Проф. Е. А. ЧУДАКОВ
КАК было выяснено ранее в статье второй 1), рабочий процесс двигателя заключается в том, что в цилиндры двигателя всасывается смесь воздуха с парами топлива, которая в дальнейшем сгорает, выделяя определенную работу. Таким образом, для протекания рабочего процесса двигателя необходимо предварительно испарить топливо и смешать его с воздухом в определенной пропорции, обеспечивающей наилучшее протекание процесса горения. Такое образование рабочей смеси, а именно предварительное испарение топлива и смешение его со всасываемым воздухом, и носит название карбюрации топлива.
На фиг. 1 представлена схема этого процесса. Здесь клапан М представляет собой всасывающий клапан двигателя. Поршень совершает ход всасывания, и поэтому клапан М открыт. К всасывающему трубопроводу присоединен специальный прибор К, служащий для образования рабочей смеси. Под влиянием разрежения в цилиндре двигателя воздух засасывается через прибор К, при чем здесь и происходит смешение воздуха с топливом, т.-е. процесс карбюрации. Вот почему прибор К носит название карбюратора.
Практически все современные автомобильные двигатели работают с карбюрацией топлива. Поэтому топливо для автомобильных двигателей должно обладать способностью легко испаряться, т.-е. иметь низкую температуру кипения. К таким топливам относятся: бензин, бензол, спирт. Керосин по своей испаряемости значительно хуже этих топлив, и потому для правильной его карбюрации требуется применение очень сильного подогрева.
За последнее время сделано много попыток применения более трудно-кипящих топлив для автомобильного двигателя, в частности были сконструированы двигатели, работающие на соляровом масле и на нефти. В этом случае карбюрация топлив является весьма затруднительной, и потому двигатели, работающие на этих топливах, устроены не с карбюрацией последних, а с непосредственным вспрыском этих топлив в цилиндры двигателя. В данном положении топливо при помощи насоса, под большим давлением, прокачивается через маленькое отверстие в форсунке, ввернутой непосредственно в камере сгорания. При этом, мелко распыленное топливо в жидком виде попадает в цилиндр, где и воспламеняется или о специальную нагретую деталь (калоризатор), или о воздух, предварительно сжатый до высокой температуры. Такого рода двигатели носят название двигателей со вспрыском горючего. Некоторыми заводами такие двигатели уже разработаны настолько, что они устанавливаются на автомобили, выпускаемые этими заводами на рынок.
Наконец, в последнее время имеется целый ряд попыток применения для автомобильного двигателя твердого топлива, как-то: каменного угля, древесного угля и дерева. При этом предварительно в генераторе, установленном на самом автомобиле, это топливо обращается в генераторный газ, который в смеси с воздухом и всасывается в цилиндры двигателя.
В последнем случае мы имеем весьма большое сходство рабочего процесса с таковым же для нормального автомобильного двигателя, работающего с карбюрацией горючего. Разница заключается лишь в том, что здесь в смешение с воздухом поступает генераторный газ, а не жидкое топливо. В соответствии с этим процесс смешения облегчается и уничтожается необходимость испарения топлива. Поэтому карбюратор в данном случае отсутствует и заменяется простой смесительной камерой.
В дальнейшем, в отдельной статье, мы рассмотрим основные типы нефтяных и газогенераторных автомобильных двигателей, давших наиболее удовлетворительную работу. В связи с более низкой ценою топлива, нежели бензин, бензол и т. д., а также вследствие возможности использования для них местного топлива, газогенераторные и нефтяные двигатели должны будут в недалеком будущем получить достаточно широкое применение в автомобильном транспорте.
Для того, чтобы рабочий процесс двигателя протекал хорошо, необходимо, чтобы при всех рабочих режимах двигателя, а именно при различной подаче газа внутрь цилиндра и при разных оборотах двигателя, процесс сгорания рабочей смеси шел удовлетворительно. Для этой цели необходимо, чтобы топливо поступало в двигатель в правильной пропорции с воздухом, чтобы оно было по возможности полностью испарено и хорошо смешано с воздухом.
В соответствии с этим, должны быть разрешены следующие основные задачи конструкцией карбюратора:
1. Поддержание одинакового состава рабочей смеси топлива и воздуха при разных оборотах двигателя и при разных открытиях дросселя. Для этой цели карбюраторы имеют специальное приспособление. По характеру этого приспособления мы в дальнейшем будем классифицировать карбюраторы различных систем.
2. Хорошее испарение топлива и смешение его с воздухом. Для этой цели топливо должно быть по возможности сильно раздроблено на мелкие частицы и хорошо смешано с воздухом. Хорошее распыление топлива в современных карбюраторах достигается при помощи специальных приспособлений, которые и будут нами рассмотрены дальше. Для полного испарения топлива и избежания конденсации его на стенках трубопровода, применяется искусственный подогрев как самого воздуха, поступающего в карбюратор, так и получившейся смеси воздуха с топливом.
3. Устойчивая работа двигателя на холостом ходу. При малых оборотах двигателя обычно легко нарушается правильность состава рабочей смеси топлива и воздуха. Для поддержания ее в тех пределах, которые обеспечивают правильную работу двигателя, в карбюраторах применяются специальные приспособления, носящие название пусковых приспособлений или приспособлений для холостого хода.
4. Поддержание правильного состава смеси при резком открытии дросселя. Для того, чтобы автомобиль легко брал препятствие и быстро разгонялся, или, как говорят, для того, чтобы автомобиль был приемистым, необходимо, чтобы состав рабочей смеси не менялся при резком открытии дросселя. Большинство современных карбюраторов для этой цели также имеют специальные приспособления, которые будут нами рассмотрены ниже.
Все современные карбюраторы работают по принципу пульверизатора; схема действия такого карбюратора представлена на фиг. 2. Здесь воздух поступает в трубку К, в которой на определенной высоте установлен конус Л, сужающий сечение трубки К. К месту сужения сечения трубки К, при помощи специальной тонкой трубки А, подводится бензин. Воздух, проходя с большой скоростью около трубки А, засасывает бензин, который далее смешивается с воздухом и образует рабочую смесь. Трубка А носит название жиклера; полость карбюратора над жиклером называется камерой смешения. В этой камере установлен дроссель В, повертывая который можно увеличивать или уменьшать проход в трубке К, а следовательно увеличивать или уменьшать подачу газа в цилиндры двигателя.
Истечение бензина происходит под влиянием разрежения, получающегося около жиклера из-за протекания около него воздуха с большой скоростью. Кроме того, на скорость истечения бензина окажет влияние тот напор жидкости, который существует перед жиклером. Если этот напор будет меняться, то, очевидно, постоянства состава смеси бензина и воздуха нельзя достигнуть. Для избежания этого и для поддержания постоянного напора жидкости все карбюраторы снабжаются специальным прибором — поплавковой камерой Н, которая представлена справа на фиг. 2 и служит для поддержания постоянного уровня бензина. Таким образом, бензин в жиклер А поступает не непосредственно из бензинового бака, а проходит предварительно через поплавковую камеру.
Основное устройство поплавковой камеры заключается в следующем: поплавок Д плавает в бензине и в зависимости от уровня М бензина в поплавковой камере Н поднимается или выше, или ниже. Игла Г своим нижним концом может закрывать или открывать доступ бензину в поплавковую камеру, что и обусловливается положением поплавка Д. Для этой цели в крышке поплавковой камеры Иукреплены два рычажка Е, которые своим весом приподнимают иглу Г. Как только уровень бензина в поплавковой камере достигает определенной величины М, поплавок Д, действуя на рычажки Е, заставляет иглу Г опуститься и закрыть доступ бензина в поплавковую камеру. Как только уровень немного спустится ниже, игла сейчас же откроется, и, таким образом, уровень будет поддерживаться примерно постоянным.
Как сказано было выше, для правильного протекания рабочего процесса двигателя смесь топлива и воздуха должна быть составлена в определенной пропорции. Для того, чтобы получилось наиболее полное сгорание топлива, необходимо, чтобы на один килограмм топлива приходилось определенное число килограммов воздуха. Только в этом случае процесс горения, заключающийся в химическом соединении топлива с кислородом воздуха, протечет полностью. Если воздуха в смеси не хватает, то часть топлива не сгорит, и останется или в форме окиси углерода, или в форме сажи. Если воздуха будет больше, чем требуется для сгорания, то процесс сгорания протекает очень медленно, и, наконец, при некотором избытке воздуха, воспламенения от электрического запала совсем не получается.
Теоретически для сгорания 1 кг бензина требуется около 14,8 кг воздуха.
Практически же не все топливо полностью исларяется, часть его остается в форме жидких капель и мало принимает участия в процессе сгорания. Поэтому для получения от двигателя максимальной мощности обычно приходится иметь в смеси топлива больше, чем это требуется по теоретическим соображениям. Такая смесь носит название "богатой" смеси. Наоборот, смесь, в которой топлива меньше, чем это требуется теоретически для полного сгорания, носит название "бедной" смеси. Таким образом, в богатой смеси мы имеем недостаток воздуха против теоретически необходимого, и максимальная мощность двигателя обычно получается, когда этот недостаток равен 5 или 10% (тем меньше, чем лучше испарено топливо). При бедной смеси налицо избыток воздуха. При его избытке от 5 до 10% мы имеем наиболее экономичную работу двигателя, но мощность его в это время будет на 8—12% ниже, нежели максимальная.
Колебание качества или состава смеси свыше указанных пределов невыгодно как с точки зрения мощности двигателя, так и с точки зрения его экономичности. Поэтому карбюратор при всех условиях работы двигателя должен давать смесь топлива и воздуха по возможности постоянного состава или постоянного качества.
Если сделать карбюратор точно по схеме фиг. 2, т.-е. с одним простым жиклером, то состав смеси не будет оставаться постоянным при различных режимах работы двигателя. Это получится, благодаря тому, что закон истечения жидкости из жиклера будет отличаться от закона протекания воздуха мимо этого жиклера, а именно: по мере увеличения разрежения в камере смещения карбюратора, общий расход топлива будет расти быстрее, чем количество протекающего воздуха. Таким образом, по мере увеличения разрежения количество топлива в смеси будет расти, т.-е. смесь будет обогащаться. Разрежение в камере сгорания будет увеличиваться с открытием дросселя и с повышением оборотов двигателя. Поэтому, если выполнить карбюратор точно по схеме, представленной на фиг. 2, то смесь будет богаче на больших оборотах двигателя и беднее на малых оборотах.
Для достижения постоянства состава смеси вводятся различные приспособления, по признаку которых и принято классифицировать карбюраторы. В этом отношении наиболее употребительные современные карбюраторы могут быть подразделены на следующие группы:
1. Карбюраторы с компенсационными жиклерами.
2. Карбюраторы с торможением выходящей струи бензина.
3. Карбюраторы с добавочным воздухом.
4. Карбюраторы с двойной регулировкой.
На фиг. 3 представлена схема карбюратора Зенит, снабженного компенсационным жиклером. Здесь топливо из поплавковой камеры Н по трубопроводу П поступает к главному жиклеру А. Верхнее отверстие этого жиклера исполнено по калибру и служит для дозировки расхода бензина. Одновременно с этим из поплавковой камеры Н бензин может поступать в колодезь Е, протекая через калиброванное отверстие Б, Из колодца Е бензин поступает в кольцевой жиклер И, который расположен вокруг главного жиклера А.
При открытии дросселя В и при появлении в камере смешения карбюратора разрежения, воздух будет просасываться мимо обоих жиклеров и смешиваться с бензином, поступающим из последних.
Расход бензина через главный жиклер А будет расти быстрее, чем расход воздуха. Расход же бензина через второй жиклер Б будет оставаться постоянным по времени, так как этот расход определяется превышением уровня топлива в поплавковой камере над уровнем колодца и не зависит от разрежения в камере смешения. Благодаря этому, суммарный расход топлива через оба жиклера будет, примерно, пропорционален расходу воздуха.
Схема устройства для поддержания постоянства смеси при помощи торможения бензина представлена на фиг. 4. Здесь бензин из поплавковой камеры поступает к жиклеру А; последний окружен колпачком, имеющим два ряда отверстий: один ряд М — внизу, а другой ряд — Н — вверху на уровне выхода бензина из жиклера. При разрежении в камере смешения через отверстия Н будет проходить как бензин, вытекающий из жиклера А, так точно и воздух, поступивший внутрь наружного колпачка через нижние отверстия М, Благодаря прохождению воздуха в колпачок, разрежение, под которым происходит истечение бензина, будет несколько отставать от того разрежения, под которым поступает воздух в карбюратор. Таким образом, по мере повышения оборотов будет происходить некоторая задержка в поступлении бензина, и, благодаря этому, не получится того обогащения смеси, которое бы имело место без указанного выше приспособления.
По приведенной выше схеме, с небольшими конструктивными видоизменениями регулировка смеси применяется на большом числе современных карбюраторов; в частности, по этому принципу работают карбюраторы: Клодель, Солекс, Палас, Берлие, Линкольн, Шеблер (последнего выпуска) и т. д. Разница в выполнении конструкции приведенных выше карбюраторов заключается, главным образом, лишь в том, что в одних воздух подводится выше жиклера, как это представлено на схеме 4, в других же воздух подводится непосредственно внутрь жиклера, так что из последнего выходит смесь воздуха с топливом.
Такое приспособление применено для карбюраторов Палас, Линкольн и Берлие, при чем схема действия последнего представлена на фиг. 5. Здесь калиброванное отверстие жиклера К расположено непосредственно в днище поплавковой камеры. Отсюда бензин через сверление поступает к жиклеру А. Одновременно с этим через калиброванное отверстие Н наружный воздух может поступать к тому же жиклеру А, уменьшая, таким образом, и то разрежение, под которым будет протекать бензин через калиброванное отверстие К.
Проф. Е. А. Чудаков
1) См. "За Рулем" за 1928 г. № 3, стр. 19. (стр. 14.)