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 over het oppervlak daarvan heen strijkt de benzinedamp meeneemt in de vorm van 100% 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 slang aansluiting 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, althans voor relatief kleine modelbouw motortjes !
Het prototype 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 buitenlucht 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 aansluiting 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 gebasseerd 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 stationaire motoren met een reeks van voordelen t.ov. de klassieke carburateur die ik aan het eind van deze pagina zal opsommen.
Een eenvoudiger en verbeterde versie.
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.
Min of meer toevallig ontdekte ik ook 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.
Ook heb ik de regelaar voor de extra lucht bijmenging sterk vereenvoudigd die in feite niet meer dan een aansluitleiding met daarin een sleuf naar de buitenlucht. Op de buitenkant van deze leiding is fijn metrische draad gesneden zodat een moer die iets langer is dan de sleuf daar overheen kan bewegen. Deze moer kan de sleuf aldus meer en minder afsluiten en daarmee de hoeveelheid instromende extra lucht varieren.
In principe maakt het niet uit hoe groot de tank is, maar mijn ervaring is dat het benzine oppervlak niet veel kleiner moet zijn dan ca 15 cm2 omdat anders kennelijk te weinig benzinedamp kan worden meegenomen. Voor motoren boven 20cc en/of met hoge toerentallen (grotere afname) is het wellicht raadzaam om de tank groter te maken al dan niet met een doorlopende instroomleiding waarmee de lucht dan door de benzine borreltGoed beschouwd is deze carburateur niet veel anders 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 motortjes 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.
Ik heb een CAD tekening pakket gemaakt van deze carburateur dat beschikbaar is voor iedere geintersseerde; klik hier voor een aanvraag.
Een extreem eenvoudige "kruidenpot" versie
Recent (augustus 2015) maakte ik nog een extreem eenvoudige versie van deze carburateur waarbij ik gebruik maakte van een klein glazen kruidenpotje; zie de figuur en de video hieronder:
Met deze versie hoef je dus geen messing tank te maken en ook niet op zoek te gaan naar een kijkglas dat moet worden ingelijmd. Het volstaat met het maken van een passend aluminium deksel waarin twee eenvoudige leidingen worden ingelijmd; simpel draaiwerk dus en helemaal geen soldeerwerk. Het vullen van deze carburateur met brandstof en het weer leegmaken is ook een stuk eenvoudiger. Het potje mag ook van plastic zijn mits dat bestand is tegen de brandstof.
Ook van deze versie heb ik een CAD tekening pakket gemaakt dat beschikbaar is voor iedere geintersseerde; klik hier voor een aanvraag.De brandstof en de afstelling
Normaal gesproken kan heel goed met normale auto benzine gewerkt worden. Deze benzine bestaat uit diverse koolwaterstoffen met verschillende verdampingssnelheden en verbrandingswaarden. De meest vluchtige component moet met relatief veel extra lucht moet worden bijgemengd reden waarom met verse benzine 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 dan zeer geleidelijk zover over de sleuf worden gedraaid tot 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 met maximaal extra lucht (waarbij er nauwelijks gasmengsel 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 stabieler geworden. De vluchtige component zorgt er dus voor dat de instelling aanvankelijk wat gevoelig is maar dat wordt beter naarmate de concentratie van deze component vermindert. Doorgaans ontstaat er na enkele minuten een stabiele en goed werkbare situatie.Een 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. Deze Coleman Fuel wordt gebruikt voor camping kooktoestellen, voornamelijk omdat die ook geen kwalijke reuken verspreidt, hetgeen een extra voordeel betekent. Deze brandstof is in iedere winkel voor camping benodigdheden te koop voor ca 5 Euro per liter.
Het is raadzaam de tank 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 succsesvolle demonstratie.
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 regelaar voor de extra lucht bijmenging 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 klassieke 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.
Beperking/nadeel van deze carburateur t.o.v. de klassieke venturi carburateur
Autobenzine en in mindere mate Coleman Fuel is samengesteld uit een groot aantal verschillende koolwaterstoffen met uiteenlopende kookpunten. Bij de klassieke venturi carburateur wordt steeds de gehele benzinevloeistof in de vorm van fijne druppeltjes in de motorciliner gezogen tesamen met de instromende lucht zodat alle benzine wordt verbruikt. Bij deze benzinedamp carburateur worden echter alleen de moleculaire dampen die zich bij kamertemperatuur boven de benzine vloeistof bevinden meegezogen naar de motor cilinder tesamen met de lucht die door de carburateur stroomt. Dit levert de belangrijke voordelen op die hierboven zijn beschreven. Het enige nadeel is dat de zwaardere koolwaterstof componenten met kookpunten hoger dan de kamertemperatuur nauwelijks of geen damp vormen boven de vloeistof zodat die benzine componenten achter blijven in de tank van de carburateur. Dit is de reden waarom er geen brandbaar gasmengsel meer naar de cilinder stroomt op het moment dat alle meer vluchtige benzine componenten met kookpunten beneden de kamertemperatuur zijn verdampt. Dit ontmengsverschijnsel treedt geleidelijk op waarbij er steeds wat minder extra lucht moet worden toegevoegd met de regelaar op de carburateur om de motor goed aan de praat te houden. Uiteindelijk zal er zo weing benzinedamp meer boven de vloeistof aanwezig zijn dat de motor stopt met lopen. Het is mijn ervaring dat op dat moment ca 70% van de benzine achter blijft in de tank dat dus voornamelijk zal bestaan uit de zwaardere componenten met kookpunten boven de kamertemperatuur. Dit benzineresidu moet dan worden vervangen door verse benzine. Het opwarmen van de carburateur tank op een veilige manier is nog niet zo eenvoudig en het leidt volgens mijn ervaring trouwens ook tot tamelijk onstabiele gasmengsels; niet aan te bevelen dus.
De tijd dat een motor kan lopen op deze benzinedamp carburateur is dus afhankelijk van de hoeveelheid benzine in de tank an de carburateur en de afname van de benzinedamp door de motor die weer afhankelijk is van de cilinderinhoud van de motor en de snelheid waarmee die motor loopt. Om een idee te geven zal een modelbouwmotor met een cilinderinhoud van 10 cc en met loopsnelheid van 1000 toeren per minuut ca 25 minuten lopen op de benzinedamp carburateur met een benzine inhoud van ca 30cc zoals dat het geval is bij de carburateur zoals ik die nu op tekening heb staan. Naarmate de tank van de carburateur groter wordt gekozen en de cilinderinhoud kleiner en/of de motorsnelheid lager is zal de looptijd evenredig langer zijn. Doorgaans is 10 minuten echter al meer dan genoeg voor een succesvolle demonstratie van een modelbouw motortje zodat de voordelen van de benzinedamp carburateur mijn inziens ruimschoots opwegen tegen dit enige nadeel.
Het principe van deze benzinedamp carburateur is dus niet geschikt voor relatief grote (industriele) motoren die lang en continu moeten lopen en waarbij het altijd de bedoeling is om de gehele benzine voorraad in de tank te verbruiken.
Deze benzinedamp carburateur is dus eigenlijk alleen bedoeld voor relatief kleine en stationaire modelbouw motoren waarbij het benzine verbruik in principe geen enkele rol van betekenis speelt. In dat geval verdient deze benzinedamp carburateur sterke voorkeur boven de klassieke venturi carburateur.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.
Een 3D geprinte versie van deze carburateur.
Mijn schoonzoon Maarten Pennings heeft onlangs een 3D printer aangeschaft en daarvoor ook een opstelling met fraaie behuizing gemaakt. Hij heeft zich de daarvoor benodigde software eigen gemaakt, maar dat is niet zo verwonderlijk want daar is hij nu eenmaal een kei in.
Hij vroeg me of ik hem een tekening kon aanleveren van een onderdeel van een van mijn modelmotoren dat voor een 3D print geschikt zou zijn. Een hele verbrandingsmotor printen lijkt voorlopig te veel van het goede en is wellicht ook niet mogelijk omdat veel van de onderdelen materiaaleisen hebben waar kunststof niet aan voldoet, althans niet als de motor ook moet lopen.
We hebben daarom in eerste instantie gekozen voor deze carburateur omdat die geen bewegende onderdelen heeft en ook op kamertemperatuur blijft.
Het is Maarten gelukt om er een prachtig model van te printen dat ook nog kan worden gebruikt omdat de gebruikte kunststof (type PLA) bestand blijkt tegen de benzine. Onderstaand filmpje toont het resultaat en ook hoe goed een van mijn verbrandigsmotortjes ermee loopt.>
Regelaar extra lucht
