Der Vergaser ist ein Maschinenbauteil zum Vermischen von Kraftstoff und Luft, entweder um ein brennbares Gemisch zum Betrieb von Otto-Verbrennungsmotoren zu erzeugen und um die dem Zylinder zugeführte Gemischmenge zu steuern, oder allgemeiner um einen Energieträger zur Erzeugung von Wärme durch Hinzufügen von Luftsauerstoff zu verbrennen. Streng genommen ist der Vergaser ein Zerstäuber, denn der Kraftstoff ändert seinen Aggregatzustand nicht wie beim Vergasen, sondern wird feinstmöglich zerstäubt.
Vergaser in der Kraftfahrzeugtechnik
Das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Mischungsverhältnis liegt für die heute üblichen Otto- und Dieselkraftstoffe bei ca. 14,8 kg Luft auf 1,0 kg Kraftstoff. Dieses Verhältnis stellt den Lambda-Wert 1 dar. Das Luftverhältnis errechnet sich aus der Luftmasse im Zylinder und der stöchiometrischen Luftmasse. Bei einer niedrigen Verhältniszahl (weniger Luft als beim stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Zylinder) spricht man von "fettem" Gemisch, bei einer höheren Verhältniszahl von "magerem" Gemisch. Um genau dieses Mischungsverhältnis in jeder Betriebssituation optimal zu erreichen, insbesondere hinsichtlich eines möglichst geringen Schadstoffausstoßes sowie bei möglichst niedrigem Verbrauch, ist der Vergaser zumindest im PKW-Bereich inzwischen praktisch komplett von Einspritzanlagen (Einspritzpumpe) verdrängt worden. Der Vergaser spielt trotz allem noch eine Rolle im Zweitaktmotorenbau, insbesondere bei leichten Motoren für Roller, Kleingeräte und Motorsägen, bei Oldtimern und nach wie vor bei vielen Motorrädern, die noch ohne geregelten Katalysator betrieben werden.
Erste Vergaser
Die ersten Vergaser waren der Oberflächenvergaser und der Bürstenvergaser. Während beim Oberflächenvergaser einfach nur die Flüchtigkeit des Kraftstoffes ausgenutzt wurde – Schlaglöcher waren für die Gemischbildung hilfreich – war der Bürstenvergaser, der auf den deutsch-österreichischen Techniker Siegfried Marcus zurückgeht und bei dem eine rotierende Bürste in einer geschlossenen Wanne den Treibstoff zerstäubte, technisch aufwendiger. Diese Vergasertypen wurden, auch aufgrund ihrer Unzuverlässigkeit und Gefährlichkeit (Vergaserbrand), nur relativ 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.
Sie wurden durch Vergaser mit Schwimmerkammer (Spritzdüsenvergaser) ersetzt. Diese Erfindung ist Wilhelm Maybach zugeschrieben. Die ersten Schwimmervergaser waren oftmals Steigstromvergaser. Aufgrund der schlechten Qualität der Vergaser kam es öfter zu Überfettungen; der Motor blieb stehen, da seine Gemischbildung außerhalb eines zündfähigen Gemisches erfolgte. Beim Steigstromvergaser kann der Kraftstoff hierbei aus dem Vergaser ins Freie auslaufen statt in den Motor.
Verschiedene Vergasertypen
Bei der Kategorisierung von Vergasern unterscheidet man heute nach mehreren Merkmalen:
Richtung des Ansaugluftstromes
(Durchströmungsrichtung)
- Fallstromvergaser
- Schrägstromvergaser
- Flach- oder Gleichstromvergaser
- Steigstromvergaser
Nach Anzahl und Funktion der Mischkammern
(Bauform)
- Einfachvergaser
- Doppelvergaser
- Dreifach- bzw. Vierfachvergaser; diese Vergaserbauarten bedienen sich einer meist mittig angebrachten Schwimmerkammer zur Versorgung mehrerer Ansaugrohre.
- Register- oder Stufenvergaser, siehe Registervergaser.
- Doppelregistervergaser. Beispiele: Mercedes 190 (Mercedes-Benz W201), Mercedes 250 (/8, W123), 250 S, 280 S (W108), BMW 2500, 525, 528 (erste 5er Serie ohne "i"): vier Mischrohre; zwei kleine für den Leerlauf von je drei Zylindern, und zwei große für den Lastbetrieb von jeweils drei Zylindern
Art des Drosselorganes
(Funktionsprinzip)
- Kolbenschiebervergaser, siehe Bild des Bing-Vergasers an der BMW R 60/6, auch Rundschiebervergaser genannt (Beispiel: BMW R 90 S mit Dellorto-Vergasern) Der Kolben wird mittels Gasgriff und Bowdenzug direkt hochgezogen, oder mittels Unterdruck (Beispiel: SU-Vergaser).
- Flachschiebervergaser (Beispiel: KTM 625 SMC mit Keihin-Vergasern)
- Drosselklappenvergaser
Steuerdruck
- Gleichdruckvergaser - Hinter der Drosselklappe sitzt ein Kolben, der den Luftweg weitgehend versperrt. Dieser Kolben wird über eine Membrane bewegt und gibt so je nach Druckverhältnissen den gesamten Querschnitt frei. Der Kolben wird damit indirekt, infolge Druckdifferenzen, passend angehoben. Damit wird verhindert, dass das Gemisch bei Vollgas und niedrigen Drehzahlen zu sehr abmagert. Die mechanische Rückkopplung im Gleichdruckvergaser sorgt für eine bessere Gemischbildung verglichen mit anderen Vergasertypen und geringeren Verbrauch. Der Gleichdruckvergaser wird besonders häufig bei Motorrädern eingesetzt, jedoch sind auch ältere Mercedes-Vierzylinder (200, 220, 230 Bj. 1965 bis 1985) und viele englische Automobile (SU-Vergaser, SU: Skinner United) mit Gleichdruckvergasern ausgerüstet worden. Gleichdruckvergaser benötigen keine eigene Leerlaufeinrichtung und keine Beschleunigungspumpe. Da der Unterdruck, der auf das Hauptdüsensystem wirkt, im statischen Betrieb mit konstanter Drehzahl immer gleich ist, wird er auch Gleichdruckvergaser genannt.
Besondere Vergaser
Zunächst im Flugverkehr (1. Weltkrieg) kam die Notwendigkeit auf, Vergaser einzusetzen, die ihre Funktion unabhängig von der Lage im Raum und von der Schwerkraft erfüllen, auch ggf. bei Kreiselkräften und "über Kopf". Hierzu gab es etliche Entwicklungen; eine der bekanntesten ist der Membranvergaser. Das gleiche Problem stellt sich bei Kleinmotoren z. B. in Gartengeräten (Rasenmäher am Steilhang) oder beim Außeneinsatz mit mobilen Motormaschinen (z. B. Motorsägen und Baumsägen), bei denen die Raumlage des Vergasers für die Funktion keinen Einfluss haben soll. Teils wurden solche speziellen Vergaser auch in konventionellen Kraftfahrzeugen verwendet, wie z. B. die Tillotson-Membranvergaser an Motorrädern der Marke Harley-Davidson.
Zusatzeinrichtungen
Tupfer (Kaltstarthilfe)
An einfachen Vergasern für Zweitakt-Motoren findet man oft einen sogenannten „Tupfer“. Durch Drücken eines Stiftes am Schwimmerkammerdeckel wird der Schwimmer nach unten gedrückt. Hierdurch wird die Schwimmerkammer mit Benzin überflutet und das erste Gemisch zum Start angefettet, damit es besser zündet. Ein Tupfer darf in aller Regel nur kurz, für zwei oder vier Sekunden, betätigt werden; zu langes "Tupfen" flutet den Ansaugtrakt mit Kraftstoff und verhindert dann eventuell einen Start, weil die Zündkerze genässt werden kann.
Vorwärmung
Um zu verhindern, dass die Düsen bei kühler Witterung vereisen, wurde vor allem bei PKW-Vergasern die angesaugte Luft mit einem Wärmeübertrager vom Auspuff ausgenutzt, um das Vergasergehäuse aufzuwärmen, oder aber die Ansaugluft im Winterbetrieb von heißen Auspuffkrümmer-Flächen abgesaugt (z. B. VW Käfer, Trabant (2-Takter) und Mercedes-Benz). Dies kann auch mit Hilfe der Kühlflüssigkeit oder einer elektrischen Heizung erreicht werden (Teillastkanal-Beheizung).
Beschleunigungspumpe
Manche Vergaser besitzen eine Beschleunigungspumpe. Diese spritzt beim Öffnen der Drosselklappe zusätzlich Kraftstoff ein. Dadurch wird das Abmagern des Gemisches ausgeglichen, das durch das Absinken des Unterdruckes (resp. infolge der fallenden Gasgeschwindigkeit) während der Bewegung der Drosselklappe auftritt. Oftmals ist diese Anreicherung eine kleine Kolbenpumpe, die bei Öffnen des Gasweges zusätzlich einen Spritzer Kraftstoff spendet, um ein unerwünschtes "Beschleunigungsloch" zu vermeiden. Stetes Verändern der Gaspedalstellung hat auch stets einen kleinen "Spritzer" zur Folge.
Choke
Der Choke ist eine (oft per Bowdenzug) handgesteuerte Einrichtung, mit der das Gemisch während der Start- und Warmlaufphase des Motors mit Benzin angereichert, also "fetter" gemacht wird. Dieses geschieht, indem im Luftstrom vor dem Schieber oder der Drosselklappe ein weiterer Schieber eine Verengung des Luftquerschnitts erzielt, was eine Anreicherung der durchströmenden Luft mit mehr Kraftstoff bewirkt. Fahrzeuge mit Choke sind allerdings im Betrieb störanfällig, weil oftmals vergessen wird, den Choke nach kurzer Warmlaufphase wieder zu öffnen, was zu schlechtem Motorlauf und extremem Mehrverbrauch führt. Das Durchführen eines Kaltstarts ohne das Betätigen des Chokes, z. B. wenn ein Fahrzeugführer nicht mit der Handhabung vertraut ist, ist zudem eine große Belastung für den Motor und erhöht den Verschleiß beträchtlich, da unter diesen Bedingungen nur durchgehend höhere Drehzahlen verhindern, dass der kalte Motor wieder ausgeht.
Um diese Probleme zu beheben, werden in einigen Vergasern die Choke-Klappen mit den Schiebern angehoben, so dass der Choke-Schieber immer mindestens so hoch hängt wie der gasbetätigte Schieber (Bing-Vergaser für BMW) oder man automatisiert den Choke über eine Temperatur-Steuerung per Startautomatik.
Eine andere Variante ist die Freigabe eines zweiten ungeregelten Vergasersystems (Startvergasersystem) über einen Luftweg, der vor dem Schieber abzweigt, und mit der Chokebetätigung freigegeben wird. Dieser Beipass erzeugt in kleinen Mengen durch eine eigene Düse ein überfettetes Gemisch, welches hinter dem Schieber dem fertigen Gemisch beigemengt wird. Diese Art Choke wird z. B. in BVF- und Bing-Vergasern der Baureihe 17 verwendet.
Startautomatik (z. B. VW-Modelle)
Um sie in Gang zu setzen, muss man das Gaspedal in der Regel einmal ganz durchtreten. (Es gibt auch vollautomatische Startautomatiken (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 mit Strom, bei Vergasern ab Bj. ca. 1970 auch mit Kühlwasserumlauf) beheizt, damit die Startklappe sich öffnet. Das dauert so lange, bis der Motor betriebswarm ist (Vergaser- oder Wassertemperatur 60 Grad C).
Volllastanreicherung
Zum Erreichen der Maximalleistung muss das Gemisch über das üblicherweise angestrebte stöchiometrische Verhältnis zwischen Kraftstoff und Luft (Lambda=1) hinaus angefettet werden. Dazu dient ein zusätzlicher Kraftstoffkanal, der bei entsprechender Gasgeschwindigkeit im Vergaser zusätzlichen Kraftstoff in den Gasstrom einleitet. Weiters dient die Anreicherung auch zur "Innenkühlung" - das heißt, dass bei Erreichen der Volllast das Gemisch unter Umständen so stark abmagern könnte, dass die Verbrennung zu "heiß" wird. Der zusätzlich zugeführte Kraftstoff verdampft und senkt dadurch die Verbrennungstemperatur.
Höhenkorrektur
Die Luft in größeren Höhen enthält, entsprechend dem niedrigeren Luftdruck und damit abnehmender Dichte, weniger Sauerstoff. Da Vergaser nur "mengenmäßig" eingestellt werden und nicht wie viele Einspritzanlagen die angesaugte Luftmasse erfassen, sinkt die Motorleistung in größerer Höhe. Das ist schon bei Betrieb auf hohen Bergen (z. B. bei Passfahrt mit Kfz) zu spüren. Teilweise (selten) haben Vergaser deshalb eine automatische Einrichtung, um den sinkenden Sauerstoffgehalt der Luft in größeren Höhen auszugleichen. Eine barometrische Dose verändert dazu die Gemischbildung. Bei älteren Fahrzeugen vor Baujahr 1970 ist diese Einrichtung oftmals Option. Sie sollte, wenn vorhanden, für eine geplante Gebirgsfahrt aufs Vorhandensein und auf Funktion überprüft werden.
Teillastanreicherung
Um einen verhältnismäßig 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.