Карбюратор (также пишется карбюратор или карбюратор ) [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 во всасываемый воздух осуществляется через трубку Вентури в главном дозирующем контуре, хотя в определенных обстоятельствах для подачи дополнительного топлива или воздуха также используются различные другие компоненты.
С 1990-х годов карбюраторы в легковых и грузовых автомобилях были в значительной степени заменены системами впрыска топлива , но карбюраторы все еще используются в некоторых небольших двигателях (например, газонокосилках, генераторах и бетономешалках) и мотоциклах. Кроме того, они до сих пор широко используются на самолетах с поршневыми двигателями. В дизельных двигателях всегда использовался впрыск топлива вместо карбюраторов, поскольку сгорание дизельного топлива за счет сжатия требует большей точности и давления впрыска топлива. [5]
Название «карбюратор» происходит от глагола carburet , что означает «соединиться с углеродом» [6] или, в частности, «обогащать газ путем соединения его с углеродом или углеводородами ». [7] Таким образом, карбюратор смешивает всасываемый воздух с топливом на основе углеводородов, таким как бензин или автомобильный газ (СНГ). [8]
Название пишется «карбюратор» на американском английском и «карбюратор» на 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 воздухоочиститель ), в него добавляется топливо, проходит во впускной коллектор , затем через впускной клапан(ы) и, наконец, в камеру сгорания . В большинстве двигателей используется один карбюратор, общий для всех цилиндров, хотя исторически некоторые высокопроизводительные двигатели имели несколько карбюраторов.
Карбюратор работает по принципу Бернулли : статическое давление всасываемого воздуха снижается на более высоких скоростях, втягивая в воздушный поток больше топлива. В большинстве случаев (кроме ускорительного насоса ) водитель, нажимая на педаль 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 впускную смесь.
Основным недостатком работы карбюратора, основанного на принципе Бернулли, является то, что, поскольку это гидродинамическое устройство, снижение давления в Вентури имеет тенденцию быть пропорциональным квадрату скорости всасываемого воздуха. Топливные жиклеры намного меньше, а расход топлива ограничивается в основном вязкостью топлива, поэтому поток топлива имеет тенденцию быть пропорциональным разнице давлений. Таким образом, жиклеры, рассчитанные на полную мощность, имеют тенденцию вызывать голодание двигателя на более низких оборотах и частичном открытии дроссельной заслонки. Чаще всего это можно исправить, используя несколько форсунок. В SU и других (например, Zenith-Stromberg ) карбюраторах с изменяемой струей это исправлялось изменением размера жиклера.
Ориентация карбюратора является ключевым моментом при проектировании. В старых двигателях использовались карбюраторы с восходящим потоком воздуха , в которых воздух входит снизу карбюратора и выходит через верхнюю часть. С конца 1930-х годов карбюраторы с нисходящей тягой стали более широко использоваться (особенно в США), а также карбюраторы с боковой тягой (особенно в Европе).
Основной контур дозирования состоит из трубы, которая сужается, а затем снова расширяется, образуя трубку Вентури. Топливо вводится в воздушный поток через небольшие трубки ( главные жиклеры ) в самой узкой части трубки Вентури, где воздух движется с максимальной скоростью. [10]
За трубкой Вентури находится дроссель (обычно в виде дроссельной заслонки ), который используется для регулирования количества воздуха, поступающего в карбюратор. В автомобиле этот дроссель соединен с педалью газа автомобиля, которая изменяет частоту вращения двигателя.
При меньших открытиях дроссельной заслонки скорость воздуха через трубку Вентури недостаточна для поддержания потока топлива, поэтому топливо вместо этого 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 в воздушный поток больше топлива. [11] В то же время снижение вакуума в коллекторе приводит к уменьшению потока 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 нехватке топлива в цилиндрах и затруднению холодного запуска . Для запуска и работы двигателя до его прогрева требуется дополнительное топливо (для данного количества воздуха), обеспечиваемое воздушной заслонкой .
Во время прогрева двигателя воздушная заслонка частично закрыта, ограничивая поступление воздуха на вход 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 водитель управлял воздушной заслонкой вручную, часто с помощью рычага или ручки на приборной панели . С тех пор автоматические чоки стали более распространенными. В них используется либо биметаллический термостат для автоматического регулирования воздушной заслонки в зависимости от температуры охлаждающей жидкости двигателя, либо электрический нагреватель сопротивления, либо воздух, всасываемый через трубку, соединенную с источником выхлопа двигателя. Дроссельная заслонка, оставленная закрытой после прогрева двигателя, увеличивает расход топлива и выбросы выхлопных газов, а также приводит к нестабильной работе двигателя и недостатку мощности из-за перебогатой топливной смеси.
Однако избыток топлива может затопить двигатель и помешать его запуску. Чтобы удалить излишки топлива, многие карбюраторы с автоматическими дросселями позволяют держать его открытым (вручную нажимая педаль акселератора до пола и ненадолго удерживая ее в этом положении при проворачивании стартера), чтобы обеспечить поступление дополнительного воздуха в двигатель до тех пор, пока излишки топлива не вытекут. вычищен.
Еще один метод, 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. В результате увеличение частоты вращения холостого хода обеспечивает более стабильную работу холостого хода для холодного двигателя (за счет лучшего распыления холодного топлива) и помогает двигателю быстрее прогреться.
Система внутри карбюратора, которая дозирует топливо, когда двигатель работает на низких оборотах. Контур холостого хода обычно активируется вакуумом под дроссельной заслонкой, что создает область низкого давления в канале/отверстии холостого хода, что приводит к прохождению топлива через жиклер холостого хода. Производитель карбюратора устанавливает жиклер холостого хода на некоторое постоянное значение, обеспечивая тем самым подачу определенного количества топлива.
Многие карбюраторы используют схему холостого хода, которая включает в себя дополнительный топливный жиклер, который кратковременно включается, когда дроссельная заслонка начинает открываться. Этот жиклер расположен в зоне 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 контура холостого хода к основному контуру дозирования.
В четырехтактном двигателе часто желательно подавать в двигатель дополнительное топливо при высоких нагрузках (для увеличения выходной мощности и уменьшения детонации двигателя ). Для этого часто используется «силовой клапан», который представляет собой подпружиненный клапан в карбюраторе, который удерживается закрытым за счет вакуума в двигателе. По мере увеличения потока воздуха через карбюратор уменьшенный вакуум в коллекторе открывает силовой клапан, пропуская больше топлива в главный дозирующий контур.
В двухтактном двигателе силовой клапан работает противоположным образом: в большинстве случаев клапан пропускает в двигатель дополнительное топливо, затем при определенных оборотах двигателя он закрывается, чтобы уменьшить количество топлива, поступающего в двигатель. Это сделано для того, чтобы увеличить максимальные обороты двигателя, поскольку многие двухтактные двигатели могут временно достигать более высоких оборотов при более обедненном соотношении воздух-топливо.
Дозирующая тяга или система повышающих стержней иногда используется в качестве альтернативы силовому клапану в четырехтактном двигателе для подачи дополнительного топлива при высоких нагрузках. Один конец стержней имеет коническую форму, он находится в главных дозирующих жиклерах и действует как клапан для подачи топлива в жиклеры. При высоких нагрузках двигателя стержни отрываются от жиклеров (механически или с помощью вакуума в коллекторе), что увеличивает объем топлива, протекающего через жиклер. Эти системы использовались в реактивных двигателях Rochester Quadra и в карбюраторах Carter 1950-х годов .
Хотя главный контур дозирования может адекватно подавать топливо в двигатель в установившихся условиях, инерция топлива (более высокая, чем у воздуха) вызывает временный дефицит топлива при открытии дроссельной заслонки. Поэтому ускорительный насос часто используется для кратковременной подачи дополнительного топлива при открытии дроссельной заслонки. [12] Когда водитель нажимает 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 . [ нужна цитата ]
Чтобы обеспечить постоянную подачу топлива, карбюраторы включают в себя резервуар с топливом, называемый «поплавковой камерой» или «поплавковой камерой». Топливо в поплавковую камеру подается топливным насосом . Плавающий впускной клапан регулирует подачу 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 после нагнетателя ) , для работы весь карбюратор должен находиться в герметичном корпусе под давлением. [ нужна цитация ] Однако в этом нет необходимости, если карбюратор находится перед нагнетателем.
Проблемы с кипением 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 остановки двигателя) может привести к нагреву топлива до точки испарения. Это приводит к образованию пузырьков воздуха в топливе (аналогично пузырькам воздуха, которые вызывают необходимость прокачки тормозов ), что препятствует потоку топлива и известно как «паровая пробка».
Чтобы избежать повышения давления в поплавковой камере, вентиляционные трубки позволяют воздуху входить и выходить из поплавковой камеры. Эти трубки обычно проходят в горловину карбюратора и расположены таким образом, 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 силой тяжести, не подходят. Вместо этого обычно используется диафрагменная камера. Он состоит из гибкой диафрагмы на одной стороне топливной камеры, соединенной с игольчатым клапаном , который регулирует подачу топлива в камеру. Когда расход воздуха в камере (управляемый дроссельным клапаном/дроссельным клапаном) уменьшается, диафрагма перемещается внутрь (вниз), что закрывает игольчатый клапан, пропуская меньше топлива. По мере увеличения расхода воздуха в камере диафрагма перемещается наружу (вверх), что открывает игольчатый клапан, пропуская больше топлива, позволяя двигателю генерировать больше мощности. Достигается сбалансированное состояние, при котором уровень топлива в резервуаре остается постоянным при любом положении.
Другие компоненты, которые использовались в карбюраторах, включают:
Базовая конструкция карбюратора состоит из одной трубки Вентури (основной дозирующий контур), хотя конструкции с двумя или четырьмя трубками Вентури (двухкамерные и четырехкамерные карбюраторы соответственно) также довольно распространены. Обычно стволы состоят из «первичных» стволов, используемых в ситуациях с низкой нагрузкой, и вторичных стволов, активирующихся, когда требуется подача дополнительного воздуха / топлива при более высоких нагрузках. Первичные и вторичные трубки Вентури часто имеют разные размеры и имеют разные функции, соответствующие ситуациям, в которых они используются.
Во многих четырехкамерных карбюраторах используются два первичных и два вторичных цилиндра. Четырехцилиндровая конструкция с двумя первичными и двумя вторичными цилиндрами обычно использовалась в двигателях V8 для экономии топлива на низких оборотах двигателя, обеспечивая при этом достаточный запас топлива на высоких.
Использование нескольких карбюраторов (например, карбюратора для каждого цилиндра или пары цилиндров) также приводит к тому, что всасываемый воздух проходит через несколько трубок Вентури. [16] В некоторых высокопроизводительных двигателях используется несколько двух- или четырехцилиндровых карбюраторов, например шесть двухкамерных карбюраторов на двигателях Ferrari V12.
В 1826 году американский инженер Сэмюэл Мори получил патент на «газовый или паровой двигатель», работавший на скипидаре , смешанном с воздухом. [17] [18] Конструкция не дошла до производства. В 1875 году немецкий инженер Зигфрид Маркус создал автомобиль с первым бензиновым двигателем (в котором также появилась первая система 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 резервуара с топливом. [24]
Первая конструкция карбюратора с поплавковым питанием, в которой использовалось распылительное сопло , была представлена немецкими инженерами Вильгельмом Майбахом и Готлибом Даймлером в их двигателе «Дедушкины часы» 1885 года . [25] В автомобиле Butler Petrol Cycle , построенном в Англии в 1888 году, также использовался 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 четырехцилиндровыми карбюраторами были Carter Carburetor WCFB и идентичный Rochester 4GC, представленный в различных моделях General Motors в 1952 году. Oldsmobile называл новый карбюратор «Quadri-Jet» (оригинальное написание) [31] , а Buick называл его «Quadri-Jet» (оригинальное написание) [31]. «Авиация». [32]
В Соединенных Штатах карбюраторы были распространенным методом подачи топлива для большинства бензиновых (бензиновых) двигателей американского производства до конца 1980-х годов, когда предпочтительным методом стал впрыск топлива. [33] Одним из последних пользователей карбюраторов в автоспорте была компания NASCAR, которая перешла на электронный впрыск топлива после серии Sprint Cup 2011 года . [34]
В Европе карбюраторы были в значительной степени заменены системами впрыска топлива в конце 1980-х годов, хотя с 1970-х годов впрыск топлива все чаще использовался в автомобилях класса люкс и спортивных автомобилях. Законодательство ЕЭС требовало, чтобы все автомобили, продаваемые и производимые в странах-членах, имели каталитический нейтрализатор после декабря 1992 года. Этот закон находился в стадии разработки в течение некоторого времени, и примерно с 1990 года многие автомобили стали доступны с каталитическими нейтрализаторами или системой впрыска топлива.
Серьезной проблемой для авиационных двигателей является образование льда внутри карбюратора. Температура воздуха внутри карбюратора может снизиться до 40 °C (72 °F) [35] за счет сочетания пониженного давления воздуха в трубке Вентури и скрытого тепла испаряющегося топлива. Условия при снижении на посадку особенно благоприятствуют обледенению, поскольку двигатель длительное время работает на холостом ходу при закрытой дроссельной заслонке. Обледенение также может произойти в крейсерских условиях на высоте.
Для предотвращения обледенения часто используется система подогрева карбюратора. [35] Эта система состоит из вторичного воздухозаборника, который проходит вокруг выхлопной трубы и нагревает воздух перед его поступлением в карбюратор. Обычно система управляется пилотом, который вручную переключает всасываемый воздух на движение по нагретому впускному тракту по мере необходимости. Система подогрева карбюратора снижает выходную мощность (из-за меньшей плотности нагретого воздуха) и приводит к обходу впускного воздушного фильтра, поэтому систему используют только при наличии риска обледенения. [35]
Если двигатель работает на холостом ходу, еще одним способом предотвращения обледенения является периодическое открытие дроссельной заслонки, что повышает температуру воздуха в карбюраторе. [35]
Обледенение карбюратора встречается и в других приложениях, и для решения этой проблемы использовались различные методы. На рядных двигателях впускной и выпускной коллекторы расположены на одной стороне головки. Тепло выхлопных газов используется для обогрева впускного коллектора и, в свою очередь, карбюратора. На V-образных конфигурациях выхлопные газы направлялись из одной головки через впускной патрубок в другую головку. Одним из методов регулирования потока выхлопных газов на кроссовере для подогрева впуска был утяжеленный эксцентриковый дроссельный клапан, называемый стояком тепла, который оставался закрытым на холостом ходу и открывался при более высоком потоке выхлопных газов. В некоторых автомобилях вокруг выпускного коллектора использовалась нагревательная печь. Он подключался к воздухозаборнику воздушного фильтра через трубку и подавал в воздушный фильтр нагретый воздух. Трубка предварительного подогрева дроссельной заслонки с вакуумным управлением на впускном патрубке воздухоочистителя открывается, пропуская более холодный воздух при увеличении нагрузки на двигатель.
