Регистрация Войти
Вопрос

В карбюраторе поддерживается постоянный массовый расход топлива, постоянный объёмный расход жидкости или постоянный расход по количеству молекул?

У меня есть генератор с карбюратором. Кажется, он расходует немного больше топлива, чем я ожидал: 0,44 литра в час при мощности 386 ватт, или 1,14 литра на киловатт-час. Кроме того, выхлопные газы раздражают меня больше, чем я ожидал от 4-тактного двигателя.


Одним из факторов, который может влиять на расход топлива и выхлопные газы, является тип используемого бензина. Я понимаю, что сегодня почти во всех регионах планеты используется бензин E10 (10 % этанола, 90 % ископаемого топлива). Однако я не использую его, как и бензин E0. Я использую «бензин для малолитражных двигателей», который состоит только из углеводородов с короткой цепью и не содержит ароматических углеводородов. Бензин для малолитражных двигателей был специально разработан таким образом, чтобы сохранять свои свойства в течение 3–5 лет при хранении, не засорять карбюраторы даже при длительном хранении и полностью испаряться, не оставляя следов.


Бензин для малолитражных двигателей немного отличается по своим свойствам от обычного бензина:



  • 95 E0 без кислорода: 32,7 МДж/л, 755 кг/м3, H/C 1,78

  • 95 E10: 31,1 МДж/л, 743 кг/м3, H/C 1,89; 3,2 % O

  • Бензин для малолитражных двигателей: 30,8 МДж/л, 685 кг/м3, H/C 2,17


Я пытаюсь понять, как работает карбюратор. Если у меня есть карбюратор и через него проходит один кубический метр воздуха, то он захватывает некоторое количество топлива. Я понимаю, что топливо находится в жидком состоянии, поэтому карбюратор всасывает не испаряющийся газ, а жидкость, которая образует капли и испаряется в цилиндре.


Но как определяется количество топлива, поступающего в карбюратор?


Выбирает ли он определенный объем жидкого топлива, например, всегда один литр топлива на один кубический метр воздуха (это просто пример, а не указание на правильное соотношение воздуха и топлива)?


Или он выбирает определённую массу жидкого топлива, например, всегда один килограмм топлива на один кубический метр воздуха?


Или он выбирает определённое количество молекул топлива, например 4*1024 молекул на один кубический метр воздуха?


Конечно, давление воздуха влияет на работу карбюратора, поэтому давайте предположим, что высота над уровнем моря фиксирована, а положение воздушной заслонки не меняется.


Я быстро подсчитал, что для сжигания одного литра как 95 E10, так и бензина для малолитражных двигателей требуется почти одинаковое количество атомов кислорода (разница всего в 0,5 %), но для сжигания одного килограмма бензина для малолитражных двигателей требуется на 8 % больше атомов кислорода, чем для сжигания одного килограмма 95 E10. Таким образом, если карбюратор «набирает килограммы», а не «набирает литры», то, возможно, он неправильно настроен для бензина с низким октановым числом, что может объяснить неприятный выхлоп и немного более высокий расход топлива, чем я ожидал (однако немного более высокий расход топлива можно объяснить тем, что у бензина с низким октановым числом на 6 % ниже энергетическая плотность по сравнению с бескислородным 95 E0. Возможно, производитель указал расход топлива для бескислородного 95 E0).
Авто и транспорт

Перевод вопроса с Mechanics Stack Exchange
Лицензия: CC BY-SA (2.5–4.0)
Оригинальный вопрос: https://mechanics.stackexchange.com/questions/88852/does-a-carburetor-have-constant-fuel-mass-flow-constant-liquid-volume-flow-or
1
+ Читать

6 Комментариев

  1. Я изучил математические аспекты работы карбюраторов и обнаружил несколько интересных особенностей.


    Простой карбюратор состоит в основном из следующих компонентов, начиная со стороны воздушного фильтра (1) и заканчивая стороной клапана двигателя (4):



    1. Дроссельная заслонка. Она используется для создания отрицательного давления в основной жиклере при холодном двигателе, так как при низких температурах топливо плохо испаряется и требуется больше топлива.

    2. Тонкое горло, в котором находится основная топливная форсунка. Основная топливная форсунка — это просто небольшая трубка для подачи топлива, которая заканчивается соплом, распыляющим топливо в воздушном потоке.

    3. Дроссельная заслонка. Это механизм, ограничивающий подачу воздуха в двигатель.

    4. Форсунка холостого хода. Она расположена после дроссельной заслонки, поэтому работает за счёт большого отрицательного давления, создаваемого при дросселировании двигателя. Её задача — подавать достаточное количество топлива при дросселировании двигателя (позже я объясню, зачем это нужно).


    Основным уравнением, объясняющим работу карбюратора, является принцип Бернулли. Если использовать его интересные части, то отрицательное давление воздушного потока будет пропорционально плотности воздуха * скорости воздуха2. Это объясняет, почему у карбюратора узкое горло. Благодаря узкому горлу скорость воздуха увеличивается до большого значения, чтобы обеспечить достаточный приток воздуха. Это значительно увеличивает отрицательное давление воздушного потока.


    Однако обратите внимание, что отрицательное давление пропорционально скорости воздуха в квадрате. С этим связаны две проблемы:



    1. Если двигатель работает на низких оборотах, но при полностью открытой дроссельной заслонке, то расход воздуха будет ниже, чем при высоких оборотах, а вторая зависимость мощности означает, что двигатель получает гораздо меньше топлива, чем ему необходимо. Таким образом, можно ожидать, что карбюраторный двигатель будет работать на бедной смеси при низких оборотах и на богатой смеси при высоких оборотах, когда дроссельная заслонка полностью открыта.

    2. Если двигатель работает на холостом ходу, поток воздуха заметно сокращается. Это настолько снижает отрицательное давление, что в двигатель практически не поступает топливо. На самом деле топлива может быть так мало, что двигатель не будет работать без холостого хода. Чтобы решить эту проблему, необходим холостой ход. Он работает не за счёт отрицательного давления воздушного потока, а за счёт отрицательного давления, возникающего при работе двигателя на холостом ходу.


    Эти две жиклёры, главный жиклёр и жиклёр холостого хода, обеспечивают довольно неточное соотношение воздуха и топлива. Нельзя ожидать, что в карбюраторном двигателе соотношение воздуха и топлива будет таким же точным, как в двигателе с впрыском топлива. Неудивительно, что в современных автомобилях используется впрыск топлива!


    Хорошо, теперь мы знаем, что отрицательное давление пропорционально квадрату расхода воздуха и что для устранения проблем, возникающих при дросселировании двигателя, используется дополнительная холостая форсунка. Но как расход топлива связан с отрицательным давлением?


    Мы можем использовать уравнение Дарси-Вейсбаха. Согласно ему,


    pressure/length = friction_factor * fuel_density/2 * fuel_velocity^2 / hydraulic_diameter

    На первый взгляд может показаться, что квадрат расхода топлива пропорционален давлению (которое пропорционально квадрату расхода воздуха), поэтому два квадрата взаимно уничтожаются. Однако это не так! Мы знаем плотность топлива, длину струи, давление (согласно принципу Бернулли) и гидравлический диаметр сопла. Но мы не знаем коэффициент трения. Давайте сначала рассмотрим его.


    В ламинарном режиме (вероятно, в таком режиме работает большинство карбюраторов) коэффициент трения составляет:


    friction_factor = 64/reynolds_number

    А число Рейнольдса равно:


    reynolds_number = fuel_velocity*characteristic_linear_dimension / kinematic_viscosity
    
  = fuel_velocity*characteristic_linear_dimension*fuel_density / dynamic_viscosity

    В данном случае характерный линейный размер описывает размер сопла (и совпадает с гидравлическим диаметром, если сопло круглое). Таким образом, число Рейнольдса пропорционально скорости топлива, а это значит, что коэффициент трения Дарси обратно пропорционален скорости топлива, и это превращает скорость топлива в конечной формуле из квадратичной зависимости в линейную.


    Таким образом, давление (пропорциональное квадрату расхода воздуха) пропорционально расходу топлива (без квадрата). В два раза больше воздуха — в четыре раза больше топлива, если только увеличение расхода воздуха не вызвано уменьшением дроссельной заслонки (в этом случае расход топлива на холостом ходу уменьшается).


    Ещё одно интересное наблюдение: на расход топлива влияет его вязкость. У разных видов топлива разная вязкость.


    Если подставить в формулу число Рейнольдса в виде динамической вязкости, то получится, что плотность топлива сокращается, а скорость топлива зависит от характеристик сопла и динамической вязкости. Таким образом, динамическая вязкость определяет объёмный расход.


    Если подставить в формулу кинематическую вязкость в виде числа Рейнольдса, то получится, что плотность топлива не сокращается и массовый расход топлива (плотность, умноженная на скорость) зависит от характеристик сопла и кинематической вязкости.


    Итак, ответ на главный вопрос, который я задал, таков:



    1. Если у двух видов топлива одинаковая динамическая вязкость, то их объёмный расход одинаков

    2. Если два вида топлива имеют одинаковую кинематическую вязкость, то их массовый расход будет одинаковым

    3. Если у вас есть два вида топлива с разной вязкостью, вы ничего не сможете сказать об их относительной текучести, не зная их вязкости.


    Очевидно, что вязкость также зависит от температуры, а двигатели с воздушным охлаждением обычно не имеют стабильной температуры.


    Алкилированное топливо, которое я использовал, представляет собой почти чистый изооктан, получаемый на установках алкилирования на нефтеперерабатывающих заводах (на самом деле его исследовательский октановый рейтинг составляет 98). Если вы знаете, как определяется октановый рейтинг, то изооктан — это «хороший материал» (октановый рейтинг 100), а н-гептан — «плохой материал» (октановый рейтинг 0). Согласно https://www.chemiway.co.jp/en/product/data/i_data01.html, динамическая вязкость изооктана составляет 0,503 сП при температуре 20 градусов Цельсия.


    Для обычного бензина я нашёл несколько источников (для температуры 20 градусов по Цельсию):



    Таким образом, можно сделать вывод, что вязкость бензина может сильно варьироваться.


    Вероятно, производитель малолитражных двигателей решил откалибровать подачу топлива таким образом, чтобы во всех вариантах с бензиновым двигателем (с вязкостью 0,4–0,6 сП) подача топлива была достаточной для достижения максимальной мощности, на которую способен двигатель. Если кто-то купит генератор мощностью 1900 Вт и обнаружит, что он способен выдавать только 1600 Вт при использовании определённого типа бензина, владелец будет недоволен. Таким образом, производитель, скорее всего, делает более густую смесь, если вязкость составляет менее 0,6 сП.


    Вязкость изооктанового/алкилированного бензина составляет 0,503 сП, что примерно соответствует середине диапазона вязкости бензина. Таким образом, ожидается, что смесь будет немного обогащённой, поскольку в некоторых случаях вязкость обычного бензина может быть немного выше.


    Кроме того, зная, что вязкость влияет на подачу топлива, мы можем объяснить, почему карбюраторные двигатели так чувствительны к несвежему бензину. Несвежий бензин имеет более высокую вязкость, поэтому он плохо поступает в двигатель, что приводит к различным проблемам в работе. С другой стороны, двигатель с системой впрыска топлива просто видит по показаниям кислородного датчика, что топливо поступает не очень хорошо, и автоматически компенсирует это, открывая форсунки на более длительное время.


    Редактировать: в одном из ответов было предложено использовать принцип Бернулли и для потока топлива (mass_flow = area * square root of (2 * density * pressure difference)). Давайте разберёмся.


    Вот программа на GNU Octave / Matlab, которая определяет, что больше: отрицательное давление по Бернулли или потеря вязкости топлива.


    % Parameters begin here
    
rho = 735 % gasoline density in kg/m^3
    
mu_cP = 0.6 % gasoline viscosity in cP
    
fuel_line_diameter = 0.6e-3 % fuel jet diameter in meters
    
fuel_line_length = 20e-3 % fuel jet length in meters
    
fuel_liters_per_hour = 1.5 % how many liters per hour gas the engine uses
    

    
% Code begins here
    
kinvisc = mu_cP*1e-3/rho
    
v = fuel_liters_per_hour*1e-3/3600/(pi*(fuel_line_diameter/2)^2)
    
Re = v*fuel_line_diameter/kinvisc
    
if Re > 2300
    
    error("Flow no longer perfectly laminar")
    
end
    
f_D = 64/Re
    
p_viscosity = fuel_line_length * f_D * rho/2 * v^2/fuel_line_diameter
    
p_flow = 0.5*rho*v^2

    При плотности бензина 735 кг/м3, вязкости бензина 0,6 сП, расходе топлива 1,5 литра в час и длине топливной струи 20 мм, независимо от диаметра топливной струи, потеря давления из-за вязкости примерно в два раза больше, чем потеря давления из-за закона Бернулли. Диаметр топливной струи вообще не влияет на это соотношение, он влияет только на отрицательное давление, которое должно создаваться в горловине карбюратора.


    Для этого потребуется топливная форсунка длиной 10 мм (короче, чем я предполагал, — 20 мм) или расход топлива 3,0 литра в час (невероятно высокий для этого двигателя, примерно в два раза больше, чем он может потреблять), или вязкость 0,3 сП (очень низкая для бензина, хотя при нагреве бензобака это может быть реальным показателем), чтобы потери давления по закону Бернулли были такими же значительными, как и потери давления из-за вязкости.


    Таким образом, получается, что основным уравнением, определяющим расход топлива, является уравнение для вязкого потока в трубе, а не принцип Бернулли, применяемый к расходу топлива (однако вы по-прежнему применяете принцип Бернулли к воздушному потоку).

  1. Это не постоянная масса и не постоянный объём, а нечто более сложное. Для идеальной свободной струи массовый расход равен площади, умноженной на квадратный корень из (2 * плотность * перепад давления). Таким образом, более высокая плотность увеличивает массовый расход и уменьшает объёмный расход, причём оба показателя уменьшаются на квадратный корень из (новая плотность / старая плотность)


    А если потеря давления во внутренних каналах форсунки значительна, то вязкость топлива тоже может повлиять на ситуацию


    Так что на самом деле корректировка на основе математических расчётов вам здесь мало чем поможет. Просто вносите изменения, пока блюдо не станет менее жирным или более постным

  1. Карбюраторы в основном работают по принципу аспирации: воздух проходит через трубку Вентури и всасывает определённое количество бензина в зависимости от скорости потока воздуха. Дьявол кроется в деталях. Есть главное отверстие, которое регулирует подачу бензина в трубку Вентури. Кроме того, уровень поплавка определяет давление бензина. Для низких оборотов (низкой скорости потока воздуха) предусмотрена отдельная система холостого хода. В автомобильных карбюраторах, скорее всего, есть система, которая регулирует подачу бензина в зависимости от разрежения во впускном коллекторе. Я безуспешно пытался внести изменения. Думаю, лучшее, что вы можете сделать, — это убедиться, что система работает должным образом и в ней нет ограниченных проходов. Там много деталей, так что дьяволу есть чем заняться.
  1. Примечание: в тот день, когда я использовал генератор, атмосферное давление составляло 1021,5 мбар. Из-за погодных условий на этой высоте атмосферное давление может достигать 1048 мбар. Я понимаю, что чем ниже давление, тем богаче смесь (именно это и делает дроссельная заслонка), поэтому, возможно, генератор настроен на максимальную мощность даже при давлении 1048 мбар, то есть при давлении 1021,5 мбар смесь будет на 2,5 % богаче.

  1. В идеале карбюратор должен захватывать достаточное количество топлива, чтобы в итоге получилось почти идеальное стехиометрическое соотношение воздуха и газа. Для E10 стехиометрическое соотношение составляет примерно 14,1:1. 14,1 килограмма воздуха на 1 килограмм топлива. Обратите внимание, что по массе топлива или воздуха можно вычислить количество молекул.


    https://en.wikipedia.org/wiki/Соотношение_воздуха_и_топлива


    Мне понравилась эта дискуссия, в ходе которой была составлена краткая таблица стехиометрических соотношений воздуха и топлива:


    https://www.jalopyjournal.com/forum/threads/afr-and-e10.1052108/


    введите описание изображения здесь


    Карбюраторы, особенно карбюраторы для малолитражных двигателей, не отличаются высокой точностью. Кроме того, в малолитражных двигателях из-за их простой конструкции чаще происходит неполное сгорание топлива.


    Одна из проблем, связанных с измерением объёма, заключается в том, что объёмная плотность топлива меняется в зависимости от температуры. В жаркий день в одном литре бензина будет меньше молекул, меньше молей бензина, чем в холодный день. Поэтому на современных реактивных самолётах отображается количество фунтов топлива, а не галлонов.


    https://blog.aopa.org/aopa/2017/07/19/get-ready-to-use-pounds-not-gallons-by-chip-wright/


    Количество воздуха, которое всасывает двигатель, зависит от температуры и давления. Как правило, в холодные дни при более высоком давлении можно получить больше мощности, потому что в двигатель поступает больше молекул воздуха. Закон Бойля, или закон идеального газа, объясняет это так:


    https://en.wikipedia.org/wiki/Закон_идеального_газа


    PV = нЗТ


    Давление * Объём = количество_молей * число_Рейнольдса * температура


    При полностью открытой дроссельной заслонке малолитражный двигатель должен расходовать 75 % или более своего рабочего объёма за два такта для четырёхтактного двигателя.


    https://hpwizard.com/volumetric-efficiency.html


    Зная атмосферное давление и температуру, можно рассчитать количество молей воздуха, которое поступает в камеру сгорания двигателя.


    Судя по вашему описанию, двигатель работает на обогащённой смеси, что приводит к повышенному расходу топлива и появлению дыма. Первым делом я бы установил чистый воздушный фильтр, заглушил двигатель и заменил главную жиклёрную трубку в карбюраторе, возможно, уменьшив её на один или два размера, если это возможно. За годы занятий мотокроссом я обнаружил, что маркировка жиклёров, указывающая на количество топлива, которое они должны подавать, может быть неверной. Я бы определил это, замерив количество топлива, которое жиклёр может пропустить через бюретку. Некоторые были хороши, некоторые — нет. Кроме того, если вы находитесь на большой высоте или при высокой температуре, вам нужно будет спуститься ниже.


    Было бы интересно взглянуть на технические характеристики вашего «бензина для малолитражных двигателей».
  1. Неэтилированный бензин / алкилированный бензин — это почти чистый изооктан. Таким образом, использование таблицы данных по изооктану является достаточно точным приближением.
Вы уже ответили на этот вопрос