Устройство и принцип работы карбюратора: полный обзор

Функциональный принцип работы карбюратора базируется на фундаментальных законах газовой динамики и гидромеханики, в частности на эффекте Вентури. Суть данного физического явления заключается в том, что при уменьшении поперечного сечения воздухопроводящего канала статическое давление снижается по сравнению с более широким участком или атмосферным давлением. Это падение давления происходит из-за значительного увеличения скорости потока газовой среды в суженной части аэродинамического канала. Образовавшийся перепад давлений (разрежение) эффективно используется для дозирования и непрерывной подачи топлива в проходящий воздушный поток через специально рассчитанные поперечные сечения.

Рис. 12-1. Принцип работы карбюратора.

Характерной чертой всех классических карбюраторных систем является генерация пневматического сигнала дифференциального давления от воздушного потока и его непосредственное преобразование в топливную струю. Концептуально воздушный и топливный тракты спроектированы идентичным образом, а происходящие в них процессы могут быть математически описаны с помощью уравнения Бернулли для жидкостей и газов. Принимая упрощенное допущение о несжимаемости потока, можно вывести строгую модель движения сред внутри дозирующего устройства. Для определения массового расхода воздуха применяется следующая базовая физическая формула:

Каждый современный карбюратор конструктивно оснащен специальным накопителем топлива — поплавковой камерой, в которой поддерживается строго постоянный уровень свободной поверхности горючего. Инженерные конструкции дозирующих устройств традиционно разделяются на несколько основных типов в зависимости от конфигурации газодинамического тракта. Первый и самый распространенный тип — это агрегаты с постоянным сечением воздушного диффузора, также известные как карбюраторы с фиксированным диффузором. В воздушном тракте такого механизма располагается сужающаяся трубка Вентури (воздушная воронка) с неизменной геометрией сечения, к которой конструктивно привязана главная дозирующая система. При малых расходах воздуха генерируемый в диффузоре перепад давления остается крайне низким, поэтому для точного дозирования топлива необходимо дополнительно использовать разницу давлений между впускным патрубком и задроссельным пространством коллектора.

Карбюраторы с фиксированным диффузором в обязательном порядке требуют наличия нескольких сложных систем жиклеров и отдельного ускорительного насоса для обеспечения адекватной подачи топлива на всех режимах работы двигателя. Это технологическое усложнение обусловлено тем, что топливо и воздух имеют кардинально различные значения вязкости и плотности. Чтобы с высокой точностью компенсировать влияние различных чисел Рейнольдса в потоках жидкого горючего и воздуха, в топливную эмульсию принудительно подмешивается компенсационный воздух. Данный процесс эмульсирования позволяет стабилизировать стехиометрический состав топливовоздушной смеси при любых оборотах силового агрегата, предотвращая ее чрезмерное и губительное обогащение при высоких скоростях потока.

Второй значимый тип устройств смесеобразования — это системы с переменным сечением воздушного диффузора, где геометрия впускного тракта динамически изменяется с помощью подвижного элемента. Для точного регулирования проходного сечения в таких конструкциях традиционно используются воздушная заслонка, проникающий в канал цилиндрический поршень (золотник) или специальный поворотный рычаг, который механически сужает профиль канала. Данная кинематическая схема позволяет исключительно эффективно контролировать широчайший диапазон воздушных потоков, используя при этом дифференциальное давление, которое изменяется лишь в крайне незначительной степени. Для обеспечения симметричности и плавности процесса к подвижному элементу прикрепляется коническая дозирующая игла, которая с микронной точностью входит в распылитель (игольчатый жиклер) и плавно регулирует подачу горючего.

Если подвижный золотниковый элемент продолжает свое функционирование даже при работе двигателя на холостом ходу, горючее может дозироваться игольчатым жиклером во всем диапазоне воздушных потоков прогретого мотора. Такая высокоточная топливная система в технической и научной литературе классифицируется как карбюратор постоянного разрежения (постоянного вакуума). В том случае, когда подвижный элемент остается неподвижным на холостом ходу и жестко опирается на ограничитель, этот механизм терминологически называют «ступенью постоянного давления». Подобные пневматические ступени постоянного давления наиболее часто и успешно применяются в качестве вторичной камеры в сложных многоступенчатых карбюраторах, обеспечивая резкий прирост мощности при высоких нагрузках.

Существующие конструкции карбюраторов можно дополнительно и весьма точно категоризировать в зависимости от количества впускных воздушных трактов и их пространственного расположения. В первую очередь выделяют базовый однокамерный карбюратор, который имеет единый впускной аэродинамический тракт с одной дроссельной заслонкой и является самой массовой конструкцией. На рисунке ниже детально представлен пример карбюратора с падающим потоком, на конструктивной базе которого было создано множество успешных модификаций для легендарных оппозитных двигателей «Жук» (Volkswagen Beetle). Это классический и наглядный пример карбюратора с фиксированным диффузором, отличающийся феноменальной эксплуатационной надежностью.

Рис. 12-2. Карбюратор с падающим потоком в качестве устройства с фиксированным диффузором.

Структурно такая топливная система состоит из поплавковой камеры с поплавком и прецизионным игольчатым клапаном, а также системы внутренней балансировочной вентиляции поплавковой камеры, выведенной во впускной патрубок. В состав механизма интегрирована главная дозирующая система с воздушным диффузором, распылителем, компенсационным воздушным жиклером с трубкой Вентури и главным топливным жиклером. Параллельно с ней функционирует зависимая система холостого хода, включающая топливный и воздушный жиклеры холостого хода, винт регулировки качества смеси и калибровочные переходные отверстия. Для точной настройки режима холостого хода применяется специальный упорный винт дроссельной заслонки, который задает начальный угол ее открытия и контролирует объем потока воздуха. В процессе технологической эволюции конструкции в эту систему был успешно добавлен электромагнитный запорный клапан, мгновенно перекрывающий топливо при выключении зажигания.

Для обеспечения динамичного ускорения транспортного средства используется ускорительный насос диафрагменного типа, который оснащен впускным и нагнетательным клапанами обратного действия. Этот насос приводится в действие сложной системой рычагов и тяг, синхронно связанных с осью вращения дроссельной заслонки. Выходное отверстие распылительной трубки (инжектора) этого насоса строго откалибровано для впрыска математически выверенной порции горючего прямо во впускной коллектор. Кроме того, в самой узкой части воздушного диффузора предусмотрено специальное калибровочное отверстие для отбора вакуума, необходимое для корректной работы вакуумного автомата опережения зажигания. Современный однокамерный карбюратор также может комплектоваться биметаллической автоматической воздушной заслонкой для уверенного запуска холодного двигателя.

Для более производительных силовых агрегатов применяется сдвоенный карбюратор, который концептуально представляет собой комбинацию двух однокамерных устройств, эргономично объединенных в одном корпусе. Каждому из независимых впускных воздушных трактов назначается строго эквивалентный набор внутренних дозирующих систем для симметричного смесеобразования. При этом в целях оптимизации габаритов обычно используется лишь одна общая поплавковая камера и один мощный ускорительный насос на весь агрегат. Сдвоенный механизм имеет два параллельных канала со своими дроссельными заслонками, которые могут базироваться на одной общей оси или на двух синхронизированных шестернями валах. Для узкоспециализированных задач был также разработан трехкамерный карбюратор, классической сферой применения которого являлась установка двух таких агрегатов на высокофорсированные шестицилиндровые оппозитные двигатели.

В более прогрессивных топливных системах воздушный поток функционально разделен на две последовательные фазы, что привело к созданию двухступенчатого карбюратора. Первая первичная ступень (камера) используется исключительно для обеспечения малых расходов воздуха, включая режимы холостого хода и средних крейсерских нагрузок. Вторая ступень, которая конструктивно часто имеет значительно большее проходное сечение, открывается только для достижения пиковой выходной мощности двигателя. Концептуально такой механизм содержит два параллельных впускных канала в общем литом корпусе, подключенных к единому впускному коллектору. Главное отличие заключается в том, что дроссельные заслонки в такой системе открываются не одновременно, а в строгой последовательности друг за другом.

Первая ступень такого карбюратора содержит абсолютно все основные вспомогательные системы смесеобразования, включая механизмы пуска и обогащения. Вторая камера механически, пневматически или электромеханически привязана к углу открытия первой ступени, что обеспечивает безупречно плавный переход между нагрузочными режимами работы двигателя. По строгой аналогии с однокамерными моделями, пара двухступенчатых устройств может быть конструктивно спарена для создания сверхсложного сдвоенного двухступенчатого карбюратора (четырехкамерного типа). Подобные высокопроизводительные системы, обладающие колоссальной пропускной способностью, традиционно используются в крупнообъемных шестицилиндровых и восьмицилиндровых V-образных двигателях. Правильная калибровка и обслуживание таких многокамерных систем требует от инженера глубоких знаний термодинамики и применения высокоточного вакуумметрического оборудования.

Помимо сугубо гидродинамических явлений, рабочий цикл карбюратора неразрывно связан со сложными законами физической химии. Важнейшим этапом качественного смесеобразования является процесс термической атомизации топлива, при котором жидкое горючее дробится на дисперсные капли под воздействием высокоскоростного вихревого воздушного потока. Чем меньше фракционный размер этих капель, тем больше интегральная площадь поверхности соприкосновения жидкой фазы с окислителем. Это явление многократно ускоряет последующий процесс испарения, позволяя создать гомогенную (однородную) топливовоздушную смесь. Именно полноценное испарение горючего является залогом его быстрого, чистого и полного сгорания в рабочих цилиндрах теплового двигателя.

Температурный режим впускного тракта оказывает критическое и решающее влияние на общую функциональную эффективность всех систем карбюрации. В процессе интенсивного испарения летучего топлива активно поглощается тепловая энергия из окружающей среды по законам термодинамики. Это приводит к резкому охлаждению металлических стенок впускного коллектора и корпуса самого дозирующего устройства, что может спровоцировать обледенение карбюратора при высокой влажности. Для предотвращения этого опасного эффекта, нарушающего нормальную стехиометрию, инженерами применяются различные системы подогрева впускного тракта циркулирующей жидкостью или отработавшими газами. Дополнительно корпуса современных карбюраторов изготавливаются из специальных антикоррозийных сплавов алюминия и цинка, минимизирующих тепловые потери.

Несмотря на глобальный переход автомобильной индустрии на электронные системы распределенного впрыска, технология карбюрации продолжает активно развиваться в других отраслях машиностроения. Благодаря своей непревзойденной автономности, абсолютной энергонезависимости и высокой ремонтопригодности в полевых условиях, данные механизмы незаменимы в малой технике. Карбюраторы с фиксированным диффузором до сих пор массово устанавливаются на современные авиационные поршневые двигатели, промышленные генераторы и мотоциклетную технику. Фундаментальное понимание гидродинамических принципов их работы, описанных уравнением Бернулли, остается обязательной и важнейшей частью академической инженерной подготовки. Таким образом, эти механические вычислительные устройства жидкостного типа продолжают играть важную роль в мировой индустрии двигателестроения.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Ричард ван Бассхейзен, Фред Шефер

Источник: Руководство по двигателям внутреннего сгорания

Данные публикации будут полезны студентам автотехнических и машиностроительных специальностей, начинающим инженерам-конструкторам в области двигателестроения, специалистам по ремонту и обслуживанию ДВС, а также всем, кто интересуется современными технологиями газораспределительных механизмов.