Gundläggande Teori - Förgasare

För att förstå hur en förgasare fungerar krävs en grundläggande insikt i dess konstruktion och principer. En förgasare blandar luft och bränsle genom venturieffekten och påverkas av faktorer som halsringens storlek och lufthastighet. Blandningens kvalitet är avgörande för motorns prestanda och livslängd. Kolla även in våra andra guider kring förgasare, Hur du felsöker din förgasare, Hur man justerar förgasaren & Köpråd begagnad förgasare.

I grunden är en förgasare en mycket enkel och okomplicerad uppfinning – den blandar bränsle och luft till en fin dimma så att den enkelt och jämnt kan antända och förbrännas i motorn.

Först har vi en rörformad huvudpassage för luften som kallas för hals. Huvudpassagen för luft är förgasarens hus. Detta hus är försett med en strypning som kallas för venturi eller halsring. För den som inte sov på fysiklektionerna i skolan känner igen begreppet och kan även dra paralleller till aerodynamiska delar på tävlingsbilar. Principen är densamma, med den här strypningen ökar luftens hastighet allt eftersom den passerar för att bibehålla samma flödesmängd som i den större passagen. Ju mindre halsring, desto högre gashastighet och motsatt förhållande, större halsring ger en lägre hastighet.

Storleken på en förgasare bestäms av spjällets hastighet. En ”Weber 45” har således ett spjäll på 45mm. Placerat bredvid, oftast ihopgjutet, är flottörhuset. Det är förgasarens ”bränsletank” som lagrar bensinen. Bränslenivån styrs av en nålventil som i sin tur styrs av en flottör. Allt eftersom att nivån ökar så flyter flottören upp, och ventilen som sitter fast på den kommer högre i sitt säte tills den till sist tätar. Det är därför det är så viktigt att inte ha ett för högt bränsletryck i ett förgasarsystem eftersom det kommer att medföra läckage. Det är också viktigt att se till att nålventilen är i gott skick (och av bra kvalitet). Exempelvis så är nålventilerna som följer med Fajs förgasare av bristfällig typ och vi rekommenderar alltid att de byts mot exempelvis Weber original. Dessutom skall nålventiler vara med på ett regelbundet serviceschema, och vi rekommenderar ett årligt byte på tävlingsbilar för att säkerställa en bra funktion.

En passage för med sig bränsle in i själva förgasarhuset där det kommer ut nästan i mitten, som kallas spridaren. Det är här som vakuumet är som högst. Storleken på passagen är begränsad för att kunna bibehålla kontroll över mängden bränsle. Bränslenivån i flottörhuset är uppbyggt så att nivån ligger strax under förbindelsen ut till förgasarhalsen.

Luften accelererar efterhand som den passerar halsringen och blandas med det bränsle som sugs in på grund av undertrycket som uppstår. För att motorn skall kunna förbränna som tänkt är det väldigt viktigt att stökiometrin (det vill säga, blandningsförhållandet mellan luft och bensin) stämmer, och att blandningen är jämn i förbränningsrummet. En felaktig spridning eller dimma kan bidra till lokala temperaturspikar vilket kan leda till smälta kolvar och tråkiga motorras.

En förgasare har två viktiga styrfunktioner. Den ena är att gasspjällets öppnande eller stängande styr mängden flöde in i motorn. Ett högre flöde ger såklart motorn mer syre och bensin vilket ökar varvet (och således effekten). Det andra är att den styr mängden bensin som faktiskt blandas in med luften för att säkerställa korrekt bränsleblandning, samt hur bränsledimman faktiskt blandas.

I teorin, med andra ord väldigt enkelt. Men att tillverka en förgasare som är perfekt i alla lägen är i det närmaste omöjligt.

Först har vi den enkla sanningen att förgasare med stora öppningar har bättre flöde än de med små öppningar. Men det betyder inte att man skall maximera storleken. En av anledningarna till detta är för att det finns en gräns på hur mycket luft en motor rent fysiskt kan hantera. Det är detta som sätter en övre gräns på vilken förgasare man skall använda. Den optimala punkten är att ha en förgasare som är stor nog att förse motorn med all bränsleblandning den kan använda i den maximala arbetscykeln – men inte större än så. Den mängden varierar med saker som volym, topplockets flöde (i såväl kanal som ventiler), kamaxel och så vidare. En förgasare som presterar väl med att förse en racemotor med luft vid 8000 varv och en vass kamaxel är mindre lämplig på lägre varvtal när behovet är lägre. Varför? Lufthastighet. Svaret ligger i funktionen vi nämnde tidigare – nämligen att tillföra rätt mängd bensin.

Bensinen i flottörhuset sugs in på grund av det undertryck som skapas av venturieffekten, när luften passerar med hög hastighet vid en öppning – i det här fallet spridaren. När det skapas ett undertryck så sugs (eller strikt fysiskt sett trycks) bensinen in i luftflödet.

På ett lägre varvtal så är mängden luft som sugs in i motorn mycket lägre än på ett högre varvtal. Om vi går långt tillbaka till introduktionen så nämnde vi halsring. Man monterar en strypning, eller halsring, för att få upp hastigheten på luften vid ett lägre flöde. Och har man en strypning så kommer det att begränsa förgasarens maximala flödeskapacitet, vilket innebär att den kanske kommer att bli en flaskhals och inte kunna förse motorn med så pass mycket luft den har kapacitet till i det höga registret. Och på andra hållet, om man monterar en mindre strypning för att öka toppeffekten så blir gashastigheten inte optimal på låga varv.

Det här har klipska ingenjörer givetvis försökt att lösa. En förgasartyp som skapades var tvåportsförgasaren, eller den progressiva förgasaren. Till utseendet kan det se ut som att den är väldigt lik den ”vanliga” tvåspjällsförgasaren men till funktion skiljer det markant. En tvåportsförgasare har två separata spjäll där det ena öppnar först (primärporten) medan det andra spjället aktiveras senare när mer luftflöde behövs. Det vanligaste är att det är en stående förgasare där luften dras rakt ner i insuget. Gaspedalen är kopplat till primärspjället, medan sekundärspjället är automatiskt styrt i förgasaren - antingen mekaniskt eller via vakuum. Den vanliga tvåspjällsförgasaren (exempelvis Weber DCOE eller Dellorto DHLA) har också två spjäll men de öppnar samtidigt, direkt från gaspedalen, och matar olika cylindrar snarare än olika arbetsområden i motorregistret.

I en simpel värld skulle vi bestämma en storlek på halsring och sedan en spridare som förser rätt mängd bränsle till det flödet. Men det går inte det heller. Motorns möjlighet att ”andas” är inte konstant, utan varierar med olika varvtal. Kamaxlar med stora överlapp och lång duration får mycket bättre ”andning” på höga varv, på bekostnad av dålig andning på låga varv. Motorns varvtal gör också stor skillnad på flödet genom förgasaren. Vidöppna spjäll på lågt varvtal flödar sämre än vidöppna spjäll på höga varv. Förgasaren behöver ge rätt blandning i alla dessa scenarion.

I teorin skulle luften som passerar genom spridaren generera rätt mängd bränsle att tas upp för alla dessa tillfällena. Men så är det inte. Med en vass kamaxel och på låga varvtal och vidöppna spjäll kommer en rätt ansenlig mängd av den luft som drogs in i motorn att tryckas tillbaka in i insugningsröret när insugsventilen stänger. I detta fallet ser förgasaren luften gå in i motorn och rätt mängd bensin sugs upp i luftströmmen, men nu trycks den tillbaka genom förgasaren. Förgasaren har ju ingen ”styrning” utan kommer att fortsätta att förse luften som passerar över spridaren med samma mängd bensin som alltid. Nu har vi kanske dubbelt så mycket bensin i luftblandningen än vad det skall vara. Det kallas för baktryck i förgasaren och orsakar såklart problem.

Tänk sedan på hur luften passerar halsringen. Lufthastigheten är inte konstant. Den pulserar i samband med motorns fyra takter. Detta gör även att bensinen pulseras in i luftströmmen, när det optimala skulle vara ett helt linjärt jämnt flöde. Eftersom bensinen är tyngre än luften kommer för mycket bensin ut i takt med att varvtalet ökar.

Sättet att få hög lufthastighet över spridaren beror en hel del på blandningens kvalitet. För att förbättra blandningen har de flesta förgasare ett system med små hål som ”läcker” in lite luft som följer med bensinen genom spridaren. Detta kan kallas för en förblandning, och sker genom emulsionsrör. Luftmunstycket styr mängden luft genom dessa hål och kan ändra mängden bensin som dras in på högre varvtal jämfört med lägre varvtal. Ett större luftmunstycke ger magrare blandning på högfart men fetare på lägre varvtal. Om man vill minska blandningen på högfart är det bättre att byta luftmunstycke eftersom byte av huvudmunstycke inte brukar ge avsedd effekt.

En annan teknologisk finess för att komma runt problemet med lägre lufthastighet på en större förgasare är att man runt spridaren monterar en liten strypning eller halsring för att få en lokal venturieffekt precis där bränslet plockas upp. Detta resulterar i ett bättre flöde över spridaren och även en bättre blandning av bensin och luft in i huvudflödet.

En annan lösning är att man har en mekanisk pump som trycker in bränsle i luftströmmen om det sker en hastig och kraftig öppning av spjället. Detta kallas för en accelerationspump.

Men trots alla dessa extrafunktioner så har vi en grundläggande svaghet hos förgasare, oavsett bränsleblandningens kvalitet från spridaren – nämligen att luft- och bränsleblandningen är väldigt känslig för transport.

Vad menas med det luddiga uttalandet? Jo, att om en förgasare monteras på ett insugningsrör som har förbindelse med motorns alla cylindrar så kommer rören att svänga och se annorlunda ut, vilket omöjliggör en identisk leverans av bränsleblandning till samtliga inlopp i motorn. Även den mest finfördelade bränsledimma ut från förgasaren kan bli usel vid kontakt med en kraftig radie i ett insugningsrör. Kom ihåg det som nämndes tidigare – bensin är tyngre än luft. Vid en kraftig sväng kan, på grund av tröghetsmomentet (tack Newton!) luften följa en tajt radie medan bensinen kommer att vilja fortsätta rakt fram – och blandningen separeras. Samma sak kan faktiskt hända om det är ett långt insugningsrör. Gravitationen gör helt enkelt så att bensinen faller till botten av röret. Detta i sin tur kan bidra till lokala pölar eller fläckar av bensin i insuget vilket kan resultera i en chokeeffekt. Ett sätt att hantera det här problemet är att förvärma insugningsröret så att ångorna följer med luftströmmen en gång till. Förvärmningen sker antingen med vatten eller med hjälp av avgasröret. Ytterligare ett sätt är att ha en förgasare till varje cylinder. På så vis kan man ha förhållandevis korta och raka insugningsrör med bra flöde.

Ytterligare en utmaning är den tidigare nämnda naturliga pulseringen som följer av en motors olika takter. Genom att luften i insugningsröret pulserar in i förgasaren istället för en jämn luftström så byggs det upp en tryckpuls inne i insuget. Denna pulserar genom förgasaren nästan utan hänsyn till riktningen på luftströmmen. Om den följer med luftströmmen så hjälper den till att fylla cylindern. Om den däremot går emot så hindrar den cylindern från att fyllas. Genom att ändra längden på insugspaketet kan man påverka pulseringen. En negativ pulsering ändrar riktning och blir positiv när den möter färsk luft från trattens öppning. Det kan räcka med att montera längre trattar eller att byta ut insuget. Det krävs alltså en förgasare per cylinder för att bäst ta tillvara på pulseringseffekten eftersom ett fyrportsinsug tenderar att slå ut och störa varandras pulsering.

För att undvika vibrationer, skumbildning och kavitation skall förgasarna monteras med gummifjäder och fångbrickor. Man skall om monteringen är korrekt utförd kunna röra förgasarna en aning uppåt och nedåt. Använd självlåsande muttrar eller låsvätska till såväl förgasare som trattar.

Sammanfattning

En förgasare blandar luft och bränsle genom venturieffekten, där luftens hastighet ökar i en förträngning för att skapa undertryck som suger in bränslet. Förgasarens storlek påverkar lufthastigheten och därmed motorns prestanda. Blandningen av bränsle och luft måste vara exakt för att förhindra skador på motorn, som t.ex. smälta kolvar. Dessutom påverkas förgasarens funktion av faktorer som insugslängd, kamaxelns egenskaper och pulseringar i luftflödet. Storleken av förgasare är alltid en kompromiss, då det är omöjligt att optimera för lågvarv, mellanregister och högvarv med samma komponenter.