Afgelopen maandag las je nog hoe elektronische injectie werkt. In dit artikel beloofden we nog terug te komen op de voorlopen van elektronische injectie: de ‘ouderwetse’ carburateur. Dat doen we in dit artikel dan ook. En zo ouderwets is de carburateur nou eigenlijk ook weer niet, want op lichte motorfietsen, bromfietsen en offroads worden ze nog steeds toegepast.
Simpel en kort door de bocht
Een carburateur is in feite niet veel meer dan een koker waar lucht doorheen stroomt. In de koker is een vernauwing aangebracht. Precies in die vernauwing zit een smal buisje, met de opening naar boven. In dit buisje -de sproeier- staat de benzine precies tot aan de rand. Wanneer er lucht door de carburateur stroomt, ontstaat er een onderdruk die de benzine uit de sproeier zuigt. Die kan dan in de langsstromende lucht verdampen. Om het benzineniveau precies tot aan de rand van de sproeier te houden, is de sproeier verbonden met een groter reservoir, dat naast de luchtkoker is geplaatst. In dit reservoir zit een drijver – de vlotter – die is verbonden met een klepje in de benzinetoevoer. Doordat de drijver op de benzine blijft drijven, drukt deze het klepje vanzelf dicht als het benzineniveau precies hoog genoeg is gestegen.
Hoe werd het principe bedacht?
Bij de eerste carburateurs zorgde het motorvermogen voor de onderdruk die nodig was om de benzine uit de sproeier te zuigen. Rond 1900 ontdekte de Engelsman Edward Butler dat het een stuk beter ging als je een vernauwing in de buis aanbracht, precies ter hoogte van de sproeier. Het blijkt namelijk dat er een beduidende drukverlaging optreedt wanneer de lucht door die vernauwing stroomt. Dit effect werd in 1738 ontdekt door Daniel Bernouilli. Hij bedacht dat er evenveel lucht de buis in gaat als dat er uitkomt. En dus moet er ook evenveel lucht door de vernauwing stromen. Evenveel lucht door een kleinere diameter, dat kan alleen als die lucht daar sneller stroomt. Dat klinkt heel logisch, maar toch gebeurt er iets bijzonders. Het kost immers altijd kracht om iets te versnellen. En kracht kost energie. Maar waar komt die energie vandaan? Bernouilli realiseerde zich dat een stof meerdere vormen van energie heeft: temperatuur, druk, hoogte en snelheid. Wanneer één bepaalde vorm van energie toeneemt, zonder dat er van buitenaf energie wordt toegevoegd, kan die energie alleen uit één van die andere vormen komen. Experimenten bevestigden zijn theorie: als de luchtsnelheid bij een vernauwing toeneemt, daalt de druk daar. En, zoals Giovanni Battista Venturi in 1790 ontdekte, die onderdruk in de vernauwing kun je gebruiken om een vloeistof aan te zuigen. Een aardig neveneffect is dat het kookpunt van een vloeistof bij een lagere druk ook lager ligt. Een vloeistof als benzine raakt bij die onderdruk zelfs aan de kook en verdampt daardoor razendsnel.
Aanpassingen voor juiste uitwerking en bediening
De eerste verbrandingsmotoren draaiden met constant toerental. Verbrandingsmotoren voor voertuigen moesten echter ook kunnen optrekken en afremmen. De hoeveelheid benzine-luchtmengsel die de motor kreeg, moest daarvoor kunnen worden geregeld. Dat gebeurde eenvoudig met een vlinderklep tussen de carburateur en de motor. Ook aan inlaatkant van de carburateur kwam al gauw een vlinderklep te zitten. Deze ‘choke’ (van het Engelse woord voor wurgen) diende om de motor gemakkelijker te kunnen starten. Benzine verdampt bij een koude motor lastig, je hebt er dan meer van nodig, een rijker mengsel dus. Door de chokeklep te sluiten, kon de onderdruk in de carburateur worden vergroot, zodat er meer benzine werd aangezogen. Naarmate motoren groter en sneller werden, moest de carburateur ook steeds meer mengsel produceren. Carburateurs werden daarom groter, maar de luchtsnelheid in de venturi werd daardoor bij stationair toerental te laag om het mengsel goed te regelen. Daarom werd er vaak een omloopleidinkje gemaakt dat de benzine vlak achter de gasklep in de carburateur liet stromen. Omdat de bijna dichte gasklep ook een venturi-effect geeft en er tussen de dichte gasklep en de motor een vacuüm is, werd de benzine daar aangezogen. Met een stelschroef in de omloopleiding kon het stationair mengsel worden afgesteld.
Een volgende stap in de evolutie werd de acceleratiepomp. Naarmate bestuurders haastiger werden en snellere gaswisselingen eisten, moest de gasreactie ook verbeteren. Als de gasklep plotseling werd geopend, duurde het vaak even voor de benzinestroom op gang kwam. Er ontstond een te arm mengsel, waardoor de motor ging hikken. Dat werd opgelost door op het gasklepmechanisme een klein pompje te zetten, dat bij het gas geven elke keer wat extra benzine in de carburateur pompte. Zo werd het tijdelijke benzinetekort aangevuld. Een andere niet onbelangrijke aanpassing was de vollastverrijking. Omdat motoren bij hoge belasting de neiging hebben te gaan pingelen en de kleppen ook extra koeling nodig hebben, kregen carburateurs ook een extra sproeier om bij hoge belasting extra benzine in te spuiten.
Constant vacuüm
Carburateurs zijn met al hun bijregelingen ingewikkelde gasfabrieken geworden. Dat het toch eenvoudiger kan, bewijst de constant-vacuümcarburateur, die je op veel motorfietsen vindt. Dit is in feite een horizontale sproeiercarburateur, waarvan de afmeting van de venturi door een schuivende zuiger kan worden veranderd. De ruimte boven de zuiger is via een luchtboring verbonden met de ruimte tussen de gasklep en de venturi. Bij het openen van de gasklep wordt het vacuüm in het inlaatspruitstuk doorgegeven aan de ruimte boven de zuiger, waardoor deze omhoog beweegt en de venturi groter wordt. Als de luchtsnelheid door de carburateur op gang is gekomen, daalt het vacuüm iets, waardoor de zuiger ook weer iets zakt, terwijl dit weer stijgt als er heel hoge luchtsnelheden worden gevraagd, bij vol gas en hoge toerentallen. Zo wordt de grootte van de venturi steeds aangepast aan de luchtsnelheid en het motorvacuüm. Dit zorgt voor een altijd goede verneveling en verdamping, waardoor deze carburateur heel geschikt is voor motorfietsen die heel hoge toerentallen draaien, maar ook bij lage snelheden smeuïg moeten kunnen lopen. Maar dat is niet alles. Aan de zuiger is een ietwat taps toelopende naald bevestigd, die in de hoofdsproeier steekt. Gaat de zuiger omhoog, dan geeft de naald een grotere doorlaat van de sproeier vrij. Bij plotselinge acceleratie en bij hoge toerentallen en vol gas wordt het mengsel dus vanzelf rijker, zonder allerlei ingewikkelde omloopsproeiers en pompjes. Er zijn ook motorcarburateurs waarbij de venturi niet door een zuiger, maar door een vlakke schuif wordt geregeld. Die schuif zit direct aan de gaskabel vast en wordt dus niet door het vacuüm bediend. Omdat de zuiger direct bij het gasgeven omhoog schiet en niet pas als het vacuüm zich heeft opgebouwd, reageert zo’n vlakke-schuifcarburateur directer en agressiever op het gas. Deze carburateurs vind je dan ook vaak op competitiemotoren.
Vind je bovenstaande interessant? Veel meer techniek vind je hier.
Tekst: Peter Aansorgh
