Každý spalovací motor, od jednoduchého motorku v zahradní sekačce, přes motor v běžném silničním autě, až po komplexní závodní jednotku nebo gigantické motory zaoceánských lodí využívá stejný základní princip. Zapálením směsi vzduchu a paliva „vyrábí“ pomocí expanze hořících plynů ve válci a soustavy pístů, ojnic a hřídelí rotační pohyb, který se pak přes další soustavy ozubených koleček a hřídelí přenáší na kola. Všechny motory s vnitřním spalováním proto řeší stejný prvotní problém. Jak připravit co nejvíce homogenní směs.
Bez ohledu na počet válců i jejich uspořádání, a to včetně rotačního Wankelova motoru, ať spalují benzin nebo naftu, a dokonce i bez ohledu na to, zda pracují v čtyř nebo dvoutaktním cyklu mají všechny motory jedno společné. Základním kamenem úspěšné konstrukce s vyváženým poměrem výkonových parametrů v širokém rozsahu provozních situací ke spotřebě paliva potažmo emisím je co nejlepší příprava směsi vzduchu a paliva.
Směs musí být jednak co nejvíce homogenní (aerosol obsahující rovnoměrně rozprášené kapičky paliva ve vzduchu), aby beze zbytku prohořela a také musí mít pokud možno ideální poměr kyslíku a paliva. Na první pohled to není nic až tak složitého, vždyť ten nejvýhodnější poměr benzinu či nafty a kyslíku pro hoření je nejen znám, ale navíc je konstantní. U motorů provozovaných v zemské atmosféře bez přídavného okysličování (např. vstřikování NO2) je chemicky ideální hmotnostní poměr, tzv. Stechiometrický poměr, pro spalování benzinu 14,7:1. Na jeden kilogram benzinu je tak třeba dostat do válce 14,7 kg vzduchu.
Hustota automobilového benzinu se pohybuje od 0,71 do 0,77 g/cm3, čili pro spálení 1,3 litru (cca 1 kg) benzinu je třeba zhruba jedenáct a půl metru krychlového vzduchu. Fakticky se u zážehových motorů používá poměr od 12:1 (bohatá směs) až cca 18:1 (chudá směs). I dále se bude zabývat jen zážehovými motory, protože diesel se s výjimkou závodů kamionů a motorů TDI a HDi v prototypech AUDI a Peugeotu pro Le-Mans a TDI týmu SEAT pro závody cestovních vozů prakticky nepoužívá, a má mimoto výrazně odlišnou konstrukci (zážeh stlačením, vždy vstřikování paliva).
Pro zajímavost ale dodejme, že benzinové motory využívají kvantitativní regulaci, kde škrtící klapka reguluje přívod směsi do válce a poměr paliva a vzduchu příliš nekolísá, zatímco diesely využívají kvalitativní regulaci, který změnou dávky paliva upravuje výrazně kolísající směšovací poměr. Stechiometrický poměr vznětového motoru je 14,5 kg vzduchu na kilogram nafty, v praxi ale diesely jezdí na výrazně chudou směs v poměru zhruba 18:1 až 70:1. Což má své výhody (spotřeba, řízení teploty) i nevýhody (produkce NOx).
Úvodní dávku teorie doplňme ještě ve zkratce o několik důležitých bodů. V případě spalování přesně stechiometrické směsi, tedy při ideálním spalování, má směšovací poměr hodnotu vzdušného součinitele rovnou jedné. Součinitel se označuje řeckým písmenem Lambda, tedy při ideálním spalování platí, že λ = 1. Asi již tušíte, odkud vítr vane a že lambda sonda bude mít s tímto koeficientem něco společného. Je to tak, tato sonda snímá složení spalin ve výfuku a informuje řídící jednotku o detekovaném složení zplodin. Z nich lze totiž určit, zda motor spaluje bohatou, chudou nebo ideální směs a přizpůsobit řízení přípravy směsi.
Jak? Nu, v rovině čisté teorie je totiž zážehový motor velice efektivní zařízení. Při spalování stechiometrické směsi při λ = 1 by totiž v ideálním světě produkoval pouze CO2 a žádné jiné zplodiny. Z výfuku by tak vycházela směs CO2, dusíku, vodní páry a trochy vzácných plynů. Kde se ale vzalo vše ostatní mimo oxidu uhličitého, když jen ten má spalováním vznikat? Ze vzduchu. Motor totiž na vzduchu „zajímá“ jen hořlavý kyslík, zbytek projde spalovacím procesem beze změny. I proto musí pro spálení trochy benzinu projít motorem relativně obrovské množství vzduchu. Z jeho 78 % dusíku, 21 % kyslíku a procentíčka CO2, nereaktivního argonu a dalších vzácných plynů je ke spalovacímu procesu využitelný právě pouze kyslík.
Ale zpět do doby před lambda sondami a elektronickým motormanagementem. Jak dosáhnout co nejlepší přípravy směsi pro spalování v pístovém zážehovém motoru? První a na dlouhou dobu jedinou odpovědí na požadavek solidního kompromisu mezi praktickou použitelností a dvěma požadavky na zápalnou směs (poměr komponent a homogenizace) byl karburátor.
Zařízení funkčně podobná karburátoru pro pístové stroje s pohonem plyny se poprvé objevila v Holandsku již v polovině 17 století. Opravdové karburátory, které řešily poněkud složitější problém produkce homogenního aerosolu z kapalného paliva místo mísení dvou plynů, na sebe však nechaly čekat až do 19. století.
Různé zdroje v závislosti na definici toho, co již je „moderní karburátor“ uvádějí několik pionýrů karburace. Někteří pokládají za první karburátor vynález Samuela Moreyho, který v roce 1824 při pokusech náhodou odhalil, že směs výparů terpentýnu se vzduchem je hořlavá a o dva roky později zkonstruoval a patentoval dvouválcový motor s karburační jednotkou pro přípravu směsi. Spalovací proces a pohon motoru byly však značně odlišné od dnes využívaného principu.
V roce 1875 uvedl Siegfried Marcus na svém „prvním motorovém vozidle poháněném benzinovým motorem“ jakýsi „atomizér“ s funkcí karburátoru, který však benzin rozprašoval pomocí rotujících kartáčků. Roku 1882 navrhl Ital Enrico Bernardi na univerzitě v Padově první karburátor, který pracoval na již klasickému karburátoru velice podobném principu, , tedy s využitím Bernoulliho jevu pro svoji tříkolku. V roce 1885 si Karl Benz patentoval první automobil se spalovacím motorem konstruovaný pro „masovou“ výrobu. Patent zahrnoval i karburátor s odparkou, který byl o něco později nahrazen jiným, tzv. „povrchovým“ karburátorem.
První karburátor moderního typu využil v roce 1887 britský vynálezce Edwar Butler na své tříkolce. Butler mimo něj vynalezl či pro použití v automobilu zkonstruoval také zapalovací svíčku i cívku, magneto (dynamo) a jeho karburátor využíval konstrukci s jehlovou tryskou. Byl také prvním, kdo pro benzin používal dnes v anglicky mluvících zemích ustálený název „petrol“. Jeho vynálezy ale zadusil nový zákon o provozu motorizovaných vozů z roku 1865, známý jako Red Flag Act.
V roce 1896 spojili opět své síly Dr. Wilhelm Maybach and Gottlieb Daimler (již deset let předtím společně zkonstruovali zmiňovaný první čtyřkolový vůz poháněný spalovacím motorem, obecně uznávaný za první automobil historie) a pro nový vůz vylepšili karburátor. Ten je pokládán za skutečného otce moderního karburace. Využíval plovákovou komoru i jehlovou trysku, jakkoli palivo podával směrem vzhůru (což bylo až do 20. let 20. století a zdokonalení palivového čerpadla hnaného vačkou obvyklé řešení).
Jejich karburátor byl opravdu revoluční, trpěl však drobným nedostatkem v podobě pomalých reakcí na poptávku motoru po palivu. O finální zdokonalení karburátoru pánů Maybacha a Benze se v roce 1900 postaral opět Butler, který využil Venturiho trubice (princip zrychlení proudu kapaliny ve zmenšeném průřezu a její atomizace na menší částečky během procesu byl objeven Giovannim Battistou Venturim již koncem 18. století) pro okamžité rozprášení kapalného paliva ve vzduchu.
Karburátor jeho konstrukce se ještě v detailech vyvíjel až do konce dvacátých let, ale v podstatě je to tentýž, který v automobilovém průmyslu táhl dlouhou kariéru až do přelomu osmdesátých a devadesátých let dvacátého století. Jejich kariéru v Evropě definitivně ukončilo nařízení z roku 1992, které předepisovalo pro nově konstruované motory povinné vstřikování paliva. Nejdéle se udržely v Austrálii, kde dodávkové a terénní vozy používaly karburátory ještě po přelomu tisíciletí. Karburátor se udržel v sériové výrobě automobilů až do roku 2006. Ruská automobilka VAZ až tehdy osadila vstřikování do posledního modelu značky Lada.
V další části našeho seriálu se podíváme, jak karburátor přesně funguje a proč jich je v některých případech potřeba více (tak jako u našeho speciálu 1100 OHC v titulním obrázku) a později se podíváme na jeho nástupce, tedy vstřikování paliva.
