Карбюратор
Карбюратор служит для приготовления оптимальной по составу смеси топлива и воздуха. Разные виды топлива требуют для сгорания разного количества воздуха. При нормальных атмосферных условиях, для полного сгорания 1 грамма чистого автомобильного бензина требуется около 15 граммов воздуха, для сгорания 1 грамма этанола (этилового спирта) - 9 граммов воздуха, а для сгорания 1 грамма метанола (метилового спирта) - всего 6,5 грамма воздуха (добавление в топливо различных присадок изменяет потребное количество воздуха).
Указанные соотношения топливо/воздух принято считать оптимальными для каждого вида топлива, и обозначать буквой "a". Следует помнить, что коэффициент "a" - величина безразмерная и относительная. Для бензина a=1,0 при соотношении бензин/воздух = 1/15, а для метанола - a=1,0 при соотношении метанол/воздух = 1/6,5.
При оптимальном соотношениях топливо/воздух a = 1,0 горючая смесь считается нормальной. При небольшом избытке топлива (a = 1,1-1,15) смесь считается обогащенной, при значительном избытке топлива (a > 1, 25) смесь становится богатой. Аналогично, при небольшом избытке воздуха (a = 0,9-0,85) смесь считается обедненной, а при значительном избытке воздуха (a < 0,85) смесь становится бедной. Обогащенная смесь позволяет получить максимальную мощность, а обедненная обеспечивает экономичную работу двигателя. В том случае, если для конкретного типа топлива соотношение топливо/воздух в смеси выходит за пределы 0,85 > a > 1,25 - смесь становится негорючей, и не воспламеняется в цилиндре двигателя.
Задача карбюратора состоит в том, чтобы обеспечить поступление в двигатель горючей смеси требуемого состава (соотношения топливо/воздух) на всех режимах работы.
Простейший карбюратор (карбюратор пульверизационного типа) представляет обычный распылитель, соединенный с топливным баком и помещенный в воздушный канал карбюратора (смесительную камеру, или диффузор), напоминающий трубку Вентури. При прохождении по диффузору воздушного потока, там образуется разрежение. Топливо, находящееся в распылителе, захватывается потоком воздуха, дробится на мелкие капельки, смешивается с проходящим по диффузору воздухом и образует горючую смесь.
Принцип работы простейшего карбюратора
Качество горючей смеси, т.е. соотношение топливо/воздух, можно изменять положением регулировочной иглы, находящейся в жиклере карбюратора. При закручивании иглы, ее конусная часть уменьшает проходное сечение жиклера (до полного перекрытия топливного потока) и обедняет смесь. Выкручивание иглы увеличивает проходное сечение жиклера (кольцевую щель между иглой и стенкой отверстия жиклера) и обогащает смесь. Для нормальной работы такого карбюратора необходимо, чтобы уровень топлива в баке был на высоте выходного отверстия распылителя, или подавался туда под небольшим давлением.
Регулировка качества смеси с помощью иглы
(жиклера переменного сечения)
К сожалению, такой простейший карбюратор может обеспечить оптимальный состав горючей смеси только для определенного, установившегося режима работы двигателя, но не позволяет осуществить плавную регулировку его оборотов в широком диапазоне.
Устройства, позволяющие регулировать обороты микродвигателя в некотором диапазоне оборотов, первоначально устанавливались на выхлопном окне. Это были обычные поворотные или шиберные заслонки, препятствующие выходу отработавших газов. Затем появились первые радиокарбюраторы - обычные пульверизационные карбюраторы, внутри которых также располагался поворотный или шиберный золотник - дроссельная заслонка, регулирующая подачу воздуха в двигатель.
Были попытки оснащения двигателей сразу двумя заслонками - на выхлопном окне и во всасывающем патрубке. Но с помощью всех этих устройств, к сожалению, не удавалось добиться стабильной и бесперебойной работы двигателя в широком диапазоне оборотов, т.к. они не обеспечивали оптимального смесеобразования при различных положениях воздушной заслонки. В итоге, при относительной стабильности работы на средних оборотах, двигатель перезаливался на малых оборотах, и беднился на больших. Ни о каких динамичных переходах с режима на режим (приемистости на перегазовках) не могло быть и речи.
Один из первых удачных радиокарбюраторов появился в 1961 году. Это был "Jonson AutoMix", который сохранял состав топливной смеси достаточно стабильным в некотором диапазоне режимов работы мотора. У этого карбюратора был поворотный цилиндрический золотник, который при повороте еще и перемещался вдоль своей оси. С золотником была совмещена конусная регулировочная игла, которая при осевом перемещении частично перекрывала отверстие жиклера, изменяя подачу топлива в зависимости от угла поворота заслонки (читай - от проходного сечения диффузора). Качество горючей смеси при полностью открытой заслонке регулировалось главной топливной иглой, как на простейшем карбюраторе. Тем не менее, и этот карбюратор не обеспечивал необходимую динамику работы двигателя.
Принцип работы простейшего карбюратора с шиберной заслонкой и иглой
Несколько позже, в 1967 году, двигатель "Webra 61" был оснащен карбюратором "TN", разработанный Г. Бодеманом (G. Bodemann). Конструкция этого карбюратора стала базовой для многих производителей модельных двигателей. Карбюратор "TN", наряду с поворотным цилиндрическим воздушным золотником, совмещенным с регулировочной иглой, имел еще главную иглу и дополнительный регулировочный винт, которые позволяли регулировать режимы максимальных и минимальных оборотов двигателя отдельно, и независимо друг от друга.
До настоящего времени многие фирмы выпускают этот карбюратор в той или иной модификации: O.S. Max, Moki, Merko, MVVS, Super Tiger, OPS и даже МДС.
  
Карбюраторы фирмы O.S. Max
В течение последней четверти прошлого века в мире появилось еще несколько типов радиокарбюраторов, но все они, в той или иной мере, являются развитием конструкции, предложенной Бодеманом, и отличаются незначительными и непринципиальными деталями. Главная особенность этих карбюраторов заключается в том, что пропускная способность (сечение) канала распылителя в крайних положениях дроссельной заслонки регулируется двумя разными органами - главной иглой и регулировочным винтом, называемым винтом малого газа, а промежуточные расходы топлива определяются положением подвижной иглы или трубчатого золотника с фасонным отверстием. Некоторые из этих карбюраторов имеют еще один регулировочный винт, который ограничивает положение воздушного дросселя в режиме малого газа. Кроме того, судомодельные модификации радиокарбюраторов могут иметь сразу два органа, управляемых дистанционно (с помощью двух отдельных рулевых машинок): дроссельная заслонка и главная дозирующая игла, изменением положения которой прямо в процессе гонки можно подстраивать режим работы двигателя. Применение таких карбюраторов совместно с радиоаппаратурой, имеющей возможность микширования каналов, открывает дополнительные возможности по настройке и дистанционной регулировке оборотов двигателей.
Настройка карбюратора
Общая методика настройки радиокарбюратора следующая:
Сначала настраивается режим максимального газа. Для этого прогретый двигатель, при полностью открытой дроссельной заслонке, выводится на максимальные обороты изменением положения главной топливной иглы. Обычно это соответствует выкручиванию иглы на 2-3,5 оборота (сначала необходимо полностью, до упора, закрутить иглу). После этого иглу отворачивают еще на 1/8-1/4 оборота, несколько обогащая смесь - это соответствует оптимальному режиму работы двигателя. После этого, медленно и плавно закрывая дроссель, снижают обороты двигателя до минимально устойчивых, и начинают вращать винт малого газа, добиваясь максимального повышения оборотов. Затем снова снижают обороты, прикрывая дроссельную заслонку. Добившись минимальных, но устойчивых оборотов на малом газе, полностью открывают дроссельную заслонку, переводя двигатель на максимальные обороты, и еще раз корректируют режим полного газа поворотом главной иглы в ту или иную сторону, как было описано выше, после чего опять слегка богатят смесь.
После этих настроек двигатель должен легко, без провалов, набирать обороты при открывании дросселя, и также быстро, при закрытии заслонки, сбрасывать обороты, не захлебываясь. Нормально отрегулированный двигатель, со штатным рабочим винтом, предназначенным для конкретной модели, должен набирать обороты от минимальных до максимальных за время не более 1-1,5 секунды. Если при открывании заслонки двигатель проваливается, необходимо регулировочным винтом несколько обогатить режим малого газа, и увеличить обороты на малом газе, приоткрыв заслонку. Если при открывании заслонки двигатель захлебывается, то режим малого газа нужно несколько обеднить.
Честно говоря, большинство существующих карбюраторов для калильных двигателей (если не все) страдают одним существенным недостатком: у них единственный общий топливный канал, по которому топливо подается в распылитель на всех режимах, и все регулировочные элементы, в зависимости от режима работы, изменяют только его сечение по топливу. Такое упрощенное регулирование не позволяет добиться устойчивой работы двигателя в максимально широком диапазоне оборотов. Реально, самый хороший радиокарбюратор может изменять обороты двигателя с сохранением стабильности режимов и приемлемой динамики переходов, примерно в диапазоне от 2.500 до 10.000 об/мин. Но практически любой современный модельный мотор с простейшим карбюратором можно раскрутить, как минимум, до 17.000-20.000 об/мин! Если же говорить о минимальных оборотах, то с маховиком достаточной массы большинство моторов устойчиво работает на оборотах, не выше 1.000 об/мин.
Почему же большинство двигателей радиоуправляемых моделей не могут работать во всем том диапазоне оборотов, который потенциально заложен их конструкцией?
Главная причина - несовершенство карбюратора.
Практические опыты показывают, что для обеспечения максимально возможных оборотов двигателя (и максимальной мощности), карбюратор должен иметь сечение диффузора не менее 60-65 кв.мм на каждые 10 куб.см рабочего объема. Это значит, что диаметр диффузора 10-кубового двигателя в самом узком месте должен быть не менее 9-9,5 мм. И это без учета затенения от находящегося в диффузоре распылителя. Практически, только авто- и судомодельные варианты моторов имеют близкое к оптимальному сечение диффузора, правда и оно уменьшается идущим "от стенки до стенки" распылителем, который часто сам имеет диаметр до 3 мм. Очевидно, что карбюратор с уменьшенным проходным сечением диффузора не может обеспечить поступление в двигатель достаточного объема воздушно-топливной смеси, мотор тормозится по воздуху, и просто не раскручивается!
С другой стороны, для работы двигателя на минимальных оборотах порядка 1.000 об/мин, достаточно проходного сечения диффузора не более 2-3 кв.мм. Получить такое сечение не составляет труда практически при любой конструкции дроссельной заслонки. Но при этом обычно не удается обеспечить микродозирование топлива для получения оптимальной по составу топливной смеси, из-за чего приходится искусственно завышать минимальные обороты двигателя.
Ну а работа такого карбюратора в переходных режимах вообще не выдерживает никакой критики. Если при медленном изменении положения заслонки карбюратор еще как-то справляется с задачей оптимального смесеобразования, то при резких перегазовках качество топливной смеси оставляет желать лучшего - смесь получается или бедная или переобогащенная.
В итоге, во имя относительной стабильности режимов в средненьком диапазоне, приходится заведомо дросселировать двигатель, что не позволяет получить от него как максимальной мощности, так и стабильных, устойчивых минимальных оборотов. Не говоря уже о хорошей приемистости и динамике.
Есть ли выход из этой ситуации? Думаю, что есть...
Прежде всего, необходимо определить, какие же конструктивные и технологические решения не позволяют радиокарбюратору работать так, как требуется и на минимальных и на максимальных оборотах. Прежде всего - это традиционное совмещение органов регулировки смесеобразования для всех режимов работы в едином топливном канале распылителя и искусственное дросселирование мотора. Пропускная способность карбюратора по топливу регулируется лишь главной иглой (максимальный газ) и переменным сечением канала непосредственно перед распылителем (режим средних оборотов). Тонкая регулировка состава смеси на малом газе практически отсутствует.
Кроме того, расположение выходного отверстия топливного распылителя в центре воздушного диффузора эффективно только для режима полного и среднего газа, т.е. при максимальном открытии дроссельной заслонки, и ухудшается по мере ее закрытия. Это происходит из-за того, что при закрытии заслонки (имею в виду карбюраторы с поворотным циллиндрическим дросселем) более чем на 3/4 (что соответствует режимам ниже средних и самых малых оборотов), внутри диффузора происходит перераспределение зон минимального давления. При полностью открытой заслонке максимальная скорость воздушного потока в карбюраторе, а следовательно и область минимального давления, находится в самом узком месте диффузора, именно там и располагают трубку распылителя. При любом другом положении цилиндрического золотника происходит не плавное изменение сечения диффузора, а ступенчатое. Сначала сечение скачком уменьшается наружным краем золотника, потом оно снова расширяется в полости самого золотника, и затем следует вторичное уменьшение сечения уже внутренним краем золотника. Точно также изменяется и давление: сначала оно уменьшается, потом снова растет, а затем уменьшается вторично. Очевидно, что при этом зона минимального давления в диффузоре как бы раздваивается, и отходит в разные стороны от распылителя, а это приводит к тому, что эффективность захвата топлива воздушным потоком ухудшается, и достаточное истекание топлива из распылителя может осуществляться только при избыточном давлении в топливном баке.
Если бы удалось разделить единый топливный канал на несколько, для каждого режима работы... Вспомните любой карбюратор от мотоцикла - сколько там каналов и отверстий (я уж не говорю про автомобильные карбюраторы "Solex" или "Keihin")!
Конечно, не реально повторить конструкцию современного автомобильного или мотоциклетного карбюратора, но основные принципы их работы и определенные конструктивные решения позаимствовать можно. В первую очередь, разделение топливной системы на две - на главную топливную систему, и на систему холостого хода.
Несколько лет назад 10-кубовый двигатель O.S.Max.61 RX-HGL серии "C" был оснащен новым карбюратором, позволяющим регулировать состав смеси отдельно для минимальных, средних и максимальных оборотов. Этот карбюратор имеет довольно сложную, "не повторябельную" конструкцию. У него несколько сопряженных цилиндрических поверхностей с калиброванными отверстиями и профильными каналами переменных сечений, которые обеспечивают герметичность топливного тракта и дозирование топлива при повороте золотника. Диаметр диффузора у этого карбюратора равен 10 мм, что соответствует проходному сечению 78,5 кв.мм! При этом в диффузоре расположен только короткий распылитель длиной 5, и диаметром около 2,5 миллиметров. Карбюратор оснащен главной иглой и иглой малого газа, а кроме того, регулировочным винтом, позволяющим настроить пропускную способность топливного тракта для режима средних оборотов. Стандартный O.S.Max.61, оснащенный этим карбюратором сразу добавляет пару тысяч оборотов и почти "пол-лошади" мощности. Настройка карбюратора достаточно сложна, но двигатель с ним имеет хорошую динамику, и очень неплохо работает на всех режимах... кроме самых малых! Причина? - опять же, неоптимальное расположение распылителя при значительном закрытии дроссельной заслонки.
Принцип работы системы холостого хода
Само собой напрашивается решение, широко применяемое в авто- и мотокарбюраторах: добавить в радиокарбюратор для микродвигателя еще один, дополнительный распылитель, специально для режима малого газа (будем называть это системой холостого хода). При этом роль такого распылителя может играть калиброванное отверстие в стенке диффузора, если расположить его в области минимального давления, возникающей при закрывании заслонки.
В режимах большого и среднего газа количество топлива в смеси будет регулироваться как обычно, с помощью главной иглы и подвижным топливным золотником, связанным с воздушной заслонкой, а на малых оборотах, при почти полностью закрытой заслонке, начнет работать вторая дозирующая система с отдельной иглой, регулирующей подачу топлива только в режиме малого газа. Пропускная способность системы холостого хода не окажет существенного влияния на работу двигателя при максимальных открытиях дроссельной заслонки, но положительно повлияет на динамику двигателя в переходных режимах, уменьшая суммарную инерционность топливных струй.
В целом, регулировка состава смеси на разных режимах в таком карбюраторе будет осуществляться так: при минимальном открытии заслонки (примерно от 1/8 до 1/6 хода) работает только дозирующая система холостого хода. При средних открытиях (от 1/6 до 1/4 хода заслонки) количество топлива в смеси определяют система холостого хода и дозирующий золотник, связанный с дроссельной заслонкой, потом (от 1/4 до 3/4 хода заслонки) работает в основном золотник переменного сечения, связанный с дроссельной заслонкой. А при максимальном открытии дросселя (от 3/4 до полного открытия) качество смеси задается только главной иглой, а система холостого хода, из-за малых проходных сечений уже практически не оказывает влияние на режим работы мотора.
 
Мой карбюратор в сборе и "по частям"
В прошлом году я сделал и испытал карбюратор, в основу которого были заложены принципы дозирования топлива на различных режимах, описанные выше.
Отличие моей конструкции от известных мне карбюраторов состоит именно в том, что у нее имеется независимая дозирующая система холостого хода с боковым распылителем, и главная система питания с центральнорасположенным распылителем, две иглы для раздельной регулировки состава смеси на минимальных и максимальных оборотах, и цилиндрический топливный золотник переменного сечения, регулирующий качество смеси на средних оборотов, аналогичный дозирующей системе, примененной в карбюраторе двигателя O.S.Max.61 RX-HGL серии "C". К достоинству моего карбюратора можно отнести и то, что при диаметре цилиндрического золотника 16 мм, диффузор имеет диаметр 10 мм, его сечение равно 78,5 кв.мм (чего вполне достаточно для пилотажных и вертолетных двигателей объемом от 10 до 20 куб.см), а угол поворота золотника от положения "полный газ" до "заглушить двигатель" менее 75 градусов. Кроме того, конструкция получилась очень компактной, не имеет сильно выступающих частей и деталей, и что самое главное - относительно проста в изготовлении, т.к. практически не требует выполнения особо точных и фрезерных работ - все детали и части можно выточить на обычном токарном станке с применением минимума оснастки и приспособлений.
Подача топлива под давлением несколько меняет условия смесеобразование и режимы настройки карбюратора. В обычном пульверизационном карбюраторе количество топлива, вытекающего из распылителя за единицу времени, определяется двумя факторами - пропускной способностью жиклера (его сечением, которое задается топливной иглой) и величиной разряжения в диффузоре, которое, в свою очередь зависит от оборотов двигателя. Очевидно, что при увеличении разряжения в диффузоре, точнее - при увеличении разницы давлений в топливном баке и в диффузоре, возрастает и скорость истечения топлива через распылитель. Так как при увеличении оборотов двигателя увеличивается скорость воздушного потока через карбюратор, то это приводит к уменьшению давления в смесительной камере, что вызывает соответствующее увеличение скорости истекания топлива. Происходит некоторое авторегулирование состава топливной смеси: увеличение расхода воздуха вызывает увеличение расхода топлива. Правда, этого авторегулирования далеко не достаточно для поддержания неизменного качества смеси в широком диапазоне оборотов. Тем не менее, этот фактор оказывает существенное влияние на работу карбюратора, и это влияние может быть как положительным, так и отрицательным.
Если подача топлива в карбюратор осуществляется под избыточным давлением, то зависимость объема вытекающего из распылителя топлива за единицу времени начинает зависеть от величины этого давления в большей мере, чем от величины разряжения в диффузоре. Но в случае наддува в топливный бак из глушителя, давление наддува также в некоторой степени зависит от оборотов двигателя. А вот при подаче топлива помпой, давление на входе в жиклер практически не изменяется, так как большинство топливных помп, или специальные карбюраторы, предназначенные для работы с помпой, имеют обратный клапан, поддерживающий это давление на неизменном уровне. Кстати, абсолютная величина этого давления практически не оказывает влияния на режим работы отрегулированного карбюратора, если она не изменяется в течение времени.
Системы инжекторного впрыска топлива. Обзор систем питания модельных двигателей будет неполным, если не рассказать про инжекторы - новые электронно-механические системы подачи топлива во впускной тракт двигателя (непосредственный впрыск топлива в камеру сгорания на модельных двигателях еще не применяется).
Подобные системы уже много лет применяются в "большом" автомобильном двигателестроении, где карбюраторы давно считаются если не атавизмом, то "вчерашним днем". В основе таких устройств лежит принцип дозированного впрыскивания топлива во впускной патрубок или непосредственно в цилиндр двигателя во время фазы всасывания. При этом электронная часть устройства, управляющая впрыскивающей форсункой, автоматически регулирует количество впрыскиваемого топлива в зависимости от оборотов коленвала двигателя, угла открытия дроссельной заслонки, температуры двигателя и окружающего воздуха, и ряда других внешних и внутренних параметров. Правильно написанная программа для микроконтроллера, управляющего работой всей системы, позволяет очень точно регулировать качество горючей смеси, приготавливаемой инжектором на любых режимах работы двигателя.
Описываемые устройства довольно сложны, как с точки зрения электроники, так и с точки зрения механики - микроминиатюрная форсунка, которая дозирует топливо, представляет собой электромагнитный клапан, который должен не только работать с высокой скоростью (до 200-300 открываний в секунду), но и с большой точностью отслеживать задаваемое микроконтроллером время нахождения в открытом состоянии (это время должно выдерживаться с точностью не хуже 30-50 микросекунд). При этом форсунка выполняет роль не только дозатора, но и распылителя. Топливо на выходе форсунки распыляется на мельчайшие капли, практически превращаясь в туманную взвесь, это улучшает ее воспламенение, и приводит к полному сгоранию, увеличивая мощность мотора.
В прошлом году японская фирма O.S.Max заявила о выпуске в продажу двухтактного калильного двигателя 1.4 RX-FI с инжекторной системой подачи топлива.
Модельный двигатель O.S.Max
с инжекторной системой подачи топлива
К сожалению, по отзывам ряда спортсменов, эксплуатирующих этот двигатель, система не достаточно стабильно работает при разных погодных условиях. Несомненно, со временем все недостатки в алгоритме работы этого инжектора будут устранены, но учитывая очень высокую стоимость устройства, превышающую стоимость самого двигателя, не приходится рассчитывать на ее широкое распространение в ближайшее время.
На этом, пожалуй, можно закончить эту обзорно-ознакомительную статью. Вопросы текущего обслуживания и ремонта, также как и вопросы по доводке и форсированию стандартных двигателей, заслуживают отдельного рассмотрения.
В настоящее время статья на эту тему находится в черновой работе, и возможно, в скором будущем появится на сайте.
И.В. Карпунин (aka Glider)
Обсудить на форуме
|
