Автомобильные карбюраторы: «от рассвета до заката»

До появления термина «карбюратор» инженеры экспериментировали с испарением горючих жидкостей. В 1826 году Сэмюэль Мори разработал медный резервуар для испарения спирта в паровом двигателе, однако его конструкция оказалась неэффективной. Далее, в 1838 году Уильям Бартнер получил патент на устройство, напоминающее ранний прототип карбюратора для двигателей внутреннего сгорания (ДВС), но отсутствие практичных ДВС в тот период ограничило применение его изобретения.

Прогресс начался после 1859 года, когда Жан Жозеф Этьен Ленуар создал первый коммерчески успешный газовый двигатель. Позднее, в 1870-х, Николаус Отто представил четырехтактный цикл, что стало ключевым этапом для развития ДВС. Переход на жидкое топливо, такое как бензин, потребовал решения проблемы точного смешивания топлива с воздухом.

Первые автомобили конца XIX века использовали светильный газ, подававшийся в двигатель без карбюратора. Однако высокая стоимость газа (в России его производили всего два завода) и сложности с хранением в баллонах стимулировали поиск альтернатив. В результате инженеры сосредоточились на разработке систем для работы с жидким топливом.

Первые опыты

В 1876 году Луиджи Де Христофорис предложил карбюратор, где бензин нагревался выхлопными газами через медный змеевик. Однако перегрев системы часто приводил к взрывам, а низкие температуры нарушали испарение топлива. Параллельно, в 1885 году Карл Бенц использовал раскаленную металлическую пластину для испарения бензина, но отсутствие регулировки смеси делало работу двигателя нестабильной.

Следующим шагом стал патент Готлиба Даймлера и Вильгельма Майбаха (1893 г.) на пульверизационный карбюратор с диффузором Вентури. Принцип работы заключался в следующем: воздух, проходя через суженный участок трубки, создавал разрежение, которое вытягивало топливо из поплавковой камеры через жиклер. Регулировка смеси осуществлялась винтом, изменяющим пропускную способность жиклера. Эта конструкция стала основой для последующих моделей.

Эволюция 1900–1940-х годов

В начале XX века карбюраторы развивались в двух направлениях. Во-первых, барботажные системы, такие как в патентах Зигфрида Маркуса (1888 г.), где воздух продувался через слой бензина (принцип джакузи). Несмотря на простоту, они производили слишком богатую смесь и были пожароопасны. Во-вторых, фитильные карбюраторы компании Holley (1900-е), где асбестовые фитили поднимали бензин. Однако фитили быстро загрязнялись, что ограничило их применение лодочными моторами.

К 1920-м годам доминирующей стала поплавковая конструкция. Например, карбюратор Zenith Model J (1912 г.) разделил подачу топлива на холостой ход (жиклер 0,35 мм) и основную дозировку (1,2 мм). В 1930-х для устранения «провалов» мощности добавили ускорительный насос — механизм с поршнем, впрыскивавшим топливо при резком открытии дросселя. Кроме того, в военный период (1940-е) появились мембранные карбюраторы, способные работать при любом угле наклона, что критически важно для авиации.

1950–1970-е: автоматизация и экологические вызовы

Рост мощности двигателей в послевоенный период потребовал решения проблемы неравномерной подачи топлива в многоцилиндровых системах. Традиционные однокамерные карбюраторы не справлялись с распределением смеси, что приводило к детонации и снижению КПД. В результате инженеры разработали многокамерные карбюраторы, где каждая камера обслуживала отдельную группу цилиндров.

Например, американские Rochester 4G, Carter WCFB и Stromberg AeroQuad 4BBL использовали четыре смесительные камеры: две первичные работали постоянно, а вторичные подключались при повышенной нагрузке. Это позволило оптимизировать расход топлива на малых оборотах и обеспечить мощность на высоких. В Европе получили распространение карбюраторы SU с конической иглой и подвижным поршнем. При увеличении оборотов поршень поднимался, расширяя сечение диффузора и автоматически регулируя соотношение воздух-топливо.

Карбюраторы SU (постоянного разрежения) отличаются простотой конструкции с минимальным числом регулировок. Вместо сложных систем жиклеров здесь используется единственный регулируемый жиклер без воздушных каналов: его осевое положение настраивает холостой ход (опускание обогащает смесь, включая холодный пуск). Основной элемент — коническая игла на поршне, чей профиль определяет подачу топлива на всех режимах. Замена иглы (широкий выбор профилей) заменяла набор жиклеров, хотя требовала точного подбора.

Система управления поршнем работает за счет разрежения во впускном коллекторе, которое перемещает поршень с закрепленной иглой. Для стабилизации работы поршень оснащен масляным демпфером, заполняемым маслом 20W: он гасит вибрации и замедляет подъем при резком открытии дросселя, временно усиливая разрежение в диффузоре, что имитирует функцию ускорительного насоса. Нижняя граница хода поршня регулируется винтом, ограничивающим его положение и степень открытия заслонки.

Преимущества: Автоматическая адаптация смеси под нагрузку. Экономичность.

Недостатки: Зависимость от состояния демпфера (износ, загустевшее масло). Медленная реакция на изменение положение педали акселератора из-за отсутствия ускорительного насоса.

К 1960-м годам ужесточение экологических норм, таких как Стандарт США 1963 года, потребовало модернизации карбюраторных систем. Для соответствия новым требованиям в конструкцию внедрили три ключевых компонента:

✅Экономайзеры — клапаны, открывавшие дополнительный канал подачи топлива при полной нагрузке. Это предотвращало обеднение смеси и перегрев двигателя.

✅Эконостаты — устройства, дозировавшие воздух на высоких оборотах через отдельный канал, что снижало сопротивление в диффузоре.

✅Систему EGR (Exhaust Gas Recirculation) — клапан, перенаправлявший часть выхлопных газов обратно во впускной коллектор. Это уменьшало концентрацию оксидов азота (NOx) на холостом ходу.

Параллельно начались эксперименты с электронным управлением. Например, в карбюраторах Weber (1968 г.) появились электромагнитные клапаны холостого хода, регулировавшие подачу воздуха по сигналу датчика температуры. Однако погрешность таких систем достигала 7%, что не соответствовало стандартам Евро-1 (1985 г.), допускавшим отклонение не более ±2%.

Проект Chrysler Lean Burn (1976): венец эволюции

Система Chrysler Lean Burn, разработанная (с участием специалистов NASA) под руководством инженера Гордена Фенна, стала ответом на ужесточение экологических стандартов в 1970-х.

Система состояла из восьми датчиков, передававших данные на электронный блок управления — компактную печатную плату, размещенную на корпусе воздушного фильтра. Это расположение оказалось неудачным: вибрации и высокая температура от двигателей V8 разрушали паяные соединения платы и выводили из строя конденсаторы, вызывая бесконечные сбои.

По словам Марка Розмана, бывшего инженера-динамометриста Chrysler, отчасти в этом отчасти виновато руководство компании, постоянно подгонявшее Фенна.

Ремонт Lean Burn требовал навыков в электронике: механики 1970-х подчас не умели перепаивать компоненты, и уж тем более диагностировать компьютерные ошибки. Владельцы, столкнувшись с хроническими проблемами, избавлялись от проблемных «космических технологий NASA», в пользу привычных карбюраторов и трамблеров, полностью отказываясь от электронного управления.

Система Lean Burn вызвала волну критики в прессе и недоверие со стороны покупателей, что усугубило финансовые трудности Chrysler.

Закат эпохи карбюрации

К середине 1980-х карбюраторы достигли технологического потолка. Попытки модернизировать их электронными компонентами превратили некогда простые и надежные устройства в сложные, капризные системы.

Переход к впрыску стал неизбежным по трем причинам. Во-первых, карбюраторы не обеспечивали требуемую точность смеси: их погрешность (10–15%) противоречила экологическим стандартам (±2%). Во-вторых, они зависели от ручных регулировок при изменении температуры или давления, тогда как электронные системы адаптировались автоматически. В-третьих, карбюраторы не смогли полноценно интегрироваться с современными датчиками (кислорода, детонации), критичными для контроля выбросов.

Эволюция карбюраторов — от примитивных испарительных систем до многокамерных конструкций с электроникой — была ответом на вызовы эпохи: рост мощности двигателей, требования к экономичности и ужесточение экологических норм. Однако физические ограничения испарительного смесеобразования (инерционность, зависимость от температуры, отсутствие точечного контроля) окончательно предопределили переход к электронному впрыску.

Тем не менее карбюраторы сохранили нишевое применение. Их используют там, где важнее ремонтопригодность и неприхотливость, чем хирургическая точность управления смесью: в малой авиации, всевозможной спецтехнике и классических автомобилях.