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Wie funktioniert ein Vergaser?

zwei Gleichdruckvergaser von Skinner Union

Wir erklären, was ein Vergaser macht und warum man ihn heute im Auto nicht mehr braucht. (Bild: Sonett72 @wikimedia.org)

Aufgabe des Vergasers

Blickt man unter die Motorhaube eines modernen Pkw wird man ein Bauteil nicht mehr finden, ohne das jahrzehntelang kein Auto hätte fahren können: den Vergaser. Was seine Aufgabe war und warum er heute nicht mehr notwendig ist, wollen wir an dieser Stelle erklären. Beim Vergaser handelt sich um eine Vorrichtung, die den separat im Tank mitgeführten Kraftstoff und die angesaugte Frischluft miteinander kombiniert, sodass ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch entsteht. Er wurde bereits 1826 erfunden und knapp ein halbes Jahrhundert später zum ersten Mal in einem Ottomotor eingesetzt und patentiert. Pioniere wie Karl Benz, Wilhelm Maybach und Gottlieb Daimler haben bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren auch zur Verbesserung des Vergasers beigetragen. Doch wie ist er aufgebaut?

Grundsätzlicher Aufbau eines Vergasers

Den Vergaser kann man sich als ein glattwandiges Rohr zwischen dem Ansaugtrakt und dem Motor bzw. der Drosselklappe vorstellen, das in seiner Mitte eine Engstelle besitzt. Der laufende Motor erzeugt aufgrund der Kolbenbewegungung einen Unterdruck, wodurch Frischluft angesaugt wird. An der Engstelle des Vergasers wird diese Luft beschleunigt. Die physikalischen Grundlagen für dieses Phänomen haben Bernoulli und Venturi im 18. Jahrhundert erforscht. Das sich verjüngende Rohr wird entsprechend als Venturi-Rohr bezeichnet. Durch den Unterdruck kann über eine in der Engstelle platzierte Düse Kraftstoff in das Rohr gesaugt werden, der gemeinsam mit der Luft ein zündfähiges Aerosol bildet. Die angesaugte Kraftstoffmenge bestimmt sich aus dem Unterdruck und dem Durchmesser der Düse. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, dass die Düse, sprich der Kraftstoffzulauf, auf die maximale Leistung des Motors ausgelegt sein muss. Um eine noch bessere Durchmischung zwischen Luft und Kraftstoff zu erreichen, wird der Sprit meist vor dem Austritt an der Düse aufgeschäumt. Dafür wird einfach Luft in die Schwimmkammer des Vergasers geleitet.

Funktionsweise eines Vergasers

Durch den Unterdruck an der Engstelle des Venturi-Rohrs werden Kraftstoffpartikel mitgerissen.
Bild: F3HS3 @wikimedia.org (CC-BY-SA 3.0)

Nachteile eines Vergasers

Sind der Rohrquerschnitt und die Düsengröße konstant, kann die Gemischbildung nicht lastabhängig erfolgen. Im Leerlauf bzw. bei niedrigen Drehzahlen könnte der Unterdruck nicht ausreichen, um genügend Kraftstoff anzusaugen. Startprobleme wären die Folge. Ändert man die Querschnitte so, dass die Startfähigkeit gegeben ist, würde jedoch bei maximaler Leistung so viel Kraftstoff angesaugt werden, dass die Zündfähigkeit des Gemisches nicht mehr gegeben ist. Der Motor "säuft ab". Aus diesem Grund wurden im Laufe der Jahre zahlreiche technische Verbesserungen konzipiert. Eine einfache Variante stellen Registervergaser bzw. Stufenvergaser dar, die unterschiedliche Trichtergrößen für unterschiedliche Lastbereiche verwenden. Gleichdruckvergaser versuchen hingegen Strömungsgeschwindigkeit und Unterdruck im Venturi-Rohr konstant zu halten, indem sowohl der Querschnitt des Rohres (über einen Schieber) als auch der Querschnitt der Düse (über eine konische Düsennadel) variiert werden können.

zwei Doppelvergaser an einem Ford Escort

Die beiden Doppelvergaser dieses Ford Escort erkennt man an den zwei Trichtern.
Bild: Lothar Spurzem @wikipedia.org (CC-BY-SA 2.0 DE)

sechs Doppelvergaser an einem Ferrari-Motor

Fallstromvergaser sitzen über dem Motor wie bei diesem Ferrari.
Bild: sfoskett @wikipedia.org (GFDL)

Ein weiterer Nachteil eines einfachen Spritzdüsenvergasers ist die Art und Weise der Kraftstoffzufuhr. Der Sprit wird mit geringem Druck lediglich in eine Schwimmerkammer gepumpt, um von dort über die Hauptdüse angesaugt zu werden. Allerdings kann es bei Lageänderungen im Raum oder entsprechenden Beschleunigungen dazu kommen, dass die Kraftstoffzufuhr abreißt. Insbesondere bei Flugzeug-, Motorrad- oder auch Kettensägenmotoren stellt das ein Problem dar, welches durch die Entwicklung von Membranvergasern gelöst werden konnte. Diese Vergaser besitzen keine Schwimmerkammer, sondern eine Barometerdose, wobei die Membran als eine Art Pumpe unabhängig von der Lage Kraftstoff in den Vergaser saugt.

Kaltstart mit Vergaser

Beim Starten des Motors sollte das Gemisch kurzzeitig angefettet werden. Dies erreichen Vergaser über unterschiedlichste Hilfssysteme. Tupfer oder Primer wirken auf den Kraftstofffluss, indem sie die Schwimmernadel bewegen und damit den Düsenquerschnitt erhöhen. Der so genannte Choke wirkt hingegen auf den Rohrquerschnitt. Die Starterklappe verengt das Venturi-Rohr und der steigende Unterdruck führt dazu, dass mehr Kraftstoff angesaugt wird. Allerdings muss der Choke nach dem Start zurückgesetzt werden, da sonst deutlicher Mehrverbrauch bis hin zu Motoraussetzern die Folge sind. Der Kraftstoff flutet nämlich die Brennkammern. Auch unterschiedliche Wärmvorrichtungen, Volllast- oder Teillastanreicherungen sowie Höhenkorrekturvorrichtungen können an Vergasern gefunden werden. Das jähe Ende von Vergasern im Automobilbau konnten die Zusatzvorrichtungen dennoch nicht verhindern.

Ende der Vergaser Anfang der 1990er Jahre

Vergaser sind zuverlässige Bauteile, die selbst bei Kraftstoffverunreinigungen sehr verschleißarm arbeiten. Den hohen Anforderungen an eine exakte Gemischbildung, die sich aus der gesetzlich vorgeschriebenen Katalyse der Abgase ergeben, waren sie jedoch nicht gewachsen. Die chemischen Prozesse im Katalysator erfordern es schließlich, dass der Restsauerstoffgehalt einen bestimmten Wert weder über- noch unterschreitet. Nur im sogenannten Lambdafenster (gemessen durch die Lambdasonde) um den Wert 1 herum können Kohlenmonoxid, Stickoxide und unverbrannte Kohlenwasserstoffe effektiv umgewandelt werden. Dies geht nur mit elektronischer Steuerung. Vor allem gegen Ende der 1980er Jahre versuchten Hersteller wie Bosch, Denso und Pierburg derartige Vergaser als Ecotronic anzubieten. Sie ließen sich gut mit ungeregelten Katalysatoren kombinieren und waren weiterhin günstiger in der Herstellung als Einspritzanlagen. Steigende gesetzliche Anforderungen an den Umweltschutz und immer komplexer werdende Systeme führten allerdings dazu, dass Vergaser zugunsten von Einspritzsystemen verdrängt wurden.

Vergaser eines Motorrollers

Bild: Scootergrisen @wikipedia.org

Die elektronisch gesteuerte Einspritzung erfolgt mittlerweile nicht nur in den Ansaugtrakt sondern direkt in die Brennkammer und kann aus mehreren Phasen (Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung) bestehen - immer in dem Bestreben die Effizienz der Verbrennung zu erhöhen und den Ausstoß von Schadstoffen zu minimieren.

Wo findet man Vergaser heute?

Ein Blick in unseren Online-Shop verrät, dass Vergaser noch immer in Automobilen im Einsatz sind, denn schließlich wurden noch Anfang der 1990er Jahre Autos damit verkauft. Dazu gehören z.B. der Peugeot 106, der Renault Clio, der Nissan Primera oder der Ford Fiesta. Neben Young- und Oldtimern findet man Vergaser ansonsten überall da, wo Verbrennungsmotoren ohne Katalysator arbeiten oder eine hohe Ausfallsicherheit notwendig ist. Rasenmäher, Kettensägen, Kleinfluzeuge, Motorräder, Motorroller und Karts sind einige Beispiele.

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