5.1.1. Устройство элементарного карбюратора

Схема элементарного карбюратора показана на рис. 5.4. Топливо из бака поступает по топливопроводу в поплавковую камеру 3 карбюратора. В поплавковой камере плавает пустотелый поплавок 2. На поплавок опирается запорная игла 1, пропускающая топливо в камеру при понижении уровня и прекращающая доступ топлива, когда уровень достиг необходимой высоты. Поплавковая камера через воздушное отверстие сообщается с атмосферой, в связи с чем в камере поддерживается атмосферное давление.

Из поплавковой камеры через калиброванное отверстие, называемое жиклером 4, топливо поступает в распылитель 5. Выходное отверстие распылителя размещено в горловине диффузора 7, на 5–6 мм выше уровня топлива в поплавковой камере.

Воздух поступает в карбюратор через воздухоочиститель. При прохождении через диффузор скорость воздушного потока возрастает, а давление в диффузоре падает.

Истечение топлива из распылителя происходит под действием разности давлений в поплавковой камере (атмосферное давление) и горловине диффузора (разрежение). Скорость потока воздуха, проходящего через горловину диффузора, значительно превышает скорость топлива, истекающего из распылителя. При истечении из распылителя топливо распыливается потоком воздуха, частично испаряется и, перемешиваясь в смесительной камере с воздухом, образует горючую смесь.

Рис. 5.4. Схема элементарного карбюратора

Дроссельная заслонка 6 служит для регулирования количества смеси, поступающей в цилиндры двигателя, а следовательно, и мощности, развиваемой двигателем.

5.1.2. Основы теории карбюрации

Смесеобразование в карбюраторе представляет собой сложный процесс. Для формирования правильных представлений о процессе смесеобразования необходимо последовательно рассмотреть явления движения воздушного потока, истечения, распыливания и испарения топлива, а также принципы приготовления необходимого состава горючей смеси.

Движение воздушного потока через карбюратор.

При движении через карбюратор скорость и давление воздушного потока изменяются.

Количество воздуха, проходящего через карбюратор и поступающего в двигатель, определяется рабочим объемом цилиндров двигателя, скоростью вращения коленчатого вала и степенью открытия дроссельной заслонки.

Часовой расход воздуха (м³), поступающего в двигатель:

,

где D – диаметр цилиндра двигателя, м;

S – ход поршня, м;

ρ_воз – плотность воздуха при температуре и давлении окружающей среды, кг/м³;

η_v – коэффициент наполнения двигателя;

n – число оборотов коленчатого вала, c;

i – число цилиндров двигателя, обслуживаемых данным карбюратором;

τ – тактность двигателя.

Часовой расход воздуха, проходящего через диффузор карбюратора и далее поступающего в двигатель:

,

где ω_воз – скорость движения воздуха в диффузоре, м/с;

F_диф – площадь поперечного сечения горловины диффузора, м² .

Скорость воздуха, протекающего через горловину диффузора, может быть определена следующим уравнением в предположении, что воздух представляет собой несжимаемую жидкость:

,

где η_диф – коэффициент скорости воздуха в диффузоре;

P₀ – P_диф – разрежение в диффузоре, равное разности давлений окружающей среды и в диффузоре.

Воздух проходит через диффузор карбюратора со сравнительно большими скоростями, поэтому давление в нем заметно понижается. Наименьшее давление или наибольшее разрежение в горловине диффузора карбюратора наблюдается при максимальных скоростях и расходах воздуха. Отсюда следует, что разрежение в диффузоре должно возрастать по мере увеличения открытия дросселя и числа оборотов вала двигателя.

Площадь горловины диффузора подбирают так, чтобы:

1) на малых числах оборотов и неполных открытиях дроссельной заслонки скорости воздуха были не ниже 40—50 м/с во избежание недостаточного распыливания топлива и связанного с ним увеличения расхода топлива;

2) на больших числах оборотов и при полном открытии дроссельной заслонки скорость воздуха не превышала примерно 120 м/с, так как при больших скоростях заметно понизится весовое наполнение, а следовательно, и мощность двигателя.

Оба эти требования полностью совместить нельзя, а потому обычно подбирают площадь горловины диффузора так, чтобы разрежения в ней на больших числах оборотов не превосходили 9.81 КПа.

На холостом ходу двигателя и малых оборотах вала в двигатель поступает минимальное количество горючей смеси. При этом разрежение в диффузоре почти отсутствует, а разрежение за дроссельной заслонкой достигает наибольших значений, численно равных 49.05 КПа.

Уравнение часового расхода при подстановке уравнения скорости воздуха примет вид:

.

Оно справедливо для несжимаемых жидкостей, но разрежения в диффузорах карбюраторов очень редко превышают 9.81 КПа, поэтому этим уравнением можно пользоваться при расчете карбюраторов, так как ошибка при его использовании не превысит 1–2%.

Истечение топлива из распылителя.

Разность давлений в поплавковой камере и у распылителя заставляет топливо перетекать по системе каналов через жиклер в распылитель, а из него в диффузор карбюратора, где быстро двигается воздух.

Разрежение у распылителя, по данным опытов, на 20–25% меньше разрежения у стенки диффузора. В соответствии с этим скорость протекания топлива через жиклер определяют уравнением:

,

где η_жикл – коэффициент скорости, учитывающий трение в топливных каналах и жиклере, а также местные сопротивления при переходе от одного сечения к другому;

ρ_топл – плотность топлива при температуре и давлении окружающей среды, кг/м³.

В большинстве случаев основным сопротивлением является жиклер, а сопротивления в топливных каналах по сравнению с ним невелики, поэтому с достаточной точностью коэффициент скорости может учитывать только сопротивления самого жиклера.

Скорость протекания топлива через жиклер зависит от режима работы двигателя и изменяется в пределах от 0 до 5 м/с.

Для перехода от скорости вытекающего топлива к часовому весовому расходу необходимо учесть площадь жиклера F_жикл:

или

.

Распыление и испарение топлива.

Струя топлива, вытекающая из жиклера карбюратора, распыляется на мелкие капли вследствие трения, возникающего между струей и потоком воздуха, двигающегося с большой скоростью. Тонкость распыливания топлива оценивается средним диаметром капель.

Средний диаметр капель распыливаемого топлива тем меньше, чем больше скорость потока воздуха и чем меньше поверхностное натяжение топлива (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Зависимость размера капель от скорости воздуха

Условия для испарения топлива в карбюраторе неблагоприятны. Время, отводимое на испарение, измеряется лишь сотыми долями секунды; температура, при которой происходит испарение, сравнительно небольшая. При температуре 30 °С и сравнительно высокой скорости воздуха полного испарения топлива не достигается.

Неиспарившееся топливо в виде капель уносится воздушным потоком, а так как температура впускного коллектора сравнительно невысока, топливо конденсируется и оседает на внутренних стенках коллектора, образуя жидкую пленку. Скопление пленки ухудшает распределение горючей смеси по цилиндрам двигателя. Часть неиспарившегося топлива уносится в цилиндры, что ухудшает сгорание смеси. Часть топлива проникает в картер и разжижает масло. Поэтому в карбюраторных двигателях для улучшения испаряемости топлива, уменьшения неравномерности распределения смеси по цилиндрам, предотвращения конденсации и понижения пленкообразования применяется подогрев впускного коллектора отработавшими газами.