Карбюратор

Карбюра́тор — узел системы питания ДВС Отто, предназначенный для создания горючей смеси оптимального состава путём смешивания (карбюрации, фр. carburation) жидкого топлива с воздухом и регулирования количества её подачи в цилиндры двигателя. Имеет широчайшее применение на разных двигателях, обеспечивающих работу самых разнообразных устройств. На автомобилях с 80-х годов ХХ в. карбюраторные системы подачи топлива вытесняются инжекторными.

Основы устройства

Карбюраторы вообще подразделяются на барботажные, ушедшие ныне в небытие, мембранно-игольчатые и поплавковые, составляющие подавляющее большинство всех карбюраторов.

Барботажный карбюратор представляет собой бензобак, в котором на некотором расстоянии от поверхности топлива имеется глухая доска и два широких патрубка — подающий воздух из атмосферы и отбирающий смесь в двигатель. Воздух проходил под доской над поверхностью топлива и, насыщаясь его парами, образовывал горючую смесь. При всей примитивности и «несерьёзности» этот карбюратор — единственный, обеспечивавший смесь с воздухом именно паровой фракции топлива. Дроссельная заслонка стояла на двигателе отдельно. Барботажный карбюратор делал двигатель очень требовательным к фракционному составу топлива, так как испаряемость его должна была занимать весьма узкий температурный диапазон, вся конструкция была взрывоопасной, громоздкой, тяжёлой в регулировании. Топливо-воздушная смесь в длинном тракте частично конденсировалась, этот процесс зависел чаще от погоды.

Мембранно-игольчатый карбюратор уже представляет собой отдельный законченный узел и, как следует из названия, состоит из нескольких камер, разделённых мембранами, жёстко связанными между собою штоком, который заканчивается иглой, запирающей седло клапана подачи топлива. Камеры соединяются каналами с разными участками смесительной камеры и с топливным каналом. Вариант — связь между мембранами и клапаном неравноплечими рычагами. Характеристики таких карбюраторов определялись тарированными пружинами, на которые опирались мембраны и/или рычаги. Система рассчитана так, чтобы соотношение вакуума, давления топлива и скорости смеси обеспечивали должное соотношение топлива и воздуха. Неоценимое достоинство такого карбюратора — наряду с простотой — способность работать буквально в любом положении по отношению к силе тяжести. Недостатки — относительная сложность регулировки, некоторая нестабильность характеристики (пружины!), чувствительность к ускорениям, перпендикулярным мембранам, неширокий диапазон количества смеси на выходе, меддленные переходы между установившимися режимами. Такие карбюраторы используются на двигателях, по условиям работы не имеющих определённого пространственного положения (двигатели бензорезов, газонокосилок, поршневых самолётов, например, карбюраторы АК-82БП стояли на ЛА-5), или просто на дешёвых конструкциях. Именно такой карбюратор стои́т как вспомогательный на газобалонном автомобиле ЗИЛ-138.

Наконец, поплавковый карбюратор, необозримо многоликий и разнообразный в своих многочисленных модификациях, составляет подавляющее большинство современных карбюраторов и состоит из поплавковой камеры, обеспечивающей стабильный приток топлива, смесительной камеры, фактически представляющей трубку Вентури и многочисленных дозирующих систем, состоящих из топливных и воздушных каналов, дозирующих элементов — жиклёров, клапанов и актюаторов. Поплавковые карбюраторы при прочих равных условиях обеспечивают самые стабильные параметры смеси на выходе и обладают самыми высокими эксплуатационными качествами. Поэтому они и получили столь широкое распространение.

Все дальнейшие материалы данной статьи посвящены именно поплавковым карбюраторам.

Принцип работы поплавкового карбюратора с постоянным сечением диффузора

Схема простейшего карбюратора с падающим потоком

Простейший карбюратор состоит из двух функциональных элементов: поплавковой камеры (10) и смесительной камеры (8).

Топливо по трубке (1) поступает в поплавковую камеру (10), в которой плавает поплавок (3), на который опирается запорная игла (2) поплавкового клапана. При расходовании топлива его уровень в поплавковой камере понижается, поплавок опускается, игла открывает подачу топлива, при достижении заданного уровня клапан закрывается. Таким образом, поплавковый клапан поддерживает постоянный уровень топлива.

Из поплавковой камеры топливо поступает через жиклёр (9) в распылитель (7). Количество топлива, подающегося из распылителя (7), по закону Бернулли зависит при прочих равных условиях от проходного сечения жиклёра и степени вакуума в диффузоре, а также от сечения диффузора. Соотношение сечений диффузора и главного топливного жиклёра является одним из основополагающих параметров карбюратора.

При впуске давление в цилиндрах двигателя понижается. Наружный воздух засасывается в цилиндр, проходя через смесительную камеру (8) карбюратора, в которой находится диффузор (трубка Вентури) (6), и впускной трубопровод, распределяющий готовую смесь по цилиндрам. Распылитель помещается в самой узкой части диффузора, где по закону Бернулли скорость потока увеличивается, а давление уменьшается.

Благодаря отверстию (4) в поплавковой камере поддерживается атмосферное давление. В практически выпускаемых карбюраторах, работающих с воздушными фильтрами, вместо этого отверстия используется балансировочный канал поплавковой камеры, ведущий не в атмосферу, а в полость воздушного фильтра или в верхнюю часть смесительной камеры. В этом случае дросселирующее влияние фильтра сказывается равномерно на всей газодинамике карбюратора, который становится балансированным. Под влиянием разности давлений происходит истечение топлива из распылителя. Топливо, вытекающее из распылителя, дробится в струе воздуха, распыляется, частично испаряясь и, перемешиваясь с воздухом, образует горючую смесь. В реальных карбюраторах используется построение топливоподающей системы, при котором в распылитель подаётся не гомогенное жидкое топливо, а эмульсия из топлива и воздуха. Такие карбюраторы называют эмульсионными. Как правило, вместо одиночного диффузора используется двойной. Дополнительный диффузор имеет небольшие размеры и расположен в главном диффузоре концентрически. Через него проходит только часть общего потока воздуха. Вследствие высокой скорости в центральной части при небольшом сопротивлении основному потоку воздуха достигается более качественное распыление. Количество смеси, поступающей в цилиндры, а следовательно, и мощность двигателя регулируется дроссельной заслонкой (5), у многих карбюраторов, особенно горизонтальных, вместо поворотной заслонки используется шибер — золотник.

Природным пороком карбюратора с постоянным сечением диффузора является противоречие между необходимостью, с одной стороны, увеличивать проходное сечение диффузора для снижения газодинамических потерь на входе в двигатель, и, с другой стороны, необходимостью уменьшать проходное сечение диффузора для обеспечения качества распыления топлива с его последующим испарением. Этот парадокс технически обойден в карбюраторах с постоянным разрежением (Stromberg, SU, Micuni) и с переменным сечением диффузора. Отчасти эту проблему решает введение дополнительной смесительной камеры с последовательным открытием дросселей, тогда суммарное сечение диффузоров оказывается ступенчато изменяемым. В послевоенные годы в СССР широко использовались карбюраторы с двухступенчатым регулированием воздуха с параллельным дополнительным диффузором в одной смесительной камере — семейство К-22.

Основные дозирующие системы

Двигатель в процессе эксплуатации работает в разных режимах, требующих смеси разного состава, часто с резким изменением содержания паров топлива. Для приготовления смеси состава, оптимального при любом режиме работы двигателя, карбюратор с постоянным сечением распылителя имеет разнообразные дозирующие устройства. Они вступают или выключаются из работы в разное время или работают одновременно, обеспечивая наиболее выгодный (в отношении получения наибольшей мощности и экономичности) состав смеси на всех режимах двигателя.

• Главная дозирующая система с компенсацией состава смеси (ГДС);

• Система холостого хода (СХХ) с переходной системой и система вентиляции картера — помимо обеспечения работы на режимах с невысоким вакуумом, которого недостаточно для включения в работу ГДС, на всех остальных режимах обеспечивает компенсацию состава смеси в ГДС.

Часто, для обеспечения высоких экологических параметров и для обеспечения равномерности состава смеси по цилиндрам, выполняется с дополнительными смесительными устройствами, фактически представляющими собой карбюратор в карбюраторе, работоспособный при малых расходах воздуха (например, АСХХ «Каскад»).

• Экономайзеры и эконостаты, обогащающие смесь при высоких уровнях вакуума, то есть при нагрузках, близких к максимальным. Экономайзеры имеют принудительное управление, пневматическое или механическое. Эконостаты, по сути дела, просто трубки определённого сечения, иногда с эмульсионными каналами (ДААЗ), выведенные в пространство смесительной камеры выше диффузора, то есть в зону, где вакуум появляется при максимальных нагрузках.

• Система рециркуляции отработанных газов. Обеспечивает замещение части воздуха выхлопными газами на режимах торможения двигателем. Способствует снижению уровня окислов азота (NО) и оксида углерода (CO) в выхлопе.

• Насос-ускоритель. Необходим для обеспечения обогащения смеси при резком открытии дросселя, когда из-за инерционности топлива в каналах оно не успевает обогатить смесь. Бывают поршневые и диафрагменные, устанавливаемые на все карбюраторы с начала 70-х годов ХХ века. Поршневые ускорители имеют менее стабильные параметры и не позволяют изменять интенсивность впрыска в зависимости от угла поворота дросселя.

• Пусковое устройство. Представляет собой заслонку над смесительной камерой с системой управления. При её прикрытии существенно возрастает степень вакуума во всей смесительной камере, что приводит к резкому обогащению смеси, необходимому для холодного пуска. (Того же эффекта можно достичь, забывая вовремя менять картонный элемент в воздушном фильтре). Чтобы поток воздуха не перекрывался полностью, заслонка либо опирается на пружину и располагается эксцентрично, либо снабжается клапаном, обеспечивающим минимальное поступление воздуха. Для пуска и прогрева двигателя необходимо прикрыть воздушную заслонку и приоткрыть дроссельную. Воздушная заслонка может иметь механический, автоматический или полуавтоматический привод.

В первом случае её закрывает водитель при помощи рукоятки, называемой манеткой. Полуавтоматический привод воздушной заслонки распространён наиболее широко как простой и эффективный. Заслонка закрывается водителем вручную, а приоткрывается автоматически диафрагмой, работающей от возникающего при первых вспышках разрежения во впускном коллекторе. Это предотвращает переобогащение смеси и возможную остановку двигателя сразу после пуска. Такое пусковое устройство имеют все карбюраторы ДААЗа и К-151. Автоматический привод широко применяется за границей, а в практике отечественного автопрома распространения не получил ввиду существенной сложности, относительно низкой надёжности и недолговечности при характерных для климата большей части территории СССР/России больших перепадах температур. В этом случае воздушную заслонку закрывает биметаллический или церезиновый термоэлемент, обогреваемый жидкостью из системы охлаждения или электрическим нагревателем. По мере прогрева двигателя термоэлемент нагревается, открывая воздушную заслонку. На отечественных автомобилях такое пусковое устройство имели только карбюраторы отдельных моделей ВАЗ (в основном, экспортных). В иных системах использовался электромеханический привод с датчиком температуры.

Регулировки

Регулировка карбюратора обеспечивается на стадии проектирования и отработки экспериментальных образцов и обеспечивается, в основном, следующими конструктивными особенностями:

• тип главной дозирующей системы (ГДС), способ её компенсации, способ запитывания СХХ и переходной системы/систем;
• число, диаметр и расположение переходных отверстий;
• сечения малого диффузора, главного топливного жиклёра ГДС, главного воздушного жиклёра ГДС, форма эмульсионной трубки/трубок;
• соотношение геометрических параметров смесительных камер и характеристика открытия вторичной камеры;
• объём впрыска насоса-ускорителя, направление его струи;
• разрежение открытия пневматических экономайзеров или угол открытия механического экономайзера;
• конкретное место расположения сопла эконостата;
• уровень топлива в поплавковой камере — основополагающий параметр для правильной работы на холостом ходу и, что важнее, на переходном режиме. На работу в других режимах влияет намного меньше, чем принято считать. Задаётся конструктором так, чтобы при максимальном наклоне карбюратора в эксплуатации (езда в гору) топливо не вытекало из распылителей самостоятельно.

Доступные регулировки карбюратора в эксплуатации направлены на индивидуальную подгонку конкретного экземпляра карбюратора к конкретному двигателю и обеспечение его сезонной регулировки, а также на восстановление исходных технических параметров — уровня топлива, позиций заслонок, оборотов холостого хода. Последняя регулировка чрезвычайно важна, так как система холостого хода обеспечивает глубокую степень компенсации ГДС первичной камеры и, стало быть, задает её характеристику (а не только и не столько уровень холостых оборотов. Можно, слегка покрутив винты и изменив их позиции, прийти к тем же оборотам холостого хода и сделать карбюратор практически неработоспособным).

Органы регулировки СХХ первичной камеры:

• Винт токсичности — в эмульсионных карбюраторах и эмульсионных СХХ с двойной подачей воздуха обеспечивает качество первичной эмульсии СХХ, чаще за счёт изменения количества первичного воздуха. Обеспечивает стабильность переходного режима и компенсацию ГДС. В карбюраторах ДААЗ - 2101 - 2107 должен быть в норме отвёрнут от упора на ½ — ¼ оборота, на заводе зачеканивается заглушкой. На карбюраторах семейства "Солекс" роль винта токсичности играет упорный винт дроссельной заслонки вторичной камеры. После сборки карбюратора без стенда для регулировки расхода воздуха через закрытую заслонку должен быть отвернут на 2/3 - 3/4 оборота от начала подъёма заслонки.

• Винт качества — обеспечивает качество вторичной эмульсии, непосредственно поступающей в цилиндры на режимах холостого хода и переходном, как правило за счёт изменения количества эмульсии. Наряду с винтом токсичности задаёт степень компенсации ГДС.

• Винт количества — задаёт число оборотов холостого хода, выставляется при отрегулированном составе смеси, на параметры карбюратора в целом влияет несущественно. В АСХХ изменяет количество подаваемой смеси за счёт изменения сечение эмульсионного канала. При совмещенной СХХ, как в простейшем карбюраторе, изменяет позицию дроссельной заслонки первичной, иногда вторичной (системы со щелевым распылением) камеры, приоткрывая её.

Классификация

По наличию регулирования сечения распылителя

По способу регулирования сечения распылителя и, соответственно, разрежения у распылителя выделяют карбюраторы:

• С постоянным разрежением — SU, Stromberg в Европе и Keihin, Mikuni в Японии — при наличии, фактически, единственной дозирующей системы обеспечивают не только все потребности двигателей на всех режимах, но способны выдавать смесь с содержанием паровой фракции топлива не менее 90-97 % — параметр, практически недостижимый для других топливных систем, считая и любые впрысковые. Обеспечивается максимально высоким уровнем вакуума у распылителя при любом расходе воздуха.

• С постоянным сечением распылителя. К этому типу относятся ВСЕ серийно выпускаемые в СССР и России карбюраторы. Для обеспечения некоторой гибкости строятся карбюраторы с последовательным открытием смесительных камер или дополнительного диффузора (К-22).

• Промежуточное положение занимают горизонтальные карбюраторы с золотниковым дросселированием, часто применяемые на мотоциклах. В них количество подаваемой смеси регулируется вертикальным шибером/золотником, изменяющим проходное сечение диффузора. Одновременно специальная профилированная игла изменяет проходное сечение главного топливного жиклёра, что так же, как у карбюратора с постоянным разрежением, существенно упрощает конструкцию узла.

По направлению потока рабочей смеси

Гоночный горизонтальный карбюратор фирмы «Weber» (Италия)

По направлению потока рабочей смеси карбюраторы делятся на горизонтальные и вертикальные. Вертикальный карбюратор, в котором поток смеси движется снизу вверх, называется карбюратором с восходящим потоком, сверху вниз — с нисходящим, или падающим потоком. При горизонтальном направлении потока — с горизонтальным потоком.

Наибольшее распространение в исторической перспективе получили карбюраторы с нисходящим и с горизонтальным потоком. Их основные преимущества состоят в улучшении наполнения цилиндров горючей смесью по сравнению с восходящим потоком, а также в доступности и удобстве обслуживания, так как расположен такой карбюратор сверху или сбоку.

По количеству камер

По количеству смесительных камер различают однокамерные и многокамерные карбюраторы, последние могут иметь камеры с параллельным открытием — такие карбюраторы называются ещё спаренными или спараллеленными, например, К-126, и с последовательным открытием камер, которые тоже могут быть спараллеленными, например, четырёхкамерные К-85, Solex 4A1 имеют две спараллеленные секции по две последовательно открываемые камеры; 4А1, вдобавок, имеет вторичные камеры с диффузорами постоянного разрежения(!). Существовали также особые трёхкамерные карбюраторы, например, типа К-156 на «Волге» ГАЗ-3102 с форкамерно-факельным зажиганием. Третья камера, параллельная основной первичной, служила для приготовления обогащённой смеси, подающейся в форкамеру. Сдвоенные карбюраторы часто ставят на двигатели с цилиндрами, далеко отстоящими друг от друга. Тогда каждая половина карбюратора снабжает «свои» цилиндры — К-84 и К-88, К-126 и К-135.

Четырёхкамерный карбюратор фирмы «Holley» (США)

Три двухкамерных карбюратора на восьмицилиндровом двигателе производства корпорации Chrysler (США, 1960-е годы)

На одном двигателе могут устанавливаться два и более карбюратора. Так, на оппозитных и многорядных двигателях, в которых возможно расслаивание смеси в больших коллекторах с длинными каналами, обеспечивающих большие газодинамические потери, используются как минимум два карбюратора (Альфа-Ромео, М-72, Днепр-МТ10). На спортивных автомобилях, на двигателях самолётов с большим числом цилиндров часто серийно устанавливались карбюраторы по числу цилиндров, работающие параллельно. В последнем случае следует указать на огромную пропускную способность, скажем, 24-х карбюраторов, разбросанных буквально по всему двигателю. Достичь таких параметров с одним карбюратором с «ветвистым» коллектором с каналами сложной формы в принципе невозможно. Часто так же — с целью обеспечить минимальное сопротивление всасыванию — комплектуются спортивные двигатели.

По типу вентиляции поплавковой камеры

Различают карбюраторы балансированные и небалансированные. В последнем случае воздух поступает в поплавковую камеру не из полости воздушного фильтра, а непосредственно из атмосферы, что упрощает и удешевляет конструкцию, в то же время делая её чувствительной к состоянию воздушного фильтра — по мере его загрязнения смесь становится всё более богатой.

Распространение

В настоящее время на автомобилях инжекторные системы подачи топлива в большинстве случаев заменили карбюраторы. Это связано с преимуществом инжектора, который может длительное время (сотни тысяч километров пробега) сохранять выхлоп автомобиля в рамках современных экологических требований и обеспечивать более точное, по сравнению с карбюратором, дозирование топлива на всех режимах двигателя. Однако гомогенность карбюраторной смеси для систем впрыска остаётся недостижимой. В то же время известно, что, если смесь в цилиндре содержит хотя бы 65 % топлива в паровой фракции, этого достаточно для нормального процесса сгорания. При увеличении капельной фракции неблагоприятно сдвигается граница детонации. Тем не менее, современные мотоциклы продолжают оснащаться карбюраторами; ввиду смягчения лицензионных требований всё чаще — постоянного разрежения, так как они не уступают системам впрыска по многим экологическим параметрам, будучи на порядок проще и дешевле.

Преимущества

Главными достоинствами карбюратора являются высокая гомогенность смеси, низкая стоимость и технологическая доступность при изготовлении, относительная простота в обслуживании и ремонте. Современный карбюратор требует довольно высокого уровня подготовки технического персонала. В то же время при создании целой армии относительно несложных двигателей для различных сервисных устройств карбюратор остаётся незаменимым.

Литература

Юрген Казердорф. Карбюраторы зарубежных автомобилей (Vergaser testen undeinstellem). — 2-е, испр. и доп. — М.: За рулем, 2000. — 192 с.

А. В. Дмитриевский, В. Ф. Каменев. Карбюраторы автомобильных двигателей. — М.: Машиностроение, 1990. — 223 с.

Росс Твег. Системы впрыска бензина. — М.: За рулем, 1999. — 144 с.

А. С. Хачиян, К. А. Морозов, В. Н. Луканин и соавт. Двигатели внутреннего сгорания. Учебник для ВУЗов. — 2. — М.: Высшая школа, 1985,с изменениями. — 311 с.

Ссылки

• Карбюраторы К-151
• Советы по ремонту и регулировке карбюраторов
• Сборник-подборка по ремонту, обслуживанию карбюраторов
• Карбюратор на примере ВАЗ 2105
• Регулировка карбюратора без прибора СО-СН

См. также

• Инжекторная система подачи топлива