化油器原理剖析与技术演进研究

直至光明 · 发表于 2025-5-6 09:51:29

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化油器原理剖析与技术演进研究

摘要

化油器作为内燃机燃油供给系统的核心部件，在汽车等动力设备发展历程中扮演了重要角色。本文深入阐述化油器的结构组成、工作原理、不同工况下的运行机制，分析其特性及局限性，并探讨在技术进步背景下的发展趋势与替代情况。通过研究化油器，有助于深入理解内燃机燃油供给系统的发展脉络和工作机理。

关键词

化油器；工作原理；内燃机；燃油供给

一、引言

化油器是在内燃机发展早期出现并得到广泛应用的燃油供给装置，其工作原理基于精密的机械结构和流体力学原理，能够将燃油与空气按适当比例混合，为发动机提供可燃混合气，以满足不同工况下的动力需求。尽管随着电子技术和排放法规的日益严格，化油器逐渐被电子燃油喷射系统等先进技术取代，但研究化油器的原理和技术对于了解内燃机的发展历程、掌握燃油供给系统的基础理论仍具有重要意义。

二、化油器的结构组成

化油器主要由浮子机构、节气门与喉管、喷油装置以及怠速与补偿系统等部分组成。

2.1 浮子机构

浮子机构包含浮子、浮子室和针阀（图1）。浮子室是一个矩形容器，用于储存来自汽油泵的汽油。浮子利用浮力漂浮在油面上，通过连接的针阀控制进油量。当浮子室油面下降时，浮子随之下降，针阀打开，汽油流入浮子室；当油面上升到一定高度，浮子上升使针阀关闭，停止进油，从而保持浮子室油面高度稳定，确保燃油能够持续、稳定地供应给化油器的其他部件。
浮子机构示意图

2.2 节气门与喉管

喉管是化油器的关键部件之一，呈蜂腰状，两头大中间小（图2）。当空气流经喉管时，由于截面积突然收缩，根据伯努利原理，空气流速加快，压力降低，形成真空度。节气门位于喉管后方，是一个可调节的阀门，通常为转动式圆盘或升降式板形结构，通过改变其开度来控制进气量。驾驶员通过油门踏板控制节气门开度，进而调节进入发动机的空气量，影响发动机的功率和转速。
节气门与喉管示意图

2.3 喷油装置（主喷油嘴）

喷油装置主要由主喷油嘴和主量孔组成（图3）。主量孔用于限制燃油流量，燃油从浮子室经主量孔流入主喷管。在喉管真空度的作用下，燃油从主喷管喷出，被高速流动的空气冲散，形成细小的雾状颗粒，与空气混合形成可燃混合气。主喷油嘴的设计和主量孔的大小对混合气的浓度和雾化效果有重要影响。
喷油装置示意图

2.4 怠速与补偿系统

怠速系统在发动机怠速运行时工作，此时节气门接近关闭，喉管真空度低，怠速喷口位于节气门后方的高真空区，燃油经怠速量孔和怠速喷口喷出，与少量空气混合形成浓混合气，维持发动机稳定的最低转速。补偿系统包括加浓装置和加速泵等。加浓装置在发动机大负荷时额外供油，弥补主供油的不足，使混合气变浓，以满足发动机高功率需求；加速泵在节气门急开时，快速喷出额外燃油，防止混合气瞬间过稀，确保发动机转速和功率能够迅速提升。

三、化油器工作原理

化油器的工作基于伯努利原理和真空度虹吸效应，其核心过程包括进气、燃油雾化与混合以及不同工况下的混合气调节。

3.1 进气过程

发动机工作时，活塞下行产生吸力，空气经空气滤清器进入化油器（图4）。在化油器内，空气首先经过进气口，然后进入喉管。随着活塞的不断运动，空气持续被吸入，为燃油的混合和燃烧提供必要条件。
进气过程示意图

3.2 燃油雾化与混合

在进气过程中，当空气流经喉管时，由于喉管的收缩作用，空气流速增大，压力降低，形成真空度。浮子室中的燃油在喉管真空度与浮子室压力差的作用下，从主喷管喷出（图5）。高速流动的空气将喷出的燃油冲散成细小的雾状颗粒，实现燃油的雾化。雾化后的燃油与空气充分混合，形成可燃混合气，经节气门、进气管道和进气门进入气缸燃烧室。混合气的浓度主要由主量孔的燃油流量和喉管处的真空度决定，通过两者的匹配来满足发动机不同工况的需求。
燃油雾化与混合示意图

3.3 典型工况分析

3.3.1 怠速工况

怠速时，节气门接近关闭，进气量少，喉管真空度低（图6）。此时，主喷油系统几乎不工作，怠速喷口位于节气门后方的高真空区。燃油经怠速量孔和怠速喷口喷出，与少量空气混合形成浓混合气，以维持发动机稳定的最低转速。怠速系统通常设有怠速油量调整螺钉和节气门开度调整螺钉，可对怠速混合气浓度和发动机转速进行调节。
怠速工况示意图

3.3.2 中等负荷工况

在中等负荷工况下，节气门开度适中，进气量增加，喉管真空度升高（图7）。主喷油系统开始工作，成为主要的供油装置，怠速系统停止工作。随着节气门开度的增大，混合气浓度逐渐变稀，以满足发动机在中等负荷下的经济性要求。此时，混合气的浓度主要由主量孔和喉管真空度共同调节，以保证发动机的稳定运行和良好的燃油经济性。
中等负荷工况示意图

3.3.3 全负荷工况

全负荷时，节气门全开，进气量最大，喉管真空度达到最大值（图8）。为了满足发动机高功率输出的需求，混合气需要变浓。此时，加浓装置（如机械省油器、真空省油器）开始工作，额外供油，使混合气浓度增加，从而提升发动机的输出功率。加浓装置的工作原理是通过机械或真空控制的阀门，打开额外的燃油通道，增加燃油供给量。
全负荷工况示意图

3.3.4 加速工况

当节气门急开时，进气量迅速增加，但燃油由于惯性和流动阻力，其流量不能立即相应增加，容易导致混合气瞬间过稀（图9）。为了避免这种情况，加速泵开始工作。加速泵通常由节气门通过拉杆和弹簧驱动，当节气门急开时，加速泵活塞迅速运动，将燃油从加速喷口喷出，补充额外的燃油，使混合气变浓，确保发动机转速和功率能够迅速提升，满足加速需求。
加速工况示意图

四、化油器的特性与局限性

4.1 主要优点

化油器具有结构简单、成本低的优点。其主要由机械部件组成，制造工艺相对简单，不需要复杂的电子控制系统，因此成本较低，这使得在早期汽车和一些对成本敏感的小型动力设备中得到广泛应用。同时，化油器对燃油品质的要求相对较低，能够适应不同质量的燃油，在燃油供应条件相对较差的地区也能正常工作。此外，化油器的维护相对方便，机械结构便于维修人员进行拆解、清洗和调整，维修成本较低。

4.2 显著缺陷

化油器的混合气控制精度较低。它主要依赖机械结构和真空度的被动调节，难以精确匹配发动机在各种复杂工况下对混合气浓度的要求。例如，在冷启动、快速加速、高速行驶等工况下，化油器难以快速、准确地调整混合气浓度，导致燃油经济性差，排放污染严重，难以满足日益严格的环保法规要求。化油器的响应滞后问题也较为突出。由于其机械联动部件存在惯性，在节气门开度变化时，混合气浓度的调整存在延迟，影响发动机的动力输出平顺性，特别是在加速和减速过程中，会导致车辆的驾驶性能下降。此外，化油器在冷启动时存在困难。在低温环境下，燃油雾化效果变差，需要手动调节阻风门来增加混合气浓度，操作较为不便，且启动过程中容易出现发动机抖动、熄火等问题。

五、化油器的技术发展与替代

随着电子技术的飞速发展和排放法规的日益严格，化油器逐渐被电子燃油喷射系统（EFI）所取代。电子燃油喷射系统通过各种传感器实时监测发动机的工况参数，如转速、进气量、水温、油温等，并将这些信号传输给电子控制单元（ECU）。ECU根据预设的程序和算法，精确计算出所需的燃油喷射量和喷射时刻，通过喷油嘴将燃油直接喷射到进气歧管或气缸内，实现了混合气浓度的动态精准调节。与化油器相比，电子燃油喷射系统具有燃油经济性好、排放污染低、动力性能强、响应速度快等优点，能够更好地满足现代汽车对性能和环保的要求。尽管化油器在汽车领域已基本被淘汰，但在一些小型通用机械，如摩托车、割草机、小型发电机等设备中，由于其成本低、结构简单等特点，仍有少量应用。不过，随着技术的不断进步，这些领域也在逐渐向电子燃油喷射技术过渡。

六、结论

化油器作为内燃机燃油供给系统发展历程中的重要部件，其基于流体力学原理的巧妙设计为发动机可燃混合气的供给提供了机械解决方案。通过对化油器结构组成、工作原理、工况特性以及局限性的分析，我们深入了解了其在不同条件下的工作机制。虽然化油器因技术瓶颈逐渐被电子燃油喷射系统等先进技术所替代，但它在汽车和动力设备发展史上留下了重要的印记，其原理仍然是理解燃油供给系统发展和内燃机工作理论的基础。研究化油器不仅有助于我们回顾历史，更能为我们理解现代燃油喷射技术的演进和创新提供启示。

参考文献

相关的汽车工程教材、学术论文等