Een alternatief voor de klassieke carburateur
De carburateur is een van de meest belangrijke onderdelen van een verbrandingsmotor. Het functioneren ervan bepaalt in hoge mate de prestaties en het gedrag van de motor. Het is echter bepaald niet eenvoudig om voor een kleine modelbouw motor een carburateur te maken waarmee die vlot kan worden opgestart en betrouwbaar af te stellen is en waarmee verschijnselen als "verzuipen" van de motor en roetvorming op de bougie kan worden voorkomen. Dit is althans mijn ervaring en hierin blijk ik bepaald niet alleen te staan! Zonder te beweren dat het onmogelijk is een redelijk werkende carburateur te maken volgens het klassieke principe durf ik toch te stellen dat het voor menig modelbouwer een zware opgave is om daarmee bevredigende resultaten te bereiken.
Het bracht mij ertoe om een alternatief proces te bedenken waarmee de motor een ideaal mengsel van lucht en moleculaire benzinedamp toegevoerd krijgt met de optimale mengverhouding. Het ontwerp moest afrekenen met de welhaast kenmerkende problemen van de klassieke carburateur waar de meeste modelbouwers doorgaans mee worstelen.
De gedachtegang achter het alternatieve ontwerp
Een carburateur voor verbrandingsmotoren heeft tot taak om een mengsel van benzine en lucht te maken dat in de cilinder van de motor tot verbranding moet komen. Een goede carburateur moet daarbij ongeveer 1 deel benzine vermengen met ca 14 delen lucht, waarbij de benzine zo fijn mogelijk verneveld moet zijn. Naarmate de benzinedruppeltjes kleiner zijn zal de verbranding beter verlopen. Grote en/of ongelijkmatig gevormde benzinedruppels veroorzaken vaak "verzuipen" van de motor, roetvorming op de bougie door onvolledige verbranding en dientengevolge onregelmatig of helemaal niet lopen van de motor. Ideaal zou zijn dat de lucht wordt vermengd met moleculaire benzinedamp in plaats van met benzinedruppeltjes.
Zelfbouw carburateurs voor model verbrandingsmotoren blijven doorgaans tamelijk ver verwijderd van dit ideaal. Veel verder dan een mengverhouding van 1 op 10 komen ze meestal niet en het is een hele toer om onvolledig verbrande benzinedruppels te voorkomen. Insiders in deze materie hebben mij verzekerd dat met dit soort eenvoudige en "basic" carburateurs met venturi, luchtschuif en benzinesproeier met regelnaald nauwelijks nog verbetering te bereiken is.
De theorie over de ideale carburateur bracht mij op het idee om een geheel afwijkend ontwerp te maken. De basisgedachte daarbij was dat lucht die door benzine geleid wordt of erover heen de damp ervan meeneemt in de vorm van moleculair gas. De vraag was alleen of daarbij zoveel overmaat benzinedamp zou worden meegenomen dat de ideale verhouding van ca 1 op 14 gemaakt zou kunnen worden door het regelbaar bijmengen van extra lucht tussen de carburateur en de inlaatpoort van de motor.
En het geluk was met de domme! Eenvoudige proefjes met wat benzine in een reageerbuisje, afgesloten met een rubberen stop met daarin een metalen buisje tot aan de bodem en een slangaansluiting naar de inlaatpoort van de motor, leerde mij al snel dat de kans van slagen meer dan waarschijnlijk was. Een paar dagen experimenteren leverde mij de randvoorwaarden op voor een kinderlijk eenvoudige carburateur die echter verbluffende prestaties levert!
Het proto type en de principe werking
Hieronder een schets van het prototype met een jampot en twee lucht regelaars. Hiermee heb ik de eerste proeven uitgevoerd op mijn Otto viertakt motor.
Op het deksel van de jampot bevindt zich een leiding met daarop een regelbare luchtinlaat. De leiding loopt door tot net boven de bodem van de pot, zodat die ruim in de benzine steekt. Via een tweede aansluiting op het deksel is de pot met een rubberen slang verbonden met de inlaatpoort van de motorcilinder een regelbare restrictie voor het bijmengen van extra lucht. Tijdens de inlaatslag van de motor ontstaat er een onderdruk in de jampot waardoor er buienlucht gaat stromen door de leiding in de jampot. Deze lucht borrelt door de benzine en neemt daarbij moleculaire benzinedamp mee. De hoeveelheid lucht en daarmee tevens de hoeveelheid beschikbare benzinedamp kan worden geregeld met de restrictie op deze leiding. Het homogene mengsel van lucht en moleculaire benzinedamp stroomt de motorcilinder binnen en verbrandt daar voor 100% tijdens de arbeidsslag.
Omdat de concentratie van de benzinedamp in het primaire mengsel hoger is dan nodig voor de ideale verhouding van 1 op 14 moet er lucht worden bijgemengd via de restrictie tussen de carburateur en de aanluiting op de inlaatpoort van de cilinder. In principe zou men ook de extra lucht kunnen bijmengen op de jampot zelf. Het is mij echter gebleken dat dit duidelijk minder goed regelt dan het bijmengen van de extra lucht tussen de carburateur en de inlaatpoort van de cilinder. De reden is dat die extra lucht dan over het benzine oppervlak strijkt en daarmee ook extra benzinedamp meeneemt. Deze hoeveelheid is afhankelijk van de snelheid van de ingestroomde lucht en de regeling wordt daardoor wat ongedefinieerd.
De eerste versie met twee onafhankelijke lucht regelaars
De eerste versie van een benzinedamp carburateur had ik helemaal gebasserd op het prototype.
Behalve het kijkglas is de hele carburateur van messing gemaakt, niet alleen omdat dit minder kwetsbaar is maar vooral ervoor te zorgen dat eventueel optredende statisch lading door de luchtstroom meteen afvloeit naar de motor massa. Deze waardevolle tip kreeg ik van Martin Alewijn nadat hij mijn prototype met de geheel glazen jampot had gezien.
Op de figuur is ook een geintegreerde terugslagklep te zien die altijd nodig bij een 2-takt motor omdat anders het aangezogen gasmengsel onder de zuiger weer terug in de tank van de carburateur wordt gedreven. Bij een viertakt motor is zo'n terugslagklep alleen een veiligheidsmaatregel omdat het daar kan het gebeuren dat door een onverhoedse terugslag van de motor overdruk in de tank ontstaat waardoor er wat benzine door de inlaatbuis op de tank naar buiten wordt gedrukt.
Deze carburateur werkte perfect op al mijn vier- en tweetakt stationnaire motoren met een reeks van voordelen t.ov. de klassieke carburateur die ik aan het eind van deze pagina zal opsommen.
De tweede versie met de drieweg regelkraan
Hoewel de eerste versie in principe perfect werkte was toch wel één probleempje mee, of liever gezegd, een klein ongemak: de twee luchtregelaars werkten onafhankelijk van elkaar waardoor het relatief instellen daarvan voor het vlot opstarten van de motor en voor het regelen van de motorsnelheid wel enige ervaring vereiste. Het was dus wel eens zoeken naar de juiste instellingen voor de twee onafhankelijke regelaars bij het opstarten van de motor en het leidde ook soms tot stil vallen van de motor als er aan de verkeerde regelaar werd gedraaid als men de motorsnelheid wilde veranderen.
Het was Gerrit van Kampen die het voorstel deed om de beide luchtregelaars te combineren in één driewegkraan bij de uitlaat van de carburateur. Na een aantal experimenten en wat verschillende versies van deze driewegkraan kwam ik tenslotte uit op een ontwerp waarbij twee messing schijfjes met speciale patronen van gaten en sleuven t.o.v. elkaar verdraaid kunnen worden
Tweede versie met drieweg regelkraan
Tweede versie met dieweg regelkraanAlle drie de aansluitingen bevinden zich in en op de stationaire schijf, namelijk: een centrale aansluiting naar de cilinder van de motor, een aansluiting naar de tank van de carburateur en een aansluiting (gat) naar de buitenlucht. De twee laatste aansluitingen eindigen in relatief korte sleuven aan de binnenkant van deze stationaire schijf. De roterende schijf heeft alleen een blinde sleuf aan de binnenkant over 180°. Deze sleuf verbindt beide korte sleuven in de statonaire schijf met elkaar en staat ook steeds in verbinding met de centrale aansluiting naar de cilinder. Afhankelijk van de positie van de roterende schijf t.o.v. de stationaire schijf zal er meer of minder lucht aan het gasmengsel uit de tank worden bijgemengd. Onderstaande figuren illustreren deze regeling:
Dwarsdoornedes van de drieweg regelkraan
De bovenste schets toont de middenpositie van de roterende schijf met de drie aansluitingen aan de staionaire schijf. De twee schetsen daaronder tonen de extreme posities van de roterend schijf: resp. de positie met heel weinig gasmengsel uit de tank en veel bijgemengde buitenlucht (arm mengsel) en de positie waarbij minimaal lucht wordt bijgemengd aan maximaal gasmengsel uit de tank (rijk gasmengsel). Door het verdraaien van de roterende schijf zal er dus bij iedere positie tussen deze twee uitersten een andere verhouding benzinedamp/lucht ontstaan waarop de motor reageert met sneller of langzamer lopen. Er zal dus ook altijd een bepaalde positie in te stellen zijn tussen deze uiterste posities waar de ideale verhouding van 1 deel benzinedamp en 14 delen lucht ontstaat waarmee de motor goed zal opstarten.
Met deze driewegkraan werd dus het afstel probleem met twee onafhankelijke regelaars geheel opgelost. Het was hiermee eenvoudig om tijdens het opstarten van de motor de kraan zodanig te verdraaien dat de motor vanzelf over nam. Rondom die instelling kon met het geleidelijk verdraaien van de kraan ook het toerental van de motor eenvoudig worden afgeregeld.
De derde versie van de carburateur
Min of meer toevallig ontdekte ik dat het niet nodig is om de instromende lucht door de benzine te laten borrelen. Sterker nog, met een ingekorte instroomleiding die boven het benzine oppervlak blijft lopen al mijn motortjes even goed en met wat fantasie zelfs iets beter. In het algemeen blijkt ook dat het afregelen van de carburateur er wat minder gevoelig door is geworden. Bij mijn Hit&Miss 2-takt motor is deze versie met de korte instroomleiding zelfs voorwaarde. De reden daarvan leg ik uit op de betreffende pagina van deze motor.
Dat er met de korte instroom leiding blijkbaar ook meer dan voldoende benzinedamp wordt meegenomen als de lucht over het benzine oppervlak strijkt in plaats van erdoorheen te borrelen was wel een verrassing voor mij. Het lijkt erop dat de mengverhouding benzinedamp/lucht wat stabieler is met de korte leiding dan met de borrel leiding. Een bijkomend voordeel van de korte leiding is dat er geen benzine naar buiten kan worden gedreven als er onverwacht wat overdruk in de tank ontstaat, bv. bij terugslag van een 4-takt motor tijdens het opstarten.
Feitelijk gebruik ik nu alleen nog maar de korte leiding bij al mijn motortjes. Ik sluit echter niet uit dat de borrel leiding nodig kan zijn als er veel meer afname van gasmengsel nodig is zoals bij behoorlijk grotere motoren en/of bij veel hogere toerentallen. Het borrelen door de benzine mag er dan wat spectaculairder uitzien, maar ik verkies toch de voordelen van de korte leiding boven dit wat optisch borrel verschijnsel. Overigens is het instromen van de buitenlucht nog steeds goed te zien door het kijkglas. Dat blijft een belangrijk voordeel van deze inkijk omdat daarmee steeds gecontroleerd kan worden of er wel gasmengsel wordt aangezogen, hetgeen van belang is bij eventuele opstartproblemen.
Derde versie met korte instroom leiding
De vierde en definitieve versie van de carburateur
Alles werkte dus perfect met de derde versie en toch bleek er nog wat te verbeteren, of liever gezegd, te vereenvoudigen. Het betrof de driewegkraan waarvan sommigen vonden dat die moeilijk te maken was omdat voor het maken van de radiale sleuven een gradendeelschijf nodig is op de freesbank en die heeft niet iedereen.
Ik heb nu eenmaal de niet aflatende neiging om alles zo eenvoudig mogelijk te maken en dus trok ik mij die opmerkingen aan. Daardoor aangemoedigd verving ik de driewegkraan door de zeer eenvoudige regelaar voor de extra lucht die ik al in 2006 bij het prototype gebruikte omdat ik achteraf niet uitsloot dat die net zo goed zou kunnen werken als de driewegkraan met de schijven. Omdat het zo'n eenvoudig ding is was het dan ook snel geprobeerd en wat ik vermoedde bleek juist. Deze regelaar is in feite niet meer dan een aansluitleiding met daarin een sleuf naar de buitenlucht. Op de buitenkant van deze leiding is fijnmetrische draad gesneden zodat een moer die iets langer is dan de sleuf daar overheen kan bewegen. Deze moer kan de sleuf meer en minder afsluiten en daarmee kan de instromende extra lucht worden gevarieerd. Het bleek perfect te werken voor al mijn motortjes en ik kon eigenlijk geen verschil ontdekken met de driewegkraan, behalve dat deze regelaar aanzienlijk simpeler te maken is. In feite is het zeer eenvoudg draaiwerk dat voor geen enkele modelbouwer problemen zal opleveren. Onderstaande figuur illustreert hoe het hele systeem er nu uitziet; zie ook de foto rechts op deze pagina.
Goed beschouwd is deze carburateur niet veel anders meer dan een benzine tank met twee uiterst eenvoudige voorzieningen waarmee een moleculair gasmengsel van benzinedamp en lucht in de juiste verhouding wordt aangezogen door de motor. Omdat het systeem ook uitmuntend presteert voor tenminste stationaire model motorjes kan dit met recht een voorbeeld worden genoemd van eenvoud die het kenmerk is van het ware.
Eén nadeel: het ziet er wat saai uit, maar dat dat is vaak de andere kant van eenvoud. Achter die eenvoud gaat wel een perfecte prestatie schuil als je het mij vraagt.
Vierde en definitieve versie
De brandstof
Verse auto benzine bevat een erg vluchtige component die met relatief veel extra lucht moet worden bijgemengd. Daarom moet in het begin de regelaar voor de extra lucht zo worden ingesteld dat de sleuf in de leiding maximaal open staat. Tijdens het opstarten van de motor met bv. een handboormachine moet de moer op deze regelaar zover over de sleuf worden gedraaid totdat men de motor hoort aanslaan. Ergens rondom deze "0-positie" zal de motor doorgaans vlot opstarten met verse benzine. Men is vaak geneigd om een rijker gasmengsel (=minder extra lucht) in te stellen als de motor niet meteen wil opstarten, maar dat is absoluut onjuist! Begin dus altijd met de instelling waarbij er nauwelijks gasmensel uit de tank wordt aangezogen en draai de regelaar dan de kraan geleidelijk verder dicht totdat de motor tekenen van leven geeft.
Afhankelijk van de motor afname zal deze vluchtige benzine component geleidelijk verdwijnen waardoor de motor wat langzamer gaat lopen. Op dat moment moet de extra lucht wat verder worden verminderd totdat de motor weer de gewenste snelheid krijgt. De situatie is vanaf dan ook veel stabieler geworden. De vluchtige komponent zorgt er dus voor dat de instelling aanvankelijk wat gevoelig is maar dat wordt beter naarmate de concentratie van deze component vermindert. Doorgaans onstaat er na enkele minuten een stabiele en goed werkbare situatie.Een heel goed alternatief voor autobenzine is "Coleman Fuel" waarmee het ontmengings verschijnsel vrijwel geheel kan worden geelimineerd. Deze brandstof is extra geraffineerd waardoor zowel erg vluchtige als zware koolwaterstof componenten ontbreken. De samenstelling van deze brandstof is daardoor nagenoeg constant
waardoor het afregelen van de carburateur aanzienlijk minder gevoelig is dan met autobenzine. Het ontbreken van zware componenten zorgt er tevens voor dat de tankvulling geheel kan worden verbruikt. Deze Coleman Fuel wordt gebruikt voor camping kooktoestellen, voornamelijk omdat die ook geen kwalijke reuken
verpreidt, hetgeen een extra voordeel betekent. Deze brandstof is in iedere winkel voor camping benodigdheden te koop voor ca 5 Euro per liter.
Ik heb gekonstateerd dat het toevoegen van 1 tot 2 % lichte olie aan de de normale auto benzine een behoorlijk goed smerend effect heeft op het zuiger oppervlak. Blijkbaar wordt de minder vluchtige oliedamp toch voldoende meegenomen met het gasmengsel. Ik gebruik daarvoor de algemeen verkrijgbare olie voor huishoudelijke toepassingen. In het geval olie wordt toegevoegd aan de branstof is het wel raadzaam om na een aantal runs van de motor de inhoud van de tank te verversen.
Het is raadzaam de tank niet niet meer dan half te vullen. Motortjes met een cilinderinhoud tot 15 cc en een snelheid van ca 1000 omw/min zullen daar een kwartier of langer op lopen, hetgeen m.i. meer dan voldoende is voor een suksesvolle demomstratie. De grootte van de tank heeft geen enkele invloed op het functioneren van de carburateur. Daarom kan de tank desgewenst groter (langer) worden gemaakt.
De voordelen van deze carburateur t.o.v. de klassieke carburateur
Ik heb de volgende voordelen ondervonden van deze zeer eenvoudige en voortreffelijk presterende carburateur:1. Altijd 100% moleculaire benzinedamp in het mengsel, dus nooit vloeibare benzinedruppels in de cilinder en daardoor nooit meer last van een beroete en/of natte bougies door onvolledige verbranding van benzine;
2. De optimale verhouding van benzinedamp/lucht (ca 1 op 14) is eenvoudig haalbaar en instelbaar. Het zeer homogene mengsel zorgt voor een perfect loopgedrag van de motor;
3. De motor krijgt meteen het juiste mengsel aangeboden waardoor die betrouwbaar en zeer vlot opstart. Het choken is helemaal overbodig geworden, het kan trouwens ook niet met deze carburateur;
4. Het is feitelijk onmogelijk geworden om de motor te verzuipen, het is mij althans tot op heden niet gelukt;
5. Het toerental laat zich mooi regelen met de mengkraan op de uitgang van de tank. Het snel "gas geven" zoals dat met een klassieke carburateur kan is hier echter niet mogelijk;
6. Het ontwerp is uitermate eenvoudig: geen venturi, geen sproeiers, geen sproeiernaald, geen gasschuif; geen nauwkeurige maatvoeringen, geen kans op valse lucht- en/of benzinelekken;
7. Deze carburateur mag dan wat grotere afmetingen hebben dan de gangbare uitvoering, maar men moet daarbij bedenken dat die tegelijk benzinetank is. Men zou ook kunnen zeggen dat deze carburateur in de tank is geïntegreerd en goed beschouwd dus juist kleiner is dan de klassieke oplossing met een benzine tank plus een venturi carburateur;
8. Omdat er geen warmtegeleiding optreedt van de cilinder naar de carburateur kan deze nooit oververhit raken;
9. De lengte van de leiding tussen de carburateur en de inlaatpoort is helemaal niet kritisch: ik merkte geen verschil tussen een leiding van 10 en 50 cm! De carburateur is daardoor in het geheel niet plaatsgebonden.
Tenslotte
Het is werkelijk een genot te ervaren hoe betrouwbaar de motor met deze carburateur opstart en hoe mooi die er op loopt. Ook het verlost zijn van choken, verzuipen en roetvorming op de bougie is werkelijk een verademing. Ideaal voor een vlotte en werkelijk probleemloze demonstratie van de motor. Ik vermoed dat dit ontwerp menig modelbouwer van dit soort verbrandingsmotortjes op slag zal verlossen van een carburateur "nachtmerrie", wellicht afgezien van een enkele notoire experts op dit gebied.
Finale versie
Regelaar extra lucht
