Основы теории карбюрации

Смесеобразование в карбюраторе представляет собой сложный процесс. Для формирования правильных представлений о процессе смесеобразования необходимо последовательно рассмотреть явления движения воздушного потока, истечения, распыливания и испарения топлива, а также принципы приготовления необходимого состава горючей смеси.

Движение воздушного потока через карбюратор.

При движении через карбюратор скорость и давление воздушного потока изменяются.

Количество воздуха, проходящего через карбюратор и поступающего в двигатель, определяется рабочим объемом цилиндров двигателя, скоростью вращения коленчатого вала и степенью открытия дроссельной заслонки.

Часовой расход воздуха (м³), поступающего в двигатель:

,

где D – диаметр цилиндра двигателя, м;

S – ход поршня, м;

?_воз – плотность воздуха при температуре и давлении окружающей среды, кг/м³;

?_v – коэффициент наполнения двигателя;

n – число оборотов коленчатого вала, c;

i – число цилиндров двигателя, обслуживаемых данным карбюратором;

? – тактность двигателя.

Часовой расход воздуха, проходящего через диффузор карбюратора и далее поступающего в двигатель:

,

где ?_воз – скорость движения воздуха в диффузоре, м/с;

F_диф – площадь поперечного сечения горловины диффузора, м² .

Скорость воздуха, протекающего через горловину диффузора, может быть определена следующим уравнением в предположении, что воздух представляет собой несжимаемую жидкость:

,

где ?_диф – коэффициент скорости воздуха в диффузоре;

P₀ – P_диф – разрежение в диффузоре, равное разности давлений окружающей среды и в диффузоре.

Воздух проходит через диффузор карбюратора со сравнительно большими скоростями, поэтому давление в нем заметно понижается. Наименьшее давление или наибольшее разрежение в горловине диффузора карбюратора наблюдается при максимальных скоростях и расходах воздуха. Отсюда следует, что разрежение в диффузоре должно возрастать по мере увеличения открытия дросселя и числа оборотов вала двигателя.

Площадь горловины диффузора подбирают так, чтобы:

1) на малых числах оборотов и неполных открытиях дроссельной заслонки скорости воздуха были не ниже 40—50 м/с во избежание недостаточного распыливания топлива и связанного с ним увеличения расхода топлива;

2) на больших числах оборотов и при полном открытии дроссельной заслонки скорость воздуха не превышала примерно 120 м/с, так как при больших скоростях заметно понизится весовое наполнение, а следовательно, и мощность двигателя.

Оба эти требования полностью совместить нельзя, а потому обычно подбирают площадь горловины диффузора так, чтобы разрежения в ней на больших числах оборотов не превосходили 9.81 КПа.

На холостом ходу двигателя и малых оборотах вала в двигатель поступает минимальное количество горючей смеси. При этом разрежение в диффузоре почти отсутствует, а разрежение за дроссельной заслонкой достигает наибольших значений, численно равных 49.05 КПа.

Уравнение часового расхода при подстановке уравнения скорости воздуха примет вид:

.

Оно справедливо для несжимаемых жидкостей, но разрежения в диффузорах карбюраторов очень редко превышают 9.81 КПа, поэтому этим уравнением можно пользоваться при расчете карбюраторов, так как ошибка при его использовании не превысит 1–2%.

Истечение топлива из распылителя.

Разность давлений в поплавковой камере и у распылителя заставляет топливо перетекать по системе каналов через жиклер в распылитель, а из него в диффузор карбюратора, где быстро двигается воздух.

Разрежение у распылителя, по данным опытов, на 20–25% меньше разрежения у стенки диффузора. В соответствии с этим скорость протекания топлива через жиклер определяют уравнением:

,

где ?_жикл – коэффициент скорости, учитывающий трение в топливных каналах и жиклере, а также местные сопротивления при переходе от одного сечения к другому;

?_топл – плотность топлива при температуре и давлении окружающей среды, кг/м³.

В большинстве случаев основным сопротивлением является жиклер, а сопротивления в топливных каналах по сравнению с ним невелики, поэтому с достаточной точностью коэффициент скорости может учитывать только сопротивления самого жиклера.

Скорость протекания топлива через жиклер зависит от режима работы двигателя и изменяется в пределах от 0 до 5 м/с.

Для перехода от скорости вытекающего топлива к часовому весовому расходу необходимо учесть площадь жиклера F_жикл:

или

.

Распыление и испарение топлива.

Струя топлива, вытекающая из жиклера карбюратора, распыляется на мелкие капли вследствие трения, возникающего между струей и потоком воздуха, двигающегося с большой скоростью. Тонкость распыливания топлива оценивается средним диаметром капель.

Средний диаметр капель распыливаемого топлива тем меньше, чем больше скорость потока воздуха и чем меньше поверхностное натяжение топлива (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Зависимость размера капель от скорости воздуха

Условия для испарения топлива в карбюраторе неблагоприятны. Время, отводимое на испарение, измеряется лишь сотыми долями секунды; температура, при которой происходит испарение, сравнительно небольшая. При температуре 30 °С и сравнительно высокой скорости воздуха полного испарения топлива не достигается.

Неиспарившееся топливо в виде капель уносится воздушным потоком, а так как температура впускного коллектора сравнительно невысока, топливо конденсируется и оседает на внутренних стенках коллектора, образуя жидкую пленку. Скопление пленки ухудшает распределение горючей смеси по цилиндрам двигателя. Часть неиспарившегося топлива уносится в цилиндры, что ухудшает сгорание смеси. Часть топлива проникает в картер и разжижает масло. Поэтому в карбюраторных двигателях для улучшения испаряемости топлива, уменьшения неравномерности распределения смеси по цилиндрам, предотвращения конденсации и понижения пленкообразования применяется подогрев впускного коллектора отработавшими газами.

5.1.3. Влияние состава горючей смеси на работу двигателя

Состав горючей смеси, оцениваемый коэффициентом избытка воздуха ?, оказывает большое влияние на мощность и экономичность двигателя.

При полностью открытом дросселе максимальная мощность двигателя достигается при коэффициенте избытка воздуха ? = 0.8–0.9, а минимальный расход топлива (наибольшая экономичность) при коэффициенте ? = 1.05–1.15.

Но по мере прикрытия дросселя (изменение нагрузки) изменяется и состав горючей смеси, соответствующий максимальной мощности и наибольшей экономичности. На рис. 5.6 показана связь между мощностью и экономичностью двигателя и составом горючей смеси при различных положениях дроссельной заслонки. Кривые а и а' характеризуют изменение мощности и экономичности при полностью открытом дросселе, кривые б и б' и в и в' – при прикрытых положениях дросселя. Каждая из кривых соответствует постоянному числу оборотов и нагрузке двигателя.

Рис. 5.6. Изменение мощности и экономичности двигателя

Кривые показывают, что при уменьшении нагрузки по мере прикрытия дроссельной заслонки значения максимальной мощности и минимального расхода топлива смещаются влево, коэффициент избытка воздуха понижается, смесь обогащается. Это объясняется тем, что дросселирование двигателя понижает скорость воздушного потока в карбюраторе. При этом ухудшение качества распыливания топлива и процесса сгорания смеси приводит к необходимости обогащения смеси. Выделив на кривых точки, соответствующие максимальной мощности и минимальным удельным расходам топлива, и соединив эти точки пунктиром, получим кривые А и Б. Кривая А характеризует изменение коэффициента избытка воздуха в зависимости от нагрузки при максимальной мощности. Кривая Б характеризует изменение коэффициента избытка воздуха в зависимости от нагрузки при наибольшей экономичности.

Кривые показывают, что при частичных нагрузках (прикрытая дроссельная заслонка) максимальная мощность, развиваемая двигателем, достигается на обогащенных смесях, при коэффициенте избытка воздуха от 0.9 до 0.6, а наибольшая экономичность достигается при ? = = 0.9–1.15.

5.1.4. Характеристика желаемого карбюратора

Для карбюраторных двигателей при различной нагрузке (различные положения дросселя) установлена связь между мощностью и экономичностью двигателя и коэффициентом избытка воздуха (рис. 5.6).

Если график, изображенный на рис. 5.6, повернуть на 90° против часовой стрелки и оставить на нем только кривые А и Б, то на новом графике (рис. 5.7) кривая А будет показывать, как должен изменяться состав горючей смеси в зависимости от изменения нагрузки двигателя при реализации максимальной мощности, а кривая Б – как должен изменяться состав горючей смеси в зависимости от изменения нагрузки двигателя при наибольшей экономичности.

Основные требования, которым должен отвечать карбюратор при работе с различными нагрузками и постоянным числом оборотов, следующие:

· На холостом ходу и малых нагрузках двигателя дроссель прикрыт. Скорость воздушного потока незначительна. Температурный режим двигателя понижен. Условия для распыливания и испарения топлива неблагоприятны. Для устойчивой и бесперебойной работы двигателя карбюратор должен приготовлять обогащенную смесь (?=0.7–0.8).

· При увеличении нагрузки дроссель постепенно открывается. Скорость воздушного потока возрастает. Температурный режим двигателя повышается. Условия для распыливания и испарения топлива улучшаются. Для экономичной работы карбюратор должен приготовлять горючую смесь, постепенно обедняющуюся по мере открытия дросселя. Коэффициент избытка воздуха должен при этом увеличиваться до ? = 1.05–1.15. Автомобильный карбюраторный двигатель преобладающее время работает на режимах неполных нагрузок. Поэтому приготовление экономичной горючей смеси является необходимым для понижения расхода топлива.

· При полностью открытом дросселе для обеспечения максимальной мощности двигателя карбюратор должен приготовлять обогащенную смесь. Коэффициент избытка воздуха должен при этом понижаться до ? = 0.8–0.9.

На рис. 5.7 кривая В отвечает перечисленным требованиям и представляет собой характеристику желаемого карбюратора при работе двигателя на различных нагрузках.

Рис. 5.7. Характеристика желаемого карбюратора

Перечисленные требования к карбюратору не исчерпывают всех условий, необходимых для работы двигателя на различных эксплуатационных режимах. Рассмотрим эти дополнительные условия:

· При пуске двигателя дроссель практически закрыт. Скорость воздуха незначительна. Температурный режим двигателя понижен. Условия смесеобразования неблагоприятны. Карбюратор должен приготовлять обогащенную смесь, характеризуемую коэффициентом ? = = 0.5–0.6.

· В случае резкого изменения нагрузки вследствие большей инерции топлива его расход возрастает медленнее, чем расход воздуха. Это вызывает временное обеднение смеси, перебои в работе двигателя и затрудняет процесс разгона машины. Для того чтобы резкое открытие дросселя не сопровождалось обеднением смеси, карбюратор должен обладать способностью кратковременно обогащать смесь до такого состава, при котором достижимо нормальное нарастание оборотов.