Из трех типов карбюраторов, используемых в больших, высокопроизводительных авиационных двигателях , произведенных в Соединенных Штатах во время Второй мировой войны , наиболее распространенным был карбюратор Bendix-Stromberg . Два других типа карбюраторов производились Chandler Groves (позже Holley Carburetor Company) и Chandler Evans Control Systems (CECO). Оба этих типа карбюраторов имели относительно большое количество внутренних деталей, а в случае с Holley Carburetor имелись сложности в его конструкции «переменной диффузоры».
Беспоплавковый карбюратор давления — это тип управления топливом самолета, который обеспечивает очень точную подачу топлива, предотвращает образование льда в карбюраторе и предотвращает нехватку топлива во время отрицательного «G» и перевернутого полета за счет устранения обычного поплавкового впускного клапана. В отличие от топливной системы карбюратора поплавкового типа, которая использует всасывание Вентури для всасывания топлива в двигатель, карбюратор давления использует Вентури только для измерения массового расхода воздуха в двигатель и управляет потоком топлива, который постоянно находится под давлением от топливного насоса к распылительной форсунке. В 1936 году первый карбюратор давления Bendix-Stromberg (модель PD12-B) был установлен и запущен в полет на Allison V-1710 -7.
Корпорация Bendix продавала три типа авиационных топливных систем под маркой Bendix-Stromberg:
Начиная с основ сгорания топлива , независимо от того, какой тип топливной системы используется в данном двигателе, единственная задача карбюратора — подавать точное количество топлива в заданное количество воздуха, поступающего в двигатель. [4] Чтобы топливо было горючим, соотношение воздуха и топлива должно находиться в пределах воспламеняемости от 9 до 16 фунтов (от 4 до 7 кг) воздуха на 1 фунт (0,5 кг) топлива (для бензиновых двигателей). Выше или ниже этого соотношения топливо не будет гореть.
Далее, также является данностью, что в пределах этого диапазона приемлемых смесей существует только одно соотношение, которое является идеальным соотношением воздуха и топлива в данный момент, учитывая положение дроссельной заслонки , установленное пилотом. Подводя итог, можно сказать, что идеальный карбюратор обеспечивает правильное соотношение воздуха и топлива, требуемое двигателем, при всех его рабочих условиях. [5]
Наконец, точное количество необходимого топлива изменяется между нижним пределом чрезмерно обедненной смеси 16:1 и верхним пределом чрезмерно обогащенной смеси 9:1 по мере изменения условий работы двигателя. [6]
Подводя итог, можно сказать, что для того, чтобы карбюратор подавал точное количество необходимого топлива, необходимо обеспечить его тремя вещами:
Как только эти три вещи будут доставлены в карбюратор, хорошо спроектированный карбюратор будет обеспечивать двигатель точным, правильным потоком топлива в любое время. Любой хорошо спроектированный карбюратор делает это регулярно, независимо от типа или размера используемого двигателя. С другой стороны, авиационные карбюраторы работают в чрезвычайных условиях, включая резкие маневры в трех измерениях, иногда все одновременно.
Когда топливо испаряется, оно охлаждает окружающий воздух из-за эффекта охлаждения , поскольку топливо поглощает тепло, когда оно меняет состояние с жидкого на газообразное. [7] Это может привести к тому, что температура воздуха опустится ниже точки замерзания, в результате чего содержащийся в воздухе водяной пар сначала изменит состояние с газа на жидкость, которая затем станет льдом. Этот лед образуется на дроссельной заслонке, которая расположена «ниже по потоку» от топливной форсунки. Лед также образуется на внутренних стенках карбюратора, иногда в такой степени, что он блокирует поток воздуха в двигатель. [7]
Карбюраторы поплавкового типа работают лучше всего, когда находятся в стабильном рабочем состоянии. Самолеты авиации общего назначения работают в диапазоне условий, не сильно отличающихся от условий автомобиля, поэтому карбюратор поплавкового типа может быть всем, что нужно. Большие или быстрые самолеты — это другое дело, особенно если учесть, что истребители могут летать перевернутыми или через серию поворотов с большой перегрузкой, подъемов и пикирований, все в широком диапазоне скоростей и высот и за очень короткое время. [8]
Как только карбюратор выходит из стабильного состояния, на поплавок оказывают влияние как сила тяжести , так и инерция , что приводит к неточному измерению топлива и снижению производительности двигателя, поскольку соотношение воздуха и топлива изменяется, становясь либо слишком бедным, либо слишком богатым для максимальной производительности двигателя, а в некоторых случаях и к остановке двигателя. [9]
Карбюраторы поплавкового типа способны компенсировать эти нестабильные условия с помощью различных конструктивных особенностей, но только в разумных пределах. Например, как только карбюратор поплавкового типа находится в условиях отрицательной перегрузки , таких как быстрое опускание носа вниз, поплавок поднимается к верхней части топливной чаши, поскольку поплавок становится невесомым, когда самолет снижается быстрее, чем поплавок и топливо. Поплавок поднимается вверх по инерции, закрывая впускной топливный клапан, как если бы топливная чаша была заполнена топливом. Отключение подачи топлива приводит к тому, что соотношение топливо-воздух становится больше шестнадцати к одному, что становится слишком бедным для сгорания, останавливая двигатель. [10] [11]
Обратное также верно , когда самолет находится в перевернутом полете. Поплавок погружается, когда топливо под действием силы тяжести тянется вниз к верхней части топливной чаши. Поплавок поднимается вверх к нижней части перевернутой топливной чаши. Когда поплавок находится на дне топливной чаши, впускной топливный клапан открывается, как это было бы, когда в топливной чаше недостаточно топлива. Когда впускной топливный клапан открыт, топливный насос продолжает закачивать топливо в топливную чашу, где образовавшийся избыток топлива приводит к тому, что соотношение топлива и воздуха становится ниже девяти к одному, что становится слишком богатым для сгорания, что останавливает двигатель. [10]
Инженеры Bendix-Stromberg преодолели проблемы, обнаруженные в карбюраторах поплавкового типа, переместив сопло выпуска топлива в адаптер карбюратора или в некоторых случаях в «глаз» нагнетателя, как под дроссельными заслонками, так и устранив поплавок из системы дозирования топлива. Новая конструкция «напорного карбюратора» заменила поплавковый впускной топливный клапан на сервоприводной тарельчатый топливный дозирующий клапан. [12]
Однако в системе отбора воздуха регулятора топлива есть один или два небольших поплавка. Эти поплавки не имеют никакого отношения к соотношению воздуха и топлива, поскольку их единственное назначение — позволить любому вовлеченному воздуху, который мог попасть в регулятор топлива, вернуться в топливный бак, где он будет выпущен в атмосферу.
Карбюратор высокого давления состоит из трех основных компонентов.
Меньшие компоненты карбюратора либо прикреплены к основным узлам, либо являются их частью, либо установлены дистанционно, в зависимости от области применения двигателя.
Военные карбюраторы могут иметь систему антидетонационного впрыска (ADI). Она состоит из «клапана деобогащения» в компоненте управления подачей топлива, резервуара для жидкости ADI, насоса, регулятора, который подает определенное количество жидкости ADI в зависимости от расхода топлива, и распылительной форсунки, которая устанавливается в потоке воздуха, поступающего в нагнетатель.
В топливной части регулятора карбюратора есть четыре камеры. Они обозначены буквами A, B, C и D, причем камера A находится ближе всего к корпусу дроссельной заслонки. Сервоклапан дозирования топлива реагирует на перепады давления на диафрагмах, разделяющих камеры. Результирующее движение диафрагмы управляет потоком топлива в двигатель при всех условиях полета. [14]
«Разница в давлении между камерами А и В создает то, что известно как сила дозирования воздуха». [14]
Вторая диафрагма — это часть регулятора, измеряющая топливо, и расположена дальше всего от корпуса карбюратора. Она измеряет разницу в давлении топлива, взятом из двух мест внутри самого регулятора. Камеры C и D находятся на противоположных сторонах диафрагмы, измеряющей топливо. [14]
Разница давлений между двумя топливными камерами создает силу дозирования топлива .
Сила дозирования воздуха из камер A и B противостоит силе дозирования топлива из камер C и D. Эти две силы объединяются в движение сервоклапана для регулировки расхода топлива до точного количества, необходимого для нужд двигателя и потребностей пилота. [14]
Когда двигатель запустился, воздух начал проходить через наддувную трубку Вентури, в результате чего давление (называемое частичным вакуумом, поскольку оно ниже атмосферного давления, но не полным вакуумом) в трубке Вентури падало в соответствии с принципом Бернулли . Это приводит к тому, что давление воздуха в камере А падает пропорционально частичному вакууму в наддувной трубке Вентури. [14]
В то же время воздух, поступающий в карбюратор, сжимает воздух в ударных трубках, создавая положительное давление в камере B, пропорциональное плотности и скорости воздуха, поступающего в двигатель. Разница в давлении между камерой A и камерой B создает силу дозирования воздуха , которая открывает сервоклапан, пропуская топливо в регулятор топлива. [14]
Давление топлива от топливного насоса давит на диафрагму в камере C, перемещая сервоклапан в закрытое положение. Топливо также поступает в клапан управления смесью, который закрыт в положении отключения холостого хода и открыт во всех других положениях.
Камера C и камера D соединены топливным каналом, который содержит топливные дозирующие жиклеры . Когда рычаг управления смесью перемещается из положения холостого хода-отсечки , топливо начинает течь через дозирующие жиклеры в камеру D, где оно становится дозированным топливом. [14]
Выпускной клапан подпружинен до заданного давления нагнетания давления, действуя как ограничение переменного размера для поддержания постоянного давления в камере D, несмотря на изменяющиеся скорости потока топлива. Клапан открывается, когда давление нагнетаемого топлива увеличивается выше силы от пружины, тем самым понижая давление топлива для поддержания сбалансированного положения с силой пружины. [14]
Топливная смесь автоматически контролируется высотой с помощью автоматического управления смесью. Он работает, перекачивая воздух с более высоким давлением из камеры B в камеру A, когда он протекает через конический игольчатый клапан. Игольчатый клапан управляется анероидным сильфоном, который воспринимает барометрическое давление, вызывая обеднение смеси по мере увеличения высоты. [14]
Поднявшись в воздух и достигнув крейсерской высоты, пилот переводит управление смесью с автоматического обогащения на автоматическое обеднение . Это уменьшает поток топлива, закрывая проход через богатый жиклер . Результирующее уменьшение потока разбалансирует диафрагму дозирования топлива, заставляя клапан дозирования топлива изменить положение, тем самым уменьшая поток топлива до настройки автоматического обеднения. [14]
В случае боевых действий или чрезвычайной ситуации управление смесью может быть переведено в положение автоматического обогащения , обеспечивая подачу дополнительного топлива в двигатель, или в военном самолете в военное положение, если самолет так оборудован. В военном положении активируется система противодетонационного впрыска (ADI), впрыскивая жидкость ADI во впускную систему двигателя. Давление в системе ADI перемещает диафрагму обогащения в топливном регуляторе, чтобы закрыть жиклер обогащения , уменьшая поток топлива до более бедной смеси, которая обеспечивает более высокую мощность двигателя за счет повышения среднего эффективного давления . Это приводит к тому, что температура головки цилиндра повышается до очень высокого уровня, что резко увеличивает риск детонации (см.: детонация двигателя ). Добавление жидкости ADI повышает среднее октановое число заряда, предотвращая преждевременное зажигание, а также снижает температуру цилиндров до более приемлемого уровня. Поскольку эта операция выводит двигатель далеко за пределы его обычных расчетных пределов, эта настройка мощности не подходит для длительного использования. После того, как жидкость ADI исчерпана или если клапан управления смесью перемещен из боевого положения, давление диафрагмы обеднения управления топливом теряется, и жиклер обеднения снова открывается для нормального потока топлива. [15]
Компания Bendix-Stromberg выпускала карбюраторы различных типов и размеров, каждый из которых можно было откалибровать под конкретный двигатель и планер самолета.
Существует четыре стиля: [16]
Каждый из этих стилей доступен в нескольких размерах, использующих измерения площади канала ствола для прямоугольного канала ствола или специальную систему для круглых каналов ствола, а также фактические квадратные дюймы площади горла для прямоугольного стиля. [16]
Бендикс использовал специальный метод для определения круглых отверстий карбюратора. Первый дюйм диаметра отверстия используется как базовый номер один, затем каждое увеличение диаметра на четверть дюйма добавляет единицу к базовому номеру. [16]
Примеры:
Используя в качестве примера отверстие размером 18, мы можем рассчитать фактический размер отверстия следующим образом:
Каждый номер модели карбюратора включает стиль, размер и определенную букву модели, за которой может следовать номер ревизии. Затем каждое приложение (определенная комбинация двигателя и планера) получает «номер списка», который содержит список определенных деталей и технологическую карту для этого приложения. Излишне говорить, что в главном каталоге есть сотни списков деталей и технологических карт. [16]
Обычно карбюраторы типа PS используются на двигателях с оппозитными поршнями, которые используются на легких самолетах и вертолетах. Двигатель может быть установлен в носу, хвосте, крыле или установлен внутри на планере самолета. Двигатель может быть установлен как вертикально, так и горизонтально. [16]
Карбюраторы типа PD предназначены для рядных и радиальных двигателей объемом от 900 до 1900 кубических дюймов. [16]
Карбюраторы типа PT обычно устанавливаются на двигателях объемом от 1700 до 2600 кубических дюймов [16]
Карбюраторы типа PR используются на двигателях объемом от 2600 до 4360 кубических дюймов [16]