Vergaser

Der Vergaser ist eine Vorrichtung zur äußeren Gemischbildung eines Ottomotors. Er erzeugt durch Zerstäuben von Benzin bzw. Zweitaktgemisch in Luft ein verbrennungsfähiges Benzin-Luft-Gemisch, das in den oder die Brennräume des Verbrennungsmotors geleitet wird. Im Vergaser befindet sich auch das Drosselorgan (Drosselklappe oder -schieber), mit der das Drehmoment und damit die Leistung des Motors eingestellt wird. Obwohl allgemein die Bezeichnung "Vergaser" verwendet wird, wäre "Aerosoler" physikalisch korrekter, da der Kraftstoff nicht durch Verdampfen vollständig in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht, sondern nur ein Aerosol ("Spray") aus Benzintröpfchen und Luft erzeugt wird.
Heute werden Vergaser fast nur noch in Kleinmotoren von Rasenmähern und Motorsägen verwendet. Auch die kleinen Zweitaktmotoren von Rollern und Motorfahrrädern sind oft noch damit bestückt. Im Automobilbau wurde der Vergaser in den 1990er Jahren zunehmend durch Einspritzanlage verdrängt. Nur in Oldtimern und Motorrädern ist er noch zu finden, die in der Mehrzahl ohne Katalysator betrieben werden.

Komponenten

Moderne Vergaser bestehen aus folgenden Teilen, die je nach Typ unterschiedlich ausgeführt oder durch Zusatzeinrichtungen ergänzt sein können:

• Mischkammer, meist als Venturi-Rohr ausgeführt
• Steuer- und Drosselsystem für die Verbrennungsluft (Drosselklappe, Schieber etc.)
• Steuer- und Drosselsystem für den Kraftstoff (Hauptdüse, Düsennadel etc.)
• Regelsystem für die Treibstoffzufuhr (Schwimmerkammer - nicht bei Überlaufvergasern - mit Schwimmer und Nadelventil, Membranpumpe bei Membranvergasern etc.)
• Kaltstarthilfe (Tupfer/Primer, Starterklappe/Choke, Startautomatik)

Diese Komponenten können ergänzt werden durch:

• Leerlaufeinrichtung (Leerlauf-Luftdüse, Leerlauf-Kraftstoffdüse)
• Ansaugluftvorwärmung
• Beschleunigungspumpe
• Teil- und Volllastklappen

Vergaser in der Kraftfahrzeugtechnik

Der Vergaser stellt dem Motor das Kraftstoff-Luft-Gemisch bereit. Das "stöchiometrische" Verbrennungsluftverhältnis, bei dem der Kraftstoff vollständig verbrennt, ohne dass Sauerstoff übrig bleibt, liegt für die heute üblichen Ottokraftstoffe bei etwa 14,7 kg Luft auf 1,0 kg Kraftstoff. Dies entspricht einer "Luftzahl" = 1. Ist < 1, spricht man von "fettem" Gemisch, d. h. mit mehr Kraftstoff als beim stöchiometrischen Verhältnis; ein "mageres" Gemisch hat einen Lambda-Wert > 1. Die höchste Motorleistung erreicht man mit fettem Gemisch (? = 0,85), während der höchste Wirkungsgrad bei = 1,05 erzielt wird.
Vergaser arbeiten nach dem Prinzip der Venturi-Düse. Der hydrodynamische Druck an der engsten Stelle des Lufttrichters nimmt mit dem Durchfluss zu, der statische Druck verringert sich entsprechend. Diese Druckdifferenz saugt den Treibstoff, der in der Schwimmerkammer auf konstantem Niveau gehalten wird, durch die Hauptdüse in den Lufttrichter, wo er zu einem Aerosol zerstäubt. Die Durchmesser von Lufttrichter und Hauptdüse müssen auf die maximale Leistung des Motors ausgelegt werden, was dazu führt, dass bei niedriger Drehzahl (Leerlauf) der Unterdruck nicht ausreicht, um einen konstanten Motorlauf zu erreichen. Daher haben die am häufigsten verwendeten Vergaser mit konstantem Lufttrichter-Querschnitt ein eigenes Leerlauf- und Übergangssystem.
Schon früh wurde erkannt, dass die Durchmesser von Lufttrichter und Hauptdüse veränderlich sein müssten, um für jeden Lastzustand das optimale Verbrennungsluftverhältnis zu gewährleisten. Besonders Motoren mit größerem Hubraum erhielten daher sogenannte Register- oder "Stufenvergaser", bei denen last- und drehzahlabhängig ein zusätzlicher Lufttrichter mit größerem Querschnitt aktiviert wird.
Als zweite Lösung gilt der sogenannte Gleichdruckvergaser. Durch einen unterdruckgesteuerten Schieber werden dort mit zunehmenden Durchfluss gleichzeitig Ansaugquerschnitt und - über eine am Schieber befindliche Düsennadel - Hauptdüse vergrößert. Die Strömungsgeschwindigkeit im Vergaser ist daher konstant, jedoch verzögert der in manchen Bauarten (z. B. Strombergvergaser) ölgedämpfte Kolbenschieber die Reaktion auf den veränderten Lastzustand.
Mit den verschärften Abgasbestimmungen gelang es nicht, befriedigende Lösungen zur optimalen Gemischaufbereitung mittels Vergasern zu finden. Die steigenden Anforderungen an die Abgasqualität, die sich nur noch mit Katalysatoren und Lambdaregelung erfüllen ließen, erforderten elektronisch gesteuerte Vergasersysteme ("Ecotronic"), die an Komplexität den elektronischen Benzineinspritzungen gleichstanden. Diese ersetzten daher in den 1990er Jahren den Vergaser im Fahrzeugbau.

Erste Vergaser

Der erste Vergaser war der von Carl Benz entwickelte Oberflächenvergaser. Bei ihm wird der Kraftstoff in einem beheizten Behälter verdampft und mit Luft vermischt. Eine weitere Konstruktion war der vom deutsch-österreichischen Techniker Siegfried Marcus erfundene Bürstenvergaser. Er zerstäubte den Treibstoff mit einer rotierenden Bürste in einer Wanne.
Beide halten nicht automatisch ein bestimmtes Luftverhältnis ein, sondern müssen je nach bei Drehzahl oder Laständerungen nachgeregelt werden. Diese Vergasertypen wurden aufgrund ihrer Unzuverlässigkeit und Gefährlichkeit (Vergaserbrand) nur kurze Zeit bei den ersten Verbrennungsmotoren verwendet.
Die Ungarn Donát Bánki und János Csonka entwickelten und patentierten 1893 zunächst den sog. Bánki-Csonka-Motor und als dessen Bestandteil den Vergaser.
Diese ersten Bauarten wurden ab 1893 durch Vergaser mit Schwimmerkammer (Spritzdüsenvergaser) ersetzt. Diese Erfindung wird Wilhelm Maybach zugeschrieben. Die ersten Schwimmervergaser waren oftmals Steigstromvergaser. Aufgrund der schwankenden Qualität der Kraftstoffe kam es öfter zu Überfettungen; der Motor blieb stehen, weil das gebildete Gemisch nicht mehr zündfähig war. Beim Steigstromvergaser kann der Kraftstoff aus dem Vergaser ins Freie auslaufen statt in den Motor.

Verschiedene Typen

Bei der Kategorisierung von Vergasern unterscheidet man heute nach mehreren Merkmalen:

Richtung des Ansaugluftstromes

Die verschiedenen Strömungsrichtungen der Ansaugluft durch den Vergaser legen fest, um welchen Typ es geht:

• Fallstromvergaser. Die Luft strömt von oben nach unten.
• Flach- oder Querstromvergaser. Die Luft strömt horizontal. Er wird vor allem dort verwendet, wo es auf eine geringe Bauhöhe ankommt.
• Schrägstromvergaser. Die Luft strömt diagonal von oben.
• Steigstromvergaser. Die Luft strömt von unten nach oben.

Anzahl und Funktion der Mischkammern

• Einfachvergaser - ein Lufttrichter
• Doppelvergaser - zwei Einfachvergaser in einem Gehäuse (z.B. BMW 1602/2002 ti mit zwei Solex-Doppelvergasern)
• Dreifachvergaser (bis 1973 in diversen Porsche 911) oder auch Vierfachvergaser. Diese Vergaserbauarten bedienen sich einer meist mittig angebrachten Schwimmerkammer zur Versorgung mehrerer Ansaugrohre.
• Register- bzw. Stufenvergaser. Ein Lufttrichter für Leerlauf/Teillast und einer für Volllast (nicht mit Doppelvergaser zu verwechseln).
• Doppel-Registervergaser (zwei Registervergaser in einem Gehäuse): im Mercedes 280 (W 114), den 250/280 der Baureihe W 123 sowie dem 280 S (W 116), BMW 320/6 aus der Reihe E21, BMW 520/6, 525, 528 (ohne "i") aus der Reihe E12.

Art des Drosselorganes

• Drosselklappe
• Schieber mit den Unterarten:
• Kolbenschieber, auch Rundschieber genannt. Der Kolben wird mittels Gasgriff und Bowdenzug direkt hochgezogen (Beispiel: BMW R 90 S mit Dell'Orto-Vergasern). Eine mittig im Kolben angebrachte, leicht konische Düsennadel, verändert den offenen Querschnitt einer Düse und steuert so die Benzinmenge mit. Ergänzt wird das Kolben-Nadelsystem durch:
• die Hauptdüse (diese sitzt am unteren Ende des Nadelsystems und begrenzt den Kraftstofffluss durch das Nadelsystem)
• die Leerlaufdüse stromabwärts des Hauptdüsensystems.
• Flachschieber in Form eines Rechteckes mit kreisförmigem Durchlass. Freie Einbaulage und vorteilhaft, weil z. B. bei Rennmotoren mit einem Schieber eine ganze Zylinderbank (drei bis sechs Zylinder) gesteuert werden kann.

Gleichdruckvergaser

Beim Gleichdruckvergaser ist der auf das Hauptdüsensystem wirkende Unterdruck im statischen Betrieb mit konstanter Drehzahl immer gleich - daher der Name. Dies wird dadurch erreicht, dass hinter der Drosselklappe ein an einer Membrane befestigter Kolbenschieber in der Gasströmung liegt. In den Raum über der Membran wird der Ansaugunterdruck geleitet, der zu dem durch eine andere Bohrung unter die Membrane geleiteten Atmosphärendruck einen Druckunterschied erzeugt, der die Membrane mit Kolbenschieber nach oben zieht. Daran hängt eine konische Düsennadel, die den offenen Querschnitt der Hauptdüse und damit die einströmende Benzinmenge regelt.
Der Gleichdruckvergaser steuert damit die Benzinmenge abhängig von der Luftmenge und unabhängig von der Drosselklappenstellung. Die Vergaser benötigen keine Beschleunigungspumpe, weil selbst schnelles Gasgeben nicht dazu führt, dass der benzinfördernde Unterdruck zusammenbricht. Vielmehr wird das Gemisch angereichert, weil der träge Kolben etwas verzögert auf den veränderten Lastzustand reagiert und daher die den Kraftstoff fördernde Druckdifferenz kurzzeitig höher ist. Einerseits ist das Ansprechverhalten des Motors dadurch etwas träger als beim Schiebervergaser, andererseits wird damit das typische Loch bei schnellem Betätigen des Gasgriffs falsch eingestellter Schiebervergaser vermieden. Der Gleichdruckvergaser wird besonders bei Motorrädern eingesetzt (Beispiele: Bing-Vergaser der frühen BMW R 75/5-Modelle, zahlreiche japanische Maschinen mit Keihin- und Mikuni-Vergasern sowie Ducati-Modelle bis 1999).
Diverse Mercedes-Benz-PKW der Baujahre 1965 bis 1985 (Baureihen W 115, W 123, W 201) waren mit Stromberg-Gleichdruckvergasern ausgerüstet. Ebenso wurden SU-Vergaser (SU: Skinner Union) in vielen englischen Automobilen und bei Volvo eingesetzt.

Besondere Vergaser

Zunächst bei Flugmotoren kam die Notwendigkeit auf, Vergaser einzusetzen, die ihre Funktion unabhängig von der Lage im Raum erfüllen, besonders bei Drehbewegungen (Zentrifugalkraft) des Flugzeuges und "über Kopf". Hierzu gab es etliche Entwicklungen; eine der bekanntesten ist der Membranvergaser. Das gleiche Problem stellt sich bei Kleinmotoren zum Beispiel in Gartengeräten (Rasenmäher am Steilhang) oder bei Motorsägen, bei denen die Lage des Vergasers auf den Motorlauf keinen Einfluss haben soll. Teils wurden solche Vergaser auch in konventionellen Kraftfahrzeugen verwendet, wie etwa die Tillotson-Membranvergaser an Motorrädern der Marke Harley-Davidson.
Weiterhin gibt es den Überlaufvergaser, der ohne Schwimmerkammer auskommt. Deshalb ist er in der Herstellung besonders günstig und einfach im Aufbau. Bei ihm wird der Kraftstoff aus dem unterhalb des Vergasers liegenden Kraftstofftank per Pumpe in ein sehr kleines Kraftstoffreservoir befördert, aus dem die Gemischbildungsdüse bedient wird. Der per Pumpe zu viel in das Reservoir geförderte Kraftstoff gelangt dann per Schwerkraft in den Kraftstofftank zurück. Diese Vergaserart wurde z. B. beim "Vélosolex"-Mofa und bis 1967 in den ersten Porsche 911 eingesetzt.
Beim Fish-Vergaser (nach John Robert Fish) ist die Schwimmerkammer mit der hohlen Drosselklappenwelle verbunden, an der der Kraftstoff durch Bohrungen ausströmt.

Zusatzeinrichtungen

Kaltstarthilfen

Tupfer oder Primer

An einfachen Vergasern findet man oft eine Kaltstarthilfe als "Tupfer" oder "Primer". Der Tupfer ist ein Stift am Schwimmerkammerdeckel, der bei Betätigung den Schwimmer nach unten drückt und so das Schwimmernadelventil öffnet. Die Schwimmerkammer wird mit Benzin überflutet und das Gemisch zum Start angefettet (Verbrennungsluftverhältnis < 1), damit es besser zündet. Der Tupfer darf in aller Regel nur kurz für zwei bis vier Sekunden betätigt werden; zu langes "Tupfen" kann den gesamten Ansaugtrakt mit Kraftstoff fluten, sodass die Zündkerze vernässt und der Motor "absäuft". Anstelle des Tupfers kann auch ein Gummibalg ("Primer") verwendet werden, der als Luftpumpe eine geringe Menge Luft in die Schwimmerkammer pumpt und so den Schwimmer ebenfalls nach unten drückt. Der Primer sollte drei bis fünfmal kurz betätigt werden.

Starterklappe (Choke)

Die Starterklappe (engl. Choke) ist eine Einrichtung, mit der das Gemisch während der Start- und Warmlaufphase des Motors angereichert, also "fetter" gemacht wird. Das geschieht, indem eine separate Klappe vor der Drosselklappe bzw. dem Schieber eine Verengung des Luftquerschnitts erzielt; durch die einhergehende Erhöhung des Unterdrucks wird nun mehr Kraftstoff aus der Düse gesaugt und somit eine Anreicherung der durchströmenden Luft bewirkt. Besonders bei kaltem Motor ist ein Starten ohne Choke oft nicht möglich. Falls vergessen wird, den Choke nach der Warmlaufphase wieder zu öffnen, führt das zu schlechtem Motorlauf und hohem Mehrverbrauch. Um diese Probleme zu vermeiden, war in vielen Fahrzeugen eine Kontrolllampe für den gezogenen Choke vorhanden. Als Weiterentwicklung gab es die Startautomatik, welche die Aktivierung und Rückstellung des Chokes, teils temperaturgesteuert, selbsttätig durchführt (siehe folgenden Abschnitt).

Startvergaser

Eine andere Variante ist die Freigabe eines zweiten einfachen, ungeregelten Vergasersystems (Startvergasersystem) über einen Luftweg, der das Drosselorgan umgeht, und gleichzeitig mit Betätigung der Starterklappe freigegeben wird. Dieser Bypass erzeugt in kleinen Mengen durch eine eigene Düse ein stark überfettetes Gemisch, das hinter dem Schieber dem fertigen Gemisch beigemengt wird. Diese Art Choke wird z. B. in BVF- und Bing-Vergasern der Baureihe 17 verwendet.

Startautomatik

Hier wird prinzipiell die Betätigung der zuvor beschriebene Starterklappe automatisiert. Um sie in Gang zu setzen, muss man das Gaspedal in der Regel einmal ganz durchtreten. (Es gibt auch vollautomatische Startautomatiken, z. B. Pierburg 2E2, die sich automatisch bei kaltem Motor einschalten). Dabei wird die Drosselklappe geöffnet und zugleich von einer temperaturbeeinflussten Bimetallfeder die Startklappe (Luftklappe) zunächst bis auf einen kleinen Spalt geschlossen. Ist der Motor in Betrieb, bewirkt eine Pulldown-Einrichtung (sie arbeitet mit Unterdruck), dass beim Gasgeben die Starterklappe mit geöffnet wird. Die Bimetallfeder wird (anfangs nur elektrisch, bei Vergasern ab Baujahr ca. 1970 auch mit Kühlwasserumlauf) beheizt, damit die Startklappe sich öffnet. Das dauert so lange, bis der Motor betriebswarm ist (Vergaser- oder Wassertemperatur 60 °C).

Ansaugluftvorwärmung

Die Ansaugluftvorwärmung verhindert, dass bei kühler Witterung der Vergaser vereist und der Motor dann unregelmäßig läuft bzw. abstirbt. Dies kann mit einer Beheizung des Ansaugkanals mittels Kühlflüssigkeit und/oder eines elektrischen Heizelements (sogenannter "Igel") verhindert werden. Bei der einfachsten Version einer Vorwärmung wird die Ansaugluft am heißen Auspuffkrümmer vorbeigeleitet. Viele Fahrzeuge hatten dafür eine manuell zu betätigende Klappe für die Umschaltung von Sommer- auf Winterbetrieb, bei anderen geschah die Umschaltung automatisch über einen Thermostaten.

Beschleunigungspumpe

Manche Vergaser besitzen eine Beschleunigungspumpe, die beim Öffnen der Drosselklappe (Vergrößerung des Ansaugquerschnitts) zusätzlich Kraftstoff in den Lufttrichter pumpt, um ein unerwünschtes "Beschleunigungsloch" zu vermeiden. Durch das Absinken des Unterdruckes bei der Drosselklappenöffnung würde sonst das Gemisch abmagern. Oft wird dazu eine kleine Kolbenpumpe verwendet, die beim Betätigen des Gaspedals zusätzlich eine geringe Menge Kraftstoff in den Ansaugtrakt spritzt. Ein "nervöser Gasfuß" verursacht ständig eine Betätigung der Beschleunigungspumpe, was den Benzinverbrauch erhöht.

Volllastanreicherung

Die höchste Motorleistung wird bei fettem Gemisch von ca. = 0,85 erreicht. Dort stellt sich auch die höchste Zündgeschwindigkeit bzw. Reaktionsgeschwindigkeit des Benzingemisches ein. Zur Anfettung dient ein separater Kanal, über den zusätzlich Kraftstoff in den Lufttrichter geleitet wird.
Die Anreicherung soll auch verhindern, dass das Gemisch beim Erreichen der Volllast zu stark abmagert (? > 1) und die Verbrennung zu "heiß" wird. Dabei könnte ein Loch im Kolbenboden entstehen, was einen schweren Motorschaden darstellt. Die Verdampfungswärme des zusätzlich zugeführten Kraftstoffs sorgt für eine "Innenkühlung" der Zylinder.

Höhenkorrektor

Die Luft in größeren Höhen enthält, entsprechend dem niedrigeren Luftdruck und damit abnehmender Dichte, weniger Sauerstoff; hingegen ändert sich die Dichte des flüssigen Kraftstoffs nicht in Abhängigkeit von der Ortshöhe. Da Vergaser die Luft- und Kraftstoffmenge nach Volumen erfassen, fehlt in Höhenlagen ohne Korrekturmaßnahme Sauerstoff für eine vollständige Verbrennung, das Gemisch ist also zu fett.
In seltenen Fällen - unbedingt bei Bergrennen - haben Vergaser deshalb eine automatische Einrichtung, um die geringere Dichte der Luft in größeren Höhen auszugleichen. Eine barometrische Dose verändert dazu die Gemischbildung. Bei älteren Fahrzeugen vor Baujahr 1970 war diese Einrichtung oftmals Option. Bei Flugzeugen mit Vergasermotor wird das Gemisch mittels Gemischregler vom Piloten manuell eingestellt (Leanen).
Viele elektronische Einspritzanlagen erfassen hingegen die angesaugte Luftmasse - bzw. errechnen die Luftdichte aus dem gemessenen Luftdruck - und schalten somit diese Fehlerquelle der Gemischbildung von vornherein aus.
Der Korrektor sorgt nur dafür, dass bei jeder Höhe eine vollständige Kraftstoffverbrennung stattfinden kann, indem er die Gemischbildung auf den richtigen Wert - nahe dem stöchiometrischen Kraftstoffverhältnis - einstellt. Den bei sinkender Luftdichte eintretenden Leistungsabfall kann er nicht ausgleichen, denn es kann ohne Aufladung nur soviel Kraftstoff verbrannt werden, wie der angesaugten Menge an Luftsauerstoff entspricht.

Anreicherung

Teillastanreicherung

Um einen niedrigen Verbrauch zu erzielen und trotzdem bei Last genügend Kraft zu haben, gibt es die unterdruckgesteuerte Teillastanreicherung. Sie wird auch dazu benutzt, dass beim Öffnen der Drosselklappe kein "Loch" entsteht. Damit wird auch der Übergang von Leerlauf zum Gasgeben gesteuert.

Power Jet

Die Power-Jet-Düse dient der Gemischanpassung bei Zweitaktmotoren im mittleren Drehzahlbereich. Die Power-Jet-Düse bezieht ihren Kraftstoff durch Unterdruck direkt aus der Schwimmerkammer und zerstäubt ihn vor dem Vergaserschieber. Der japanische Vergaserhersteller Mikuni war in den 1970er Jahren einer der Ersten, die das Prinzip des Unterdrucks direkt aus der Schwimmerkammer erkannten, und dadurch die Vergaser-Hauptdüsen kleiner dimensionieren konnten, welche das Ansprechverhalten sowie die Leistung positiv beeinflusste. Heute unterscheidet man rein mechanische und elektrische Systeme.

Elektronisch gesteuertes Vergasersystem

Siehe auch

• Fish-Vergaser

Literatur

• Heinrich Illgen: Vergaser-Handbuch : Vergaser, Kraftstoffe, Benzin-Einspritzanlagen, Synchron-Testgeräte und Kraftstoffpumpen 6. Auflage, Verlag Technik, Berlin, 1977.
• Jürgen H. Kasedorf: Vergaser- und Katalysatortechnik Vogel-Verlag, Würzburg 1993. ISBN 3-8023-0460-8
• Jürgen H. Kasedorf: Gemischaufbereitung, Teil 1: Vergaserreparatur und -einstellung : Grundlagen 4. Auflage, Vogel-Verlag, Würzburg 1986. ISBN 3-8023-0321-0
• Jürgen Kasedorf: Gemischaufbereitung, Teil 2: Vergaser der Pierburg GmbH & Co. KG (ehemals: Deutsche Vergaser-Gesellschaft DVG) 3. Auflage, Vogel-Verlag, Würzburg 1987. ISBN 3-8023-0342-3
• Gert Hack: Autos schneller machen. 11. Auflage, Motorbuchverlag, Stuttgart, 1980, ISBN 3-87943-374-7
• Jan Trommelmans: Das Auto und seine Technik. 1. Auflage, Motorbuchverlag, Stuttgart, 1992, ISBN 3-613-01288-X
• Hans Jörg Leyhausen: Die Meisterprüfung im Kfz-Handwerk Teil 1. 12 Auflage, Vogel Buchverlag, Würzburg, 1991, ISBN 3-8023-0857-3
• Peter Gerigk, Detlev Bruhn, Dietmar Danner: Kraftfahrzeugtechnik. 3. Auflage, Westermann Schulbuchverlag GmbH, Braunschweig, 2000, ISBN 3-14-221500-X

Quelle: Wikipedia