Der Vergaser ist wohl eines der empfindlicheren Bauteile an einem Motorrad, entscheidet er doch mit darüber, wie zuverlässig und „sauber“ ein Motor läuft. Wie hat er sich über die Jahrzehnte verändert?
Oberflächenvergaser
Die Vergaser an den allerersten Motorrädern um 1900 funktionierten völlig anders als alles, was wir heute unter einem Vergaser verstehen. Es gab damals noch keine Einspritzdüsen, keine Nadeln und meistens nicht einmal einen Gasgriff, wie man ihn heute kennt.
Stattdessen nutzte man den sogenannten Oberflächenvergaser (im Jahre 1883 bestückte Nicolaus August Otto erstmals einen Gasmotor mit einem Oberflächenvergaser).
Und von dessen Prinzip hat der „Vergaser“ tatsächlich auch seinen Namen (später wurde das Benzin nicht mehr vergast, sondern vielmehr mit feinen Tröpfchen angereichert: sogenannte Aerosole):
Ein Oberflächenvergaser war im Grunde ein geschlossener Blechkasten. Beim Ansaugtakt des Motors wurde frische Luft wurde durch eine Prallplatte oder ein Rohr knapp über die Oberfläche des flüssigen Benzins geleitet (oder zog in feinen Bläschen direkt hindurch). Weil Benzin sehr leicht flüchtig ist, verdunstete ständig ein Teil davon im Kasten. Die vorbeiströmende Luft nahm diesen Benzindampf auf und „karburierte“ (sättigte) sich damit. Diese Luft wurde direkt in den Zylinder weitergeleitet, um dort gezündet zu werden.
Spielarten dieses Vergasers heißen
Sprudelvergaser: Die Luft wird direkt in das Benzinbehältnis geleitet und sprudelt durch den Kfratstoff, um sich zu sättigen
Dochtvergaser: Dochte im Benzinbehältnis füllen sich per Kapillarkraft mit Kraftstoff. Das vergrößert die Oberfläche und vermindert das Herumschwappen des Benzins im Behälter.
Bürstenvergaser: Im Benzinbehälter dreht sich eine Walze mit Bürsten, die in das Benzin eintaucht. Beim Drehen nimmt sie Kraftstoff mit auf, der dann verdampft (war zu finden bei frühen Daimler-Motoren).
Eine Drosselklappe, die gewöhnlich die Drehzahl des Motors steuert, gab es damals nicht. Deshalb war das Fahren mit einem Oberflächenvergaser extrem kompliziert. Der Fahrer musste das Gemisch während der Fahrt manuell mit Hebeln am Lenker permanent nachjustieren, dabei hatte er zwei Einflussmöglichkeiten.
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Der Gemischhebel: Die Luft, die direkt aus dem Vergaser kam, war meistens viel zu fett (zu viel Benzindampf, zu wenig Sauerstoff). Über einen Hebel regelte der Fahrer ein Zusatzventil, das Frischluft beimischte, bis das Verhältnis stimmte und der Motor rund lief.
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Das Heizungsrohr: Damit das Benzin auch bei kaltem Wetter gut verdunstete, leitete man oft ein Rohr mit heißen Abgasen quer durch den Benzintank, um den Kraftstoff künstlich anzuwärmen.
Anbei eine Prinzip-Skizze (für große Motoren):
Rückschlagventil und Kiestopf (das war wirklich Kies!) dienten hier zusammen als Flammschutz, statt Warmwassers wurden die heissen Abgase des Motorrads verwendet, um die Verdunstung des Benzins aufrechtzuerhalten. In der Skizze wird die Luft durch das Benzin geleitet, um sich zu sättigen.
Das Benzin um 1900 war qualitativ nicht genormt. Die leicht flüchtigen Bestandteile verdampften zuerst, während die schweren, öligen Reste im Kasten zurückblieben. Nach ein paar Kilometern wurde das restliche Benzin immer „träger“ und verdampfte kaum noch. Der Fahrer musste den Rest auskippen und frischen Sprit nachfüllen.
Der Oberflächenvergaser hatte drei große Schwachstellen: Er war extrem feuergefährlich (wenn der Motor eine Fehlzündung in den Ansaugtrakt warf, explodierte der ganze Benzinkasten), er funktionierte bei Steigungen kaum, weil das Benzin schwappte, und er war schlicht zu träge für höhere Motordrehzahlen. Daher war es nicht ungewöhnlich, dass er bereits um 1905 durch den Spritzdüsenvergaser abgelöst wurde.
Spritzdüsenvergaser
Die Idee eines Spritzdüsenvergasers hatte Wilhelm Maybach bereits 1893. Statt zu warten, bis das Benzin verdunstete, goß er es durch eine feine Düse mitten in den Luftstrom. Das Prinzip der Zerstäubung war geboren und blieb uns bis zur Erfindung der Einspritzanlage im Prinzip erhalten. Er trennte das System auch in zwei Komponenten auf: Die Schwimmerkammer und das Mischrohr. Natürlich giesst man heute das Benzin nicht von oben in den Luftstrom, sondern man nutzt den Venturi-Effekt: Beim Ansaugtakt des Motors strömt Luft durchs Ansaugrohr. Dieses Rohr wird künstlich verengt, wodurch der Druck sinkt und das Benzin förmlich aus einer Düse „herausgesaugt“ wird. Durch die vielen kleinen Tröpfchen entsteht ein Aerosol und wird durch eine Drosselklappe in perfekter Dosierung zum Motor geleitet.
Tatsächlich gibt es auch beim Spritzdüsenvergaser verschiedenste Sonderformen, hier seien noch zwei genannt: Der Fallstromvergaser und der Steigstromvergaser. Sie unterscheiden sich (wie der Name andeutet) durch die Gemischzuführung. Der Fallstromvergaser war über dem Motor angebracht (BMW R4 1931?), der Steigstromvergaser unter oder neben dem Motor (sehr alte Hendersons, Harleys und Indians). Durchgesetzt hat sich bei Motorrädern allerdings der Flachstromvergaser (Horizontalvergaser): Hier strömt die Luft horizontal von hinten nach vorne durch den Vergaser in den Zylinderkopf. Er passte perfekt in die Geometrie eines Motorrads (der Platz zwischen Tank und Motor ist zu gering für Fallstromvergaser und unter dem Motor war erst recht kein Platz für einen Steigstromvergaser) und war der perfekte Kompromiss bzgl. der Schwerkraft, die gewisse Vor- und Nachteile für den Fall- und Steigstromvergaser daherbrachten. Den Fallstromvergaser gibt es heute in der Regel nur noch bei Rennmaschinen der 90er.
Durch die seitliche Anbringung der Schwimmerkammer gab es jedoch ein Problem mit Zentrifugalkräften: Wenn das Motorrad in die Kurve ging, stieg oder viel der Benzinstand im Mischrohr und sorge entweder dafür, dass das Motorrad in der Kurve zu mager oder zu fett lief. Beides waren ungewünschte Effekte.
Und dann kam Fritz Hintermayr. Er war Betriebsleiter beim Motorradhersteller Zündapp und machte sich 1926 selbständig. Die Firma BING-Werke AG war bis zur Weltwirtschaftskrise der größte Spielzeughersteller der Welt und musste 1932 Konkurs anmelden. Hintermayr griff zu und nutzte ab 1933 den Markennamen für ein neues Geschäftsfeld: Die Herstellung von Vergasern. Bing wurde zum Standardausrüster für fast alle großen deutschen Motorrad- und Motorenhersteller (Zündapp, Triumph, BMW, NSU, Hercules, Fichtel&Sachs) und selbst nach der völligen Zerstörung des Werks im Zweiten Weltkrieg baute Hintermayr den Betrieb in Nürnberg wieder auf. Bis 1990 wurde die Marke von rund 50 Millionen verkauften Vergasern getragen.
Bing (Hintermayr) führte ein Kurvenausgleichsbehälter ein: Bing hat unterhalb der Düse einen tiefen „Sumpf“ (oft auch als Düsenbrunnen oder Reservoir bezeichnet) eingebaut, um auch bei Schräglage für eine gute Versorgung der Vergaserdüse zu sorgen. Dass diese kleine Invention für Motorradfahrer wichtig war, zeigt die Erwähnung eben dieser Eigenschaft in den Bedienhandbüchern z.B. der BMW R25/2.
Bei langgezogenen, extrem schnellen Kurven zum Beispiel im Rennsport reichte dieses Reservoir aber nicht mehr aus. Hier beginnt die Geschichte des Zentralschwimmer-Vergasers:
Zentralschwimmer-Vergaser
Der Zentralschwimmer-Vergaser (oder auch konzentrischer Vergaser genannt) wurde im Rennsport bereits in den 30er Jahren eingesetzt, hatte seinen breiten Durchbruch erst ab den 1950er Jahren. Bing stelle in den 50ern mit dem berühmten Vergasertyp 53 konsequent um, und die britische AMAL „Concentric“ (eingeführt 1967) wurde zum Standard aller legendären Motorräder dieser Ära.
Ab jetzt wurde das Schwimmergehäuse nicht mehr neben der Mischkammer montiert, sondern die Düse exakt in die Mitte eines ringförmigen Schwimmers platziert. Das löste drei Probleme auf einmal:
- absolute Schräglagen-Immunität
- Ein Vergaser mit einer dicken, angegossenen Kammer an der Seite brauchte schlicht zu viel Platz. Der Zentralschwimmer-Vergaser ist extrem schlank, da die Schwimmerkammer einfach nach unten unter das Mischrohr wandert. Dadurch konnten Vergaser enger nebeneinander platziert und die Ansaugwege für mehr Leistung strömungsgünstiger (schnurgerade) gestaltet werden.
- Der ringförmige Zentralschwimmer umschließt die Düse so eng, dass Schwappbewegungen kaum Auswirkungen auf das Gemisch haben. Der Motor läuft auch im härtesten Gelände absolut konstant durch (wichtig für den Motocross)
Er war der finale Entwicklungsschritt des mechanischen Vergasers, bevor Jahrzehnte später die Elektronik übernahm.
Gleichdruckvergaser
Die Firmen Bing und AMAL experimentierten schon früh mit Gleichdruckvergasern (ab circa 1930), aber der Durchbruch blieb aus.
Erst als die Chemieindustrie hochentwickelte, spritfeste und extrem flexible synthetische Elastomere (Gummiarten) bereitstellte, begann der Siegeszug dieser Vergaser-Art: BMW verbaute ab 1969 mit der berühmten „Strich-Fünf“-Baureihe (R75/5) die legendären Bing-Gleichdruckvergaser mit der markanten runden Dom-Kappe, die bis in die 1990er Jahre das Markenzeichen der Boxer-Motorräder blieben.
Das Grundprinzip eines Gleichdruckvergasers (oft auch CV-Vergaser für Constant Velocity genannt) beruht auf einer cleveren Aufgabenstellung: Der Fahrer steuert mit dem Gasgriff nicht direkt den Schieber, der das Benzin dosiert, sondern regelt nur den Luftstrom. Den Rest erledigt die Physik über den Unterdruck des Motors.
Ziel des Ganzen ist es, die Strömungsgeschwindigkeit der Luft im Vergaser unter allen Bedingungen nahezu konstant (Gleichdruck) zu halten, damit das Benzin perfekt zerstäubt wird. Die vorangegangenen Vergaser-Prinzipien hatten einen Nachteil: Durch plötzliches Aufreissen des Schiebers für Vollgas brach die Strömungsgeschwindigkeit im Vergaser plötzlich zusammen und der Motor bekam keine Luft mehr und ging fast aus.
Der Einsatz einer Gummimembran änderte dieses Verhalten: Abhängig vom (Unter-)Druck (der durch den Fahrer gesteuert wurde) förderte die Membran die Benzindosierung mehr oder weniger, so wie es der Motor gerade benötigte. Das Ergebnis war ein sehr geschmeidiges Fahren.
Im Breitensport haben sie sich durchgesetzt, weil sie z.B. Fahrfehler verzeihen und weil bei Mehrzylindern das Gleichdrucksystem minimale Asynchronitäten in den Gaszügen verzeiht (sie regeln sich quasi durch den realen Unterdruck selbst ein). Im Rennsport und Crossbereich jedoch blieben die mechanischen Schiebervergaser bevorzugt. Der Gleichdruckvergaser hat durch das physikalische Warten auf den Unterdruck immer eine winzige Verzögerung bei der Gasannahme (die „Gedenksekunde“), die man sich im Rennsport gerne sparen möchte. Das plötzliche Aufreissen des Gasgriffs aus dem Leerlauf, das bei den Schiebervergasern ja das Problem war, spielt hier eine untergeordnete Rolle, weil diese Motorräder sowieso im sehr hohen Drehzahlbereich gefahren werden.
Gleichdruckvergaser gelten als sehr schadstoffarme Versorgung von Verbrennungsmotoren, da sie stets das optimale Gemisch bereitstellen. Erst Ende der 90er Jahre stießen diese aufgrund strengerer Euro-Abgasnormen an ihre physikalischen Grenzen.
Präzision und Physik
Der Vergaser ist ein Bauteil (bzw. deren Einzelteile), das mit höchster Präzision gefertigt werden muss, schliesslich bestimmt er das perfekte Benzin/Luft-Gemisch für die Verbrennung im Motor.
Carl Hertweck schreibt in seinem Buch „Besser machen“ in etwa so:
Die motorisch beste Verbrennung findet bei etwa 7-8 Gewichtsprozent Kraftstoff im Luftgewicht statt. Ein Liter Luft wiegt ungefähr 1,3 Gramm. Verdammt wenig. 8 Prozent von 1,3 Gramm sind 0,104 Gramm Benzin. Verdammt weniger! Das entspricht etwa 5-6 Tropfen Benzin oder ziemlich genau dem Industriestandard für Atomizer: Der Sprühkopf einer Parfümflasche versprüht pro Druck etwa 0,1 Gramm.
Nun saugt ein Motorrad aber nicht 1 Liter Luftgemisch an, sondern (im optimalen Falle) soviel wie die Zylindergröße eben hergibt. Bei einem 250ccm-Motor eben ein viertel Liter Luftgemisch. Das sind dann also etwa 0,325 Gramm Luft und 0,026 Gramm Sprit (was einem unüblich großen Tropfen Benzin entspricht). Diese Berechnung gilt jedoch nur für Vollgas, bzw. volle Leistung! Man sagt, dass zum Leerlauf etwa 1/50stel der Maximalleistung genügt. Sinngemäß wird dann auch nur noch 1/50stel der Spritmenge gebraucht, also 0,00052 Gramm. Das ist etwa ein Dreissigstel eines Tropfens, damit nur noch ein ordentlich zerstäubter „Hauch“ und entspricht etwa dem Gewicht von zwei Sandkörnern vom Typ „Ostseestrand“.
Um die nötigen Mengen perfekt zu mischen, braucht es neben präzisen Bauteilen wie der Düse und der Düsennadel auch penible Sauberkeit sowie präzise Einstellungen. Häufig liest man, man solle sich bei Leerlauf- und Gemischschraube in 1/4tel Umdrehungen der perfekten Einstellung nähern. Das heisst aber nicht, das die perfekte Einstellung auch irgendwo dazwischen liegen kann. Man behalte beim Einstellen also stets im Auge, über welche Bruchteile von Gewichten und Mengen wir hier bei jedem Ansaugtakt sprechen.