Меню раздела

Характеристика элементарного карбюратора


В зависимости от скоростей воздуха в диффузоре и топлива в распылителе устанавливается состав горючей смеси, поступающей в цилиндры двигателя. Состав горючей смеси, характеризуемый коэффициентом избытка воздуха, меняется с изменением режима работы карбюратора. Для оценки работы карбюратора на различных режимах служит его характеристика.
Характеристикой карбюратора называют зависимость коэффициента избытка воздуха от одного из параметров, характеризующих секундный расход смеси, приготовляемой карбюратором. В качестве такого параметра может быть принят расход или разрежение Ард в диффузоре карбюратора, так как оно определяет секундный расход воздуха.
Коэффициент избытка воздуха ос = Св / (Сх/0),
где Ов- расход воздуха, кг/с; Ст- расход топлива, кг/с; /0 - стехиометрическое количество воздуха.
Таким образом, для построения характеристики карбюратора необходимо выяснить, как изменяется расход воздуха и топлива в зависимости от разрежения в диффузоре.
В связи с цикличностью работы двигателя течение воздуха и топлива через карбюратор носит ярко выраженный пульсирующий характер. При переходе с четырехтактного цикла на двухтактный, а также с увеличением числа цилиндров, питающихся от одного карбюратора, пульсация потока ослабляется. Уже в четырехцилиндровых четырехтактных или в двухцилиндровых двухтактных двигателях с одним карбюратором поток в нем настолько выравнивается, что практически влияние пульсаций становится незаметным. Поэтому поток воздуха и топлива в карбюраторе можно считать установившимся.
Канал, по которому воздух поступает из карбюратора в цилиндр двигателя, имеет переменное сечение, вследствие чего скорость, а следовательно, и давление по оси потока переменны. Скорость же во всех точках любого поперечного сечения этого канала принимают одинаковой.
Анализ процессов, происходящих в карбюраторе, усложняется наличием постоянных сопротивлений, а также переменного сопротивления проходного сечения смесительной камеры, зависящего от положения дроссельной заслонки.
Расход воздуха может быть определен по размеру сечения любого участка потока и разрежению в этом сечении. Выше было отмечено, что истечение топлива зависит от разрежения в диффузоре, поэтому разрежение целесообразно также принять за параметр, определяющий расход воздуха.
Расход воздуха (в кг/с), как и для сжимаемой жидкости при установившемся ее потоке, определяют по формуле, где цд - коэффициент расхода диффузора;/^ и рд-площадь наиболее узкого поперечного сечения диффузора и давление в нем; к -показатель адиабаты; рк и гк -давление и удельный объем воздуха при температуре и давлении после компрессора на входе в карбюратор.
В том случае, когда в карбюратор воздух поступает непосредственно из окружающей среды, в формулу вместо рк и V* подставляют соответственно р0 и г0-параметры окружающей среды.
Практически перепад между давлением воздуха на входе в карбюратор рк и давлением в диффузоре рд, т.е. разрежение Лрд = рк — рд в диффузоре не превышает 20 кПа при работе двигателя с максимальной частотой вращения вала при полностью открытой дроссельной заслонке. При конструировании карбюратора нужно стремиться к тому, чтобы разрежение Ард, при котором обеспечивается поступление топлива из жиклеров и его распыливание, было наименьшим.
При изменении разрежения Ард в диффузоре от 0 до 20 кПа можно с достаточной точностью пренебречь влиянием сжимаемости воздуха и рассматривать его течение как движение несжимаемой жидкости. Тогда для сечений КК и ДД (рис. 31), пренебрегая изменением энергии положения (вследствие малой плотности воздуха и незначительной разности уровней сечений) и принимая скорость воздуха у входа н?к = 0, на основании уравнения Бернулли можно записать
Рк /Рк = Рд /Рк + Мд/2 + ^д/2,                (9)
где рк-давление на входе в карбюратор; рк-плотность воздуха при давлении рк и температуре Тк; ууд - скорость воздуха; коэффициент сопротивления.
Из равенства (9) получаем
Ард — рк — рд = рк^д/2 + ^ркн>^2,
т. е. перепад давлений между давлением на входе в карбюратор и давлением в рассматриваемом сечении диффузора определяется суммой энергий, затрачиваемых на создание скоростного напора рки>д/2 и на преодоление гидравлического сопротивления %рки>д/2 на участке от сечения КК до сечения ДД. На рис. 32 показано изменение соотношения этих двух слагаемых и разрежения по длине воздушного канала в пределах карбюратора (при полностью открытой дроссельной заслонке).
Из уравнения (10) скорость воздуха в диффузоре
д = Фд Ард / рк,
где фд-коэффициент скорости диффузора, фд = 0,8 4-0,9.
Минимальное сечение потока вследствие сжатия струи при переходе из узкой части диффузора в расширяющуюся оказывается несколько меньшим минимального сечения диффузора. Влияние сжатия струи оценивают отношением наименьшей площади поперечного сечения потока к минимальной площади поперечного сечения диффузора, называемым коэффициентом сжатия струи ад. При течении воздуха в диффузоре карбюратора коэффициент осд = 0,97 4- 0,98.
Расход воздуха (в кг/с) через диффузор карбюратора
Св — Яд/дИ'дРк)
где /д - площадь поперечного сечения диффузора.
После подстановки скорости и>д из выражения (11) получаем
6в — Мд/ц |/ 2ркАрд, (12)
где цд = адфд.
На рис. 33 изображены кривые изменения секундного расхода воздуха через сечение площадью 1 м2 в зависимости от разрежения: кривая 1 построена по формуле (12), а кривая 2-по формуле (8). Из сравнения кривых следует, что до Ард = = 4 кПа по обеим формулам получаются одинаковые результаты. В случае дальнейшего увеличения разрежения при расчетах по формуле (12) получают большие значения, чем по формуле (8): например, при Ард = 10 кПа разница составляет приблизительно 7%, а при Ард = 20 кПа - около 11,5%. Такое увеличение расхода воздуха обусловлено тем, что в формуле (12) не учитывается уменьшение плотности воздуха в диффузоре при уменьшении давления. Вместе с тем при использовании формулы (12) упрощается качественная оценка работы карбюратора. Поэтому во всех дальнейших расчетах течение воздуха в карбюраторе рассматривается как течение несжимаемой жидкости.
Величину определяют опытным путем на основании измерений расхода воздуха и соответствующего ему разрежения. Подставляя эти значения в формулу (8), можно определить коэффициент |1д. Если \хд определять по формуле (12), пользуясь экспериментальными значениями Св и Ард, то при этом учитываются погрешности, которые получаются в случае рассмотрения воздуха как несжимаемой жидкости. На рис. 34 показано изменение коэффициента цд в зависимости от Ард, определенного по формуле (12)-кривая 1 и по формуле (8)-кривая.
У диффузоров современных карбюраторов коэффициент расхода изменяется в следующих пределах: для карбюраторов с входным патрубком (без воздушного фильтра) |1д = 0,6 ~ 0,8; для карбюраторов без входного патрубка цд — 0,8 Ч- 0,92. Опыты показывают, что рационально спроектированные диффузоры в диапазоне разрежений Ард = 2 4- 15 кПа имеют практически постоянный коэффициент расхода.
Стремление повысить скорость воздуха при сохранении хорошего наполнения цилиндров двигателя привело к созданию многодиффузорных карбюраторов. Изменение разрежения по длине воздушного канала карбюратора с тройным диффузором показано на рис. 35. В приведенном диффузоре площади проходных сечений для воздуха составляют: 66% в кольцевом сечении между большим и средним диффузорами; 18%-между средним и малым диффузорами и 16%-в горловине малого диффузора. Следовательно, с высокой скоростью в малом диффузоре проходит незначительная часть воздуха, основная же часть воздуха имеет небольшую скорость. Вследствие этого улучшается распыливание топлива, которое вводится в горловину малого диффузора, и уменьшается гидравлическое сопротивление.
Применение много-диффузорных карбюраторов позволяет получить максимальный эффект при работе двигателя на больших нагрузках. На малых нагрузках разрежение у распылителя уменьшается, и распыливание топлива ухудшается. Кроме того, следует иметь в виду, что по сравнению с одинарными двойные и тройные диффузоры характеризуются более низкими коэффициентами расхода, но более широким диапазоном изменения разрежения, в котором величина цд практически постоянна.
Истечение топлива через жиклер карбюратора обусловлено наличием разности давлений в поплавковой камере и в диффузоре карбюратора. Необходимо учитывать также разность уровня топлива в поплавковой камере и высоты расположения выходного сечения топливного жиклера.
Топливный жиклер может быть установлен в любом месте участка между поплавковой камерой и выходным сечением распылителя. Выходное сечение распылителя расположено выше уровня топлива в поплавковой камере на величину АН = — 5 ~ 8 мм. Это необходимо для предохранения от самопроизвольного вытекания топлива из распылителя при неработающем двигателе и наклонном положении карбюратора, а также вследствие явлений капиллярности.
На основании уравнения Бернулли для сечений 00 и ЖЖ можно написать, где к0 и Нж—расстояние рассматриваемых двух сечений потока от уровня, принятого за нулевой (прямая Л А); рк и рж-статические давления в потоке в сечениях 00 и ЖЖ; рт-плотность топлива; и>жл--теоретическая скорость истечения топлива из жиклера в сечении ЖЖ (скорость топлива в сечении 00 принимаем равной нулю).
Из выражения (13) теоретическая скорость топлива в жиклере и>жл- = 1/2 [д(Н0 — Нж) + (рк — Рж)/Рт]* Давление в сечении ЖЖ Рж = Рд + д(К-Ъж + Ай) рт.
Действительная величина рж должна быть больше разности уровней АН = Нр — Н0 на некоторую высоту столба топлива, соответствующую перепаду давлений, необходимому для преодоления сил поверхностного натяжения при вытекании топлива из устья распылителя. Однако, как правило, при анализе работы карбюратора величину АН не учитывают вследствие ее малости.
Из формул (14) и (15) видно, что скорость истечения топлива из жиклера не зависит от его расположения в топливном тракте.
Величина цж, определяемая экспериментально, зависит от диаметра сечения и соотношения размеров жиклера, формы его кромок, давления и температуры вытекающего топлива, его вязкости и т. п. С увеличением отношения 1/й до 1,3 (рис. 38) коэффициент расхода резко возрастает, а затем медленно уменьшается. Поэтому в карбюраторах более целесообразно применять жиклеры с отношением 1/й > 2, так как в этом случае неточности их изготовления по длине практически не влияют на коэффициент расхода. Кроме того, коэффициент расхода жиклеров с отношением Щх 1—2,5 мало меняется с изменением разрежения в диффузоре.
На коэффициент расхода влияет также форма входной кромки жиклера. Жиклер с фаской имеет более высокий коэффициент расхода (кривая 2), чем жиклер без фаски (кривая 1/8 последнем случае величина цж меньше зависит от изменения избыточного давления, но в процессе эксплуатации форма кромок может меняться, и коэффициент расхода не будет стабильным. Поэтому более целесообразно применять жиклер с фаской, входная кромка которого менее подвержена изменению. Изменение коэффициента расхода жиклера в случае применения различных топлив показано на рис. 40. Кривые изменения цж показывают, что при переводе двигателя с одного топлива на другое карбюратор необходимо регулировать.
С повышением температуры топлива коэффициент расхода жиклера, как правило, возрастает (рис. 41). Однако следует учитывать, что с увеличением температуры топлива уменьшается плотность. Опыты показывают, что с повышением температуры от 10 до 40°С расход бензина через жиклер увеличивается на 2-3%, а керосина-на 6-7%.
Анализ выражения (1,6) позволяет установить, что истечение топлива через жиклер начинается при Ард > Акртд. При Ард = = Акртд расход топлива 6Т = 0. Влияние величины Ак на расход топлива при больших нагрузках и большой частоте вращения очень мало, и им можно пренебречь.
Следовательно, коэффициент избытка воздуха а в смеси, которую приготовляет элементарный карбюратор, уменьшается с ростом разрежения или расхода воздуха, т.е. смесь обогащается (рис. 43). В реальных условиях этому способствует также снижение плотности воздуха при увеличении разрежения в диффузоре.