Принцип работы карбюратора аналогичен принципу работы пульверизатора. Простейший карбюратор состоит из поплавковой камеры 8 (рис. 7.2) с поплавком 9 и игольчатым клапаном 10. Поплавковая камера предназначена для поддержания определенного уровня топлива на выходе в смесительную камеру 6, где и происходит смешивание мелкораспыленного бензина с воздухом. Бензин выходит в смесительную камеру через жиклер 7 и распылитель 4. Жиклер — это калиброванное отверстие, которое может пропустить строго определенное количество бензина. В карбюраторах устанавливаются и воздушные жиклеры, предназначенные для пропуска определенного количества воздуха. Распылитель необходим для подачи бензина в смесительную камеру. Для обеспечения пульверизации бензина воздух за счет разрежения должен проходить с большой скоростью. Для ускорения движения воздуха, а следовательно, для поступления необходимого количества бензина служит диффузор 3. Для предотвращения произвольного вытекания бензина при перекосах двигателя выход из распылителя должен быть на 2...3 мм выше уровня бензина в поплавковой камере.
Рис. 7.2. Схема впускной системы с простейшим карбюратором (а) и характеристики карбюраторов (б): 1 - трубопровод; 2 - отверстие в поплавковой камере, 3 - диффузор; 4 - распылитель; 5 - дроссельная заслонка; 6 - смесительная камера; 7 - жиклер; 8 - поплавковая камера, 9 - поплавок, 10 - игольчатый клапан; А - характеристика простейшего карбюратора при оптимальном составе горючей смеси в точках 1, 2, Б - характеристика идеального карбюратора; α - коэффициент избытка воздуха
Топливо в поплавковую камеру подводится через трубопровод 1 и игольчатый клапан 10. При повышении уровня топлива в поплавковой камере поплавок всплывает, поднимая клапан. Когда топливо достигает определенного уровня, клапан закрывает седло и перекрывает поступление бензина внутрь поплавковой камеры. Для регулирования количества смеси, направляемой в цилиндры двигателя, служит дроссельная заслонка 5. С увеличением ее открытия увеличивается количество подаваемой в цилиндр двигателя горючей смеси, а следовательно, увеличивается частота вращения коленчатого вала и развиваемая двигателем мощность.
Карбюратор работает следующим образом. При такте впуска, когда поршень движется от ВМТ к НМТ, в цилиндре создается разрежение, передающееся через впускную трубу в смесительную камеру карбюратора. Одновременно в смесительную камеру поступают очищенный воздух из воздушного фильтра и бензин из поплавковой камеры через жиклер и распылитель. В диффузоре происходит их смешивание. Под действием быстрого движения воздуха бензин разбивается на мелкие капли, которые испаряются и смешиваются в виде паров с воздухом. Разрежение в диффузоре зависит от степени открытия дроссельной заслонки. Чем больше открыта дроссельная заслонка, тем сильнее будет разрежение в диффузоре и больше будет истекать топлива. Если дроссельную заслонку прикрыть, то разрежение в диффузоре уменьшится, и уменьшится истечение бензина из поплавковой камеры.
Процесс перемешивания мелкораспыленного топлива с воздухом (образование горючей смеси) начинается в момент поступления его из распылителя в диффузор и продолжается при движении смеси по карбюратору, впускному трубопроводу и в самих цилиндрах.
Если часть топлива испариться не успевает, то оно через зазоры между поршнем и цилиндром стекает в поддон картера двигателя. Интенсивное перемешивание горючей смеси с воздухом происходит в щели между выпускным клапаном и его седлом. Заканчивается процесс смесеобразования в цилиндре двигателя при такте сжатия. Для поддержания атмосферного давления внутри поплавковой камеры в крышке карбюратора имеется вентиляционное отверстие 2.
Элементарный карбюратор имеет только один топливный жиклер, который может пропускать определенное количество бензина. Если установить жиклер с расчетом подачи топлива на максимальные обороты коленчатого вала, то при переходе на минимальные обороты в цилиндры двигателя будет подаваться очень богатая смесь, которая гореть не может. Если же установить жиклер с расчетом подачи топлива на малые обороты, то на больших оборотах двигатель работать не сможет из-за сильного обеднения смеси.
Таким образом, простейший карбюратор имеет следующие недостатки:
- из-за отсутствия специального обогатительного устройства не позволяет запустить холодный двигатель;
- при прикрытой дроссельной заслонке (работа двигателя на малых оборотах) не может подавать в цилиндр необходимое количество бензина;
- не обеспечивает работу двигателя при резком открытии дроссельной заслонки;
- не обеспечивает необходимого обогащения смеси при работе двигателя на полных нагрузках.
Для обеспечения нормальной работы на различных режимах в современных карбюраторах имеются дополнительные устройства:
- пусковое устройство, предназначенное для приготовления горючей смеси богатого состава при запуске холодного двигателя;
- система холостого хода, позволяющая двигателю работать с малыми нагрузками;
- главная дозирующая система, которая должна поддерживать работу двигателя на средних режимах, приготавливая горючую смесь обедненного состава;
- экономайзер или эконостат для обогащения горючей смеси с целью получения от двигателя полной мощности;
- ускорительный насос для обеспечения принудительного впрыска топлива при резком открытии дроссельной заслонки.
Пусковое устройство карбюратора
При запуске холодного двигателя бензин испаряется медленно, и к моменту попадания его в камеру сгорания из него успевают испариться только самые легкие фракции. Для того чтобы к моменту подачи электрической искры в камере сгорания было бы достаточно испарившихся легких фракций, необходимо приготавливать смесь очень богатого состава. Для этого карбюратор должен иметь специальное пусковое устройство.
Пусковое устройство карбюратора (рис. 7.3) состоит из воздушной заслонки 2 и автоматического воздушного клапана 7. Управляют воздушной заслонкой из кабины водителя при помощи кнопки, соединенной гибкой тягой с рычажной системой управления воздушной заслонкой. При запуске холодного двигателя воздушную заслонку закрывают. Дроссельная заслонка 6 при этом автоматически слегка приоткрывается, и оба выходных отверстия, нижнее 7 и верхнее 9, системы холостого хода оказываются ниже дроссельной заслонки. Разрежение, которое создается в цилиндрах двигателя, передается в карбюратор. При закрытой воздушной заслонке разрежение будет создаваться ниже дроссельной заслонки у выходных отверстий системы холостого хода, а также в диффузоре 13 около распылителя 3 главной дозирующей системы. Топливо частично идет через главный топливный жиклер 4 и через распылитель 3 впрыскивается в диффузор, а частично поступает в канал системы холостого хода, проходит через топливный жиклер /0 холостого хода и впрыскивается в диффузор. Из воздушного жиклера 12 к топливу подмешивается воздух. Образовавшаяся эмульсия через выходные отверстия 7 и 9 фонтанирует в задроссельное пространство смесительной камеры, где к нему подмешивается топливо, поступившее из распылителя 3. Все это топливо распыляется, испаряется и идет в цилиндр двигателя. Смесь по составу богатая. Количество воздуха, поступающего в смесительную камеру, дозируется автоматическим воздушным клапаном 1. В зависимости от величины разрежения под воздушной заслонкой и атмосферного давления клапан открывается на большую или меньшую величину, пропуская больше или меньше воздуха.
Рис. 7.3. Схема пускового устройства: 1 - клапан; 2 - воздушная заслонка; 3 - распылитель; 4, 10, 12 - жиклеры; 5 - винт упора; 6 - дроссельная заслонка; 7, 9 - отверстия; 8 - игла; 11 - канал; 13 - диффузор; 14 - игла
Система холостого хода
Система холостого хода приготовляет состав горючей смеси, требующийся для работы двигателя с малым числом оборотов. Двигатель при этом работает без нагрузки на холостом ходу.
Система холостого хода карбюратора состоит из топливного жиклера холостого хода 7 (рис. 7.4), через который топливо поступает в колодец 6. Туда же через воздушный жиклер холостого хода 5 поступает воздух. В колодце они смешиваются и уже в виде эмульсии поступают по эмульсионному каналу холостого хода 8 к выходным отверстиям холостого хода 9 и 11.
Рис. 7.4. Схема системы холостого хода: 1 - распылитель; 2 - диффузор; 3 - воздушная заслонка; 4 - отверстие в поплавковой камере; 5 - воздушный жиклер холостого хода; 6 - колодец; 7 - топливный жиклер холостого хода; 8 - канал холостого хода; 9, 11 - выходные отверстия холостого хода; 10 - регулировочный винт; 12 - дроссельная заслонка
При работе двигателя на малых оборотах холостого хода дроссельная заслонка 12 закрыта полностью, но все же между ее кромками и корпусом дроссельной заслонки остаются небольшие щели для прохода воздуха. При таком положении дроссельной заслонки верхнее выходное отверстие доказывается выше заслонки, а нижнее 11 — ниже. Около верхнего отверстия в смесительной камере давление будет атмосферное или близкое к нему. Нижнее выходное отверстие 11 системы холостого хода находится ниже дроссельной заслонки в зоне сильного разрежения, за счет которого топливо и поступает в каналы через жиклеры. Внутри каналов во время движения эмульсии создается разрежение. Поэтому, когда эмульсия проходит около верхнего выходного отверстия, в нее дополнительно подмешивается воздух. Проходя далее, эмульсия фонтанирует через нижнее отверстие в за-дроссельное пространство смесительной камеры, захватывается потоком воздуха, который проходит в щели между кромками дроссельной заслонки и корпусом, распыляется, испаряется и поступает в цилиндры двигателя. Смесь по составу будет обогащенная. При закрытой дроссельной заслонке разрежение в диффузоре 2 около распылителя 1 главной дозирующей системы будет настолько мало, что топливо через эту систему поступать в смесительную камеру не будет.
При небольшом открытии дроссельной заслонки верхнее выходное отверстие 9 перекрывается ее краем, и воздух через это отверстие в эмульсионных каналах поступать больше не будет, за счет чего увеличивается истечение топлива через нижнее отверстие 11. При дальнейшем открытии дроссельной заслонки оба отверстия оказываются в задроссельном пространстве, и эмульсия теперь будет выходить через оба эти отверстия. Таким образом, по мере открытия заслонки количество топлива, подаваемого системой холостого хода, постепенно возрастает, что и способствует плавному переходу на другие режимы работы двигателя. Количество поступающего топлива, т. е. качество смеси, регулируют винтом 70 холостого хода. При завертывании винта смесь становится беднее, а при отвертывании — богаче.
Число оборотов коленчатого вала при работе двигателя без нагрузки на холостом ходу регулируют прикрытием дроссельной заслонки при помощи ограничительного упорного винта 5 (см. рис. 7.3) на рычаге ее оси.
В некоторых карбюраторах качество смеси регулируется винтом (иглой) 14, изменяющим сечение воздушного канала. При завертывании винта 14 разрежение в канале 11 возрастает и топливо поступает в большем количестве — смесь обогащается, при отвертывании винта разрежение уменьшается и смесь обедняется.
Главная дозирующая система
Для экономичной работы двигателя при средних нагрузках карбюратор должен приготавливать слегка обедненную смесь примерно постоянного состава при разной величине открытия дроссельной заслонки. Это называется компенсацией смеси и в современных карбюраторах осуществляется пневматическим торможением топлива.
Компенсация смеси пневматическим торможением топлива получила наибольшее распространение благодаря простоте соответствующих устройств и надежности действия.
В карбюраторах с компенсацией смеси данным методом главная дозирующая система включает только главный жиклер 6 (рис. 7.5) с распылителем 1. Рядом с распылителем располагается колодец 5, в котором помещена эмульсионная трубка 4 с отверстиями, расположенными ниже уровня топлива в поплавковой камере карбюратора. На верхнем конце эмульсионной трубки устроен воздушный жиклер 2.
Рис. 7.5. Схема компенсации горючей смеси пневматическим торможением топлива: 1 - распылитель; 2 - воздушный жиклер; 3 - колодец; 4 - трубка; 5 - поплавковая камера; 6 - главный жиклер; 7 - диффузор
По мере увеличения открытия дроссельной заслонки и увеличения разрежения в диффузоре 7 количество топлива, поступающего через главный жиклер 6, так же как в простейшем карбюраторе, стремится увеличиться непропорционально количеству воздуха, проходящего через диффузор, вызывая обогащение смеси. Однако этому препятствует воздух, поступающий в распылитель 1 через воздушный жиклер 2 и боковые отверстия в эмульсионной трубке 4.
Чем больше открывается дроссельная заслонка и возрастает разрежение в диффузоре 7, тем больше расход топлива из распылителя 1, и уровень его снижается. Вследствие этого открывается все большее количество боковых отверстий в эмульсионной трубке, и воздух, поступая в колодец 3 через воздушный жиклер 2, притормаживает истечение топлива из жиклера 6.
Таким образом, воздух, поступающий в распылитель, регулирует разрежение перед жиклером так, что через жиклер проходит только количество топлива, необходимое для получения смеси требуемого состава.
Такой способ компенсации смеси обеспечивает предварительное эмульгирование топлива воздухом в распылителе, что улучшает процесс смесеобразования в карбюраторе.
Экономайзер
Главная дозирующая система может приготовить только обедненную горючую смесь, а для получения от двигателя полной мощности необходима обогащенная смесь. Для обогащения горючей смеси при полной нагрузке двигателя служат экономайзеры. Они могут иметь механический или пневматический привод (рис. 7.6).
Рис. 7.6. Схемы экономайзеров с механическим (а) и пневматическим (б) приводом: 1 - жиклер полной мощности; 2 - тяга; 3, 11 - пружины; 4, 10 - клапаны экономайзера; 5 - шток; 6 - главный жиклер; 7 - смесительная камера; 8 - дроссельная заслонка; 9, 15 - отверстия; 12 - поршень экономайзера; 13 - камера экономайзера; 14 - канал
На современных карбюраторах применяются экономайзеры с механическим приводом (рис. 7.6, а). Основными частями такого экономайзера являются клапан 4 с пружиной 3 и жиклер полной мощности 1, предназначенный для пропуска дополнительного количества топлива в смесительную камеру 7 карбюратора. Механический привод состоит из рычага, установленного на оси дроссельной заслонки 8. Рычаг при помощи серьги соединяется с тягой 2, на которой при помощи плеча закреплен шток 5, расположенный над клапаном экономайзера 4.
При увеличении открытия дроссельной заслонки рычаг через серьгу тянет вниз тягу 2, а вместе с ней опускаются плечо и шток 5. Когда дроссельная заслонка откроется на 80...85 % своего хода, шток 5 нажмет на стержень клапана 4 экономайзера и откроет клапан. После этого к топливу, которое поступает в смесительную камеру 7 через главный жиклер 6 главной дозирующей системы, начнет дополнительно поступать бензин через открытый клапан 4 и жиклер полной мощности 1. Все это топливо смешивается, распыляется, испаряется и идет в цилиндр двигателя. При задействовании экономайзера приготавливается смесь обогащенного состава.
Некоторые экономайзеры имеют пневматический привод (рис. 7.6, б). Он состоит из камеры экономайзера 13, в которой находится поршень 12 со штоком с пружиной 11. Пружина находится в предварительно сжатом состоянии. Надпоршневое пространство камеры экономайзера при помощи канала 14 сообщается через отверстие 9 с дроссельным пространством карбюратора. Когда дроссельная заслонка 8 закрыта или открыта менее чем на 80...85% своего хода, разрежение из задроссельного пространства по каналу 14 передается в камеру экономайзера 13, и поршень 12 поднимается вверх, сжимая пружину 11. При открытии дроссельной заслонки более чем на 85% хода разрежение под дроссельной заслонкой 8 и в камере экономайзера 13 уменьшается, под действием пружины 11 шток опускается и открывает клапан экономайзера 10. В результате разрежения в смесительной камере 7 из поплавковой камеры через клапан экономайзера и жиклер в диффузор начнет дополнительно поступать бензин, где он будет смешиваться с бензином, поступающим из главной дозирующей системы. Смесь по составу будет обогащенной.
Ускорительный насос
Водителю не всегда удается открывать дроссельные заслонки плавно. Иногда это приходится делать резко, быстро переводя работу двигателя с малых на максимальные обороты. При работе двигателя на малых оборотах топливо подается в смесительную камеру через систему холостого хода в небольшом количестве. В случае резкого открытия дроссельных заслонок разрежение около выходных отверстий системы холостого хода исчезает, переместившись в диффузоры карбюратора, и топливо начинает поступать в смесительную камеру из главной дозирующей системы. Однако с момента прекращения подачи бензина из системы холостого хода до начала подачи бензина из главной дозирующей системы топливо в цилиндры не поступает, и двигатель останавливается (глохнет).
Для предотвращения остановки двигателя необходима принудительная подача топлива в цилиндры двигателя. Для этих целей служит ускорительный насос. Он обеспечивает хорошую приемистость двигателя благодаря принудительному вспрыску дополнительных порций топлива в смесительную камеру при резком открытии дроссельной заслонки. У многих карбюраторов ускорительный насос имеет общий привод с экономайзером.
Ускорительный насос состоит из цилиндра с поршнем 5 (рис. 7.7). Поршень при помощи штока, на который надета предварительно сжатая пружина 6, соединен свободно с поводком 7. Поводок закреплен на тяге 4. Тяга при помощи серьги соединена с рычагом 2 оси дроссельной заслонки 10. Внутри цилиндра ускорительного насоса имеется обратный шариковый клапан 3, который свободно пропускает топливо из поплавковой камеры внутрь цилиндра и не выпускает его обратно. Для выхода бензина из цилиндра в смесительную камеру 9 имеется клапан 8 и жиклер 1.
Рис. 7.7. Ускорительный насос: 1 - жиклер; 2 - рычаг; 3 - обратный клапан; 4 - тяга; 5 - поршень; 6 - пружина; 7 - поводок; 8 - клапан; 9 - смесительная камера; 10 - дроссельная заслонка
При резком открытии дроссельной заслонки 10 рычаг 2, быстро поворачиваясь, через серьгу тянет вниз тягу 4. Вместе с тягой опускается поводок 7, который через пружину 6 давит на поршень 5, заставляя его опускаться. Опускаясь, поршень давит на бензин, который находится в цилиндре под поршнем. Шариковый клапан при этом плотно закрывается и не выпускает бензин обратно в поплавковую камеру. Под давлением поршня бензин открывает клапан 8 и через жиклер 1 впрыскивается в смесительную камеру 9 карбюратора. Здесь он захватывается потоком воздуха, распыляется, испаряется и поступает в цилиндры двигателя, обеспечивая обогащение горючей смеси и хорошую приемистость двигателя.
Для того чтобы поршень, надавливая на топливо, не оказывал сопротивления быстрому открытию дроссельной заслонки, усилие от поводка 7 на поршень 5 передается через пружину 6, которая при этом сжимается. Затем, разжимаясь, пружина плавно опускает поршень вниз по мере расхода топлива из цилиндра. Это обеспечивает затяжную подачу бензина в смесительную камеру карбюратора.
В настоящее время на некоторых карбюраторах вместо поршневого насоса применяются насосы диафрагменного типа.
Балансировка поплавковой камеры
Чтобы бензин нормально поступал в поплавковую камеру карбюратора и выходил из нее в смесительные камеры, в поплавковой камере нужно поддерживать атмосферное или близкое к нему давление.
У простейшего карбюратора для этой цели в крышке выполнялось вентиляционное отверстие 2 (см. рис. 7.2). Но при таком устройстве на качество приготовляемой горючей смеси оказывает влияние техническое состояние воздушного фильтра. В случае его загрязнения происходит непроизвольное обогащение горючей смеси, которое не требуется по условиям работы двигателя.
Для устранения таких последствий у современных карбюраторов поплавковая камера сообщается с атмосферой не напрямую, а через канал — с воздушным патрубком под воздушным фильтром. Крышка же закрывает поплавковую камеру герметично. При таком соединении в поплавковую камеру поступает очищенный в воздухоочистителе воздух, вследствие чего уменьшается загрязнение камеры и особенно топливных жиклеров. Кроме того, при таком соединении регулировка карбюратора и его работа меньше зависят от типа воздухоочистителя и его состояния, так как давление в смесительной и поплавковой камерах при изменении состояния воздухоочистителя изменяется на одну и ту же величину. Такие карбюраторы называются сбалансированными.
На двигателях с большим числом цилиндров в целях создания наиболее благоприятных условий для поступления горючей смеси в каждый цилиндр устанавливают карбюраторы с несколькими смесительными камерами (двумя или четырьмя). При этом одна смесительная камера обслуживает питанием одну группу цилиндров, а вторая — другую группу.