Карбюраторный двигатель

Карбюраторный двигатель — это поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором подготовка горючей смеси (смешивание топлива с воздухом в определённой пропорции) осуществляется с помощью карбюратора. Относится к классу двигателей с внешним смесеобразованием и принудительным воспламенением от искры. Карбюраторные двигатели были доминирующим типом силовых агрегатов на автомобилях, мотоциклах, лодочных моторах и бензоинструменте на протяжении большей части XX века, но к началу XXI века в большинстве сфер были вытеснены двигателями с впрыском топлива (инжекторными).

История

Ранние разработки

Первые попытки создания двигателя, работающего на газообразном топливе с использованием карбюратора, относятся к середине XIX века. В 1860 году бельгиец Этьен Ленуар построил газовый двигатель, в котором топливо смешивалось с воздухом в простейшем устройстве, напоминающем карбюратор. Однако настоящий прорыв произошёл в 1876 году, когда немецкий инженер Николаус Отто создал четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания, работающий на светильном газе. В 1885 году Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах запатентовали первый бензиновый карбюратор, который использовал принцип распыления топлива через жиклёр в потоке воздуха. Этот двигатель был установлен на первый в мире мотоцикл (Reitwagen) и положил начало эре карбюраторных моторов.

Развитие в XX веке

В 1893 году инженер Донат Банки (Венгрия) и Янош Чонка разработали карбюратор с постоянным уровнем топлива в поплавковой камере, что значительно улучшило стабильность смесеобразования. В 1900-х годах карбюраторы стали массово применяться на автомобилях. К 1920-м годам конструкция карбюратора была доведена до высокой степени совершенства: появились системы ускорительного насоса, экономайзера и холостого хода.

В СССР карбюраторные двигатели получили широчайшее распространение на автомобилях ГАЗ, ЗИЛ, Москвич, а также на мотоциклах (Иж, Урал, Днепр). Наиболее массовыми были карбюраторы типа К-126, К-151, «Солекс» и «Вебер». В 1970-1980-х годах, в связи с ужесточением экологических норм, начался постепенный переход к инжекторным системам, но карбюраторы оставались основными на бюджетных и грузовых автомобилях вплоть до 1990-х годов.

Закат эпохи

В 1990-х годах в Европе и США были введены жёсткие нормы токсичности выхлопа (Евро-1, Евро-2), которые карбюраторные двигатели не могли выполнить без дополнительных дорогостоящих устройств (каталитические нейтрализаторы, системы рециркуляции). В России последние массовые автомобили с карбюраторными двигателями (ВАЗ-2107, УАЗ-469) выпускались до середины 2000-х годов. К 2010 году практически все производители перешли на электронный впрыск топлива. Тем не менее, карбюраторные двигатели продолжают использоваться в маломощной технике (газонокосилки, бензопилы, мотоблоки) и на старых автомобилях.

Принцип работы

Основные циклы

Карбюраторный двигатель, как и большинство поршневых ДВС, работает по четырёхтактному циклу Отто:

1. Впуск: поршень движется вниз, создавая разрежение в цилиндре. Через впускной клапан засасывается горючая смесь, приготовленная в карбюраторе.
2. Сжатие: поршень движется вверх, сжимая смесь в 6-10 раз (степень сжатия для карбюраторных двигателей обычно 6,5-9,5).
3. Рабочий ход: свеча зажигания воспламеняет смесь, газы расширяются и толкают поршень вниз.
4. Выпуск: поршень движется вверх, выталкивая отработавшие газы через выпускной клапан.

Роль карбюратора

Карбюратор выполняет функцию смесеобразования: дозирует топливо, распыляет его в потоке воздуха и смешивает в пропорции, близкой к стехиометрической (около 14,7:1 по массе для бензина). В зависимости от режима работы двигателя (холостой ход, частичная нагрузка, полная нагрузка, ускорение) карбюратор автоматически корректирует состав смеси с помощью жиклёров, дроссельной заслонки и дополнительных каналов.

Устройство и основные элементы

Карбюратор

Типичный карбюратор состоит из следующих узлов:

• Поплавковая камера — поддерживает постоянный уровень топлива с помощью поплавка и игольчатого клапана.
• Главная дозирующая система — включает жиклёр (калиброванное отверстие) и диффузор (сужение воздушного канала), где скорость воздуха возрастает, создавая разрежение, которое засасывает топливо.
• Система холостого хода — подаёт топливо при закрытой дроссельной заслонке (на малых оборотах).
• Ускорительный насос — механический поршневой насос, впрыскивающий дополнительную порцию топлива при резком открытии дросселя (для предотвращения провала).
• Экономайзер — клапан, открывающий дополнительный жиклёр при полной нагрузке для обогащения смеси.
• Дроссельная заслонка — регулирует количество поступающей смеси (аналог педали газа).
• Воздушная заслонка — обогащает смесь при холодном пуске (подсос).

Двигатель

Конструкция карбюраторного двигателя в целом аналогична другим поршневым ДВС: блок цилиндров, поршни, шатуны, коленчатый вал, распределительный вал, клапаны, свечи зажигания. Система зажигания — обычно контактная (трамблёр) или бесконтактная (датчик Холла). Система питания включает топливный бак, бензонасос (механический или электрический низкого давления), фильтры и карбюратор.

Классификация

По типу карбюратора

• С падающим потоком — воздух движется сверху вниз (наиболее распространён на автомобилях).
• С горизонтальным потоком — воздух движется горизонтально (используется на мотоциклах, лёгких двигателях).
• С восходящим потоком — устаревшая конструкция (применялась на ранних тракторах).

По числу камер

• Однокамерные — простые, дешёвые, для маломощных двигателей.
• Двухкамерные — имеют две параллельные камеры с раздельными диффузорами и жиклёрами, что улучшает наполнение цилиндров на высоких оборотах.
• Многокамерные (четырёх- и более) — применялись на спортивных и мощных двигателях (например, карбюраторы Weber, Dellorto).

По назначению

• Автомобильные — рассчитаны на широкий диапазон оборотов и нагрузок.
• Мотоциклетные — компактные, часто с одним или двумя цилиндрами.
• Для стационарных двигателей (генераторы, насосы) — простые, без сложных систем регулировки.
• Для бензоинструмента — миниатюрные, с мембранным карбюратором (без поплавковой камеры).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Простота конструкции и ремонта — карбюратор можно отрегулировать и починить в полевых условиях, не требуя сложного диагностического оборудования.
• Низкая стоимость — карбюраторные системы питания дешевле в производстве, чем инжекторные.
• Меньшая чувствительность к качеству топлива — карбюраторные двигатели менее требовательны к октановому числу и чистоте бензина.
• Возможность работы на низкокалорийных смесях (например, на газе с простым переходником).

Недостатки

• Невысокая точность дозирования — состав смеси зависит от износа жиклёров, температуры, атмосферного давления.
• Плохая работа на переходных режимах — возможны провалы при резком нажатии на газ.
• Высокий расход топлива — по сравнению с инжектором, карбюраторный двигатель тратит на 10–20% больше бензина.
• Повышенная токсичность выхлопа — неполное сгорание, высокое содержание CO и CH.
• Сложность холодного пуска — требует ручного управления воздушной заслонкой (подсосом).
• Чувствительность к перепадам высоты — на большой высоте смесь переобогащается из-за снижения плотности воздуха.

Применение

Автомобили

До середины 1990-х годов карбюраторные двигатели устанавливались на подавляющее большинство легковых автомобилей (ВАЗ, ГАЗ, Москвич, ЗАЗ, Ford, Opel, Toyota, Volkswagen). В России карбюраторные моторы оставались на конвейере до 2006 года (УАЗ-31512, ВАЗ-2107).

Мотоциклы и мопеды

Карбюраторы до сих пор широко используются на мотоциклах (особенно китайского производства), мопедах, скутерах и квадроциклах. Многие модели мотоциклов (например, «Урал», «Днепр», «Иж») оснащались карбюраторами К-62, К-68.

Бензоинструмент

Бензопилы (Stihl, Husqvarna, «Урал»), газонокосилки, триммеры, мотоблоки и генераторы часто оснащаются мембранными карбюраторами, которые работают в любом положении.

Маломерный флот

Лодочные моторы (например, «Вихрь», «Нептун», «Ямаха-2») также используют карбюраторы, хотя современные модели переходят на впрыск.

Интересные факты

• Самый массовый карбюратор в СССР — К-151 (производства Уфимского завода «Автонормаль»), устанавливался на автомобили ГАЗ-24, ГАЗ-3102, ГАЗ-3307.
• В 1970-х годах компания Weber (Италия) выпускала карбюраторы с тремя и четырьмя камерами для гоночных автомобилей Ferrari и Lamborghini.
• Карбюраторные двигатели могут работать на этиловом спирте (этаноле) и метаноле, но требуют перенастройки жиклёров из-за другой стехиометрической пропорции.
• В условиях Крайнего Севера карбюраторные двигатели часто оснащались системой подогрева впускного коллектора и карбюратора для предотвращения обледенения.

Критика и экологические аспекты

Основной претензией к карбюраторным двигателям является их высокая токсичность. Выхлопные газы содержат значительное количество оксида углерода (CO), несгоревших углеводородов (CH) и оксидов азота (NOx). Введение норм Евро-2 (1996 год в Европе, 2006 год в России) фактически сделало невозможным выпуск новых автомобилей с карбюраторами. Кроме того, карбюраторные двигатели склонны к калильному зажиганию (детонации) при использовании низкооктанового топлива, что может привести к разрушению поршней.

Источники

• «Двигатели внутреннего сгорания» — учебник под редакцией В. Н. Луканина, 2005.
• «Автомобильные карбюраторы» — В. И. Ерохов, 2003.
• «Теория автомобильных двигателей» — А. С. Хачиян, 2008.
• «История автомобильного двигателестроения» — Дж. Л. Клайн, 1990.
• Техническая документация заводов-изготовителей (ВАЗ, ГАЗ, УАЗ, Weber, Solex).