Принцип работы карбюратора

К карбюратору предъявляются следующие требования:

• быстрый и надежный пуск двигателя в любых условиях;
• устойчивая работа на холостом ходу;
• экономный расход топлива в режиме частичных нагрузках;
• быстрое срабатывание при ускорении;
• обогащение горючей смеси для достижения максимальной мощности;
• дозирование топлива и смесеобразование должны происходить таким образом, чтобы отработавшие газы содержали как можно меньше вредных примесей.

Для низкого расхода топлива коэффициент избытка воздуха λ должен составлять примерно 1,1, как видно на рис. 7.6. Для достижения максимальной мощности необходим коэффициент λ~0,9, так как тогда скорость пламени в камере сгорания является максимальной. Карбюратор, который должен отвечать всем этим условиям, имеет более сложную конструкцию, чем описанный в разделе 7.1.1.1 упрощенный карбюратор. Ниже будут рассмотрены по отдельности все системы, необходимые для работы карбюратора.

Пуск двигателя

Различают пуск холодного и прогретого двигателя. На холодном двигателе рабочая смесь при пуске должна содержать большое количество бензина, который испаряется при низкой температуре. Это достигается путем сильного обогащения смеси. Для этого используются два устройства:

• воздушная заслонка с автоматическим устройством обогащения смеси при пуске (рис. 7.7);
• пусковое устройство (рис. 7.8).

Для облегчения действий водителя и обеспечения быстрого пуска холодного двигателя наиболее совершенные карбюраторы оборудованы автоматическим устройством обогащения смеси при пуске.


Перед пуском двигателя необходимо один раз надавить на педаль акселератора и отпустить ее. При этом холодная биметаллическая пружина закроет воздушную заслонку и одновременно будет удерживать дроссельную заслонку немного открытой с помощью соединительной тяги и стопора обратного хода. После того, как двигатель заработал, воздушная заслонка немного приоткрывается, обеспечивая обогащенный состав рабочей смеси, подходящий для работы холодного двигателя, где требуется повышенная мощность на преодоление трения. Во время прогрева двигателя биметаллическая пружина, получающfя тепло от нагревающейся охлаждающей жидкости, постепенно открывает воздушную заслонку, обедняя рабочую смесь до рабочего состояния.

При использовании пускового устройства открывается специальный перепускной канал, через который в двигатель, минуя дроссельную заслонку, поступает обогащенная рабочая смесь для пуска холодного двигателя.

В некоторых случаях, к моменту остановки двигателя, карбюратор нагревается так сильно, что топливо в поплавковой камере испаряется и попадает во впускной канал посредством системы вентиляции. Пуск прогретого двигателя происходит после повторной попытки, так как сначала должна быть откачана переобогащенная рабочая смесь. В данном случае помогает вентиляция поплавковой камеры (рис. 7.9). При нейтральном положении рычага дроссельной заслонки клапан воздушного охлаждения поднимается, и пары бензина улетучиваются в атмосферу.




Данные меры, разумеется, не соответствуют современным требованиям по защите окружающей среды.

Оптимальным решением является отвод паров бензина через вентиляционный канал в фильтр с активированным углем. Пары бензина задерживаются углем и не попадают в окружающую среду. Как только двигатель вновь будет пущен

Система холостого хода

В режиме холостого хода вследствие почти закрытой дроссельной заслонки разрежение во впускном тракте невелико, и топливо не подается через основные жиклеры. Двигатель обеспечивается бензином с помощью системы холостого хода (рис. 7.10а). Топливо, проходящее через приемную трубку системы холостого хода, обогащается воздухом в воздушном канале системы холостого хода. Получившаяся эмульсия поступает через канал, сечение которого ограничено регулировочным винтом системы холостого хода, в смесительную камеру за дроссельной заслонкой. Там из эмульсии и поступающего через приоткрытую дроссельную заслонку воздуха образуется смесь для работы двигателя на холостом ходу.



Когда на прогретом двигателе дроссельная заслонка еще больше приоткрывается, перепускные каналы, выходящие из системы холостого хода к дроссельной заслонке, обеспечивают хороший переход с режима холостого хода на рабочий режим. В этом случае под воздействием увеличенного разрежения из перепускных каналов в смесительную камеру также поступает эмульсия.


Карбюратор, представленный на рисунках 7.10, позволяет отрегулировать частоту вращения коленчатого вала на холостом ходу путем настройки положения дроссельной заслонки и регулировочного винта подачи рабочей смеси на холостом ходу. Вследствие регулировки положения дроссельной заслонки изменяется разрежение в карбюраторе, что влечет за собой изменение момента зажигания, поскольку срабатывает вакуумный корректор. Это нежелательно с точки зрения токсичности отработавших газов, поэтому карбюратор дополнительно оснащен системой вентиляции с рециркуляцией воздуха (рис. 7.10b). Частота вращения коленчатого вала на холостом ходу в этом случае регулируется не с помощью дроссельной заслонки, а с помощью регулировочного винта для подачи циркулирующего воздуха. В результате влияние на момент зажигания отсутствует.



Во время регулировки частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу путем настройки положения дроссельной заслонки, регулировочного винта для подачи циркулирующего воздуха и регулировочного винта для для подачи смеси, образуемой на холостом ходу, возникает опасность того, что рабочая смесь поменяет состав, и частицы несгоревшего топлива попадут в отработавшие газы. В данном случае поможет эконостат (дополнительная система карбюратора, дозирующая топливо на режимах полных нагрузок) (рис. 7.10с). При его использовании в двигатель на холостом ходу попадает рабочая смесь, состоящая из эмульсии, поступающей из эмульсионного сопла, и смеси воздуха и топлива, протекающей через специальный канал с регулировочным винтом для подачи дополнительной смеси. Эмульсия образуется на жиклере холостого хода, где топливо обогащается воздухом. Состав эмульсии постоянный, он изначально поддерживается с помощью регулировочного винта для эмульсии. Для регулировки частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу используется только регулировочный винт для подачи дополнительной смеси. С помощью этого винта изменяется только величина потока смеси на холостом ходу, а ее состав остается неизменным. Вследствие этого содержание токсичных примесей в отработавших газах также не изменяется.



Изображенный на рисунке карбюратор дополнительно оснащен электромагнитным клапаном отсечки. При отключении системы зажигания клапан перекрывает канал для подачи смеси, образуемой на холостом ходу, и таким образом предотвращает самопроизвольную работу горячего двигателя вследствие возникновения калильного зажигания после отключения системы зажигания.

Диапазон частичных нагрузок

Представленный на рисунках карбюратор является ступенчатым карбюратором. В диапазоне частичных нагрузок сначала работает только впускной канал первой смесительной камеры с основной топливодозирующей системой карбюратора (рис. 7.11). Топливо поступает через главный топливный жиклер в смесительную трубку. Там к нему домешивается воздух для компенсации разрежения. Эмульсия из топлива и воздуха для компенсации разрежения впрыскивается в диффузор ив распылителя главной дозирующей системы и образует смесь с протекающим воздухом для работы на режимах частичной нагрузки. Благодаря воздуху для компенсации разрежения состав смеси остается почти постоянным даже при увеличивающейся скорости воздуха в диффузоре. Для компенсации разрежения топливо сильнее насыщается воздухом в эмульсионной трубке.



При дальнейшем открытии дроссельной заслонки и повышении частоты вращения коленчатого вала увеличивается разрежение в диффузоре карбюратора. При полностью открытой дроссельной заслонке первой смесительной камеры и высокой частоте вращения коленчатого вала открывается мембранный механизм вакуумного привода дроссельной заслонки второй смесительной камеры (рис. 7.12). При отпускании водителем педали газа механизм обратного хода закрывает вторую дроссельную заслонку.

Ускорительный насос

Для того, чтобы двигатель незамедлительно реагировал на нажатие водителем педали газа, через жиклер в диффузор впрыскивается дополнительное количество топлива, которое подается поршнем ускорительного насоса (рис. 7.13). При этом топливо попадает только в первую смесительную камеру.



Без дополнительного топлива подаваемая рабочая смесь быстро обедняется, так как подача топлива вследствие высокой инерции жидкого бензина возрастает не так быстро, как количество воздуха.

Максимальная мощность

Для достижения максимальной мощности смесь должна содержать достаточное количество топлива, что достигается с помощью ускорительного насоса. Жиклер ускорительного насоса при этом расположен в таком месте диффузора, где разрежение без помощи ускорительного насоса не способно вытянуть топливо из канала.

Снижение токсичности отработавших газов

С помощью правильной дозировки топлива и хорошего смесеобразования токсичность отработавших газов можно понизить до приемлемого минимума. На холостом ходу вследствие большого количества отработавших газов в цилиндре могут случиться пропуски зажигания, что приведет к выбросу в атмосферу несгоревших углеводородов. Для предотвращения пропуска зажигания дроссельная заслонка должна закрываться не полностью, чтобы образование рабочей смеси не прерывалось. Чтобы частота вращения коленчатого вала на холостом ходу не повышалась, момент зажигания автоматически смещается в сторону «позднего».

Следствием мгновенного закрытия дроссельной заслонки является переобогащение рабочей смеси. Чтобы этого не происходило, на многих карбюраторах последнего поколения используется специальный демпфер закрывания дроссельной заслонки.

Некоторые двигатели после длительной быстрой езды склонны к остаточной детонации, несмотря на выключенную систему зажигания. Виноватым в этом является калильное зажигание вследствие попадания остатков смеси в раскаленную камеру сгорания или на горячие свечи зажигания с очень низкой теплотой сгорания, то есть слишком высоким калильным числом. Данный недостаток устраняется установкой в системе холостого хода электромагнитного клапана отсечки, который при отключении системы зажигания перекрывает подачу топлива (рис. 7.14).



В режиме принудительного холостого хода (педаль газа отпущена, автомобиль на включенной передаче тормозит двигателем) дроссельную заслонку нельзя полностью закрывать, иначе возникнут пропуски зажигания. Посредством механического и электронного устройств дроссельная заслонка в режиме принудительного холостого хода удерживается открытой под определенным углом. При снижении частоты вращения коленчатого вала до режима холостого хода дроссельная заслонка также возвращается в положение холостого хода, что также сокращает объемы выброса углеводородов в атмосферу.

Оптимальным решением для режима принудительного холостого хода является карбюратор с устройством для снижения содержания углеводородов в отработавших газах. В режиме принудительного хода, то есть при закрытой дроссельной заслонке и частоте вращения коленчатого вала свыше 1200 мин^-1, электромагнитный клапан отсечки перекрывает подачу топлива (рис. 7.14). Как только частота вращения упадет ниже 1200 мин^-1, клапан вновь открывается, и система холостого хода начинает работать.

На большой высоте над уровнем моря карбюратор без высотной коррекции подает в двигатель сильно обогащенную смесь, поскольку плотность воздуха на высоте уменьшается. Как следствие, снижается максимальная мощность двигателя, и увеличивается уровень токсичности отработавших газов. Улучшить данную ситуацию можно с помощью высотного корректора — настраиваемой иглы распылителя форсунки, которая приводится в действие мембранными датчиками (рис. 7.15).



Все эти дополнительные устройства повышают стоимость карбюратора, но способствуют защите окружающей среды. Повышенные требования к смесеобразованию по отношению к более низкому расходу топлива, пониженным выбросам токсичных примесей и устойчивой работе двигателя на всех режимах привели к разработке электронной системы смесеобразования «Ecotronic». Она состоит из карбюратора, микропроцессора и датчиков (щупов). Карбюратор имеет традиционную конструкцию. Разумеется, дроссельная заслонка приводится в действие не только педалью газа, но и дополнительным электропневматическим механизмом в режиме холостого хода. Отдельный электромагнитный механизм регулирует положение воздушной заслонки.

Датчики регистрируют величину частоты вращения коленчатого вала двигателя, температуру охлаждающей жидкости и стенок впускного коллектора, положение дроссельной заслонки, скорость регулирующего воздействия дроссельной заслонки. Все данные передаются на микропроцессор, который их обрабатывает и управляет исполнительными механизмами. На рис. 7.16 показан принцип работы карбюратора «Epatron Ecotronic». В электротрепневматическом исполнительном механизме подвижной является мембрана толкателя дроссельной заслонки. Она реагирует на работу электромагнитного клапана, который подает в мембранную камеру либо атмосферное давление, либо разрежение из впускного коллектора. Положение воздушной заслонки карбюратора регулируется с помощью электромагнитного механизма. При закрывании воздушной заслонки рабочая смесь обогащается топливом. В диффузоре возникает более высокое разрежение, а из основной системы подачи топлива поступает больше бензина.



При пуске холодного двигателя электромагнитный механизм закрывает воздушную заслонку, а электропневматический исполнительный механизм приоткрывает дроссельную заслонку. Обогащение горючей смеси необходимо также при ускорении автомобиля. Это происходит каждый раз посредством небольшого поворота воздушной заслонки. В режиме холостого хода частота вращения коленчатого вала поддерживается электропневматическим исполнительным механизмом. При этом положение воздушной заслонки и иглы для компенсации разрежения воздуха одновременно регулируется таким образом, чтобы рабочая смесь имела необходимый состав. Низкая частота оборотов холостого хода помогает экономить топливо. В режиме принудительного холостого хода дроссельная заслонка закрывается исполнительным механизмом настолько, чтобы жиклеры для подачи рабочей смеси оказались в области атмосферного давления. Поскольку разрежение отсутствует, рабочая смесь в цилиндры не подается. Когда частота вращения коленчатого вала достигает значений холостого хода, дроссельная заслонка немного открывается, и система холостого хода вновь начинает работать. При остановке двигателя дроссельная заслонка закрывается, предотвращая самопроизвольную работу двигателя вследствие возникновения калильного зажигания. Карбюратор «Ecotronic» используется также для смесеобразования в двигателях с каталитическими нейтрализаторами. При наличии трехкомпонентного нейтрализатора, который очищает отработавшие газы, двигатель должен работать на стехиометрической смеси, то есть коэффициент λ=1,0. Датчик, так называемый лямбда-зонд, измеряет содержание кислорода в отработавших газах между двигателем и нейтрализатором. Информация поступает в микропроцессор, который перемещает воздушную заслонку посредством исполнительного механизма таким образом, чтобы λ=1,0.

Существуют также конструкции карбюратора постоянного разрежения (рис. 7.17). Дроссельная заслонка регулирует количество рабочей смеси, поступающей в цилиндры. Положение цилиндрического золотника зависит от давления в камере пониженного давления. Золотник во всем рабочем диапазоне освобождает пространство, необходимое для того, чтобы разрежение и скорость воздуха на игольчатом сопле оставались почти постоянными. При этом карбюратор обходится без специальной системы холостого хода, ускорительного насоса и обогащения рабочей смеси при полном открытии дроссельной заслонки. Вследствие хорошего равномерного распыления топлива в воздухе обеспечивается хорошее наполнение цилиндров и высокий крутящий момент двигателя по всему диапазону частоты вращения коленчатого вала. Дозирование топлива происходит с помощью игольчатого сопла, настраиваемого по высоте, вместе с иглой распылителя форсунки, прикрепленной к воздушному корректору. Проходное сечение кольца игольчатого сопла регулируется таким образом, чтобы всегда поддерживался оптимальный состав рабочей смеси. Для регулировки холостого хода игольчатое сопло опускается или поднимается, таким образом, смесь можно отрегулировать как обогащенную или обедненную. Гидравлическое демпфирование осевого перемещения золотника способствует медленному увеличению подачи воздуха при внезапном открытии дроссельной заслонки, при этом не происходит обеднение горючей смеси. При пуске холодного двигателя срабатывает специальный пусковой карбюратор. Клапан обратного слива топлива направляет излишки бензина обратно в бак. Топливо всегда остается холодным, что помогает избежать образования паровых пробок. Обратный клапан регулирует разрежение, подающееся на механизм привода дроссельной заслонки. При полной нагрузке он закрывается, и в карбюратор поступает весь объем топлива.