, так что совсем перестанет ограничивать поток, а может повернуться так, что почти заблокирует ход воздуха. Этот клапан контролирует воздушный поток, проходящий через дроссель карбюратора, и поэтому, контролирует и количество смеси, которое получит двигатель – регулировка мощности и оборотов двигателя. Дроссельная заслонка соединена с педалью акселератора автомобиля или к другому устройству контроля, посредством троса или механических рычагов и тяг, или редко посредством пневматической системы. Топливо поступает в поток воздуха через малые отверстия в самой узкой части трубки Вентури, а также, из других мест, в которым будет существовать падение давления при не полностью открытом дросселе. Поток топлива регулируется посредством точно откалиброванных отверстий, которые называются форсунками.
Приоткрытый дроссель
Когда дроссель приоткрыт, относительно закрытого состояние, его плоскость обеспечивает открытие дополнительных отверстий подачи топлива за плоскостью дросселя, где ниже давление, которое обеспечивает дроссель, когда он закрыт. Это позволяет обеспечить больше топлива, за счет заполнения вакуума, сглаживая переход к дозированию расхода топлива за счет постоянно открытого дросселя.
Открытый дроссель
Когда дроссель постепенно открывается, вакуум в коллекторе уменьшается за счет меньшего ограничения потока воздуха, что уменьшает поток при приоткрытом дросселе и на холостом ходу. Это момент, когда начинает действовать часть карбюратора, имеющая форму трубки Вентури, благодаря принципу Бернулли (т.е., когда увеличивается скорость, давление падает). Трубка Вентури увеличивает скорость воздуха и он, имеющий высокую скорость и низкое давление, всасывает топливо через сопла, расположенные в центре трубки Вентури. Иногда, один или несколько дополнительных трубок Вентури располагаются соосно внутри основной, что увеличивает эффект. Когда дроссель закрыт, поток воздуха через трубку Вентури снижается до тех пор, пока сниженного давления будет достаточно для обеспечения потока топлива и опять начинается цикл холостого хода, который был описан выше.
Принцип Бернулли не эффективен на холостом ходу, при малых оборотах и в очень малых карбюраторах для малых двигателей. Малые двигатели имеют ограничения на поток воздуха перед форсунками: невозможно достаточное уменьшение давления для того чтобы всасывать топливо в воздушный поток. По тем же причинам, при холостом ходу и малых оборотах, форсунки в больших карбюраторах располагают за дроссельной заслонкой, где давление уменьшено в основном со стороны сил поверхностного натяжения, а не по принципу Бернулли. Наиболее часто используемым устройством, которое забогащало смесь, был «подсос», который улучшал холодный запуск.
Клапан мощности
При работе на открытом дросселе, более богатая смесь будет производить больше мощности, предотвращать детонации, и не допускать нагревание двигателя. Эти задачи, как правило выполняются пружинным «клапаном мощности», который держится закрытым вакуумом двигателя. Когда открывается дроссель, уменьшается вакуум и пружина открывает клапан, что позволяет проходить большему объему топлива в главный контур. В 2-х тактных двигателях, действие клапана мощности обратное от нормального – в нормальном положение «открыт», а при наборе оборотов «закрыт». Он активируется на высоких оборотах, для расширения рабочих оборотов двигателя, используя тенденцию повышения оборотов 2-х тактного двигателя при бедной смеси.
Вместо использования клапана мощности, в карбюраторе может быть использована игла дозирующего клапана, или измерительная рейка, для обогащения смеси в условиях, когда оно требуется. Такие рейки сужаются на нижнем конце, который затем расширяется в главных дозирующих форсунках. Верхняя часть рейки соединена с вакуумным поршнем (и/или посредством механического соединения), который поднимает рейку из главных форсунок, когда дроссель открыт (в случае механического соединения), или когда давление в коллекторе падает (в системе с вакуумным поршнем). Когда измерительная рейка опущена в главную форсунку, она не дает протекать топливу. Когда она поднята из форсунки, через нее может протекать больше топлива.
Ускорительный насос
Жидкий бензин, будучи плотнее воздуха, медленней реагирует на приложенную к нему силу. Когда дроссель быстро открывается, поток воздуха, проходящий через карбюратор немедленно усиливается, быстрее, чем может увеличиться количество топлива. Этот скоротечный переизбыток воздуха вызывает обеднение смеси, что приводит к пропускам зажигания («дергание») – эффект, противоположный тому, который требуется при открытии дросселя. Он исправляется посредством использования небольшого поршня, или мембранного насоса, который сообщается с механизмом дросселя, заставляющий проходить небольшое количество топлива через форсунки в карбюратор. В процессе работы, смазочный материал движущихся частей ускорительного насоса изнашивается, что уменьшает дополнительный вброс, это в свою очередь, вызывает «дергание» при ускорении, по этому смазочный материал подлежит замене.
Ускорительный насос так же используется для прокачки двигателя топливом перед холодным пуском. Сильная прокачка, как в случае с неправильно работающим дросселем, может привести к «захлебыванию». Чтобы это предотвратить, большинство карбюраторов оснащены механизмом разгрузки: при запуске двигателя насос обеспечивает широкое открытие дросселя, разгрузчик оставляет клапан открытым и сообщает дополнительный поток воздуха, наконец, лишнее топливо вышло и происходит запуск.
Воздушный клапан
Когда двигатель холодный, пары топлива менее подвижны и имеют тенденцию конденсироваться на стенках впускного коллектора, что оставляет цилиндр без топлива и создает трудности при пуске двигателя. Таким образом, необходим обогатитель смеси (больше топлива в воздухе), для пуска и работы двигателя пока он не прогреется. Воздушный клапан обычно используется для обеспечения дополнительного топлива. Это устройство, которое ограничивает поток воздуха в карбюратор до начала трубки Вентури. С таким местным ограничением, создается дополнительный вакуум в камере карбюратора, который толкает дополнительное топливо по главной дозирующей системе для того, чтобы дополнить топливо, которое было при холостом ходу и режимах малых оборотов. Кроме того, воздушный клапан (ВК) может быть присоединен к кулачку (кулачковому механизму связи с дроссельной заслонкой), или к другому подобному устройству, которое предотвращает полное закрытие плоскости дросселя, когда работает ВК. Это приводит к работе на холостом ходе с большими оборотами. Во многих карбюраторных машинах, ВК управляется кабелем, подключенных к ручке на приборной панели водителя. В некоторых автомобилях, он автоматически управляется термостатом, включающим пружину из двух металлов, которая сообщается с теплом двигателя, или с электрическим нагревательным элементом. Это тепло может быть передано термостату посредством простой конвекции. Разгрузчик дросселя – это рычажный механизм, который не дает ВК закрыться под действием пружины, при движении педали акселератора. Такое устройство позволяет «затопленному» двигателю очиститься, и после этого запуститься.
Некоторые карбюраторы не имеют ВК, но вместо этого имеют контур обогащения смеси, или обогатитель. Обычно, используемый на малых двигателях, особенно в мотодвигателях, обогатители работают, открывая второй топливный контур под дросселем.
Классические Британские мотоциклы с карбюратором со скользящим дросселем, используют другое устройство «холодного пуска», которое называется «тиклер». Это простой стержень с пружиной, который когда ослаблен, вручную давит на поплавок и обеспечивает избыток топлива для наполнения поплавковой камеры и заливает впускной тракт. Если «тиклер» сжат слишком долго, то он также заливает и пространство снаружи карбюратора, картер двигателя, что в свою очередь представляет опасность пожара.
Другие элементы
На взаимодействие между контурами можно повлиять различным числом механических и пневматических устройств, а так же температурно- и электрически- чувствительными компонентами. Они используются для достижения лучшей чувствительности, экономии топлива, или для контроля за выбросами.
Подача топлива
Поплавковая камера
Для обеспечения готовой смеси, в карбюраторе имеется «поплавковая камера», (или «чаша») которая содержит готовое для использования топливо при около-атмосферном давлении. Резервуар постоянно пополняется топливом, подаваемым топливным насосом. Правильный уровень топлива в чаше поддерживается поплавком, который контролирует впускной краник. По мере использования топлива, поплавок опускается, открывая впускной краник и чаша пополняется. Когда увеличивается уровень топлива, поплавок поднимается и закрывает краник. Поддерживаемый уровень топлива в чаше может быть отрегулирован установочным винтом, или, что не предусмотрено конструкцией: выгибание рычага, к которому прикреплен поплавок. Это пример регулировки, допускаемой в критическом случае, пределы регулировки обозначены линиями на окошках чаши, или измерением величины того, как высоко висит поплавок ниже верхней части карбюратора в разобранном состоянии, и т.д. Поплавки могут быть сделаны из разный материалов, например, листовой латуни, спаянной в полую форму, из пластика: полые поплавки могут реагировать на небольшие утечки, а пластиковые могут, в конце концов, стать пористыми и потерять свои плавучие свойства. В любому случае, поплавок потеряет способность плавать, уровень топлива будет слишком высоким и двигатель не запустится, если не заменить поплавок. Сам клапан изнашивается в подвижных местах «посадки» и в конце концов, закроется под небольшим углом, что не обеспечит прекращение подачи топлива, при этом будет вызвано протекание слишком сильного потока топлива, что приведет к плохой работе двигателя. И наоборот, когда топливо испаряется из поплавковой камеры, оно оставляет осадок и налет, который забивает проходы и может создавать помехи в работе поплавка. В частности, это проблема автомобилей, которые работают только часть времени в году и оставляются в простое с полной поплавковой камерой месяцами. Коммерческие стабилизирующие добавки в топливо пригодны для борьбы с этой проблемой.
Топливо, оставшееся в камере может стать проблемой в теплом климате. Если прогретый двигатель заглушен, температура топлива будет расти, что иногда приводит к закипанию «перколяции». Это может привести к заливанию прогретого двигателя и к сложности, или невозможности повторного запуска, явление «прогрев двигателя». Теплоотводы и изоляционные уплотнители призваны уменьшить этот эффект. Карбюратор Thermo-Quad компании the Carter имеет поплавковые камеры, изготовленные из изолирующего пластика (фенольного пластика), что обеспечивает поддержание температуры топлива в 11 градусов Цельсия.
Обычно, специальные вентиляционные трубки позволяют атмосферному давлению поддерживаться в поплавковой камере при изменении уровня топлива. Эти трубки обычно проходят до дросселя карбюратора. Расположение вентиляционных трубок имеет большое значение при предотвращении разбрызгивания из них топлива в карбюратор, иногда их модифицируют путем удлинения. Важно, что система обеспечивает атмосферное давление топлива, по этому, оно не может пройти в дроссель, который испытывает давление от нагнетателя, расположенного выше. Для этой цели его используют более часто. Однако это приводит к заполнению нагнетателя топливной смесью, что может привести к взрыву, в случае вспышки в карбюраторе. Такой тип вспышек часто можно увидеть в автомобилях для драга, в которых из соображений безопасности, во впускной коллектор встроены системы стравливания давления, срывающиеся болты, крепящие нагнетатель, и нейлоновые подушки вокруг нагнетателей, для ловли осколков.
Мембранные карбюраторы
Если двигатель должен работать в любом положении поплавковая камера не подходит. Вместо нее используется камера мембраны. Гибкая диафрагма образует одну сторону топливной камеры и расположена так, что когда топливо втягивается в двигатель, диафрагма натягивается вовнутрь, под действием окружающего воздуха. Диафрагма соединена с игольчатым клапаном, и когда движется вовнутрь, открывает его для того, чтобы впустить больше топлива, тем самым пополняя топливо по мере его расхода. Когда топливо восполнено, диафрагма движется обратно под действием давления топлива и небольшой пружиной, закрывающей игольчатый клапан. Достигнутое состояние равновесия создает постоянный уровень топлива при любой ориентации в пространстве.
Многодиффузорные карбюраторы
В то время как, стандартные карбюраторы имеют одну трубку Вентури, или «диффузор», во многих системах используется их несколько. 2х и 4х диффузорные конфигурации обычно используются для приспособления более объемного потока воздуха под больший объем двигателя. Многодиффузорные карбюраторы. Многодиффузорные карбюраторы могут иметь одинаковые главные и вторичные диффузоры разных размеров и настроенные под доставку разного соотношения смеси. Они могут приводиться в движение посредством механической связи, или вакуумом двигателя в более «продвинутых» моделях, так что вторичные диффузоры не начинают открытие до тех пор, пока первичные не открылись до конца. Эта желательная характеристика, которая максимизирует поток через главные диффузоры в большом диапазоне оборотов, тем самым максимизируя «отклик» давления от трубок Вентури, но снижает сопротивление воздуху на высоких оборотах посредством добавления поперечной области для лучшей продуваемости. Эти преимущества могут быть не важны в высокопроизводительных системах, в которых процессы с не полных открытием дросселя не имеют значения, и главные и вторичные диффузоры могут быть открыты одновременно в целях упрощения и надежности. Также, V-образные двигатели, в которых каждый ряд цилиндров питаются от отдельного карбюратора, могут быть обеспечены двумя идентичными диффузорами, каждый – на отдельный ряд. В большинстве V8, 4х диффузорных карбюраторных комбинациях, часто используется 2 главных и 2 вторичных диффузора.
4-х диффузорный карбюратор с не равными диаметрами каналов, в первые использованный Рочестером в 1965 году «Quadrajet» имел намного большее различие размеров первичного и вторичного дроссельных отверстий. В таких карбюраторах, первичные достаточно малые по сравнению с общепринятыми 4х диффузорными конфигурациями, а вторичные достаточно большие. Малые первичные отверстия обеспечивают экономию топлива и лучшую рабочую характеристику на малых оборотах, а более широкие вторичные, когда это нужно, обеспечивают лучшую производительность. Для того, чтобы приспособить поток через вторичные Вентури, каждый из вторичных дросселей имеет воздушный клапан. Он настраивается во многом похоже на впускную дроссельную заслонку, а в закрытое положение приводится слабой пружиной. Воздушный клапан постепенно открывается, в соответствии со скоростью двигателя и открытием заслонки, постепенно впуская больший воздушный поток через вторичную часть карбюратора. Обычно, воздушный клапан соединен с иглами дозирующего клапана, которые поднимаются, когда открывается воздушный клапан, тем самым обеспечивая вторичный поток.
Многодиффузорные карбюраторы ставятся на один двигатель, часто со сложной системой управления, два 4х диффузорных карбюратора (обычно называются «четырехкамерный») часто встречается на высокопроизводительных Американских V8 моторах, а многодиффузорные 2х камерные карбюраторы на очень высокотехнологичных двигателях. Также используется большое количество малых карбюраторов, хотя такая конфигурация может ограничить максимальный поток воздуха через двигатель из-за недостатка обычного нагнетания. С индивидуальными впускными коллекторами, не все цилиндры сразу втягивают воздух, по мере вращения коленвала.
Регулировка карбюратора
Смесь регулируют с помощью одного или нескольких игольчатых клапанов на автомобильном карбюраторе или рычагом в поршневых самолетах (смесь меняется с плотностью воздуха и, следовательно, с высотой). Независимо от плотности воздуха, стехиометрическое соотношение воздуха к бензину составляет 14,7: 1, это означает, что для каждого части массы бензина, требуется 14,7 части массы воздуха. Способы, проверки регулировки смеси карбюратора включают: измерение окиси углерода, углеводорода и содержание кислорода в выхлопных газах с помощью газоанализатора, или посредством осмотра цвета пламени в камере сгорания через специальную стеклянную свечу зажигания, которая называется «ColorTune»; Цвет пламени правильного стехиометрического горения называется «Bunsen blue» и становится к желтым, если смесь богатая и беловато-синим, если смесь слишком бедная. Другой метод, широко используемый в авиации, заключается в измерения температуры выхлопных газов, которая близка к максимуму для оптимальной смеси и стремительно падает, когда смесь либо слишком богатым или слишком бедная.
О составе смеси можно также судить по исследованию извлеченной свечи. Если свеча черная, сухая, с копотью, это говорит о том, что смесь слишком богатая, белая или слегка серая свеча указывает на бедную смесь. Если смесь подходящая свеча будет иметь коричневато – серый цвет.
При настройке 2-х тактных двигателей важно эксплуатировать его при оборотах и открытиях дросселя, на которых он будет работать чаще всего. Обычно это будет положение близкое к широко открытой или полностью открытой заслонке. Меньшие обороты и ХХ могут работать с богатой/бедной смесью и сбивать показания, из-за устройства карбюраторов хорошо работать с высокими скоростями воздуха, проходящего через Вентури, жертвуя при этом характеристикой на малых оборотах.