DE CARBURATEUR

Stromingsleer
De verstuiver- of sproeiercarburateur is door Maybach ontwikkeld. Hij was hoofdingenieur bij Daimler Motoren Geselschaft. De essentie van dit type carburateur is dat benzine in de aanzuiglucht verneveld wordt en daarmee een brandbaar mengsel vormt.
 
Het principe is uiterst eenvoudig, zie onderstaande figuur:

Figuur 1 Het basisprincipe van de carburatie.
 
A = voorraad tankje
B = sproeier
C = zuigbuis
 
Bij de inlaatslag wordt lucht via de zuigbuis aangezogen en benzine uit de sproeier zuigt. Om het nevelen te bevorderen wordt in de sproeier een verstuiver aangebracht.
 
Om het principe van de carburateur te kunnen begrijpen is het noodzakelijk enkele begrippen te kennen:
- luchtdruk;
- onderdruk of vacuüm.
 
Onder de luchtdruk wordt de heersende druk van de dampkring verstaan die ter plaatse aanwezig is. De normaaldruk is gelijk aan de druk die een kwikkolom van 76cm uitoefent (per cm2). Dit is 1013 g/cm2 en werd vroeger uitgedrukt in millibar = dus 1013 millibar. Binnen het SI-eenhedenstelsel moeten we de Pascal gebruiken.
De eenheid wordt in dit geval de hectoPascal (hPa) en is numeriek gelijk aan de millibar.
 
We spreken van een onderdruk of vacuüm als de druk lager is dan de heersende druk van de omgeving.
 
Bij het meten van de onderdruk of vacuüm wordt veelal (vanuit de historie) gebruik gemaakt van de Amerikaanse uitvoering van de vacuümmeter. Deze geven het vacuüm aan in inches kwik. 760 mm kwik = 29,92" kwik = ong 30". Als er niet gemeten wordt staat de meter op 0. Als er wordt gemeten en de meter wijst 20" aan dan heerst er een absolute druk van 30" - 20" = 10" kwik.
 
Om de carburateur te kunnen begrijpen is het belangrijk de eigenschappen van gassen in relatie tot druk en snelheid te begrijpen. In dit verband geldt de wet van Bernouili (continuiteitsvergelijking). In onderstaande figuur is een conische buis getekend met:
F = oppervlakte doorsnede
v = snelheid van het gas
g = gewicht van het gas
p = druk van het gas
s.g. = soortelijk gewicht
De aanduiding 1 en 2 zijn de respectievelijke plaatsen.
 
Er zijn twee relaties van toepassing:
 
 ν21 / 2g  < ν22 / 2g
 
en
 
 p1 / s.g. + ν21 / 2g   =  p2 / s.g.  + ν22 / 2g
 
 
Deze formule kan worden afgeleid uit de wet van behoud van arbeidsvermogen. Uit beide formules geldt dat
 
p1 > p2
 
Eenvoudig is te onthouden: als de snelheid omhoog gaat, gaat de druk omlaag.
 
Bekijken we de situatie in een carburateur dan zien we dat op de plaats van de nauwste doorgang in de venturi de grootste onderdruk heerst en is daarmee ideaal voor het aanzuigen van benzine.

Figuur 2 Het vacuüm op verschillende plaatsen in de carburateur.
 
In veel carburateurs zijn meerdere venturies aangebracht om het vacuüm nog verder omhoog te brengen.

Figuur 3 Een dubbele venturi.
 
De ideale benzine-lucht verhouding
Door de onderdruk in de venturi wordt benzine aangezogen en verstoven. Tijdens het transport van het benzine-gasmengsel van carburteur naar de cilinderkop moet een homogeen gasmengsel ontstaan met een ideale samenstelling benzine-zuurstof.
 
Wat is deze ideale samenstelling?
Benzine bestaat uit een groot aantal koolwaterstoffen met formules tussen C6H14 en C12H26, en een goed gemiddelde samenstelling is C8H18.
Eén gmol benzine is 8x12 + 18x1 = 114 gram. Daarvan is het gew. % C = 96/114 = 84% en het gew % H = 16%
De koolstof wordt verbrand tot CO2 en de waterstof tot water.
Voor één kg benzine is nodig:
0,84 x 32/12   = 2,24 kg O2  en
0,16 x 16/2     = 1,26  kg O2
 
Totaal 3,50 kg O2
 
In lucht zit ong. 21% zuurstof. Er is dus 100/21 x 3,50 kg = 16,7 kg lucht nodig. Als kengetal wordt 16 kg aangehouden.
 
Het s.g. van lucht is 1,293 kg/m3 Omgerekend is dit 12,9 m3 lucht (0oC en 760 mb).
Als er minder lucht aanwezig is zal de verbranding onvolledig zijn (rijk mengsel), bij meer lucht ontstaat een arm mengsel.
 
Bij de theoretisch juiste mengverhouding wordt in de praktijk niet het hoogste rendement gehaald. Een klein luchtoverschot levert het beste resultaat. Dit resulteert in een vuistregel dat de mengverhouding (in kg) 1:16 moet zijn. Deze mengverhouding moet bij alle toerentallen en motorbelasting gehandhaafd blijven.

De basisuitvoering van een carburateur
De hoofdcomponenten van een verstuivingscarburateur zijn in onderstaande figuur aangegeven.

Figuur 4 De hoofdcomponenten van een carburateur.
 
Opgemerkt kan worden dat het vlotterniveau zodanig moet zijn dat dit enkele mm beneden het sproeierniveau staat. Staat het niveau te laag dan is er meer vacuüm voor nodig om de benzine aan te zuigen. Staat het niveau te hoog dan loopt de benzine over in de carburateur.
 
De benzine wordt door de sproeier fijn verstoven en meteen vermengd met de lucht. Tijdens het transport naar de cilinder verdampt de benzine. Tijdens de verdamping wordt verdampingswarmte onttrokken uit het mengsel zelf en de omgeving en koelt daarmee het inlaatsysteem. De lagere temperatuur maakt een hogere vullingsgraad mogelijk (= meer vermogen). Een temperatuursverlaging van 15 - 20 oC is normaal.
In de praktijk blijkt dat bovenstaande uitvoering van een carburateur niet leidt tot een ideale mengverhouding bij alle toerentallen en stand van de smoorklep. Er zijn in de loop van de tijd verschillende oplossingen ontworpen om dit probleem op te lossen.
Oplossingen waren:
Bij te geringe onderdruk de luchttoevoer voor de verstuiver knijpen. Dit systeem is te vergelijken met situatie met een shokeklep.
Bij een te grote onderdruk de benzinetoevoer in de sproeier knijpen. Dit kan door een naald in de sproeier te schuiven of te werken met een sproeier met remluchtregeling (wordt nog besproken).
Bij te grote onderdruk extra lucht toevoeren boven de verstuiver (niet veel gebruikt).
toepassing van meerdere sproeiers die gesommeerd het gewenste resultaat opleveren. Deze methode wordt veel toegepast.

Typen carburateur
Er zijn in essentie drie typen carburateurs:

• stijgstroomcarburateur;
• horizontale carburateur;
• valstroomcarburateur.
   

Figuur 5 De verschillende typen carburateurs.

De stijgstroomcarburateurs komen nauwelijks voor.

Het bereiken van de gewenste m,endverhouding benzine/lucht
In het plaatje over het principe van de carburateur is maar één sproeier getekend. Als je een carburateur daadwerkelijk zo zou uitvoeren dan kan dit functioneren in een bepaald gebied van toeren en belasting, maar zeker niet over het gehele gebied. De onderdruk en hoeveelheid opgezogen benzine is niet lineair over het totale werkgebied. Door toevoeging van een extra sproeier met afwijkende eigenschappen kan in het samenspel bij alle toerentallen (aangezogen hoeveelheid lucht) een "gelijke" mengverhouding worden gerealiseerd.
 
In de Zenith carburateur is het principe van Bavery verwerkt (zie onderstaande figuur).

Figuur 6 De hoofdsproeier en de compensatiesproeier.
 
De benzine die, door een vlotter op constante hoogte wordt gehouden, wordt door twee afzonderlijke kanalen naar twee sproeiers G en H gevoerd. G is daarbij de hoofdsproeier. De benzine staat in deze sproeier even hoog als in de vlotterkamer. De hoofdsproeier kan op deze wijze meer benzine leveren bij de verhoging van de onderdruk maar heeft geen lineair verloop. Turbulentie van de lucht in de carburateur verlaagt het rendement.
De sproeier H, de compensatiesproeier, werkt volledig anders. De benzine voor de sproeier wordt gevoed vanuit een kleine toevoer (doseur) met vanuit de vlotterkamer in een capaciteitsbuis. Door een gaatje in deze buis bij J kan lucht toetreden zodat er in deze buis nagenoeg geen vacuüm aanwezig is. Wanneer de motor draait zal er benzine worden aangezogen uit sproeier H waardoor het benzineniveau in de capaciteitsbuis zal dalen. Bij een gegeven onderdruk in de verstuiver kan er niet meer worden aangevoerd dan in de capaciteit van de doseur en blijft de opbrengst constant.
Het verloop is in onderstaande grafiek weergegeven.

Figuur 7 De benzineopbrengst in relatie tot de onderdruk.

Bij stationair lopen en licht verhoogd toerental levert de compensatiesproeier de meeste benzine. De mengverhouding van beide sproeiers is in relatie tot de aangezogen hoeveelheid lucht als volgt:

Figuur 8 De bijdrage van de hoofdsproeier en compensatiesproeier.
 
Voor het berekenen van de gecombineerde mengverhouding van de twee sproeiers geld de relatie:

Met M1 is mengverhouding hoofdsproeier en M2 is mengverhouding compensatiesproeier.
 

Voor het goed stationair lopen wordt vaak nog een derde sproeier aangebracht. De intrede van het lucht/benzinemengsel is in de buurt ven de smoorklep. Met het stelschroefje op de carburateur wordt de hoeveelheid benzine geregeld om een goede mengverhouding te krijgen bij stationair lopen.
 
De compensatiesproeier met remluchtregeling
In de voorgaande beschrijving is het principe beschreven van een compensatiesproeier op basis van een vaste doseur. Er is nog een tweede methode die veel wordt toegepast, nl de sproeier met remluchtregeling. De uitvoering is als volgt:

Figuur 9 De compensatiesproeier op basis van remlucht.

De sproeier wordt door de kap op een vaste conische zitting gedrukt. De doorboring onderin de sproeier is de doseur waardoor de benzine uit de vlotterkamer wordt aangevoerd. Door de gaatjes in de zijwand kan de remlucht toestromen.
Stel dat bij 1"onderdruk de sproeier gaat functioneren. dan wordt er door de doseur net zoveel benzine aangevoerd als er wordt gebruikt. De hoeveelheid is afgestemd op het bereiken van de goed mengverhouding. (1:16). Als het vacuüm toeneemt, bij hogere toerentallen, dan zakt het benzineniveau in de doseur en komt de eerste ring met gaatjes vrij. De gaatjes hebben een open verbinding met de buitenlucht en er kan du lucht toestromen. Dit verlaagt dus het aanwezige
vacuüm en remt dus de toevoer van benzine af. Bij een toename van het toerental komen steeds meer gaatjes vrij en wordt de bijdrage van de compensatiesproeier meer dan evenredig minder. De diameter van de sproeier en de gaatjes zijn dus bepalend voor het effect op de benzineopbrengst.In het plaatje staan de onderste gaatjes niet in verbinding met de buitenlucht. De verdikking in de sproeier sluit de ruimte af. Dit sproeiergedeelte voorziet de stationairsproeier van benzine (A).
Er zijn verschillende uitvoeringen van de compensatiesproeier. Ieder met zijn eigen karakteristiek van benzineopbrengst (zie onder).

Figuur 10 De verschillende uivoeringen van de remluchtsproeier.

De vlotter
De vlotter is noodzakelijk om de uitstroomsnelheid van de benzine aan de sproeier zoveel mogelijk evenredig aan de onderdruk te laten zijn. En goede afstelling van het niveau en de handhaving daarvan zijn de belangrijke factoren in deze. Voor de afstelling van de vlotterhoogte moet steeds het handboek van de carburateur (of auto) geraadpleegd worden. Het eventueel verbuigen van de lippen moet met grote zorgvuldigheid plaats vinden om afbreken/vervormen te voorkomen. De lip zit vaak vast aan de vlotter en kan deze makkelijk beschadigen. Bij de beoordeling van de carburateur moet de vlotter de nodige aandacht krijgen. Belangrijk is in dit verband ook zeker te weten dat de vlotter niet lek is.
De vlotternaald is een volgend punt van beoordeling. De vlotternaald is onderhevig aan slijtage en moeten periodiek vervangen worden. Bij het vervangen wordt altijd de naald samen met het huis vervangen. Het alleen vervangen van de naald leidt meestal tot onvoldoende afsluiting en daarmee een overmaat aan benzine en overlopen van de vlotterkamer.

Meervoudige carburateurs

Inleiding
Om meer vermogen te kunnen genereren kunnen veel onderdelen van de motor worden geoptimaliseerd. Een van de oplossingen is het toepassen van meerdere carburateurs. Een bij komend probleem hierbij is de slechtere cilindervulling bij lage toerentallen en het synchroniseren van de carburateurs.
Een oplossing voor dit probleem kan gevonden worden in een meervoudige carburateur. De werking van dergelijke carburateurs komt in essentie overeen met de enkelvoudige carburateur. In het ontwerp is echter een splitsing gemaakt in twee (of meer) werkgebieden: lage toerentallen/belasting en hoge
toerentallen/belasting.

In onderstaande figuur is een viervoudige carburateur van Rochester weergegeven.

Figuur 11 Een meervoudige carburateur van Rocheste

Aan de linkerzijde zit de primaire carburateur die twee verstuivers heeft. Aangezien het secundaire gedeelte niet werkt bij lage toerentallen is de chokeklep aangebracht in het primaire deel.
 
Er zijn drie stadia waarin de verschillende functies tot uiting komen.
    1.    Stationair lopen;
    2.    Gedeeltelijke belasting;
    3.    Volle belasting.
 
Stationairloop
Bij het stationair lopen is de volgende situatie van toepassing:

Figuur 12 De bijdrage bij stationairloop

In deze situatie levert zowel het primaire als secundaire deel benzine voor het stationair lopen. De secundaire carburateur levert via 1, 2 en 4 benzine voor de zuigbuis in het primaire deel. De hoeveelheid brandstof is niet te regelen en is ongeveer de helft van de benodigde hoeveelheid. de regeling zit op het primaire deel. Door de openingen 3,5 en 6 wordt lucht bij de benzine gemengd. De primaire carburateur levert de benzine via 8, 9 en 11 en deze komt langs de naald bij regelschroef 9. Als de smoorklep van de primaire carburateur verder wordt geopend gaat ook opening 14 onder de gasklep benzine leveren.
 
Gedeeltelijke belasting
Bij het verder openden van de smoorklep neemt de onderdruk toe en gaan de sproeiers in mengbuizen 7 benzine leveren en komt via de dubbele venturi in het inlaatspruitstuk terecht. In de mengbuis is duidelijk de hoofdsproeier en compensatiesproeier (remlucht-principe) te herkennen.

Figuur 13 De bijdrage bij gedeeltelijke belasting
 
Volle belasting
Bij grotere belasting of hogere toerentallen treedt het secundaire gedeelte van de carburateur in werking. Ook hierin zijn een hoofdsproeier en compensatiesproeier aanwezig. Bij deze carburateur opent het secundaire deel op basis van de verhoogde onderdruk. Er zijn ook systemen die dit doen op basis van de stand van de gasklep in het primaire deel.
De situatie bij de volle belasting is als volgt:

Figuur 14 De bijdrage bij volle belasting