Klassieke autotechniek (1) E. Gernaat (ISBN in overweging) 1 Carburateurs 1.1 Carburateurs met variabele onderdruk en brandstofverstuiving In het begin van de ontwikkeling van de benzinemotor werden wel oppervlaktecarburateurs toegepast. Een brandstoftank werd verwarmd door de uitlaatgassen en bovenin werd de benzinedamp afgezogen. In de latere ontwikkelingen zag men de venturi-carburateur verschijnen. De vereenvoudigde versie hiervan toont ons fig. 1. Voor de werking van dit systeem dienen we goed op de hoog- Figuur 1: Doorsnede tekening van een vaste venturi-carburateur. Er is een relatie tussen de venturidiameter dl en de diameter van de hoofddoseur db. Uit: Grohe 1982 1
te te zijn van de relatie tussen luchtsnelheid en onderdruk, vaak vacuüm genoemd. De smoorklep of gasklep regelt de hoeveelheid mengsel naar de motor en bepaalt het motorkoppel. We dienen een onderscheid te maken tussen het vacuüm dat ontstaat voor en na de gaskep. Het spruitstukvacuüm, dus het vacuüm na de gasklep bepaalt de vullingsgraad van de motor. Het vacuüm voor de gasklep regelt de hoeveelheid brandstof in relatie tot de hoeveelheid passerende lucht. In het carburateurhuis boven de gasklep bevindt zich een vernauwing die de venturi wordt genoemd. In het nauwste gedeelte van de venturi bevindt zich de hoofdsproeier. Het benzineniveau wordt onder de sproeieropening gehouden door het vlottermechanisme. Nu is er een relatie tussen de diameter van de venturi, de luchtsnelheid en de daarbij behorende onderdruk. Hoe hoger de luchtsnelheid hoe hoger de (benodigde) onderdruk. Door het drukverschil zal benzine uit de hoofdsproeier worden gezogen. Hoe meer lucht hoe hoger de snelheid hoe hoger het vacuüm en hoe meer benzine. De juiste brandstof/lucht verhouding (chemisch correct: 1 op 14,7) wordt verkregen door de grootte van de hoofddoseur in relatie tot de grootte van de venturi. 1.1.1 Vereenvoudigde carburateurberekening. Geraadpleegd: H.Grohe 1982 We maken gebruik van de continuïteitsregel en de wet van Bernouilli. De continuïteitsregel laat het verband zien tussen de luchtstroom V in m 3 /s, de doorsnede van een buis A in m 2 en de luchtsnelheid v in m/s. In formuleform V = A x v De wet van Bernouilli geeft de relatie weer tussen het drukverschil p in N/m 2 en de (lucht)snelheid in m/s. In formule: δp = 0,5 ρ v 2. De maximale luchtstroom is gelijk aan het door de motor per seconde aangezogen luchtvolume met de gasklep volledig geopend. Bij een slagvolume van 1,6 liter en een toerental van 5400 t/min (90 t/s) wordt de luchtstroom (0,0016 m 3 x 90 t/s) : 2 = 0,072 m 3 /s. (2 = voor vierslag). Hierbij gaan we uit van een vullingsgraad van 100%. De gewenste luchtsnelheid is bij een 4 en 6 cilinder motor ongeveer 120 m/s. Dit is een ervaringsgetal. De doorsnede van de venturi A wordt dan: 0,072 m 3 /s : 120 m/s = 0,0006 m 2 = 600 mm 2. Dit komt overeen met een diameter (d) van 27,6 mm (0,25π x d 2 = 600 mm 2 ). Deze berekening komt overeen met de grafieken die de carburateurfabrikanten in hun dokumentatie geven. Zie fig. 2. De diameter van de hoofddoseur moet er voor zorgen dat de gewenste mengverhouding van brandstof en lucht ontstaat. Het maximum motorvermogen wordt bereikt bij lambda-waarde van 0,9. We gaan gemakshalve uit van een lucht-brandstofverhouding van 14,5, d.w.z. dat we 14,5 kg lucht nodig hebben op 1 kg brandstof (benzine). De s.m. van benzine stellen we op 730 kg/m 3 en die van lucht op 1,1 kg/m 3 (bij een druk van 90 kpa en 10 0 C). Het benodigde drukverschil om de luchtstroom te genereren zal moeten zijn: 2
Figuur 2: Relatie tussen de cilinderinhoud, het toerental en de venturi-diameter δp = 0,5 x 1,1 kg/m 3 x 120 m/s 2 = 7920 N/m 2 (vergelijk: 1 bar = 100.000 N/m 2 ). Dit drukverschil is ook van toepassing op de brandstofstroom. De vergelijkingen voor de volumestromen van lucht en brandstof zijn: V l ucht = α l x A x v l ; V b randstof = α b x A x v b. Hierin is α de doorstromingsfactor. Zetten we de volumestromen om naar massastromen dan moeten we in de eerder genoemde formules nog de s.m opnemen. massastroom lucht = αl x A x vl x s.m lucht; massastroom brandstof = αb x A x vb x s.m. benzine. De ervaring heeft geleerd dat dat we voor de doorstroomfactor 0,8 voor lucht en 0,85 voor benzine kunnen nemen. We kunnen nu de massastroom lucht door de venturi berekenen: Massastroom lucht (kg/s) = 0,8 x 0,0006 m 2 x 120 m/s x 1,1 kg/m 3 Uitgerekend wordt dit: 0,06336 kg/s of 63,36 g/s Daar zal dan 0,06336 kg / 14,5 = 0,00437 kg brandstof bij moeten voor de vereiste mengverhouding of in volume: 0,00437 kg / 730 kg/m 2 = 0,00000599 m 3 3
Voor de brandstof geldt verder: δp = 0,5 ρ v 2 Ingevuld geeft dit: 7920 N/m 2 = 0,5 x 730 kg/m 3 x v 2 Uitgerekend wordt dan de brandstofsnelheid (v) 4,66 m/s Dit ingevuld in de continuïteitsvergelijking geeft de doorsnede van de hoofddoseur: V = A x α x v 0,00000599 m 3 /s = A x 0,85 x 4,66 m/s A = 0,0000015122 m 2 = 1,512 mm 2 De diameter van de hoofddoseur wordt dan (A=0,25π x d 2 ) = 1,39 mm. Er geldt de benaderingsregel: db = dl x 0,05 In ons geval wordt dat dan 28 mm x 0,05 = 1,4 mm, een afwijking van 0,01 mm ten opzichte van de berekende waarde. De berekening heeft plaatsgevonden voor een specifiek toerental. In de praktijk zal bij het oplopen van het toerental bij een vaste venturi en doseur het mengsel gaan verrijken. Deze verrijking moet op één of andere manier worden gecompenseerd. Om de carburateur onder alle rijomstandigheden de juiste hoeveelheid mengsel van de juiste samenstelling te laten leveren bestaat een carburateur uit verschillende gedeeltes. We onderscheiden dan: (koude) startgedeelte; stationairgedeelte; overneemgedeelte; hoofdgedeelte; vollastgedeelte; acceleratiegedeelte. Ten aanzien van de montage van de carburateur op de motor valt te onderscheiden de: valstroomcarburateur; vlakstroomcarburateur; stijgstroomcarburateur. De stijgstroomcarburateur werd in de laatste jaren van het carburateur tijdperk al niet meer toegepast. Fig. 3 laat genoemde carburateurtypen zien. 4
Figuur 3: Links: valstroom, midden: vlakstroom, rechts: stijgstroomcarburateur. Tekening: Grohe 1982 1.1.2 Verschillende carburateurtypen Er zijn verschillende carburateurmerken in de omloop. Enige bekende merken zijn: Solex Zenith Stromberg Weber Rochester Holley Carter Binks S.U. 1.2 Vragen en opgaven 1. Welke hoofddoseur moet in eerste instantie worden gemonteerd wanneer men een venturi van 30 mm monteert? 2. Om de lucht te laten stromen hebben we een drukverschil nodig. Hoe is de formule die dit verband weergeeft? 3. Hoe luidt de continuïteitsregel? 4. Welke drie carburateurtypen worden hier onderscheiden? 5. Waarom werden stijgstroomcarburateurs al snel niet meer toegepast? 6. Waarom zou een carburateur opgebouwd worden uit verschillende gedeeltes? 5