§ 2.3. Карбюратори

Карбюратор — основний елемент паливної системи двигуна. Він служить для:

• розпилювання, часткового випару, змішування палива і повітря;

• забезпечення складу паливоповітряної суміші відповідно до режиму роботи двигуна;

• зміни відповідно до навантаження двигуна кількості паливоповітряної суміші.

За конструкцією розрізняють одно- і багатокамерні (дво- та чотири-) карбюратори, а також карбюратори з падаючим, висхідним і горизонтальним потоком. Багатокамерні можуть бути з послідовним та паралельним відкриттям дросельних заслінок кожної камери.

Найбільше поширення в сучасних двигунах одержали поплавкові карбюратори з усмоктуванням палива у вакуумованому потоці, що виникає у звуженій частині повітряного каналу карбюратора — дифузорі, внаслідок місцевого підвищення швидкості повітря.

Будову найпростішого (елементарного) карбюратора представлено на рис. 8. Карбюратор включає у собі повітряний канал 1 з дифузором 2 і змішувальною камерою 9. У центрі вузького перетину дифузора встановлений розпилювач 11, через який у потік повітря з поплавцевої камери надходить паливо. У поплавцеву камеру паливо 4 попадає через голчастий клапан 6, а рівень палива регулюється поплавцем 7. При непрацюючому двигуні рівень палива у камері трохи нижче, ніж отвір розпилювача. При роботі двигуна паливо в потік повітря надходить за рахунок ежекції. Поплавцева камера повідомляється з вхідним патрубком через штуцер 3 у її верхній частині. Це забезпечує необхідну різницю тисків палива перед розпилювачем незалежно від втрат тиску у впускній системі двигуна, у тому числі гідравлічного опору повітряного фільтра. У сучасних карбюраторах забезпечується стабільний рівень палива в поплавковій камері при припустимих нахилах двигуна. Паливо у розпилювач надходить через калібрований отвір головного паливного жиклера 8.

Кількість пальної суміші, що надходить у циліндри двигуна, регулюється дросельним клапаном 10, який називають звичайно дросельною заслінкою. При цьому якісний склад суміші змінюється автоматично. По мірі відкриття заслінки (тобто, зі збільшенням розрідження у дифузорі) суміш збагачується (рис. 8,в).

Рис. 8. Будова елементарного карбюратора: а — зміна тиску у дифузорі та змішувальній камері; б — схема карбюратора; в — характеристика карбюратора; 1 — патрубок; 2 — дифузор; 3 — балансувальна трубка; 4 — поплавцева камера; 5 — сідло; 6 — клапан; 7 — поплавець; 8 — головний паливний жиклер; 9 — змішувальна камера; 10 — дросельна заслінка; 11 — розпилювач

Залежність складу суміші від розрідження в дифузорі називається характеристикою карбюратора. Найвигідніші характеристики карбюратора при роботі двигуна у режимі максимальної економічності (т. зв. економічний склад суміші) і режимі максимальної потужності представлені на рис. 9. З порівняння характеристик елементарного (рис. 8, в) та ідеального (рис. 9) карбюраторів видно, що вони значно відрізняються. Це не єдиний недолік елементарного карбюратора.

Рис. 9. Характеристика ідеального карбюратора: 1 — склад суміші при роботі двигуна в режимі максимальної потужності, 2 — економічний склад суміші

При роботі ДВЗ виділяють п’ять характерних режимів роботи:

• пуск холодного двигуна (взимку);

• мала частота обертання на холостому ходу;

• середні навантаження;

• максимальне навантаження;

• різке відкриття дросельної заслінки.

При пуску холодного ДВЗ суміш повинна бути багатою (α = 0,6–0,8) через незадовільні умови сумішоутворення (погане випаровування бензину через низьку температуру). Для забезпечення холодного пуску карбюратор обладнують пусковим пристроєм.

При роботі ДВЗ на холостому ході зовнішнє навантаження на нього відсутнє, тому дросельна заслінка практично закрита. При цьому розрідження вище заслінки не розповсюджується, тому елементарний карбюратор працювати на цьому режимі не може. Для усунення цього недоліку карбюратори обладнуютьсистемою холостого ходу. Суміш через великий вміст у циліндрах залишкових газів повинна бути збагаченою (α = 0,8–0,9).

Середніми вважаються навантаження у діапазоні 20–80% від номінального. При цьому потрібно підтримувати постійний збіднений склад суміші (α = 1,1–1,4) у всьому діапазоні, тоді як у елементарному карбюраторі суміш збагачується з відкриттям заслінки. Для забезпечення роботи ДВЗ на середніх навантаженняхкарбюратор обладнують головною дозувальною системою з системами компенсації складу суміші.

При максимальних навантаженнях суміш повинна бути збагаченою (α = 0,85–0,9). При цьому часто розрідження невелике через повільне обертання колінчастого вала (наприклад, рух завантаженого автомобіля угору). Для забезпечення збагачення суміші встановлюють економайзер та еконостат.

При різкому відкритті дросельної заслінки паливо через більшу інерційність реагує на зміну розрідження повільніше за повітря, тому карбюратор для збагачення суміші обладнують прискорювальним насосом (насосом-прискорювачем).

Конструкцію додаткових приладів карбюратора розглянемо нижче.

Головні дозувальні системи. Виконують корекцію (компенсацію) складу пальної суміші на середніх навантаженнях. Відрізняються конструкцією систем компенсації.

1. Система з пневматичним гальмуванням палива (зі зменшенням розрідження біля паливного жиклера) (рис. 10).

Рис. 10. Головна дозувальна система з пневматичним гальмуванням палива (а) та її характеристика (б): 1 — дросельна заслінка; 2, 3, 4 — отвори системи холостого ходу; 5, 17 — регулювальні гвинти; 6, 8, 9 — канали системи холостого ходу; 7 — паливний жиклер холостого ходу; 10 — повітряний жиклер холостого ходу; 11 — запобіжний клапан повітряної заслінки; 12 — патрубок; 13 — повітряна заслінка; 14 — повітряний жиклер головної дозувальної системи; 15 — емульсійна трубка; 16 — головний паливний жиклер

Між головним паливним жиклером 16 і розпилювачем установлений колодязь з емульсійною трубкою 15 та повітряним жиклером 14. При високих значеннях розрідження у дифузорі витрата палива зростає, рівень палива у колодязі падає, і через повітряний жиклер та отвори у емульсійній трубці у паливо починає додаватися повітря. Емульсія (суміш палива з повітрям), що утворюється через це, надходить у розпилювач. Чим нижче рівень палива у колодязі, тим більше отворів у емульсійній трубці відкрито і, відповідно, тим більше повітря підмішується до палива, збіднюючи суміш. Повітряний жиклер обмежує подачу повітря, утворюючи розрідження у колодязі та зменшуючи витрату палива через розпилювач (таким чином, здійснюється пневматичне гальмування палива та виправляється характеристика найпростішого карбюратора на середніх навантаженнях).

Деякі конструкції емульсійних трубок зображені на рис. 11.

Існують конструкції з двома і навіть трьома дифузорами у одній змішувальній камері (рис. 12).

Рис. 11. Конструкції емульсійних трубок.	Рис. 12. Змішувальна камера карбюратора з трьома дифузорами: 1 — великий дифузор; 2 — малий дифузор; 3 — дросельна заслінка; 4 — поплавцева камера.

2. Система з компенсаційним жиклером (рис. 13).

Рис.13. Головна дозувальна система з компенсаційним жиклером (а) та схема компенсаційної системи (б): 1 — головний паливний жиклер; 2 — компенсаційний жиклер; 3 — компенсаційний колодязь; 4 — розпилювач компенсаційної системи; 5 — основний розпилювач

Спосіб компенсації складу суміші за допомогою компенсаційного жиклера є видозміною способу зменшення розрідження у жиклері. Система є об’єднанням елементарного карбюратора та компенсаційної системи. До палива, що випливає з компенсаційного жиклера, у компенсаційному колодязі домішується повітря, у результаті чого утворюється паливна емульсія, що через розпилювач компенсаційного жиклера надходить у змішувальну камеру. Витрата палива через компенсаційний жиклер залишається постійною, а витрата повітря з ростом розрідження росте, тому суміш поступово збіднюється. Головний жиклер, навпаки, поступово збагачує суміш. Тому при відповідному правильному підборі розмірів паливних жиклерів досягається і регулюється склад суміші. Через ряд складностей регулювання цей спосіб компенсації складу суміші застосовується рідко.

3. Система з регулюванням розрідження в дифузорі (рис. 14).

а	б	в	г
Рис. 14. Головні дозувальні системи з регулюванням розрідження в дифузорі: а — з введенням додаткового повітря через клапан; б — через отвори між дифузором та стінками камери, що закриті легкими кульками; в — за допомогою пружних пластин; г — з рухомими крилами; 1 — додатковий клапан; 2 — кульки-клапани; 3 — головний паливний жиклер; 4 — розпилювач; 5 — дифузор; 6 — пружні пластини; 7 — рухомі крила, що утворюють дифузор.

Подібні системи іноді відносять до систем з регулюванням прохідного перетину дифузора. Здійснюється це шляхом введення додаткового повітря через тарілчасті клапани, кулькові клапани, або застосуванням дифузора перемінного перетину. Досвід експлуатації таких карбюраторів, що випускалися серійно (К-49, К-22 та ін.), показав, що їхні характеристики непостійні внаслідок зміни твердості пружних елементів (пластин, пружин), зносу рухомих пар, утворення різних відкладень тощо.

4. Система з регулюванням перетину жиклера (рис. 15).

Рис. 15. Головні дозувальні системи з регулюванням перетину жиклера: а — з механічним приводом голки; б — з пневмомеханічним приводом голки; 1 — головний паливний жиклер; 2 — голка; 3, 4 — важелі привода дросельної заслінки; 5 — дросельна заслінка; 6 — важіль поршня; 7 — поршень; 8 — циліндр; 9 — пружина; 10 — канал

Система компенсації складу суміші зі зміненням перетину жиклера складається з головного жиклера, у який входить кінець голки, що має конічну чи спеціальну форму. Привод голки може бути:

• механічний — зміна перетину жиклера в залежності від положення дросельної заслінки (недолік полягає в тому, що при постійному положенні дросельної заслінки і зміні частоти обертання колінчастого вала суміш збагачується чи збіднюється);

• пневматичний — положення голки жиклера залежить не тільки від ступеня відкриття дросельної заслінки, але і від частоти обертання вала, тому вищенаведений недолік відсутній;

• пневмомеханічний — найбільш досконалий привод дозувальної голки.

Рис.16. Пусковий пристрій карбюратора: 1 — повітряна заслінка; 2 — клапан

Регулювання суміші в залежності від частоти обертання здійснюється таким чином. При зменшенні частоти розрідження під заслінкою (і у каналі 10) падає, пружина підіймає поршень 7, який підіймає голку важелем 6.

Допоміжні пристрої карбюратора.

Пусковий пристрій (рис. 16) служить для приготування карбюратором багатої суміші при пуску холодного двигуна, тому що в цих умовах відбувається погане розпилювання палива (мале число обертів) і погіршується його випаровуваність через відсутність підігріву від стінок. Він найчастіше являє собою повітряну заслінку, що встановлена у приймальному патрубку карбюратора. Привод її кінематично зв’язаний з дросельною заслінкою — при закритті повітряної дросельна трохи відкривається для утворення розрідження.

Для попередження перезбагачення суміші після запуску ДВЗ заслінка має клапан, що перепускає повітря при зростанні розрідження. Після прогріву двигуна повітряна заслінка закривається автоматично чи вручну.

Одну з конструкцій автоматичного відкриття показано на рис. 17. Термосиловий елемент підігрівається охолоджувальною рідиною. По мірі прогріву об’єм наповнювача збільшується, і через важелі повітряна заслінка відкривається, а дросельна — прикривається. Діафрагмовий механізм відкриває повітряну заслінку при зростанні розрідження у змішувальній камері.

Для запобігання влученню паливної плівки в циліндри застосовується підігрів паливоповітряної суміші у впускному трубопроводі випускними газами чи охолодною рідиною. Карбюратори двигунів, що працюють у високогірних умовах, постачають висотними коректорами.

Рис.17. Автоматичний пристрій пуску та прогріву ДВЗ (ВАЗ): 1 — термосиловий елемент; 2 — тяга; 3 — вісь повітряної заслінки; 4 — важіль; 5 — повітряна заслінка; 6 — дросельна заслінка; 7 — канал; 8 — порожнина діафрагмового механізму

Система холостого ходу (рис. 10) забезпечує стійку та економічну роботу двигуна при зниженій частоті обертання без зовнішнього навантаження. Деяке збагачення суміші необхідно тому, що в циліндрах двигуна присутня велика кількість залишкових газів (уповільнення швидкості горіння робочої суміші), а також внаслідок погіршення випару бензину через зниження температури деталей двигуна. Система холостого ходу бере участь також у роботі разом з головною дозувальною системою при малих навантаженнях.

Паливо подається від головного паливного жиклера 16 каналом 8 через жиклер холостого ходу 7 та змішується з повітрям, яке поступає через повітряний жиклер 10. Емульсія каналами 9 та 6 подається під дросельну заслінку (отвори 2 та 3). Через отвір 4 подається додаткова порція повітря. Спільним регулюванням гвинтів 5 та 17досягають сталої роботи ДВЗ на холостому ходу.

Пристрої збагачення суміші при максимальному навантаженні.

Економайзер (збагачувач) карбюратора призначений для збагачення пальної суміші при великих навантаженнях двигуна. Дія збагачувача обумовлена зміною опору паливної системи за допомогою особливого клапана (голки). Привод економайзера може бути механічним чи пневматичним. Економайзер з механічним приводом від дросельної заслінки (рис. 18) збагачує суміш при повному чи близькому до повного відкритті дросельної заслінки. Економайзер із пневматичним приводом (рис. 19) збагачує суміш у залежності від числа обертів двигуна. Такий економайзер включається в роботу тим раніш, чим менше частота обертання вала двигуна, тому що на малих оборотах розрідження, що необхідне для включення економайзера, створюється при меншому відкритті дросельної заслінки. Завдяки цьому поліпшується приємистість (розгін) двигуна без помітного погіршення економічності.

Принцип дії полягає у додаванні додаткового палива у розпилювач.

Рис. 18. Схема економайзера з механічним приводом: 1 — клапан; 2 — жиклер економайзера; 3 — розпилювач; 4 — головний паливний жиклер.	Рис. 19. Економайзер з пневматичним приводом та еконостат: 1 — канал підводу розрідження; 2 — діафрагма; 3 — кульковий клапан; 4 — паливний жиклер економайзера; 5 — паливний канал; 6 — повітряна заслінка; 7 — головний повітряний жиклер; 8 — трубка еконостата; 9 — головний паливний жиклер; 10 — паливний жиклер еконостата/td>

Еконостат (рис. 19) запобігає перезбідненню суміші при великих витратах повітря. На відміну від економайзера, він не має клапанів і приводів для керування ними, а момент включення його в роботу залежить тільки від вакууму у гирлі розпилювача.

Прискорювальний насос (рис. 20, 21) служить для короткочасного збагачення пальної суміші упорскуванням у змішувальну камеру додаткової порції палива при різкому відкритті дросельної заслінки. Це необхідно для одержання гарної приємистості, тому що при різкому відкритті дроселя пальна суміш короткочасно збіднюється настільки, що можуть з’явитися перебої у роботі двигуна.

Рис. 20. Схема прискорювального насоса поршневого типу: 1 — змішувальна камера; 2 — жиклер прискорювального насоса; 3 — розпилювач; 4 — нагнітальний клапан; 5 — пластина важеля; 6 — пружина; 7 — поршень; 8 — зворотний клапан; 9 — важіль приводу; 10 — дросельна заслінка

Рис. 21. Схема прискорювального насоса діафрагмового типу: 1 — важіль приводу; 2 — кульковий клапан насоса; 3 — розпилювачі; 4 — нагнітальний кульковий клапан; 5 — кулачок приводу; 6 — діафрагма

Економайзер примусового холостого ходу (ЕПХХ) (рис. 22) відключає подачу палива в двигун при русі автомобіля під гору, гальмуванні двигуном і ін.). Частота обертання вала двигуна при цьому підтримується за рахунок кінетичної енергії транспортного засобу чи механізму. Відключення подачі палива забезпечується звичайно електроклапаном, що керується від електронного блоку. Клапан (його іноді називають «антидизель» (дизелінг — робота бензинового ДВЗ при виключеному запалюванні)) перекриває паливний жиклер системи холостого ходу.

Перехідна система карбюратора (рис. 22) призначена для плавного переходу до навантажувальних режимів роботи на початку відкриття дросельних заслінок. У момент початку відкриття заслінки щілина 8 попадає під розрідження, і емульсія поступатиме також через верхній отвір, попереджаючи збіднення суміші.

Рис. 22. Система холостого ходу та перехідна система з економайзером примусового холостого ходу: 1 — канал; 2 — паливний жиклер холостого ходу з клапаном відключення; 3 — повітряний жиклер холостого ходу; 4 — паливний жиклер перехідної системи другої камери; 5 — повітряний жиклер перехідної системи другої камери; 6 — вихідний отвір перехідної системи другої камери; 7— головні паливні жиклери; 8 — вихідна щілина перехідної системи першої камери; 9 —регулювальний гвинт

В однокамерному карбюраторі гарне розпилювання палива забезпечується тільки в порівняно вузькому діапазоні зміни швидкості у дифузорі. Багатокамерні карбюратори можуть працювати з паралельним і послідовним включенням камер у роботу.

У карбюраторах з паралельним включенням камер кожна з них живить окрему групу циліндрів, дросельні заслінки керуються синхронно.

Велике поширення одержали двокамерні карбюратори з послідовним включенням камер у роботу (рис. 19, 21, 22). Такі карбюратори більшою мірою, ніж однокамерні, забезпечують оптимізацію складу суміші в залежності від швидкості обертання колінчастого вала і навантаження двигуна. Друга камера не має системи холостого ходу, а лише перехідну систему, головну дозувальну систему (яка вступає у роботу лише при навантаженнях ≈2/3 від максимального) та пристрої збагачення суміші. Привод допоміжної камери може бути механічним (рис. 23) або пневматичним (рис. 24).

Рис. 23. Механічний привод дросельної заслінки додаткової камери: 1 — дросельна заслінка основної камери; 2 — тяга; 3 — куліса; 4 — дросельна заслінка додаткової камери; 5 — важіль приводу

Рис. 24. Пневматичний привод дросельної заслінки додаткової камери: 1 — демпфувальний жиклер; 2, 8 — повітряні жиклери; 3–7 — важелі приводу

На восьмициліндрових V-подібних двигунах іноді встановлюють чотирикамерні карбюратори, що представляють собою два паралельно з`єднані карбюратори з послідовним включенням камер, які конструктивно об’єднані у один корпус.

На деякі ДВЗ встановлюють групу карбюраторів, кожен з яких живить один чи декілька циліндрів (рис. 25).

Рис. 25. 12-циліндровий ДВЗ з 6 двокамерними карбюраторами (Ferrari 250 GTO

Обмежувач максимальної частоти обертання має, як правило, пневматичний привод (рис. 26). При великих обертах відцентровий клапан 10 закриває отвір, що поєднує канали 8 та 11, які підтримують атмосферний тиск у наддіафрагмовій порожнині. Розрідження через канали 1 та 5 передається у цю порожнину та втягує діафрагму, яка повертає вісь заслінок, прикриваючи їх.

Рис. 26. Схема відцентрового обмежувача максимальної частоти обертання колінчастого вала: 1, 5 — канали; 2 — вісь дросельних заслінок; 3, 8, 11 — трубка; 4 — повітряний жиклер; 6 — важіль; 7 — пружина; 9 — ротор; 10 — клапан

Підігрів пальної суміші (рис. 27) дозволяє полегшити пуск навіть при негативних температурах навколишнього середовища.

Зовнішній вигляд карбюратора показано на рис. 28.

Рис. 27. Електропідігрів суміші: 1 — карбюратор; 2 — впускний трубопровід; 3 — шипи підігріву; 4 — плата.	Рис. 28. Зовнішній вигляд карбюратора: 1 — блок підігріву зони дросельної заслінки; 2 — штуцер вентиляції картера; 3 — кришка прискорювального насоса; 4 — клапан ЕПХХ; 5 — кришка карбюратора; 6 — шпильки кріплення повітряного насосу; 7 — важіль керування повітряною заслінкою; 8 — кришка пускового пристрою; 9 — важіль привода дросельних заслінок; 10 — колодка проводу датчика ЕПХХ.

Карбюратори зі змінним перетином дифузорів.

Більшістю це карбюратори з горизонтальним потоком суміші. Вони існують двох типів:

• зі змінним перетином дифузора, що виконує роль дроселя;

• з регулюванням кількості суміші дросельною заслінкою та золотником або шибером.

Карбюратори першого типу використовують у двигунах мотоциклів (рис. 29), моторних човнів, сільгосптехніки тощо.

Рис. 29. Карбюратор К-36: 1 — поплавцева камера; 2 — поплавець; 3 — кришка; 4 — утоплювач поплавця; 5 — штуцер; 6 — паливний коректор головної дозувальної системи; 7, 11 — пружина; 8 — кришка змішувальної камери; 9 — штуцер троса паливного коректора; 10 — засувка; 12 — дозувальна голка; 13 — розпилювач; 14 — гвинт регулювання підйому дроселя; 15 — жиклер паливного коректора; 16 — головний жиклер; 17 — повітряний жиклер; 18 — забірний повітряний карман холостого ходу; 19 — дросельна заслінка; 20 — змішувальна камера; 21 — канал холостого ходу; 22 — гвинт регулювання холостого ходу; 23 — жиклер холостого ходу; 24 — дозувальна голка паливного коректора

Рис.30. Схема карбюратора Stromberg: 1 — демпфер золотника; 2 — діафрагма; 3 — золотник; 4 — голка; 5 — регулятор кількості повітря; 6 — система холостого хода

Карбюратори другого типу (рис. 30) використовують як у мотоциклетних, так і у автомобільних ДВЗ. Компенсація у них здійснюється, як правило, голкою. Роль регулятора перетину дифузора виконує циліндричний золотник, який переміщається за допомогою діафрагми. Одна з порожнин діафрагми з’єднана з впускним трубопроводом. Демпферний механізм забезпечує запізнення відкриття золотника при різкому відкритті дросельної заслінки, що забезпечує збагачення суміші, тому у таких карбюраторах відсутній прискорювальний насос.

До недоліків таких карбюраторів відноситься нестабільність регулювальних параметрів.

Карбюратори з електронним керуванням.

Поява таких карбюраторів пов’язана з підвищенням вимог до викидів токсичних речовин у відпрацьованих газах. Ефективна робота трикомпонентних каталітичних нейтралізаторів вимагає підтримання на більшості сталих режимів стехіометричного складу суміші, що неможливо без електронного керування.

На рис. 31. зображено головну дозувальну систему електронного карбюратора. Керування здійснюється соленоїдом, який переміщує дозувальну голку, що змінює перетин головного паливного жиклера.

На холостому ході склад суміші може керуватися ще одним соленоїдом, або тим само, але іншою дозувальною голкою. Існують карбюратори, у яких керування складу суміші здійснюється зміною перетину повітряних жиклерів за аналогічною схемою.

У карбюраторах Ecotronic (фірми Pierburg) (рис. 32) корекція складу суміші здійснюється повертанням повітряної заслінки електромотором. Відкриття заслінки збіднює суміш, прикриття — збагачує. Крім того, цей карбюратор автоматично регулює частоту обертання за допомогою пневмопривода, що керує дросельною заслінкою.

При примусовому холостому ході подача палива відключається закриттям дросельної заслінки, при цьому вихідний отвір холостого ходу знаходиться вище заслінки. При перевищенні максимальної частоти обертання блок керування перекриває паливні жиклери.

Карбюратори з електронним керуванням не отримали широкого розповсюдження і не витримали конкуренції з системами впорскування.

Рис. 31. Схема головної дозувальної системи карбюратора з електронним керуванням: 1 — соленоїд; 2 — упор бідного складу суміші; 3 — поплавцева камера; 4 — дозувальна голка; 5 — пружина; 6 — паливний жиклер; 7 — дросельна заслінка; 8 — дифузор; 9 — повітряний жиклер; 10 — упор багатого складу суміші; 11 — контакти

Рис. 32. Схема карбюратора Ecotronic: 1 — повітряна заслінка; 2 — електропривод повітряної заслінки; 3 — поплавцева камера; 4 — дросельна заслінка; 5 — кінцевий датчик холостого ходу; 6 — вакуумний соленоїд; 7 — датчик положення штока пневмопривода; 8 — вентиляційний соленоїд; 9 — пневмопривод дросельної заслінки