14 апреля 2013

Устройство карбюратора (часть1)

Минутка классики на MyPitBike.ru.
Выдержка из «Топливные системы мотоциклов» Робинзона, посвященная устройству карбюратора. Нижеследующий объемный текст позволит лучше понять принципы устройства и работы карбюратора, что будет чрезвычайно полезно при диагностике неисправностей, связанных с системой подачи топлива.
Ввиду объема пост будет разбит на пару частей.

Введение


Работа карбюратора основана на химических и физических свойствах газов, описанных в предыдущих двух главах. Чтобы понять, как устроен карбюратор, мы спроектируем простейший, но работающий карбюратор, основываясь на течении струи в трубке. Сечение воздушного канала карбюратора должно быть достаточно большим для того, чтобы обеспечить подачу воздуха при максимальной мощности двигателя, и достаточно маленьким для того, чтобы обеспечить возрастание скорости воздуха и создание достаточного разрежения между поплавковой камерой и топливным распылителем. Поскольку давление над распылителем топлива зависит от скорости воздуха, во многих карбюраторах старых конструкций имелось сужение в районе установки распылителя для местного повышения скорости воздуха. Это сужение называется диффузором или трубой Вентури (по имени итальянского физика Джованни Батиста Вентури. 1746-1822). Сужения препятствуют свободному потоку воздуха и поэтому не использовались в карбюраторах форсированных мотоциклов, хотя и оставались в качестве термина, обозначающего эту часть карбюратора.

Рис. 1. Элементарный карбюратор — топливный резервуар соединен с диффузором Закругленный «раструб» препятствует возникновению завихрений и способствует повышению пропускной способности карбюратора. Резиновая опора защищает диффузор от вибраций и тепла.

Наш простейший карбюратор представляет собой только диффузор и трубку подачи топлива (рис. 1). Мы можем добавить к нему несколько усовершенствований. Эксперименты с потоком воздуха показывают, что воздуховод становится более эффективным, если на его конце имеется раструб, имеющий загиб, составляющий 180 град. Воздуховод должен быть максимально прямым и гладким, то есть не иметь препятствий, карманов и резких изгибов, которые могут привести к возникновению завихрений воздушного потока. Второй конец карбюратора крепится к двигателю на упругой опоре, по возможности, не имеющей выступов. Эта опора предназначена для зашиты карбюратора от тепла и вибраций, исходящих от двигателя.
Повышение температуры газа приводит к снижению его плотности, то есть аналогичный объем газа имеет меньшую массу (в нем меньше молекул), поэтому в этом объеме сгорит меньше молекул топлива. Вибрация вызывает те же проблемы, что и вибрация в любых механизмах. Она может привести к появлению пены в топливе и недостаточной эффективности работы запорного клапана. Запорный клапан — это следующее усовершенствование нашего карбюратора. Он предназначен для поддержания определенного уровня топлива.

Подача топлива

Топливо подается из топливного бака при помощи насоса или под собственным весом и проходит через клапан, представляющий собой конусную иглу (рис. 2). Поплавок в топливном резервуаре поддерживает иглу и, по мере наполнения резервуара топливом, поплавок поднимается, а игла запирает клапан и подача топлива прекращается. Обычно игла клапана имеет подпружиненный плунжер, который упирается в язычок поплавка. Это плунжер защищает иглу от вибраций и способствует более точному поддержанию уровня топлива в резервуаре. Клапаны этого типа очень восприимчивы к любым соринкам, которые могут попасть между иглой и седлом и препятствовать запиранию клапана. Поэтому перед клапаном обычно устанавливается топливный фильтр. В запорном клапане могут быть две регулировки. Во-первых, высота поплавка, которая определяет уровень топлива в резервуаре. Она регулируется подгибанием язычка, который упирается в иглу.


Рис. 2. Игольчатый клапан. Когда уровень топлива поднимется до определенного уровня, поплавок прижмет иглу клапана к седлу, прекращая подачу топлива.
Высота поплавка может измеряться как уровнем топлива в камере, так и высотой поплавка в момент полного закрытия клапана. В любом руководстве по обслуживанию карбюратора Вы найдете метод и инструменты для измерения высоты поплавка. Если возникла необходимость в контроле уровня топлива в поплавковой камере, соединим отрезком шланга поплавковую камеру с прозрачной трубкой и установим запорный клапан (рис. 3).


Рис. 3. Датчик уровня топлива. Поплавковая камера соединена отрезком шланга с прозрачной трубкой, в которой можно увидеть уровень топлива. Уровень топлива контролируется относительно какой-либо точки корпуса карбюратора (обычно относительно прокладки поплавковой камеры).

Расположим прозрачную трубку параллельно поплавковой камере и откроем запорный клапан. Уровень топлива в трубке будет равным уровню топлива в поплавковой камере. Если на трубке нанести риску, то по ней очень легко контролировать уровень топлива. Обычно уровень топлива в поплавковой камере отсчитывается от определенной точки(чаше всего для этого используется прокладка поплавковой камеры). Если топливная магистраль имеет насос для ручной подкачки топлива, этим насосом можно восстанавливать нужный уровень топлива. Для регулировки уровня топлива в поплавковой камере карбюратор нужно снять с мотоцикла, затем снять крышку поплавковой камеры и перевернуть ее. Регулировка уровня топлива производится изменением высоты поплавка относительно поверхности под прокладку, причем поплавок должен прижимать игольчатый клапан к седлу (рис. 4).


Рис. 4 Регулировка уровня топлива в карбюраторе. Обычно измеряется расстояние между поплавком и прокладкой карбюратора. Поплавок должен касаться игольчатого клапана, однако, пружина клапана не должна быть сжата. Возможно, для этого понадобится развернуть корпус карбюратора под некоторым углом, как показано на рисунке

Обычно для проверки и регулировки уровня топлива используется приспособление Т-образного или квадратного сечения. Другой регулировкой является изменение размеров игольчатого клапана и его седла. От этого зависит степень уплотнения клапана. Поскольку усилие поплавка является постоянным, давление клапана на седло зависит от площади клапана и от диаметра седла клапана. При меньшем диаметре, площадь будет меньше, а давление — больше. Это давление должно быть больше давления, создаваемого в топливной магистрали, которое, в свою очередь, зависит от высоты топливного бака и от давления, создаваемого топливным насосом и регулятором давления. При возрастании давления в топливной магистрали необходимо уменьшать диаметр клапана, чтобы предотвратить перелив топлива.
Поскольку в поплавковую камеру запивается топливо, необходимо предусмотреть возможность для выпуска из нее воздуха. Обычно трубка для вентиляции поплавковой камеры объединяется с дренажной трубкой, которая используется для слива излишков топлива в случае переполнения поплавковой камеры (рис. 5). Перепив топлива (также как и его недостаток) является очень серьезной проблемой. Если в двигатель поступает топливо в виде жидкости, оно скапливается на днище поршня. При запуске двигателя несжимаемое жидкое топливо попадает между поршнем и головкой цилиндра и способно разрушить поршневые кольца и шатуны.


Рис. 5. Вентиляция поплавковой камеры и переливная трубка. Давление воздуха в поплавковой камере должно поддерживаться на постоянном уровне. В ранних моделях карбюраторов поплавковая камера просто соединялась с атмосферой и трубка для вентиляции объединялась с переливной трубкой. При переливе топливо сливалось по этой трубке, что предотвращало попадание жидкого топлива в двигатель. В карбюраторах поздних моделей давление в поплавковой камере поддерживается равным давлению в воздушной камере.

В мотоциклах, у которых воздушная камера используется для повышения мощности двигателя, давление в поплавковой камере поддерживается равным давлению в воздушной камере. Поэтому трубка для вентиляции выведена в воздушную камеру и не может использоваться в качестве перепускной трубки для слива топлива. В связи с этим в качестве следующего усовершенствования целесообразно установить запорный клапан в топливную магистраль, перекрывающий подачу топлива в карбюратор после остановки двигателя.
В нашем карбюраторе поплавковая камера расположена непосредственно под топливным жиклером, так как это и бывает в карбюраторах современных мотоциклов, хотя в прошлом поплавковая камера располагалась сбоку или вообще отдельно от карбюратора и соединялась с ним при помощи трубки. Независимая установка поплавковой камеры позволяет иногда решить проблему компоновки, а также обеспечивает возможность питания нескольких карбюраторов из одной поплавковой камеры. Кроме того, опуская и поднимая поплавковую камеру, очень легко регулировать уровень топлива в ней, хотя такая регулировка не будет точной. Недостатком поплавковой камеры является текучесть топлива: при торможении оно будет приливать к передней стенке камеры, а при ускорении — к задней. Если поплавковая камера расположена сбоку от карбюратора, то для мотоциклов без коляски сила, воздействующая на топливо в поплавковой камере, очень мала, поскольку при поворотах мотоцикла он наклоняется в сторону поворота, поэтому уровень топлива остается неизменным. Самое забавное заключается в том, что в то время, когда устанавливались независимые поплавковые камеры, очень популярны были мотоциклы с коляской. Естественно, в этих мотоциклах при повороте налево топливо отливало от карбюратора, а при повороте направо — приливало к карбюратору. Специально для мотоциклов с коляской были изобретены компенсаторы, представляющие собой дополнительные камеры, расположенные с противоположной стороны карбюратора. В современных мотоциклах поплавковые камеры объединены с карбюратором, а топливный жиклер расположен приблизительно в центре камеры, поскольку в этой точке изменение уровня топлива минимально. Однако проблема, связанная с изменением уровня топлива, все же остается. Для решения этой проблемы конструкторы устанавливают успокоители, представляющие собой колпачки, которые надеты на конец топливного жиклера (рис. 6). Для сохранения простоты изложения теории мы не будем вдаваться в дальнейшие подробности устройства поплавковых камер.


Рис. 6. Успокоитель топливного жиклера. Иногда на топливные жиклеры устанавливают успокоители, препятствующие изменению уровня топлива в точке его отбора при резких ускорениях и торможениях мотоцикла. В автомобилях и мотоциклах с коляской подобные эффекты возникают также и при движении в повороте

Топливные жиклеры


Итак, мы имеем гладкий диффузор, распылитель топлива и обеспечили постоянную подачу топлива. Размер диффузора зависит от потребности двигателя, а подача топлива должна быть такой, чтобы состав рабочей смеси был оптимальным. Иначе говоря, трубка подачи топлива должна быть такой, чтобы обеспечить нужный расход топлива и его распыление. Для этого в трубку подачи топлива вворачивается калиброванный дроссель, называемый жиклером. Такая конструкция дает полный контроль за расходом топлива (поскольку жиклер можно заменить другим (поскольку жиклер можно заменить другим) и называется главным жиклером (Рис 7)


Рис. 7. Главный жиклер. Обычно выполнен в виде миниатюрного диффузора для обеспечения плавного потока топлива в широком диапазоне изменений давления. Жиклеры маркируются по наименьшему диаметру отверстия или в зависимости от производительности при определенном давлении. Жиклеры могут иметь различные конструкции, и быть изготовленными из разных материалов (обычно пластмасса или латунь). Характеристики жиклеров также могут быть различными. При сравнении двух жиклеров, изготовленных одним производителем, имеющих одинаковую конструкцию, изготовленных из одних и тех же материалов, жиклер 140 будет более производительным, чем жиклер 135. Однако на жиклеры, выполненные разными производителями или из различных материалов или имеющие различную конструкцию, это правило не распространяется.

Скорость воздуха в карбюраторе зависит от частоты вращения двигателя и от диаметра диффузора. Давление воздуха изменяется пропорционально квадрату скорости воздуха. Если диаметр жиклера больше минимально допустимого по условиям течения жидкости (см. примечание 1), сила, которая поднимает топливо, возрастает пропорционально квадрату частоты вращения двигателя. Таким образом, при удвоении частоты вращения двигателя скорость воздуха также удвоится (если пренебречь потерями напора воздуха). Давление воздуха при этом уменьшится в 4 раза, поэтому топлива будет поступать больше, чем нужно. Чем больше изменение скорости воздуха, тем больше разница между потребным и действительным расходом топлива.
В результате этого явления, жиклер, который обеспечивает двигатель корректной рабочей смесью при малой частоте вращения, начинает чрезмерно обогащать рабочую смесь при повышении частоты вращения двигателя. Если же жиклер обеспечивает корректную смесь при высокой частоте вращения двигателя, то при снижении оборотов смесь чрезмерно обедняется. Разность подачи топлива при максимальной и минимальной частоте вращения двигателя называется градиентом расхода. В карбюраторах мотоциклов эта проблема решается установкой воздушных жиклеров, которые также называются воздушными корректорами. Они устанавливаются так (рис. 8), чтобы воздух смешивался с топливом в трубке подачи топлива. Расход воздуха при этом регулируется диаметром жиклера и также зависит от квадрата скорости воздуха в диффузоре. Такая конструкция позволяет обеспечить корректный состав рабочей смеси не только в одной точке. При плавном изменении частоты вращения двигателя такая конструкция обеспечивает двигатель корректной рабочей смесью.


Рис. 8. Воздушный жиклер. Представляет собой узкий воздуховод, в который может быть вставлен латунный жиклер. Используется для смешивания воздуха с топливом в эмульсионной трубке — топливном жиклере, в котором просверлены отверстия

Эффект установки воздушного жиклера возрастает с ростом частоты вращения двигателя. В этом случае мы установим топливный жиклер, который обеспечивает корректную рабочую смесь при низкой частоте вращения двигателя (такой, который обогащает рабочую смесь при максимальной частоте вращения двигателя). Теперь, увеличивая диаметр воздушного жиклера, добьемся корректного состава рабочей смеси при максимальной частоте вращения двигателя. Возможно, этот процесс придется повторить несколько раз до тех пор, пока состав рабочей смеси не станет корректным во всем диапазоне частот вращения двигателя.
Вообще введение воздушного жиклера в конструкцию карбюратора позволяет решить несколько проблем. Есть множество способов смешивания топлива с воздухом. Мы можем изменять высоту, на которой подается воздух, изменять размер колодца. а также изменять количество и диаметр отверстий в топливном жиклере (такой жиклер называется эмульсионной трубкой), размер эмульсионной трубки, а также точку выхода трубки в диффузор. Смешивание воздуха с топливом приводит к пенообразованию, что облегчает перемешивание топлива с основным воздушным потоком, что, в свою очередь, облегчает полное сгорание рабочей смеси и улучшает чувствительность карбюратора. Когда топливо находится в виде пены, оно в меньшей степени, чем жидкое топливо, возвращается обратно в поплавковую камеру при снижении загрузки двигателя. Поэтому такой карбюратор быстрее реагирует на резкое повышение загрузки двигателя. И, наконец, колодец, в котором расположена эмульсионная трубка, частично заполнен топливом, которое находится близко к диффузору, поэтому двигатель более чутко реагирует на резкое ускорение.
В отличив от возможности контроля над составом рабочей смеси, все остальные преимущества эмульсионной трубки представляют собой чисто академический интерес, поскольку в нашем карбюраторе отсутствует дроссельная заслонка. Наш простейший карбюратор постоянно открыт и не способен регулировать расход воздуха или загрузку двигателя.

Скорость воздуха, размер карбюратора и его характеристики

Если объем цилиндра равен 250 см3, это означает, что во время впуска через карбюратор должно пройти (теоретически) 250 см3 воздуха, причем это количество воздуха должно поступить за 180 градусов поворота коленчатого вала. Если мы знаем максимальную частоту вращения двигателя (например, 12000 об/мин. или 200 об/с), то каждый оборот коленчатого вала происходит за 1/200 секунды, а половина оборота (180о) происходит за 1/400 или за 0.0025 секунды.
При этом расход воздуха будет равен 250/0.0025 или 100000 см3/с. Этот расход представляет собой усредненное значение (при впуске скорость воздуха сначала равна нулю, затем возрастает до максимума, а затем вновь уменьшается), однако, полученные результаты позволяют судить о процeccax, происходящих в двигателе. Для того, чтобы определить скорость воздуха в карбюраторе, необходимо знать расход воздуха и площадь поперечного сечения карбюратора. Обычно, для больших двигателей используются карбюраторы с диаметром диффузора 38 мм, поэтому площадь по-перечного сечения равна: п(38)2/4 = 1134.11 мм8 или 11.34 см2.
Представим себе столб воздуха, имеющий площадь, равную поперечному сечению диффузора, а высоту такую, что его объем составляет 100000 см3. Высота этого столба будет равна 100000/11.34 = 8818.3 см, или 88.183 м, а средняя скорость воздуха при 12000 об/мин составит 88.2 м/с (или 318 км/ч). В соответствии с уравнением Бернулли (см. главу 3) и учитывая, что плотность воздуха равна 1.225 кг/м3, а поток воздуха не сжат, получим падение давления 4.76 кПа в районе распылителя топлива. Про делав те же вычисления при частоте вращения двигателя, равной 3000 об/ мин (если считать эту скорость минимальной), получим, что скорость воздуха равна 22.05 м/с, а падение давления равно 0.298 кПа. Эти значения представляют собой усредненные скорость и давление воздуха в карбюраторе. Падение давления относительно невелико, особенно при малой частоте вращения коленчатого вала и при полном открытии дроссельной заслонки. Если учесть, что плотность топлива равна 0.7 г/см3, то высота столба топлива составит 43.2 мм при том разрежении, которое создается на скорости двигателя 3000 об/мин. Если расстояние между уровнем топлива в поплавковой камере и соплом распылителя не превысит этот размер, то карбюратор будет работоспособен. Как показывают эти рассуждения, для каждого карбюратора необходимо знать диапазон рабочего давления, а также расход воздуха через него. Объем моторного отсека, отводимый для карбюратора, должен быть таким, чтобы карбюратор смог обеспечить необходимый диапазон давления и расхода воздуха в зависимости от мощности проектируемого двигателя. Пределом для карбюратора частично является возможность двигателя разогнать воздух до необходимой скорости за такое короткое время, а частично — способностью карбюратора пропустить необходимое количество воздуха, обеспечив ему равномерное течение. При достижении скоростью воздуха критической точки, воздушный поток разрывается, и в нем возникают завихрения. При этом возрастании расхода воздуха с ростом частоты вращения двигателя не происходит и мощность двигателя падает. При увеличении рабочего объема цилиндра, необходимо устанавливать карбюратор большего диаметра, однако, в таком карбюраторе скорость воздуха при малых оборотах двигателя будет слишком низкой (а разрежение в диффузоре будет недостаточным). Размеры карбюратора накладывают ограничения на максимальный и минимальный расход воздуха. Максимальный расход воздуха ограничен пропускной способностью карбюратора и мощностью двигателя. Минимальный расход воздуха ограничивается возможностью подсасывания топлива при малой скорости воздуха. Допустим, что проектируемый двигатепь имеет пик момента и пик мощности в диапазоне частот вращения коленчатого вала от 8000 до 10000 об/мин. Если обороты двигателя превышают эти значения, происходит падение расхода воздуха, поэтому при 12000 об/мин в двигатепь объемом 250 см3 попадет воздуха меньше, чем 250 см3.
Для простоты допустим, что коэффициент наполнения двигателя равен 100%, тогда, при максимальном крутящем моменте, коэффициент наполнения составит около 105%, причем это значение будет уменьшаться по обе сторону от максимуме крутящего момента до 90% и даже ниже. Кривая крутящего момента совпадает с кривой расхода воздуха лучше, чем кривая мощности двигателя, поскольку крутящий момент зависит от объема воздуха, поступившего в двигатель, и от способности двигателя сжечь весь воздух и извлечь из него тепло. Снижение расхода воздуха, состав рабочей смеси или неполное сгорание смеси видны не кривой крутящего момента в виде впадин. Отличие кривой крутящего момента от кривой мощности заключается в том, что крутящий момент представляет собой характеристику расхода воздуха и сгорания на один цикл, а мощность представляет собой эту характеристику за единицу времени. Иными словами крутящий момент может быть меньше при 9000 об/ мин, чем при 8000 об/мин, в то время, как мощность при дополнительной 1000 об/ мин может возрасти. Мощность начнет уменьшаться, когда крутящий момент начнет падать быстрее, чем прибавляться частота вращения коленчатого вала.

Примечание 1
При течении жидкости в трубе скорость частиц жидкости различается, то есть возникает «градиент скорости». Это явление заключается в том, что при удалении от поверхности скорость жидкости возрастает, достигая скорости «свободного» течения. В основном, это различие зависит от вязкости жидкости (сопротивления сдвигу). Толщина слоя жидкости, в котором наблюдается градиент скорости, очень мала, однако, при течении топлива в жиклере, толщина этого слоя становится соизмеримой с диаметром жиклера. При возрастании скорости течения топлива, толщина пограничного слоя возрастает до тех пор, пока все сечение жиклера не становится зоной градиента скорости. Начиная с этого момента для повышения скорости течения требуется все большее и большее возрастание давления — до тех пор, пока скорость не достигнет своего максимального значения.
+3

Комментарии:10

avatar
  • Silence
  • 14 апреля 2013, 12:48
  • 0
это в продолжении темы о глохнувшем БСЕ??))
avatar
  • dvalin
  • 14 апреля 2013, 13:44
  • 0
нет, это в продолжение темы «если из колодца бенз льется — знач карб богатит»))
Комментарий отредактирован 2013-04-14 13:46:17 пользователем dvalin
avatar
  • Silence
  • 15 апреля 2013, 00:50
  • 0
))) дайте почитать)
avatar
  • dvalin
  • 16 апреля 2013, 02:31
  • 0
месяца 4 назад было :)
выкладывать линк уже даже не интересно — объект и так испытал баттхерт…
avatar
  • pr1me
  • 15 апреля 2013, 16:33
  • 0
Замечательная статья.
Перенесено в раздел Обслуживание и ремонт
avatar
  • Pligma
  • 16 апреля 2013, 00:54
  • 0
Я не хамло в отличии от не которых но скажу что статья хороша.
avatar
  • dvalin
  • 16 апреля 2013, 02:25
  • 0
да ладно, потролль меня как-нибудь, типа «вот, какие прекрасные статьи о технологиях 30-ти летней давности выдает силиконовая долина роисси!»
avatar
  • Pligma
  • 16 апреля 2013, 02:32
  • 0
Твою статью в контакте вложили и везде в поисковиках стоит, так что для народа сойдет, тем более больше просмотра для начинающих мастеров только +)и для сайта тоже особенно что связанно с питами.честн надоел срач и мусор не о пите!
avatar
  • dvalin
  • 16 апреля 2013, 02:45
  • 0
мир?
кстати, статья не моя. «мапед не мой!!! я только разместил объяву!!!»
avatar
  • Pligma
  • 16 апреля 2013, 02:48
  • 0
Ну ты обширно вложил инфу полностью о карбе, не важно где взял я тему плюсанула)
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.