Дополнительные системы карбюратора: устройство и принцип работы

В современных двигателях внутреннего сгорания базовой конструкции карбюратора часто бывает недостаточно для обеспечения оптимальных эксплуатационных характеристик. Дополнительные системы позволяют использовать карбюратор во всем рабочем диапазоне двигателя, минимизируя выбросы вредных веществ и снижая расход топлива. Кроме того, эти механизмы значительно улучшают общую управляемость, динамику и отзывчивость транспортного средства на нажатие педали газа. Ниже кратко перечислены наиболее важные системы и их конструктивные особенности. Данный перечень представляет собой лишь выборку основных узлов и не претендует на абсолютную полноту, однако охватывает критически важные компоненты смесеобразования.

(a) Обогащение смеси при ускорении. Процесс подготовки топливовоздушной смеси, который начинается непосредственно в карбюраторе, в первую очередь протекает во впускном коллекторе. Точка кипения автомобильного топлива, а также степень нагрева всасываемого воздуха и стенок коллектора должны быть строго согласованы между собой инженерами. Это необходимо для достижения максимально однородной, или гомогенной смеси, в двигателях, работающих в условиях высоких температур. Однако физика процесса такова, что даже в хорошо прогретых моторах высококипящие фракции бензина могут оставаться в жидком состоянии. Они оседают во впускном коллекторе в виде тонкой пленки на стенках, которая затем увлекается потоком проходящего воздуха в цилиндры.

Воздух обладает значительно меньшей плотностью и инерцией, поэтому он поступает в цилиндр быстрее, чем тяжелое топливо. При резком открытии дроссельной заслонки это приводит к тому, что смесь внезапно становится слишком бедной. Чтобы предотвратить провал в работе двигателя (так называемую «турбояму» атмосферного мотора), смесь необходимо кратковременно обогатить. Данная задача решается путем обогащения при ускорении с использованием специального ускорительного насоса.

Ускорительные насосы представляют собой объемные насосы вытесняющего типа, оснащенные впускным и нагнетательным клапанами. На такте впуска горючее перетекает из поплавковой камеры через открытый впускной клапан во внутреннюю полость насоса. Во время такта нагнетания топливо подается через клапан давления к специальному инжекторному устройству (распылителю). Этот элемент точно откалиброван и направляет струю прямо в канал всасываемого воздуха, компенсируя нехватку бензина. Сам такт нагнетания осуществляется с помощью пружины насоса, которая может быть предварительно натянута различными конструктивными способами для регулировки длительности впрыска.

В современной технической практике принято различать несколько основных типов данных механизмов:
- Механически приводимый плунжерный насос (Рис. 12-3);
- Механически приводимый диафрагменный насос;
- Пневматически приводимый ускорительный насос.

Рис. 12-3. Карбюратор с механически приводимым насосом-ускорителем.

(b) Активация и конструкция второй ступени карбюратора. В многоступенчатых (двухкамерных) карбюраторах существует несколько систем для активации второй ступени, обладающих схожими конструктивными решениями. Главным правилом является то, что вторая ступень всегда должна быть надежно закрыта вместе с первой ступенью на режимах малых нагрузок. В инженерии проводится четкое различие между системами с механическим и пневматическим приводом.

Вторая ступень с механическим приводом: в системах с механической активацией вторая камера карбюратора преимущественно приводится в действие с помощью системы ведомых тяг. Открытие этой ступени часто искусственно ограничивается демпферами, чтобы предотвратить кратковременное обеднение топливовоздушной смеси из-за резкого падения разрежения. Вторая камера обычно начинает открываться только тогда, когда первая ступень уже открыта наполовину. Для этого фиксатор рычага управления дроссельной заслонкой устанавливается в соответствующее геометрическое положение. Обе заслонки достигают положения полного (максимального) открытия строго одновременно.

Конструкция второй ступени во многом аналогична устройству первой камеры. Здесь также присутствует главная дозирующая система и переходная система, похожая на систему холостого хода первой ступени, но с большим запасом производительности. Переходная система должна обеспечивать плавный рост крутящего момента при быстром открытии второй камеры на низких оборотах двигателя. В этот момент во впускном коллекторе наблюдается соответственно высокое давление (низкое разрежение). Для карбюраторов, у которых вторая ступень работает при постоянном давлении, дроссельные заслонки, расположенные на общем валу, приводят в действие вторую ступень посредством ведомой тяги.

Вторая ступень с пневматическим приводом: в данной конструкции обе камеры выполнены как карбюраторы с фиксированной воздушной воронкой (диффузором). Специальный диафрагменный блок (вакуумный привод) активирует вторую камеру с помощью шатуна, шарнирно соединенного с рычагом управления дроссельной заслонкой второй ступени. Соответствующая механическая блокировка гарантирует, что вторая камера может открыться только под воздействием сильного разрежения, когда первая открыта почти полностью. При этом закрытие второй камеры всегда происходит принудительно и синхронно с первой ступенью.

(c) Жиклеры. Жиклеры (сопла) играют роль главных калибровочных элементов карбюратора. Эти прецизионные детали дозируют жидкое топливо, компенсационный воздух и предварительную эмульсию (смесь топлива и воздуха). Для формирования оптимального гидродинамического потока и защиты самого калибровочного сечения от завихрений они оснащены входным конусом, а в некоторых модификациях — и выходным конусом. На Рисунке 12-4 показан типичный главный жиклер. Благодаря своей симметричной гидродинамической форме, такие элементы могут использоваться в обоих направлениях потока жидкости.

Рис. 12-4. Жиклер с калибровочным сечением.

(d) Поплавковая камера. Поплавковая камера является резервуаром постоянного давления. Этот узел служит для точного контроля уровня топлива в карбюраторе, функционирует как оперативный топливный аккумулятор и содержит направляемый поплавок, погруженный в жидкость. Когда камера наполняется бензином, поплавок всплывает и приводит в действие иглу. Таким образом закрывается корпус игольчатого клапана, который полностью блокирует приток топлива из бензонасоса при достижении заданного рабочего уровня.

Существуют и специфические конструкции карбюраторов, которые не контролируют уровень топлива с помощью классической поплавковой камеры. Уровень в таких устройствах регулируется исключительно посредством давления внутри самого топливного аккумулятора (так называемый диафрагменный карбюратор). Такие механизмы часто применяются в бензопилах и авиационных двигателях, где важна работа при сильных наклонах.

Для правильного и стабильного функционирования классические поплавковые камеры обязательно должны вентилироваться. Принято различать наружную и внутреннюю вентиляцию. При наружной вентиляции газовое пространство поплавковой камеры напрямую соединяется с окружающей средой. Это предотвращает образование паровых пробок при работе горячего двигателя, которые могли бы возникнуть из-за интенсивного закипания и испарения топлива. При внутренней вентиляции специальная балансировочная трубка выводится во впускной патрубок или на сторону очищенного воздуха в воздушном фильтре. Это защищает систему от перепадов атмосферного давления и попадания грязи.

(e) Пусковые устройства и элементы управления. В карбюраторных двигателях особое внимание должно уделяться управлению мотором в переходных температурных режимах: от холодного старта, через фазу прогрева, вплоть до достижения состояния «горячего» двигателя. Инженерам необходимо учитывать строгие законодательные ограничения по выбросам выхлопных газов и проблемы, связанные с неравномерным распределением холодного топлива по цилиндрам. Также важными факторами являются образование топливных пленок на холодных стенках коллектора, производственные затраты на узлы, а также общий комфорт водителя при запуске.

Специфические требования к запуску, и в первую очередь необходимость сильного обогащения смеси, вытекают из следующих факторов:
- Повышенное внутреннее трение деталей из-за недостигнутой рабочей температуры и высокой вязкости моторного масла;
- Недостаточная подготовка и испаряемость горючей смеси;
- Повышенная потребность в мощности для привода вспомогательных систем (генератор для зарядки аккумулятора).

В стехиометрической смеси воздуха и обычного товарного бензина точка росы (температура начала конденсации) при нормальном атмосферном давлении составляет приблизительно 35°C. Полная гомогенизация смеси обычно может произойти только внутри цилиндра, когда температура точки росы превышается во время такта сжатия за счет выделения тепла. Следовательно, в холодном двигателе во впускной системе всегда находится большое количество неиспарившегося, жидкого топлива, которое не может нормально воспламениться от искры.

Поэтому для компенсации недостаточной гомогенизации смесь должна быть значительно обогащена по сравнению с прогретым рабочим состоянием, даже когда двигатель просто работает на холостом ходу. Кроме того, порция горючего должна дополнительно обогащаться во время ускорения. Степень этого пускового обогащения должна быть тем больше, чем ниже температура всасываемого воздуха и стенок коллектора. Главной эталонной переменной для расчета обогащения традиционно выступает температура впускного коллектора.

Процесс смесеобразования при холодном пуске адаптируется к следующим фазам:
- Начальная фаза после запуска. Двигатель запускается, как только в камере сгорания образуется воспламеняемая эмульсия. При высоких температурах окружающей среды этот процесс происходит значительно быстрее. Кроме того, требуется стационарное обогащение смеси в зависимости от начальной температуры блока цилиндров и времени, прошедшего после старта.

- Разгон до стабильной скорости холостого хода. Первоначальное, очень сильное стартовое обогащение должно быть постепенно ослаблено (обеднено). Если этого не сделать, смесь станет слишком богатой, перестанет воспламеняться, и свечи зажигания просто «зальет» бензином.

- Прогрев до рабочей температуры. Поток смеси и степень ее обогащения плавно регулируются в зависимости от температуры впускного коллектора, которая растет пропорционально нагреву самого двигателя.

В истории автомобилестроения выделяют три основные системы управления запуском. Ручной стартер (так называемый ручной «подсос» с тросовым приводом) здесь подробно не рассматривается, так как в современных реалиях он считается устаревшим и практически вышедшим из употребления.

Автоматическая воздушная заслонка (Автоматический дроссель, Рис. 12-5). Поток смеси, необходимый для уверенного запуска и работы холодного двигателя на повышенном холостом ходу, обеспечивается за счет приоткрывания дроссельной заслонки. Сама же топливная смесь обогащается с помощью перекрытия подачи воздуха воздушной заслонкой (чоком). Температурно-зависимым элементом управления здесь выступает спиральная биметаллическая пружина, сопротивление которой постепенно преодолевается потоком всасываемого воздуха. Функциональная кинематическая связь между положением воздушной заслонки и положением дроссельной заслонки устанавливается посредством профилированного ступенчатого шкива (кулачка быстрого холостого хода).

В отличие от полностью автоматизированного запуска, рабочий процесс перед стартом здесь должен быть инициирован водителем путем однократного нажатия на педаль газа в пол. Это позволяет механизмам занять исходное пусковое положение. Биметаллическая пружина нагревается электрическим током или охлаждающей жидкостью, чтобы ее температура синхронизировалась с температурой двигателя. По мере повышения температуры пружина деформируется (расслабляется), воздушная заслонка открывается, и стартовое обогащение топливной смеси плавно сходит на нет.

Рис. 12-5. Автоматические воздушные заслонки (пусковые устройства).

Полностью автоматический запуск. Существенное конструктивное отличие данной прогрессивной системы от автоматической воздушной заслонки заключается в том, что эта система не требует предварительной активации педалью газа перед включением стартера. Управление потоком топливной смеси для поддержания оборотов холостого хода холодного двигателя здесь физически отделено от функции обогащения смеси и зависит исключительно от объема всасываемого воздушного потока.

Существует целый ряд других интеллектуальных устройств и дополнительных функций для карбюраторов, которые комплексно улучшают их эксплуатационное поведение. К ним относятся актуатор (позиционер) дроссельной заслонки, специальные отверстия для отбора вакуумного давления, системы компенсации воздуха, переходная система холостого хода, а также системы дополнительной смеси и циркулирующего воздуха. Это лишь некоторые из них, которые, однако, не рассматриваются подробно в рамках данной статьи, но играют фундаментальную роль в достижении высоких экологических и мощностных показателей классического ДВС.

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.