Введение
Компонент двигателей внутреннего сгорания, который смешивает воздух и топливо в контролируемом соотношении.
Карбюратор (также карбюратор или карбюратор) – это устройство, используемое в бензиновых двигателях внутреннего сгорания для управления и смешивания воздуха и топлива, поступающего в двигатель. Основным способом подачи топлива во впускной воздух является трубка Вентури в основной дозирующей системе, хотя для обеспечения дополнительного топлива или воздуха в определенных условиях используются и другие компоненты. С 1990-х годов карбюраторы в значительной степени уступили место топливному впрыску в автомобилях и грузовиках, однако они по-прежнему применяются в некоторых малогабаритных двигателях (например, в газонокосилках, генераторах и бетономешалках) и мотоциклах. Кроме того, карбюраторы широко используются в авиационных поршневых двигателях. Дизельные двигатели всегда использовали топливный впрыск вместо карбюраторов, поскольку воспламенение дизельного топлива от сжатия требует большей точности и давления при впрыске топлива.
Этимология
Название «карбюратор» происходит от глагола carburet, означающего «соединять с углеродом» или, конкретнее, «обогащать газ, соединяя его с углеродом или углеводородами». Таким образом, карбюратор смешивает всасываемый воздух с топливом на основе углеводородов, таким как бензин или AutoGas (LPG). Написание названия – "carburetor" в американском английском и "carburettor" в британском английском.
Принцип работы
Воздух из атмосферы поступает в карбюратор (обычно через воздушный фильтр), в карбюраторе добавляется топливо, затем он проходит во впускной коллектор, через впускной клапан (или клапаны) и, наконец, в камеру сгорания. Большинство двигателей используют один карбюратор, обслуживающий все цилиндры, хотя некоторые высокопроизводительные двигатели исторически оснащались несколькими карбюраторами. Карбюратор работает по принципу Бернулли: статическое давление впускного воздуха снижается при увеличении скорости, что приводит к засасыванию большего количества топлива в воздушный поток. В большинстве случаев (за исключением ускорительного насоса) нажатие водителем на педаль газа не увеличивает напрямую подачу топлива в двигатель. Вместо этого увеличивается воздушный поток через карбюратор, что, в свою очередь, увеличивает количество топлива, втягиваемого во впускную смесь. Основной недостаток работы карбюратора, основанной на принципе Бернулли, заключается в том, что, будучи гидродинамическим устройством, снижение давления в диффузоре имеет тенденцию быть пропорциональным квадрату скорости впускного воздуха. Топливные жиклеры значительно меньше, а поток топлива в основном ограничивается вязкостью топлива, поэтому поток топлива пропорционален разнице давлений. Следовательно, жиклеры, рассчитанные на полную мощность, могут приводить к обеднению смеси на низких оборотах и при неполной нагрузке. Чаще всего это исправляется использованием нескольких жиклеров. В карбюраторах SU и других (например, Zenith Stromberg) с переменными жиклерами это исправлялось изменением размера жиклеров. Ориентация карбюратора является важным конструктивным фактором. В старых двигателях использовались карбюраторы с восходящим потоком, где воздух поступает снизу карбюратора и выходит сверху. Начиная с конца 1930-х годов, карбюраторы с нисходящим потоком стали более распространенными (особенно в США), наряду с карбюраторами с боковым потоком (особенно в Европе).
Основная схема измерения
Основная измерительная схема состоит из трубы, которая сужается к узкому сечению, а затем снова расширяется, образуя диффузор (также известный как "бочка"). Топливо вводится в воздушный поток через небольшие трубки (главные жиклеры) в самой узкой части диффузора, где скорость воздуха максимальна. Ниже по потоку от диффузора расположен дроссель (обычно в виде дроссельной заслонки), который регулирует количество воздуха, поступающего в карбюратор. В автомобиле этот дроссель соединен с педалью газа, которая изменяет обороты двигателя. При малых открытиях дросселя скорость воздуха в диффузоре недостаточна для поддержания потока топлива, поэтому топливо подается через систему холостого хода и начального ускорения карбюратора. При больших открытиях дросселя скорость воздуха, проходящего через диффузор, увеличивается, что снижает давление воздуха и обеспечивает подачу большего количества топлива в воздушный поток. Одновременно с этим, уменьшение разрежения во впускном коллекторе приводит к снижению подачи топлива через систему холостого хода и начального ускорения.
Задушье
В холодную погоду топливо испаряется менее охотно и имеет тенденцию конденсироваться на стенках впускного коллектора, обедняя топливную смесь в цилиндрах и затрудняя холодный пуск. Для запуска и работы двигателя до прогрева требуется дополнительное топливо (на заданное количество воздуха), которое подается с помощью воздушной заслонки (или "подсоса"). Пока двигатель прогревается, воздушная заслонка частично закрыта, ограничивая поступление воздуха во впускной тракт карбюратора. Это увеличивает разрежение в основной дозирующей системе, что приводит к подаче большего количества топлива через главные жиклеры. До конца 1950-х годов воздушной заслонкой управлял водитель вручную, обычно с помощью рычага или ручки на приборной панели. С тех пор автоматические воздушные заслонки стали более распространенными. Они используют либо биметаллическую термопластину для автоматической регулировки заслонки в зависимости от температуры охлаждающей жидкости двигателя, либо электрический нагреватель, либо воздух, поступающий по трубке, подключенной к выхлопной системе двигателя. Если воздушная заслонка остается закрытой после прогрева двигателя, это увеличивает расход топлива и выбросы выхлопных газов, а также приводит к неустойчивой работе двигателя и потере мощности из-за слишком богатой смеси. Однако избыток топлива может привести к заливу двигателя и затруднить его запуск. Для удаления избыточного топлива многие карбюраторы с автоматическими воздушными заслонками позволяют удерживать ее в открытом положении (вручную, полностью нажимая на педаль акселератора и удерживая ее в этом положении во время прокрутки стартером), чтобы обеспечить дополнительный приток воздуха до удаления избыточного топлива. Другой способ, используемый карбюраторами для улучшения работы холодного двигателя, – это кулачок быстрого холостого хода, который соединен с воздушной заслонкой и предотвращает полное закрытие дроссельной заслонки во время работы воздушной заслонки. Увеличение оборотов холостого хода обеспечивает более стабильную работу холодного двигателя (за счет лучшего распыления холодного топлива) и способствует более быстрому прогреву.
Иномарка
Система в карбюраторе, дозирующая топливо при работе двигателя на низких оборотах. Цепь холостого хода обычно активируется разрежением под дроссельной заслонкой, создающим зону пониженного давления в канале/отверстии холостого хода, что обеспечивает подачу топлива через жиклёр холостого хода. Производитель карбюратора задаёт фиксированное значение жиклёра холостого хода, обеспечивая тем самым прохождение определённого количества топлива.
Схема безработицы
Многие карбюраторы используют схему небольшого открытия дроссельной заслонки, которая включает в себя дополнительный топливный жиклер, кратковременно используемый при начале открытия дросселя. Этот жиклер расположен в зоне низкого давления позади дроссельной заслонки. Дополнительное топливо, которое он подает, используется для компенсации снижения разрежения при открытии дросселя, обеспечивая плавный переход от схемы холостого хода к основной дозирующей схеме.
Клапан питания
В четырехтактном двигателе часто желательно подавать двигателю дополнительное топливо при высоких нагрузках (для увеличения мощности и снижения детонации). Для этого часто используется "силовой клапан" – пружинный клапан в карбюраторе, который удерживается закрытым вакуумом двигателя. При увеличении воздушного потока через карбюратор, снижение вакуума во впускном коллекторе открывает силовой клапан, позволяя большему количеству топлива поступать в главную дозирующую систему. В двухтактном двигателе силовой клапан карбюратора работает иначе: в большинстве случаев клапан пропускает дополнительное топливо в двигатель, а затем при достижении определенных оборотов двигателя закрывается, чтобы уменьшить подачу топлива. Это делается для расширения диапазона максимальных оборотов двигателя, поскольку многие двухтактные двигатели могут кратковременно развивать более высокие обороты при обедненной топливной смеси. Это не следует путать с не связанными с ним устройствами силовых клапанов в выпускной системе двухтактных двигателей.
Измерительная стержня / стержня повышения
Система измерительного стержня или стержня увеличения подачи топлива иногда используется в качестве альтернативы воздушному клапану в четырехтактном двигателе для обеспечения дополнительного топлива при высоких нагрузках. Один конец стержней имеет коническую форму и располагается в основных жиклерах, действуя как клапан, регулирующий поток топлива через жиклеры. При высоких нагрузках на двигатель стержни поднимаются от жиклеров (механически или с использованием вакуума во впускном коллекторе), увеличивая объем топлива, который может протекать через жиклер. Эти системы применялись в карбюраторах Rochester Quadrajet и в карбюраторах Carter 1950-х годов.
Насос для ускорителя
В то время как основная топливная схема может адекватно обеспечивать двигатель топливом в установившемся режиме, инерция топлива (которая выше, чем у воздуха) вызывает кратковременный недостаток при открытии дроссельной заслонки. Поэтому для кратковременного обеспечения дополнительным топливом при открытии дросселя часто используется ускорительный насос. Когда водитель нажимает на педаль газа, небольшой поршневой или мембранный насос впрыскивает дополнительное топливо непосредственно в диффузор карбюратора. Ускорительный насос также может использоваться для подготовки двигателя к запуску, подавая дополнительное топливо перед попыткой холодного старта.
Плавучая камера
Для обеспечения постоянного и достаточного питания, карбюраторы оснащены резервуаром топлива, называемым "поплавковой камерой" или "поплавковой чашей". Топливо в поплавковую камеру подается топливным насосом. Поплавковый впускной клапан регулирует поступление топлива в поплавковую камеру, поддерживая постоянный уровень. В отличие от двигателей с впрыском топлива, топливная система карбюраторного двигателя не находится под давлением. Для двигателей, в которых воздух, проходящий через карбюратор, находится под давлением (например, при расположении карбюратора после компрессора), весь карбюратор должен быть помещен в герметичный корпус, поддерживающий давление, для нормальной работы. Однако, это не требуется, если карбюратор расположен перед компрессором. В карбюраторных двигателях, особенно в жарком климате, могут возникать проблемы с закипанием топлива и образованием паровых пробок. Поскольку поплавковая камера находится близко к двигателю, тепло от двигателя (включая несколько часов после его выключения) может нагреть топливо до точки испарения. Это приводит к образованию пузырьков воздуха в топливе (аналогично пузырькам воздуха, требующим прокачки тормозной системы), что препятствует его подаче и называется "паровой пробкой". Чтобы избежать повышения давления в поплавковой камере, предусмотрены вентиляционные трубки, обеспечивающие приток и отток воздуха. Эти трубки обычно проходят в диффузор карбюратора и располагаются таким образом, чтобы предотвратить выплескивание топлива из них в карбюратор.
Камера диафрагмы
Если двигатель должен работать в положении, отличном от вертикального (например, в бензопиле или самолете), использование поплавковой камеры и поплавкового клапана, работающего за счет силы тяжести, будет нецелесообразно. Вместо этого обычно применяется диафрагменная камера. Она состоит из гибкой диафрагмы, расположенной с одной стороны топливной камеры, и соединенной с игольчатым клапаном, регулирующим подачу топлива в камеру. При уменьшении расхода воздуха в камере (регулируемого дроссельной заслонкой/бабочкой), диафрагма перемещается внутрь (вниз), закрывая игольчатый клапан и уменьшая подачу топлива. При увеличении расхода воздуха в камере диафрагма перемещается наружу (вверх), открывая игольчатый клапан и увеличивая подачу топлива, что позволяет двигателю развивать большую мощность. В результате достигается устойчивое состояние, обеспечивающее постоянный уровень топлива в резервуаре независимо от ориентации.
Двухстворчатые и четырехстворчатые конструкции
Основная конструкция карбюратора состоит из одного диффузора (основной дозирующей схемы), хотя конструкции с двумя или четырьмя диффузорами (двухствольные и четырехствольные карбюраторы соответственно) также весьма распространены. Обычно стволы состоят из "первичного" ствола (или стволов), используемого в условиях низкой нагрузки, и вторичного ствола (или стволов), который включается при необходимости для подачи дополнительной воздушно-топливной смеси при более высоких нагрузках. Первичные и вторичные диффузоры часто имеют разные размеры и конструктивные особенности, соответствующие условиям их применения. Многие четырехствольные карбюраторы используют два первичных и два вторичных ствола. Конструкция из двух первичных и двух вторичных стволов часто применялась в двигателях V8 для экономии топлива на низких оборотах, обеспечивая при этом достаточную подачу топлива на высоких оборотах. Использование нескольких карбюраторов (например, карбюратор на каждый цилиндр или пару цилиндров) также приводит к тому, что впускной воздух проходит через несколько диффузоров. Некоторые высокопроизводительные двигатели использовали несколько двух- или четырехствольных карбюраторов, например, шесть двухствольных карбюраторов на двигателях Ferrari V12.
История
В 1826 году американский инженер Сэмюэл Мори получил патент на "газовый или паровой двигатель", работавший на терпентине, смешанном с воздухом. Эта конструкция не была запущена в производство. В 1875 году немецкий инженер Зигфрид Маркус создал автомобиль, оснащенный первым бензиновым двигателем (который также дебютировал с первой системой магнето-зажигания). Карл Бенц представил свой одноцилиндровый четырехтактный двигатель Benz Patent Motorwagen в 1885 году. Все три этих двигателя использовали поверхностные карбюраторы, принцип работы которых заключался в продувании воздуха над поверхностью емкости с топливом. Первый карбюратор с поплавковой камерой и распылительной форсункой был разработан немецкими инженерами Вильгельмом Майбахом и Готтлибом Даймлером в 1885 году для их двигателя "Grandfather Clock". Автомобиль Butler Petrol Cycle, построенный в Англии в 1888 году, также использовал карбюратор с поплавковой камерой. Первый карбюратор для стационарного двигателя был запатентован в 1893 году венгерскими инженерами Яношем Цонкой и Донатом Банки. Первыми четырехствольными карбюраторами стали Carter Carburetor WCFB и идентичный Rochester 4GC, представленные в различных моделях General Motors в 1952 году. Компания Oldsmobile называла новый карбюратор "Quadri Jet" (оригинальное написание), а Buick – "Airpower". В Соединенных Штатах карбюраторы оставались наиболее распространенным способом подачи топлива в большинство американских бензиновых двигателей до конца 1980-х годов, когда предпочтение стало отдаваться топливному впрыску. NASCAR был одним из последних участников автоспорта, использовавших карбюраторы, перейдя на электронный топливный впрыск после серии Sprint Cup 2011 года. В Европе карбюраторы в значительной степени уступили место топливному впрыску к концу 1980-х годов, хотя топливный впрыск все чаще применялся в автомобилях класса люкс и спортивных автомобилях с 1970-х годов. Законодательство ЕЭК требовало оснащения всех автомобилей, продаваемых и производимых в странах-членах, каталитическим нейтрализатором после декабря 1992 года. Подготовка к этому законодательству велась давно, и многие автомобили стали доступны с каталитическими нейтрализаторами или системой топливного впрыска примерно с 1990 года.
Замерзание в карбюраторах авиационных двигателей
Важнейшей проблемой для авиационных двигателей является образование льда внутри карбюратора. Температура воздуха в карбюраторе может понижаться до 40 °C (72 °F) из-за сочетания пониженного давления воздуха в диффузоре и скрытой теплоты испарения топлива. Условия при заходе на посадку особенно благоприятствуют обледенению, поскольку двигатель работает на холостом ходу в течение длительного времени с закрытой дроссельной заслонкой. Обледенение может возникать также и в крейсерском режиме на высоте. Для предотвращения обледенения часто используется система подогрева карбюратора. Эта система состоит из дополнительного воздухозаборника, который направляет воздух вокруг выхлопной системы для его нагрева перед поступлением в карбюратор. Обычно системой управляет пилот, вручную переключая впускной воздух на нагретый путь по мере необходимости. Система подогрева карбюратора снижает мощность двигателя (из-за меньшей плотности нагретого воздуха) и приводит к обходу воздушного фильтра впуска, поэтому она используется только при риске обледенения. Если двигатель работает на холостых оборотах, другим способом предотвращения обледенения является периодическое открытие дроссельной заслонки, что повышает температуру воздуха в карбюраторе. Карбюраторное обледенение также встречается в других областях применения, и для решения этой проблемы применялись различные методы. На рядных двигателях впускной и выпускной коллекторы расположены на одной стороне головки блока цилиндров. Тепло от выхлопных газов используется для нагрева впускного коллектора, а затем и карбюратора. В V-образных двигателях выхлопные газы направлялись из одной головки блока цилиндров через перемычку во впускной коллектор другой головки. Для регулирования потока выхлопных газов в перемычке с целью подогрева впускного коллектора использовался взвешенный эксцентриковый дроссель, называемый теплоподъемником, который оставался закрытым на холостом ходу и открывался при увеличении потока выхлопных газов. Некоторые транспортные средства использовали тепловую печь вокруг выхлопного коллектора. Она была соединена с входом воздушного фильтра посредством трубки и подавала нагретый воздух в воздушный фильтр. Вакуумный дроссель предварительного нагрева на впускном патрубке воздушного фильтра открывался, позволяя поступать более холодному воздуху при увеличении нагрузки на двигатель.