Карбюратор (также пишется как карбюратор или карбюраторщик ) [1] [2] [3] — это устройство, используемое бензиновым двигателем внутреннего сгорания для управления и смешивания воздуха и топлива, поступающих в двигатель. [4] Основной метод добавления топлива к всасываемому воздуху — через трубку Вентури в главном дозирующем контуре, хотя для подачи дополнительного топлива или воздуха в определенных обстоятельствах также используются различные другие компоненты.
С 1990-х годов карбюраторы были в значительной степени заменены впрыском топлива для автомобилей и грузовиков, но карбюраторы все еще используются в некоторых небольших двигателях (например, газонокосилках, генераторах и бетономешалках) и мотоциклах. Кроме того, они все еще широко используются на поршневых двигателях самолетов. Дизельные двигатели всегда использовали впрыск топлива вместо карбюраторов, поскольку сгорание дизельного топлива на основе сжатия требует большей точности и давления впрыска топлива. [5]
Название «карбюратор» происходит от глагола carburet , что означает «соединять с углеродом» [6] или, в частности, «обогащать газ, соединяя его с углеродом или углеводородами ». [7] Таким образом, карбюратор смешивает всасываемый воздух с топливом на основе углеводородов, таким как бензин или автогаз (LPG). [8]
Название пишется как «carburetor» в американском английском и «carburettor» в британском английском . [1] [2] [3] Разговорные сокращения включают carb в Великобритании и Северной Америке или Carby в Австралии. [9]
Воздух из атмосферы поступает в карбюратор (обычно через воздушный фильтр ), в карбюратор добавляется топливо, проходит во впускной коллектор , затем через впускной клапан(ы) и, наконец, в камеру сгорания . Большинство двигателей используют один карбюратор, общий для всех цилиндров, хотя некоторые высокопроизводительные двигатели исторически имели несколько карбюраторов.
Карбюратор работает по принципу Бернулли : статическое давление всасываемого воздуха уменьшается на более высоких скоростях, втягивая больше топлива в воздушный поток. В большинстве случаев (за исключением ускорительного насоса ) нажатие водителем педали газа не увеличивает напрямую количество топлива, поступающего в двигатель. Вместо этого увеличивается поток воздуха через карбюратор, что в свою очередь увеличивает количество топлива, всасываемого во всасываемую смесь.
Основным недостатком работы карбюратора на основе принципа Бернулли является то, что, будучи гидродинамическим устройством, снижение давления в диффузоре, как правило, пропорционально квадрату скорости всасываемого воздуха. Топливные жиклеры намного меньше, а расход топлива ограничивается в основном вязкостью топлива, так что расход топлива, как правило, пропорционален разнице давлений. Поэтому жиклеры, рассчитанные на полную мощность, имеют тенденцию истощать двигатель на более низкой скорости и частично открытой дроссельной заслонке. Чаще всего это исправлялось использованием нескольких жиклеров. В карбюраторах с переменным жиклером SU и других (например, Zenith-Stromberg ) это исправлялось изменением размера жиклеров.
Ориентация карбюратора является ключевым фактором при проектировании. В старых двигателях использовались карбюраторы с восходящим потоком , в которых воздух поступает снизу карбюратора и выходит через верхнюю часть. С конца 1930-х годов карбюраторы с нисходящим потоком стали использоваться чаще (особенно в Соединенных Штатах), наряду с карбюраторами с боковым потоком (особенно в Европе).
Основной измерительный контур состоит из трубы, которая сужается до сужения, прежде чем снова расширяться, образуя трубку Вентури (также известную как «бочка»). Топливо вводится в поток воздуха через небольшие трубки ( главные жиклеры ) в самой узкой части трубки Вентури, где воздух имеет самую высокую скорость. [10]
Ниже по потоку от трубки Вентури находится дроссель (обычно в форме дроссельной заслонки ), который используется для управления количеством воздуха, поступающего в карбюратор. В автомобиле этот дроссель соединен с педалью газа транспортного средства, которая изменяет скорость двигателя.
При меньшем открытии дроссельной заслонки скорость воздуха через трубку Вентури недостаточна для поддержания потока топлива, поэтому топливо подается через контуры холостого хода и выключенного холостого хода карбюратора.
При большем открытии дроссельной заслонки скорость воздуха, проходящего через трубку Вентури, увеличивается, что снижает давление воздуха и втягивает больше топлива в воздушный поток. [11] В то же время, уменьшенный вакуум в коллекторе приводит к меньшему потоку топлива через контуры холостого хода и выключенного холостого хода.
В холодную погоду топливо испаряется медленнее и имеет тенденцию конденсироваться на стенках впускного коллектора, что приводит к недостатку топлива в цилиндрах и затрудняет холодный запуск . Для запуска и работы двигателя до прогрева требуется дополнительное топливо (для заданного количества воздуха), что обеспечивается воздушной заслонкой .
Пока двигатель прогревается, воздушная заслонка частично закрыта, ограничивая поток воздуха на входе в карбюратор. Это увеличивает вакуум в главном дозирующем контуре, в результате чего в двигатель через главные жиклеры подается больше топлива. До конца 1950-х годов воздушная заслонка управлялась вручную водителем, часто с помощью рычага или ручки на панели приборов . С тех пор автоматические воздушные заслонки стали более распространенными. Они либо используют биметаллический термостат для автоматической регулировки воздушной заслонки в зависимости от температуры охлаждающей жидкости двигателя, либо электрический нагреватель сопротивления для этого, либо воздух, втягиваемый через трубку, соединенную с источником выхлопных газов двигателя. Воздушная заслонка, оставленная закрытой после прогрева двигателя, увеличивает расход топлива двигателя и выбросы выхлопных газов, а также приводит к тому, что двигатель работает неровно и теряет мощность из-за слишком богатой топливной смеси.
Однако избыточное топливо может затопить двигатель и помешать его запуску. Чтобы удалить излишки топлива, многие карбюраторы с автоматическими заслонками позволяют удерживать их открытыми (вручную, нажав педаль акселератора до пола и недолго удерживая ее в этом положении, одновременно проворачивая стартер), чтобы в двигатель попал дополнительный воздух, пока излишки топлива не будут удалены.
Другим методом, используемым карбюраторами для улучшения работы холодного двигателя, является быстрый холостой кулачок , который соединен с дросселем и не дает дросселю полностью закрыться, пока дроссель работает. Результирующее увеличение скорости холостого хода обеспечивает более стабильный холостой ход для холодного двигателя (за счет лучшего распыления холодного топлива) и помогает двигателю быстрее прогреваться.
Система в карбюраторе, которая дозирует топливо, когда двигатель работает на низких оборотах. Контур холостого хода обычно активируется вакуумом под дроссельной заслонкой, что приводит к образованию области низкого давления в канале/порту холостого хода, заставляя топливо течь через жиклер холостого хода. Жиклер холостого хода устанавливается на некоторое постоянное значение производителем карбюратора, таким образом, пропуская определенное количество топлива.
Во многих карбюраторах используется схема холостого хода, которая включает дополнительный топливный жиклер, который кратковременно используется, когда дроссельная заслонка начинает открываться. Этот жиклер расположен в области низкого давления за дроссельной заслонкой. Дополнительное топливо, которое он обеспечивает, используется для компенсации пониженного вакуума, возникающего при открытии дроссельной заслонки, тем самым сглаживая переход от схемы холостого хода к основной дозирующей схеме.
В четырехтактном двигателе часто желательно обеспечить подачу дополнительного топлива в двигатель при высоких нагрузках (чтобы увеличить выходную мощность и уменьшить стук двигателя ). Для этого часто используется «клапан мощности», представляющий собой подпружиненный клапан в карбюраторе, который удерживается закрытым вакуумом двигателя. По мере увеличения потока воздуха через карбюратор, уменьшенное разрежение в коллекторе открывает клапан мощности, позволяя большему количеству топлива поступать в главный дозирующий контур.
В двухтактном двигателе клапан мощности карбюратора работает противоположным образом: в большинстве случаев клапан пропускает дополнительное топливо в двигатель, затем при определенных оборотах двигателя он закрывается, чтобы уменьшить поступление топлива в двигатель. Это делается для того, чтобы продлить максимальные обороты двигателя, поскольку многие двухтактные двигатели могут временно достигать более высоких оборотов при более бедном соотношении воздух-топливо.
Это не следует путать с неродственными конструкциями выпускных клапанов, используемыми в двухтактных двигателях.
Система дозирующего стержня или повышающего стержня иногда используется в качестве альтернативы клапану мощности в четырехтактном двигателе для подачи дополнительного топлива при высоких нагрузках. Один конец стержней имеет коническую форму, который находится в главных дозирующих жиклёрах и действует как клапан для потока топлива в жиклёрах. При высоких нагрузках двигателя стержни поднимаются от жиклеров (механически или с помощью вакуума в коллекторе), увеличивая объем топлива, который может протекать через жиклер. Эти системы использовались в карбюраторах Rochester Quadra и в карбюраторах Carter 1950-х годов .
В то время как основной измерительный контур может адекватно подавать топливо в двигатель в устойчивых условиях, инерция топлива (которая выше, чем у воздуха) вызывает временный дефицит при открытии дроссельной заслонки. Поэтому ускорительный насос часто используется для кратковременной подачи дополнительного топлива при открытии дроссельной заслонки. [12] Когда водитель нажимает на педаль газа, небольшой поршневой или диафрагменный насос впрыскивает дополнительное топливо непосредственно в горловину карбюратора. [13]
Ускорительный насос также можно использовать для «заправки» двигателя дополнительным топливом перед попыткой холодного запуска . [ необходима ссылка ]
Для обеспечения достаточной подачи топлива в любое время карбюраторы включают в себя резервуар с топливом, называемый «поплавковой камерой» или «поплавковой чашей». Топливо подается в поплавковую камеру топливным насосом . Плавающий впускной клапан регулирует поступление топлива в поплавковую камеру, обеспечивая постоянный уровень.
В отличие от двигателя с впрыском топлива, топливная система карбюраторного двигателя не находится под давлением. Для двигателей, в которых всасываемый воздух, проходящий через карбюратор, находится под давлением (например, когда карбюратор находится ниже по потоку от нагнетателя ) , весь карбюратор должен быть заключен в герметичный напорный корпус для работы. [ необходима цитата ] Однако это не обязательно, когда карбюратор находится выше по потоку от нагнетателя.
Проблемы с закипанием топлива и паровой пробкой могут возникнуть в карбюраторных двигателях, особенно в жарком климате. Поскольку поплавковая камера расположена близко к двигателю, тепло от двигателя (в том числе в течение нескольких часов после выключения двигателя) может привести к нагреванию топлива до точки испарения. Это приводит к образованию пузырьков воздуха в топливе (похожих на пузырьки воздуха, которые требуют прокачки тормозов ), что препятствует потоку топлива и известно как «паровая пробка».
Чтобы избежать давления в поплавковой камере, вентиляционные трубки позволяют воздуху входить и выходить из поплавковой камеры. Эти трубки обычно простираются в горловину карбюратора, чтобы предотвратить выплескивание топлива из них в карбюратор.
Если двигатель должен работать, когда карбюратор не находится в вертикальном положении (например, в бензопиле или самолете), поплавковая камера и поплавковый клапан, активируемый гравитацией, не подойдут. Вместо этого обычно используется диафрагменная камера. Она состоит из гибкой диафрагмы с одной стороны топливной камеры, соединенной с игольчатым клапаном , который регулирует поступление топлива в камеру. По мере того, как расход воздуха в камере (контролируемый дроссельным клапаном/бабочкой) уменьшается, диафрагма перемещается внутрь (вниз), что закрывает игольчатый клапан, чтобы впустить меньше топлива. По мере того, как расход воздуха в камере увеличивается, диафрагма перемещается наружу (вверх), что открывает игольчатый клапан, чтобы впустить больше топлива, позволяя двигателю вырабатывать больше мощности. Достигается сбалансированное состояние, которое создает устойчивый уровень топлива в резервуаре, который остается постоянным в любой ориентации.
Другие компоненты, которые использовались в карбюраторах, включают:
Базовая конструкция карбюратора состоит из одной трубки Вентури (главный измерительный контур), хотя конструкции с двумя или четырьмя трубками Вентури (двух- и четырехкамерные карбюраторы соответственно) также довольно распространены. Обычно трубки состоят из «первичных» трубок, используемых для ситуаций с низкой нагрузкой, и вторичных трубок, активируемых при необходимости подачи дополнительного воздуха/топлива при более высоких нагрузках. Первичные и вторичные трубки Вентури часто имеют разные размеры и включают в себя разные функции, чтобы соответствовать ситуациям, в которых они используются.
Многие четырехкамерные карбюраторы используют два первичных и два вторичных цилиндра. Четырехкамерная конструкция из двух первичных и двух вторичных цилиндров обычно использовалась в двигателях V8 для экономии топлива на низких оборотах двигателя, при этом обеспечивая достаточную подачу на высоких.
Использование нескольких карбюраторов (например, карбюратора для каждого цилиндра или пары цилиндров) также приводит к тому, что всасываемый воздух втягивается через несколько трубок Вентури. [16] В некоторых высокопроизводительных двигателях используются несколько двухкамерных или четырехкамерных карбюраторов, например, шесть двухкамерных карбюраторов на двигателях Ferrari V12.
В 1826 году американский инженер Сэмюэл Морей получил патент на «газовый или паровой двигатель», работавший на смеси скипидара и воздуха. [17] [18] Конструкция не пошла в производство. В 1875 году немецкий инженер Зигфрид Маркус создал автомобиль, работающий на первом бензиновом двигателе (который также дебютировал с первой системой зажигания от магнето ). [19] [20] [21] Карл Бенц представил свой одноцилиндровый четырехтактный двигатель Benz Patent-Motorwagen в 1885 году. [22] [23]
Во всех трех двигателях использовались поверхностные карбюраторы, которые работали за счет перемещения воздуха через верхнюю часть сосуда, содержащего топливо. [24]
Первая конструкция карбюратора с поплавковой подачей, в которой использовалось распылительное сопло , была представлена немецкими инженерами Вильгельмом Майбахом и Готлибом Даймлером в их двигателе Grandfather Clock 1885 года . [25] Автомобиль Butler Petrol Cycle , построенный в Англии в 1888 году, также использовал карбюратор с поплавковой подачей. [26] [27]
Первый карбюратор для стационарного двигателя был запатентован в 1893 году венгерскими инженерами Яношем Чонкой и Донатом Банки . [28] [29] [30]
Первыми четырехкамерными карбюраторами были Carter Carburetor WCFB и идентичный Rochester 4GC, представленные в различных моделях General Motors в 1952 году. Oldsmobile называл новый карбюратор «Quadri-Jet» (оригинальное написание) [31], в то время как Buick называл его «Airpower». [32]
В Соединенных Штатах карбюраторы были распространенным методом подачи топлива для большинства бензиновых (бензиновых) двигателей американского производства до конца 1980-х годов, когда впрыск топлива стал предпочтительным методом. [33] Одним из последних автоспортов, использовавших карбюраторы, был NASCAR, который перешел на электронный впрыск топлива после серии Sprint Cup 2011 года . [34]
В Европе карбюраторы были в значительной степени заменены впрыском топлива в конце 1980-х годов, хотя впрыск топлива все чаще использовался в автомобилях класса люкс и спортивных автомобилях с 1970-х годов. Законодательство ЕЭС требовало, чтобы все транспортные средства, проданные и произведенные в странах-членах, имели каталитический нейтрализатор после декабря 1992 года. Это законодательство находилось в разработке в течение некоторого времени, и многие автомобили стали доступны с каталитическими нейтрализаторами или впрыском топлива примерно с 1990 года.
Значительной проблемой для авиационных двигателей является образование льда внутри карбюратора. Температура воздуха внутри карбюратора может быть снижена до 40 °C (72 °F) [35] из-за сочетания пониженного давления воздуха в трубке Вентури и скрытой теплоты испаряющегося топлива. Условия во время снижения для посадки особенно благоприятны для обледенения, поскольку двигатель работает на холостом ходу в течение длительного периода времени с закрытой дроссельной заслонкой. Обледенение может также происходить в крейсерских условиях на высоте.
Система подогрева карбюратора часто используется для предотвращения обледенения. [35] Эта система состоит из вторичного воздухозаборника, который проходит вокруг выхлопной трубы, чтобы нагреть воздух перед тем, как он попадет в карбюратор. Обычно система управляется пилотом вручную, переключая впускной воздух для прохождения через нагретый впускной тракт по мере необходимости. Система подогрева карбюратора снижает выходную мощность (из-за меньшей плотности нагретого воздуха) и заставляет фильтр впускного воздуха обходить, поэтому система используется только тогда, когда есть риск обледенения. [35]
Если двигатель работает на холостом ходу, еще одним методом предотвращения обледенения является периодическое открытие дроссельной заслонки, что повышает температуру воздуха внутри карбюратора. [35]
Обледенение карбюратора также происходит в других приложениях, и для решения этой проблемы использовались различные методы. В рядных двигателях впускной и выпускной коллекторы находятся на одной стороне головки. Тепло от выхлопных газов используется для нагрева впускного коллектора и, в свою очередь, карбюратора. В конфигурациях V выхлопные газы направлялись из одной головки через впускной переходник в другую головку. Одним из методов регулирования потока выхлопных газов на переходнике для подогрева впуска был утяжеленный эксцентриковый дроссельный клапан, называемый нагревателем, который оставался закрытым на холостом ходу и открывался при более высоком потоке выхлопных газов. В некоторых транспортных средствах использовалась нагревательная печь вокруг выпускного коллектора. Она была соединена с впускным отверстием воздушного фильтра через трубку и подавала нагретый воздух в воздушный фильтр. Вакуумный управляемый дроссельный клапан предварительного нагрева трубки на впускном роге воздухоочистителя открывался, позволяя поступать более холодному воздуху при увеличении нагрузки на двигатель.
