Лед в карбюраторе: причины образования и методы борьбы

[Alxandr]

Началось с простого.

Обсуждаем с приятелем процедуру подготовки самолета к вылету. Я летаю на своем Пайпере пока что в Канаде, пилотская братия законопослушна и тупо выполняет все процедуры по чек - листу. Ну и я тоже, чтобы не выглядеть белой вороной 😉

Так вот в числе процедур "run-up" есть обязательная строчка: включить обогрев карбюратора на 2000 об/мин и убедиться в падении оборотов. И убедиться, что в  режиме холостого хода,  с обогревателем мотор не глохнет.
Что я и делаю после каждого выключения двигателя, как Отче наш.

А приятель мне и говорит - это еще зачем? Температура воздуха у тебя +30 С ! А он далеко не чайник - пилот и технарь.
Я не поленился и полез в учебник №1 для канадских частных пилотов "From the Ground Up" где на страницах 65...68 этот процесс описан в деталях, поскольку обледенение карбюратора в Канаде - причина номер один по части происшествий, связанных с вынужденной посадкой.

И там ясно сказано, что лед в карбюраторе образуется в интервале температур от -5 С до +30 С и влажности больше 50%. Наиболее вероятный интервал: +15...20 С и влажность более 80%. А это - в хорошую погоду чуть зацепить облако!

Россия и Канада по части климата - прямо скажем родные братья. И есть у меня смутное подозрение, что на самом деле причиной многих летных происшествий может быть как раз Carb icing.

Я потратил пару вечеров на ручной перевод этого раздела и имею намерение его выложить на форуме. Пусть даже это поможет хотя бы кому-нибудь одному избежать вынужденной посадки - буду считать, что время потрачено не зря.
Конечно, все это - прописные истины, но они ими и останутся, поскольку проверены опытом.

Переводный текст не аутентичен, но за суть отвечаю, как инженер и как пилот.

 

[Alxandr]

Лед в карбюраторе

В основных влажных атмосферных условиях, когда температура воздуха повсеместно  меняется от -5 до +30 градусов Цельсия, возникает возможность формирования льда в воздухо-топливо- подводящих системах. Это может создать серьезные проблемы для пилота, если он не предпринимает  действий, чтобы освободить карбюратор от этого льда, который постепенно перекрывает поток топлива в двигатель. Несомненным фактом является  то, что  именно лед  в карбюраторе является причиной  многих авиационных происшествий, и это, возможно, показывает, что многие пилоты, особенно недостаточно опытные, не уделяют достаточно внимания или недооценивают возникающую опасность от этих ледяных проблем.

Диаграмма  Фиг.25 показывает интервал температур и относительной влажности, при которых появляется лед в карбюраторе.

Появление льда в карбюраторе обычно проявляется  в потере мощности двигателя    (понижение давления во впускном коллекторе для ВИШ, или снижения оборотов пропеллера для винта фиксированного шага). В крайних ситуациях лед в карбюраторе может привести к полной остановке двигателя, если лед перекрыл входящий поток бензино-воздушной смеси.

Лед в карбюраторе формируется в результате двух разных процессов:  падения  температуры испаряющейся бензино-воздушной смеси, поскольку тепло для испарения мелкодисперсных капель бензина берется из потока проходящего через карбюратор воздуха;   и  охлаждения потока в результате попадания воздуха в зону пониженного давления в карбюраторе (в сечении трубки Вентури).
Жидкий бензин должен сначала испариться и смешаться с воздухом для того, чтобы иметь возможность гореть. Этот процесс происходит в карбюраторе. То тепло, которое требуется, чтобы превратить жидкий бензин в его пары, адсорбируется из воздуха, который  проходит через карбюратор во  впускной коллектор. Таким образом, карбюратор можно рассматривать в качестве миниатюрного холодильника-рефрижиратора, температура в смесительной камере  которого   падает на величину, доходящую до 30 градусов  по отношению к входящему воздуху. Если этот воздух содержит значительное количество влаги (а воздух, как правило, содержит определенное количество водяных паров), то процесс охлаждения приведет к тому, что эта влага конденсируется в виде капель воды, которые могут замерзнуть на различных внутренних поверхностях карбюратора, и особенно на подвижной заслонке-бабочке. Возможно образование этих обледенительных явлений, как было замечено практически, при температуре внешнего воздуха даже достигающей плюс  30 градусов Цельсия, при ясном небе и отсутствии признаков дождя! Минимальная относительная влажность, при которой уже может образоваться лед , составляет 50%, при этом опасность льдообразования увеличивается по мере увеличения влажности. Этот тип льдообразования называется  топливо-испарительный лед.

Когда  температура атмосферы ниже минус  5 градусов, опасность образования льда не так серьезна, так как количество водяных паров в воздухе при такой низкой температуре весьма мало.   Некоторое количество влаги, присутствующее в воздухе,   замерзнет на начальной стадии  и будет  проходить через впускную систему, не причиняя ей вреда.

Лед в карбюраторе также формируется в результате понижения давления в потоке , эта зона возникает в узком сечении трубки Вентури. Поток воздуха вокруг и поперек заслонки-бабочки , особенно когда она находится в частично закрытом состоянии, вызывает резкое понижение давления,  которое приводит к охлаждению бензино-воздушной смеси. Влага в этой зоне пониженного давления  замерзает и  накапливается на задней стороне заслонки-бабочки. Такой тип льдообразования называется  trottle ice (не смог подобрать подходящего русского слова). Появление даже небольшого количества льда на заслонке-бабочке может вызвать относительно значительное уменьшение воздушного потока и снижение мощности двигателя. Большое количество льда может заморозить заслонку в неподвижном положении. Температура, на которую понижается воздушный поток в этом случае, редко превышает 3 градуса Цельсия.

В двигателях, сконструированных таким образом, что бензино-воздушный поток  проходит через заслонку снизу вверх, как в случае с карбюраторами поплавкового типа,  оба этих  способа льдообразования имеют интегрирующий эффект и  складываются, увеличивая льдообразование.
В двигателях с системой впрыска топлива имеет место только второй эффект – trottle ice.  Льдообразование в этом случае, как показано выше, представляет значительно меньшую опасность, и не является проблемой, если температура выше 4 градусов Цельсия.

Существует еще и третий случай льдообразования в карбюраторе, который является результатом намерзания воды, представленной в атмосфере в виде снега, крупы или переохлажденной жидкой фазы. В этих условиях  лед намерзает на воздухозаборник, экран карбюратора или на другие его элементы. Этот тип льдообразования называется  «ударный лед».  (тоже не очень удачный перевод слова impact ice).

продолжение + рисунки следуют

 

[Alxandr]

Диаграмма Фиг. 25

 

[Alxandr]

Перевод обозначений:

serious icing - значительное обледенение с тяжелыми последствиями на любой мощности;

moderate icing - умеренное обледенение на круизной мощности или значительное обледенение при мощности на снижении;

serious icing - значительное обледенение при мощности на снижении;

light icing - легкое обледенение на круизной или на мощности на снижении.

Диагональ показывает граничное значение при 100% влажности - полет в тумане или облаках;

По горизонтали - температура окружающего воздуха;

По вертикали - температура точки росы.

 

[Alxandr]

Картинка с обмерзшим карбюратором.

Понятно и без перевода.

 

[Alxandr]

Предотвращение льдообразования в карбюраторе

Современные самолеты имеют встроенные системы, которые позволяют направлять нагретый воздух непосредственно в карбюратор. Карбюратор имеет управляющую панель, которая позволяет активировать этот процесс. Многие самолеты также снабжены датчиком измерения температуры бензино-воздушной смеси, который позволяет пилоту контролировать ее температуру.   Во время полета может потребоваться определенное количество  тепла для растапливания уже образовавшегося льда или  для  того, чтобы предотвратить его образование,  для этого температура воздуха в карбюраторе  должна все время поддерживаться в интервале  от 4 до 7 градусов Цельсия, что может быть достигнуто при использовании  системы обогрева карбюратора. Некоторые самолеты могут быть снабжены датчиком измерения температуры воздуха до того, как он попадет в карбюратор. В этом случае его температура должна поддерживаться на уровне 32 градусов Цельсия.

При взлете, однако, рычаг управления обогревом карбюратора должен находиться в положении «обогреватель отключен», поскольку полная мощность двигателя не может быть достигнута, если  обогрев карбюратора включен. Нагретый воздух имеет меньшую плотность, чем холодный. Держите температуру воздуха в карбюраторе во время предстартового опробования двигателя в безопасных параметрах, затем отключите подогрев во время взлета. Если вы подозреваете, что имеются условия для льдообразования, включите подогрев карбюратора немедленно после взлета. С момента, когда полная мощность двигателя не станет нужна для продолжения круизного полета, изменение режима подогрева карбюратора перестанут существенно влиять на характеристики двигателя во время полета (позволю себе не согласиться, как только я включаю подогрев на любом режиме, обороты падают на 150-200!). Излишнее использование подогрева карбюратора, тем не менее, следует избегать, если нет условий для льдообразования, так как увеличивается вероятность возникновения детонации двигателя.

Возможность льдообразования во время полета (если самолет не оборудован датчиком измерения температуры воздушного потока в карбюраторе), проверяется путем кратковременного включения обогрева карбюратора. Если льда нет, то мы будем наблюдать падение давления во впускном коллекторе для ВИШ, или падение оборотов двигателя для пропеллера фиксированного шага. Если имеется сформированный в карбюраторе лед, то полное включение подогрева начнет растапливать лед и позволит вернуться оборотам к первоначальному значению. Но в начальный момент мы можем наблюдать потерю мощности двигателя и его неустойчивую (жесткую) работу, поскольку вода от растапливаемого льда  нарушит плавную работу двигателя. Как только весь лед  растает и двигатель прогонит через себя воду, его нормальный режим работы восстановится. Это может происходить в течение минуты или около того. Необходимо, чтобы пилот понимал, какой процесс при этом происходит,  и не боялся использовать обогрев карбюратора, чтобы избежать ухудшения ситуации. Не использование подогрева карбюратора в таких обстоятельствах может привести к полной потере мощности двигателя.

продолжение следует

 

[Alxandr]

Ну а это картинка теплообменника.

Приходилось встречать ошибочное мнение даже от относительно опытных пилотов, которые полагали, что подогрев происходит путем отбора части горячих выхлопных газов и направления их в карбюратор.

Это неверно.

 

[Alxandr]

С опытом, пилот научится определять атмосферные условия, при которых может происходить образование льда в карбюраторе. Если самолет оборудован датчиком температуры потока в карбюраторе, образование льда может быть предотвращено путем поддержания температуры потока выше температуры замерзания. Пилот, который управляет самолетом, не снабженным таким датчиком,  должен периодически проверять карбюратор путем включения подогрева и проверки, был ли лед в карбюраторе до включения подогрева. Действительно, предпочтительнее  предвидеть формирование льда и применять обогрев для анти-льдообразования, нежели чем использовать его для удаления уже имеющегося льда. Любой лед в карбюраторе приводит к потере мощности двигателя, выпускная система становится при этом менее горячей, и в меньшей мере нагревает поток воздуха, направляемый в карбюратор для подогрева. В результате снижается эффективность растапливания формирующегося льда, в особенности если этот процесс  намораживания происходит быстро.

Как долго следует применять обогрев карбюратора, если существуют условия льдаобразования? Если наблюдается сильное льдообразование, то мы должны использовать обогрев в течение всего полета. Если двигатель установлен в режим 75% мощности  или меньше, то можно пренебречь влиянием включенного обогрева карбюратора на безопасный режим работы двигателя. Возможность детонации двигателя представляет для него опасность  только когда он работает на максимальных оборотах, например во время взлета. В таких условиях пилот должен внимательно  контролировать режим работы двигателя с включенным обогревом, не допуская его работы в режиме детонации.

Когда обогрев используется в течение продолжительного времени, необходимо обеднять смесь, используя  миксер. Применение обогрева карбюратора приводит к обогащению смеси, при этом двигатель начинает работать жестко. Для корректировки этого  и для предотвращения потери мощности двигателя следует обеднять смесь миксером.
Расследование причин нескольких вынужденных посадок самолетов, причиной которых был лед в карбюраторе, выявило несколько интересных фактов в отношении этих возникающих опасностей. Один пилот не использовал обогрев карбюратора, но использовал обеднение смеси миксером,  и не наблюдал льда в карбюраторе. Другой пилот, летевший в тех же погодных условиях, не использовал обогрев карбюратора, но  держал режим полного обогащения смеси. У него образовался лед с полной потерей мощности двигателя. Охлаждающий эффект от режима полного обогащения смеси создал достаточную разность температур, которая и привела к образованию льда.

 

[Alxandr]

Для того, чтобы использовать обогрев карбюратора эффективно, необходимо понимать, что горячий воздух, который направляется в карбюратор системой управления обогревом – это есть холодный воздух, который нагревается, проходя через теплообменник выхлопной системы двигателя  и направляется  во  впускной тракт карбюратора. Степень нагрева воздуха зависит от степени нагрева выхлопной трубы. Это может быть представлено так, как будто часть воздуха на выхлопе двигателя направляется обратно на вход карбюратора (но на самом деле это не так, пример только для наглядности!). Двигатель, работающий на холостом ходу, производит меньше тепла для нагрева выхлопной трубы и, соответственно, меньше горячего воздуха будет растапливать образовавшийся в карбюраторе лед, и этого тепла может быть недостаточно. Отсюда вытекает правило:
Всегда включайте обогрев карбюратора перед  тем, как  уменьшить мощность двигателя!

Если есть подозрение на образование льда в полете на малых оборотах, то, возможно,  возникнет необходимость  добавить «газ»  двигателю для производства большего тепла таким образом, чтобы попадающий в карбюратор горячий воздух имел достаточно энергии, чтобы полностью растопить лед.

Необходимо также отметить, что частичное включение обогрева карбюратора может ухудшить ситуацию и применимо не во всех погодных условиях. При использовании частично включенного подогрева  формирование льда при температуре  бензино-воздушной смеси  минус  5 градусов Цельсия  происходит не так, как при температуре минус  1  градус Цельсия.  При температуре около минус 10 градусов Цельсия любые входящие в карбюратор частицы влаги  остаются ледяными кристаллами, которые проходят через  систему, не причиняя ей вреда. Если обогрев карбюратора установлен в позицию частичного подогрева, то кристаллы льда могут таять при увеличении температуры и вторично замерзать в карбюраторе, блокируя его сечение.

    В самолетах, не снабженных датчиком температуры потока в карбюраторе, частичное открывание обогрева никогда не должно применяться!
Действительно, во многих легких самолетах нет эффективной системы, позволяющей включать частичный подогрев карбюратора. Следовательно, рычаг управления подогревом карбюратора должен быть установлен только в одну из крайних позиций: «полностью включено» или  «полностью выключено».  Но если имеется датчик температуры смеси в карбюраторе, то он дает обратную связь, показывая результат частичного включения обогрева. Однако, если заслонка управления включением обогрева карбюратора открыта наполовину, ситуация становится следующей: горячий воздух поступает через канал теплообменника, а холодный воздух поступает через впускной фильтр. Эти два потока смешиваются недостаточно, или не смешиваются вовсе до того, как попасть в карбюратор, при этом турбулентность этого потока приводит к «жесткой» работе двигателя.
Когда установлен режим «обогрев выключен», весь горячий воздух перекрывается заслонкой от попадания в карбюратор и отклоняется в сторону. Когда «обогрев включен»,  та же самая заслонка перекрывает путь в карбюратор холодному фильтрованному воздуху таким образом, что в него попадает только горячий воздух.  (Конструкция этого устройства выполнена таким образом, что пилот не может контролировать позицию, при которой обогрев карбюратора включен ровно наполовину и смесь из 50% горячего и 50% холодного воздуха поступает в карбюратор).

 

[vitagraff]

спасибо за информацию! очень доходчиво!  :IMHO
до этого имел представление об обледенении не по наслышке, но никогда не думал что есть столько нюансов....

 

[Roman111]

Никогда не сталкивался, но все равно спасибо за несомненно полезную информацию!

 

[Alxandr]

А ТЕПЕРЬ ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ - В СТУДИЮ!


Осведомленность о возможности атмосферных кондиций, способствующих образованию льда,  и четкое понимание, как образование льда влияет на способ управления режимами работы двигателя, является наилучшим оружием в руках пилота в борьбе с этой опасностью. В практическом плане следующие процедуры могут помочь предотвратить происшествия, связанные с образованием льда в карбюраторе.

1.      Удостоверьтесь, что система обогрева карбюратора и органы ее управления находятся в рабочем состоянии.

2.      Всегда производите пуск двигателя с выключенной системой обогрева карбюратора во избежание повреждения этой системы.

3.      Всегда при предполетной проверке производите проверку работоспособности  системы обогрева карбюратора,  и убедитесь, что ее включение приводит к падению оборотов двигателя.

4.      Не используйте систему обогрева карбюратора во время руления или взлета. Холодный воздух поступает в карбюратор через воздушный фильтр, а горячий воздух поступает напрямую, минуя фильтр. Когда относительная влажность воздуха высокая, используйте  обогрев карбюратора до взлета для того, чтобы удалить лед из карбюратора, если он там имеется. Но делайте это только тогда, когда самолет находится на поверхности с твердым покрытием, таким, как бетон или асфальт, где нет песка, пыли или гравия. Пропеллер создает завихрения вокруг обтекателя носовой части самолета, которые могут доставить абразивные частицы во впускную систему, и в обход фильтра - в двигатель. (Когда есть подозрения на возможность образования льда в карбюраторе, многие опытные пилоты начинают взлет с включенной системой обогрева для того, чтобы быть полностью уверенным, что лед не сформируется и не перекроет канал карбюратора во время взлета и набора высоты.  Подогрев  выключают после того, как  самолет пробежал половину взлетной дистанции таким образом, чтобы была возможность использовать полную мощность двигателя во время взлета и набора высоты.). 

5.      В холодную погоду в зимний период горячий воздух может быть использован для прогрева двигателя и рулежки. Экстремально низкая температура может к избыточному обеднению смеси. Подогрев карбюратора приводит к обогащению смеси и помогает испарению микрокапель  топлива. Такая процедура рекомендуется только при очень низких температурах, так как воздух поступает в карбюратор, минуя воздушный фильтр.

6.      Выключайте обогрев карбюратора для взлета. Относительно менее плотный нагретый воздух, который попадает во впускную систему, приводит к потере мощности двигателя. Подогрев карбюратора на режимах большой мощности может вызвать перегрев двигателя и его детонацию.

7.      Оставайтесь настороже в случае проявления признаков льдообразования, особенно если относительная влажность воздуха более 50%, или когда появляются видимые признаки наличия влаги в воздухе.

8.      Отмечайте любое падение мощности двигателя, как индикацию образования льда в карбюраторе и применяйте обогрев карбюратора без изменения установок позиции «газ» и «миксер».

9.      Когда летите в условиях льдообразования, используйте как минимум 75% мощности для того, чтобы иметь возможность иметь достаточно тепла для подогрева воздуха через теплообменник выхлопной системы.

10.      Избегайте облаков настолько, насколько это возможно.

11.      Всегда давайте «полный газ» перед  тем, как его уменьшить (для снижения) и не держите «газ» в положении холостого хода, оставляя двигателю некоторую мощность. Открывайте «газ» периодически таким образом, чтобы двигатель производил достаточно тепла для обогрева карбюратора, достаточного для предотвращения льдообразования.

12.      Отключайте обогрев карбюратора в случае ухода на второй круг. Всегда сначала давайте «полный газ», а потом отключайте обогрев карбюратора.

и это еще не все...

 

[Amir tmr]

То Alxandr.
Спасибо познавательно.

 

[Alxandr]

Ну вот.

В №11 пункт 5, второе предложение нашел ошибку перевода.

Поправил.
Вибачте!

 

[Колушев Алексей]

Побольше бы таких статей

 

[Колушев Алексей]

На всех ли конструкциях отсутствует воздушный фильтр на всасе обогрева?

 

[dd2]

Немного переврали с температурами, 32С на входе и не ниже - это перебор.
При испарении бензина температура смеси понижается на 13 градусов Цельсия.
Совершенно нет необходимости греть воздух на входе в карбюратор выше +15С.

Возможно! однако для особо хитрых карбюраторов с особенными дифузорами/камерами  и надо  повыше температуру, но то частности и их надо четко обозначать.
В целом имеется громадная статистика и куча рекомендаций по обледенению на поршневиках.
Желающие могут почитать РЛЭ таких монстров- поглотителей бензина как Ан-2 например.
Там все очень подробно и доходчиво описано.

 

[Obormot]

а почему не применяются автоматические терморегуляторы на впуске?

даже в жигулях были.

автоматически поддерживает температуру +35С.

2108-1143010

 

[Alxandr]

Немного переврали с температурами, 32С на входе и не ниже - это перебор.
При испарении бензина температура смеси понижается на 13 градусов Цельсия.

Могу только согласиться.
Мне тоже показалось, что 32 С - это перебор!

На всякий случай привожу оригинал:

 

[Alxandr]

НУ И ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ


Если пилот во время круизного полета на мощности меньшей, чем «полный газ», обнаруживает, что интенсивно образуется карбюраторный лед, то следующие процедуры помогут ему максимизировать его усилия по удалению льда и восстановить полную мощность двигателя.

1.      Включите полностью обогрев карбюратора.

2.      Дайте «полный газ».

3.      Обедните смесь миксером.

4.      Уменьшите шаг винта (для ВИШ).

5.      При дальнейшем ухудшении ситуации с нарастанием льда в карбюраторе, когда двигатель близок к полной остановке, попытайтесь поддержать мощность двигателя, использую ручную подкачку топлива пусковым шприцом, впрыскивая топливо непосредственно в цилиндры!
Так как карбюраторный лед имеет тенденцию к перекрыванию потока воздуха к карбюратору, открывание карбюраторной заслонки компенсирует эту потерю, подавая в карбюратор больше воздуха. Обеднение смеси миксером, наоборот  вызывает увеличение количества тепла,  образовывающегося в цилиндрах, что позволяет растопить лед. Уменьшение угла атаки лопастей пропеллера (для ВИШ) уменьшает нагрузку на пропеллер, позволяет увеличить обороты двигателя, которые, в свою очередь, увеличат его температуру для лучшего подогрева воздуха.

В заключение можно сказать, что удаление льда из карбюратора может иногда быть Уловкой-22 (что означает у американцев парадоксальную, безвыходную ситуацию). Если двигатель останавливается во время полета в результате возникновения льда в карбюраторе и включение полного обогрева карбюратора не возвращает двигатель к жизни – возможно причина в том, что недостаточно тепла генерируется теплообменником выпускной системы.
Пилот, таким образом, должен управлять самолетом так, чтобы двигатель обязательно производил достаточно тепла, чтобы выпускная система оставалась достаточно горячей и могла в достаточной мере подогревать воздух в системе обогрева карбюратора.

Однако, если двигатель остановился полностью, выхлопные трубы охладятся очень быстро.  В такой ситуации применение ручного предпускового шприца может спасти ситуацию от полной остановки двигателя из-за льда в карбюраторе. Топливопровод шприца  через байпасный клапан минует карбюратор и доставит топливо непосредственно в камеры сгорания цилиндров. Путем непосредственного впрыска топлива в цилиндры  пилот может восстановить подачу топлива в двигатель, минуя перекрытый льдом карбюратор  и сохранить тем самым его работоспособность.

Любой пилот, столкнувшийся с необходимостью вынужденной посадки в результате отказа двигателя из-за карбюраторного льда, должен помнить, что когда самолет будет планировать, снижаясь по отношению к земле, более теплый воздух на меньшей высоте (2 градуса Цельсия на 1000 футов) может освободить карбюратор ото льда. Пока самолет планирует с отказавшим двигателем, любые попытки запустить двигатель с использованием впрыскового шприца плюс стандартные процедуры запуска могут увенчаться успехом и восстановить его работоспособность.