Система питания карбюраторных двигателей

 

Приготовление и подача к цилиндрам карбюраторных двигате­лей горючей смеси, регулирование ее количества и состава осу­ществляется системой питания, работа которой оказывает большое влияние на все основные показатели двигателя (мощность, эконо­мичность, токсичность отработавших газов). При эксплуатации дви­гателей содержанию этой системы в должном техническом состоя­нии необходимо уделять особое внимание.

 

Рис.43. Схема системы питания карбюраторного двигателя

 

Типичная схема сис­темы питания карбюраторного двигателя показана на рис. 43, она вклю­чает в себя бак 1 с дат­чиком 2 указателя уровня (количества) топлива 3, топливопро­воды 7, 9,1I, фильтр 10, насос (обычно ди­афрагменного типа) 8 для подачи топлива из бака 1 к карбюрато­ру 4. Воздух поступает в карбюратор через воздухоочиститель 5, который одновременно выполняет функцию глушителя шума, возникающего при впуске. Смесь топлива и воз­духа из карбюратора подается к цилиндрам по впускному трубо­проводу 6. Карбюраторы в качестве главного прибора топливоподачи используются на всех отечественных двигателях *.

* Сведения о работе системы питания с аппаратурой впрыска бензина можно найти в специальной литературе.

К карбюраторам предъявляются следующие основные требова­ния: точное дозирование количества топлива; обеспечивающее по­лучение необходимых экономических и мощностных показателей двигателя на всех режимах его работы при допустимой токсичности отработавших газов; обеспечение возможности быстрого и плавного изменения режима работы двигателя; тонкое распыливание топ­лива.

4.2.1. Характеристика одножиклерного карбюратора. На рис. 44, а при­ведена схема простейшего карбюратора, включающая входной па­трубок 1, диффузор 2, смесительную камеру 9, дроссельную заслон­ку 10, поплавковую камеру 4 с поплавком 7, игольчатым клапа­ном 6, его седлом 5 и отверстием 3, а также топливный жиклер В и трубку распылителя 11.

Рис. 44. Схема и характеристика простейшего карбюратора.

При неработающем двигателе уровень топлива в поплавковой камере на 4—8 мм ниже кромки выходного отверстия распылителя 11, что делается для предотвращения выте­кания топлива из распылителя особенно при наклонном положении двигателя. Отверстие 3 соединяет поплавковую камеру с входным патрубком 1 и реже непосредственно с атмосферой. Так как давле­ние в поплавковой камере всегда при работе двигателя больше, чем в диффузоре, то под действием перепада этих давлений топливо фонтанирует из распылителя 11 в поток воздуха. Таким образом, в основе работы карбюраторов лежит принцип пульверизации, по­этому их иногда называют пульверизациовными.

Общее количество горючей смеси, подаваемой в цилиндры дви­гателя, регулируется с помощью дроссельной заслонки, состав сме­си изменяется при этом автоматически по определенной закономер­ности.

4.2.2. Наивыгоднейшая характеристика карбюратора. Наибольшая мощность получается при использовании в карбюраторных двига­телях обогащенных смесей, т. е. при α_м<1,0, а наилучшая экономич­ность в случае сгорания смесей при α_эк>α_м. Для каждого двигате­ля и режима его работы величины α_м и α_эк имеют определенное значение. Так как с ростом ∆р_д при данной частоте вращения усло­вия сгорания улучшаются, то это приводит к соответствующему увеличению α_м и α_эк (рис. 45).

 

 

Рис. 45. Наивыгоднейшая характеристика карбю­ратора при составе смеси: 1 — экономическом; 2 — мощностном.

 

Регулировки карбюратора по характеристике 1 целесообразны при работе двигатели на частичных нагрузках, когда ∆р_д<∆р_{д max}. При полном открытии дроссельной заслонки от двигателя требуется наибольшая мощность, поэтому состав смеси должен опреде­ляться точкой С на кривой 2. Итак, наивыгоднейшая характеристи­ка карбюратора при данной частоте вращения на рис. 45 изобра­жается линией АВС. Аналогичные характеристики можно экспери­ментально получить при разных частотах вращения; эти характе­ристики не совпадают, поскольку при данном ∆р_д с ростом частоты вращения и соответствующим прикрытием дроссельной заслонки горючую смесь необходимо несколько обогащать. Реальную регу­лировку карбюратора подбирают для некоторой средней характе­ристики из серии, полученной при различных частотах вращения.

4.2.3. Главная дозирующая система. Автоматическое изменение α на частичных нагрузках в соответствии с наивыгодней­шей характеристикой карбюратора называют корректированием (компенсацией) состава смеси, оно осуществляется главной дози­рующей системой.

 

Рис. 46. Схема и характеристика карбюратора с понижением раз­режения у

жиклера.

 

Существует ряд способов корректирования со­става смеси. В подавляющем большинстве современных карбюра­торов главная система работает с компенсацией состава смеси пу­тем понижения разрежения у топливного жиклера. В отличие от простейшего карбюратора она помимо топливного жиклера 4 имеет колодец 3 и воздушный жиклер 2, через который колодец сообща­ется с атмосферой или с входным патрубком 1 (рис. 46,а).

Система начинает работать, когда величина ∆р_д будет достаточной, чтобы поднять в распыли­теле топливо на высоту ∆_h, т. е. при ∆р_д>∆_h ρ_тg (рис. 46,б), где ρ_т – плотность топлива.

По­ка ∆р_д< (h+∆_h) ρ_тg давление воздуха в колодце равно атмосфер­ному и карбюратор работает как простейший. При этом из распылителя, а значит, и из колодца 3 топлива вытекает больше, чем по­ступает через жиклер 4, следовательно, уровень топлива в колодце понижа­ется. Когда он опустится на величину h , вместе с топливом в рас­пылитель будет из колодца поступать небольшое количество возду­ха. Этот воздух перемешивается с топливом и образует эмульсию, поэтому карбюраторы с такой главной системой называют эмульсионными. Воздушный жиклер 2 ограничивает поступление эмульси­рующего воздуха в колодец и в нем появляется разрежение ∆р_к. Истечение топлива из жиклера теперь происходит под действием перепада уровней h и разрежения ∆р_к, поэтому при ∆р_д = (h+∆_h) ρ_тg резко увеличивается расход топлива.

По мере роста ∆р_д разрежение ∆р_к также увеличивается, но медленнее, а поскольку истечение топлива из жиклера определяется в этом случае именно величиной ∆р_к, то ясно, что и расход топлива возрастает медленнее, чем в простейшем карбюраторе, т. е. смесь обедняется. Таким образом, обеднение состава смеси достигается при такой главной системе не за счет добавления к смеси эмульси­рующего воздуха (оно весьма мало по сравнению с общим расхо­дом воздуха), а путем понижения разрежения, под действием кото­рого происходит истечение топлива через жиклер 4. Как показыва­ют опыты, на некоторых режимах эмульсирование может несколько улучшать смесеобразование за счет повышения тонкости распыливания, полноты испарения топлива и более равномерного распреде­ления смеси по цилиндрам.

Необходимую степень обеднения смеси в соответствии с наивы­годнейшей характеристикой карбюратора достигают при данной си­стеме компенсации выбором определенного сочетания размеров жиклеров 2 и 4, а также высоты h .

4.2.4. Вспомогательные устройства карбюратора. Главная дозирую­щая система не может обеспечить холостой ход, надежный пуск, обогащение смеси при полном открытии дроссельной заслонки, хо­рошую приемистость при резком увеличении нагрузки и не в состоя­нии ограничивать максимальную частоту вращения. Эти задачи ре­шают вспомогательные устройства карбюратора.

Система холостого хода. Истечение топлива из глав­ной системы начинается, когда ∆р_д=80-120 Па, однако на режи­мах холостого хода величина ∆р_д намного меньше. Топливо из глав­ной системы на этих режимах не поступает и питание двигателя осуществляется при помощи специального устройства (системы) хо­лостого хода.

 

Рис. 47. Схема системы холостого хода и пускового устройства.

 

Система холостого хода (рис. 47) обычно связана с главной и к жиклеру холостого хода 7 топливо поступает, пройдя через глав­ный жиклер 13. Затем по каналам 8 и 9 оно попадает в канал 6, сме­шиваясь с воздухом, подсасываемым через воздушный жиклер 10. Канал 6 заканчивается отверстиями 2, 3 и 4. Отверстие 4 распола­гается выше кромки дроссельной заслонки и через него к топливу подмешивается еще некоторое количество воздуха, так что к выход­ным отверстиям 3 и 2 поступает эмульсия. Винтом 5 регулируют количество эмульсии и тем самым воздействуют на состав горючей смеси (обычно на холостом ходу α= 0,7-0,8). Положение дроссель­ной заслонки 1 регулируют винтом 14, оно влияет на частоту вра­щения на режиме холостого хода. Подбирая положение винтов 5 и 14, можно добиться устойчивой работы двигателя с малой часто­той вращения. При этом следует действовать очень осторожно и из­бегать излишнего обогащения смеси, чтобы не превысить концентрацию СО в отработавших газах допустимого значения, например 2,0%.

Когда заслонка 1 начнет откры­ваться, то отверстие 4 окажется в зоне высоких разрежений и через не­го (в смесительную камеру также бу­дет поступать эмульсия, чем и обес­печивается возможность работы дви­гателя при самых малых нагрузках. После еще большего открытия дрос­сельной заслонки вступает в работу главная система, однако подача топ­лива через систему холостого хода продолжается, пока нагрузка не воз­растет приблизительно до 40% и бо­лее от полной.

В результате взаимодействия двух этих систем удается получить более благоприятное протекание ха­рактеристики карбюратора на ма­лых и средних нагрузках.

Пусковое устройство. При пуске коленчатый вал вра­щается с малой частотой (50—100 об/мин) и подача топлива систе­мой холостого хода недостаточна ввиду малых разрежений в ее ка­налах. Смесеобразование, особенно при холодном пуске, весьма не­совершенно, так как значительное количество плохо распыленного топлива выпадает в пленку, а испаряются лишь самые легкие его фракции. Смесь оказывается сильно обедненной парами топлива и пуск двигателей затрудняется, если даже общее количество топлива соответствует составу смеси, не выходящему за пределы воспламе­няемости. Надежный пуск двигателя обеспечивается при помощи устройства (рис. 47), которое чаще всего представляет собой воздушную заслонку 11, расположенную в приемном патрубке карбюратора. Приводы заслонок 12 и 1 кинематически связаны между собой, и когда при пуске воздушная заслонка закрывается, то дрос­сельная, наоборот, несколько приоткрывается.

При таком положении заслонок вблизи распылителя главной системы создается разрежение, достаточное для подачи через нее топлива.

Автоматический предохранительный клапан 12 служит для предотвращения переобогащения смеси сразу после пуска, когда расход воздуха езко возрастает. . Управление заслонкой 11, как правило осуществляется вручную и после пуска двигателя ее необходимо постепенно приоткрывать.

Экономайзер. Чтобы при полностью открытой дроссельной заслонке двигатель развил максимальную мощность, смесь необхо­димо обогащать до α=0,8- 0,9. Эту функцию выполняет устройство, называемое экономайзером.

 

 

 

Рис. 48. Схемы экономайзера и ускорительного насоса

 

На рис. 48, а приведена схема экономайзера с механическим приводом. При работе на большинстве режимов клапан 1 перекры­вает жиклер 2 экономайзера и только когда положение дроссель­ной заслонки приближается к полному открытию, клапан 1 осво­бождает доступ топлива к жиклеру 2. Следовательно, на режимах полной и близкой к ней нагрузок подача топлива в распылитель 3 обеспечивается двумя жиклерами: главным 4 и экономайзера 2 (по­дача через него доходит до 15—20% от общего количества топлива).

Своевременное открытие клапана 1 обеспечивается соответст­вующей кинематической связью его привода с приводом дроссель­ной заслонки. Кроме механического привода экономайзера применяют также более сложный пневматический привод с по­мощью поршневого или диафрагменного механизмов, связанных с задроссельным пространством карбюратора.

Ускорительный насос. В случае резкого открывания дроссельной заслонки с целью быстрого увеличения нагрузки и ча­стоты вращения коленчатого вала смесь, поступающая в цилиндры, может временно обедниться. Это обеднение является следствием интенсивного выпа­дения топлива в пленку, а также несколько большей инерционности топлива по сравнению с воздухом. Смесеобразование в период ин­тенсивного разгона происходит в условиях переходного теплового режима во впускной системе и потому на него оказывает влияние так называемая «тепловая инерция» впускного трубопровода. По этим причинам состав смеси, поступающей в цилиндры, может вый­ти за пределы воспламеняемости, что вызывает пропуски воспламенения в циклах, и двигатель будет работать с «провалами», т. е. кратковременным понижением частоты вращения вала.

Для предотвращения подобных нарушений работы, особенно в первой половине поворота дроссельной заслонки, карбюратор снабжают ускорительным насосом (рис. 48,б), который чаще всего имеет механический привод, связанный с рычагом 9, укреп­ленным на оси дроссельной заслонки 10. Когда дроссельная за­слонка закрыта, поршень 7 насоса находится вверху и полость под ним заполнена топливом. При резком открытии заслонки 10 пласти­на 5 сжимает пружину 6 и под ее воздействием поршень опускается вниз и вытесняет топливо через нагнетательный клапан 4 и распы­литель 3 с жиклером 2 в зону входного патрубка 1 карбюратора. Пружина 6 способствует некоторому затягиванию впрыска топлива по времени.

Если заслонка 10 открывается медленно, то топливо при плав­ном опускании поршня 7 обтекает клапан 8 и поступает обратно в поплавковую камеру. При движении поршня 7 вверх нагнетатель­ный клапан 4 закрыт, а клапан 8 открыт и топливо поступает в полость над поршнем. Нагнетательный клапан 4 также препятствует высасыванию топлива под действием разрежения у диффузора.

Ограничитель максимальной частоты вращения. Для ограниче­ния максимальной частоты вращения карбюраторные двигатели грузовых автомобилей снабжают специальными регуляторами (ог­раничителями), что способствует повышению срока службы двига­теля, тормозов и шин, а также уменьшает затраты на топливо и моторное масло.

В наиболее простых ограничителях исполь­зуют дроссельную или специальную заслонку, размещаемую между карбюратором и впуск­ным трубопроводом. В последнем случае (рис. 49) заслонку 1 устанавливают экс­центрично относитель­но оси канала и под не­большим углом к пото­ку.

Открыться полностью под действием пружины 5 заслонке мешает упор 3. Скоростной напор потока смеси стремится прикрыть заслонку, но этому препятствует пру­жина 5. Когда частота вращения достигнет заданной величины, на­пор потока преодолевает усилие пружины и заслонка 1 начнет при­крываться, предотвращая дальнейшее чрезмерное увеличение угло­вой скорости вала. Ограничитель настраивают на заводе-изготови­теле при помощи винта 6 и конусной гайки 7.

 

Рис. 49. Схема пневматического ограничителя максимальной частоты вращения

Плавная работа ограничителя достигается взаимодействием эластичной ленточной тяги 4 и профилированного кулачка 2, изме­няющего при повороте заслонки плечо, на которое действует пру­жина 5. Устойчивости работы ограничителя и гашению колебаний заслонки способствует демпферное устройство 8.

Недостатком рассмотренного ограничителя является малая чувствительность при небольших расходах воздуха, т. е. при работе с малыми нагрузками. Поэтому широкое применение находят бо­лее сложные пневмоцентробежные ограничители, которые действу­ют четче и практически во всем диапазоне нагрузок.

4.3. Конструктивные схемы карбюраторов. Устройство карбюрато­ров отличается довольно большой сложностью и разнообразием конструктивных схем. Рассмотрим в качестве примеров наиболее простую схему карбюратора пускового двигателя (карбюратор К-16А) и схему современ­ного карбюратора двигателя грузового автомобиля (К-88А).

 

 

Рис. 50. Конструктивная схема карбюратора К-16А

 

Такой карбюратор устанавливают на пусковые двигатели типа ПД-10У для дизелей тракторов, экскава­торов и других машин. Он имеет только две дозирующие системы: холостого хода и главную (рис. 50). Топливный жиклер холосто­го хода 2 соединен с колодцем, на выходе из которого с одной сто­роны расположен жиклер главной системы 12, а с другой — проб­ка 11. Сечение жиклера 2 можно регулировать винтом 4 со стопор­ной пружиной 3. Эмульсирующий воздух поступает в систему хо­лостого хода по специальному каналу.

При положении рычага управления дроссельной заслонкой 5, соответствующем полному ее открытию, возможно перемещение за­слонки тягой регулятора угловой скорости коленчатого вала дви­гателя. Положение воздушной заслонки 1 можно фиксировать при помощи рычага управления с пружиной. В заслонке 1 имеется от­верстие (на схеме не показано), предназначенное для устранения переобогащения смеси при пуске холодного двигателя.

Уровень топлива в поплавковой камере поддерживается поплав­ковым механизмом 10. К седлу клапана топливо поступает через фильтр 7 и топ-ливоприемный штуцер 6, соединенные полым бол­том 8.

Перед пуском двигателя в воздушный канал карбюратора мож­но подать некоторое количество топлива с помощью утопителя по­плавка 9, при нажатии на который уровень в поплавковой камере поднимается выше верхней кромки жиклера 12.

К а р б ю р а т о р К-88А (Рис. 51).Этот карбюратор используют на V-образном восьмицилиндровом двигателе автомобиля ЗИЛ-130 и, по существу, он представляет собой два одинаковых карбюратора (две камеры), конструктивно объединенных одним корпусом с об­щей поплавковой камерой.

Каждая камера подает го­рючую смесь в четыре цилиндра. Корпус карбюратора состоит из трех частей. В средней части, которая отливается заодно с больши­ми 23 и малыми 9 диффузорами, расположены все дозирующие устройства. Двойные диффузоры имеют большинство автомобиль­ных карбюраторов, так как они позволяют повысить скорость воз­духа у распылителя топлива. Главная дозирующая система работает по принци­пу понижения разрежения у жиклера и состоит из главного 5, воз­душного 7 и жиклера полной мощности 8. Распылитель ее выполнен в виде кольцевой щели 14 малом диффузоре. Применение жикле­ра полной мощ-ности позволяет интенсифицировать эмульсирование в глав­ной дорзирую-щей системе путем подмешивания к топливу сначала воздуха, по­ступающего через воздушный жиклер холостого хода 6, а затем после жиклера полной мощности к эмульсии добавляется воздух, прошед­ший через воздушные жиклеры 7. В комбинированный топливовоздушный жиклер 8 топливо поступает из полости между жиклера­ми 5 и 8, поэтому жиклер 8 имеет большую в три раза пропускную способность, чем жиклер 5.

Один экономайзер с механическим приводом подает топливо в каналы главных систем обеих камер. Ускорительный насос также обслуживает две камеры, он имеет общий привод с экономайзером. Распылитель 10 выведен в перемычку между камерами карбюрато­ра.

 

Рис. 51. Конструктивная схема карбюратора К-88А:

1 – поплавок; 2 – фильтр; 3 – запорная игла; 4 – гнездо иглы; 5 – главный жиклер; 6 - блок жиклеров системы холостого хода; 7 – воздушный жиклер главной дозирующей системы; 8 – жиклер полной мощности; 9 – малый диффузор; 10 – распылительные отверстия ускорительного насоса; 11 – балансировочная трубка; 12 – воздушная заслонка; 13 – автоматический воздушный клапан; 14 - кольцевой распылитель; 15 – шток управления клапаном 17; 16 – шток ускорительного насоса; 17 – шариковый клапан экономайзера; 18 – обратный клапан; 19 – дроссельная заслонка; 20 и 22 – выходные отверстия системы холостого хода; 21 – винт регулировки состава смеси (винт качества) на холостом ходу; 23 – большой диффузор; 24 – нагнетательный клапан

 

В качестве пускового устройства служит воздушная заслонка 12 с автоматическим клапаном 13. Поплавковая камера трубкой 11 соединена с впускным патрубком карбюратора. Это предотвращает обогащение смеси при повышении сопротивления воздухоочистите­ля в процессе эксплуатации двигателя. Такие поплавковые камеры называют балансированными, их широко применяют на современ­ных карбюраторах.