Techniek: Het Brandstofsysteem

Het brandstofsysteem is voor mij een afrodisiacum. Het verspreidt namelijk een heerlijk geurend goedje genaamd benzine. Jammer voor de diesel en gas rijders, want dat stinkt. En diesel smaakt nog minder lekker dan dat het ruikt (don’t even ask). Maar ja, op diesel moet je ook stoken en op gas moet je koken! Gas laat ik buiten beschouwing, aangezien er nooit echt af fabriek motoren zijn geweest die enkel op gas lopen. Dat laatste heeft er ook mee te maken dat gas een alternatieve brandstof is voor benzine. En ondanks een hoger octaangetal en lagere CO2 uitstoot, het gas ook zorgt voor een veel warmere verbranding. En aangezien een benzine motor ontwikkeld is met benzine als brandstof, zorgt gas voor extra slijtage. Met name kleppen, pakkingen en de cilinderkop zelf hebben zwaarder te lijden bij de montage van een gas systeem (LPG of Aardgas). Iedereen die erop rijdt, is in mijn ogen dan ook geen echte autoliefhebber. Je gaat namelijk geen dingen doen die je auto kunnen schaden. Diesel zal ik ook niet gaan behandelen, aangezien er eigenlijk geen echte klassiekers zijn die op diesel lopen. Tenminste, veel te weinig naar mijn idee? Toch gaat diesel wel voorkomen in onderstaand artikel. Waarom lees je vanzelf. Mochten er heel veel dieselrijders meelezen en willen jullie jullie er wel graag meer over weten? Post het dan in de comments.

Het brandstofsysteem bestaat uit verschillende onderdelen. Door de jaren heen is daar echter nogal wat verschil opgetreden qua onderdelen, doordat de systemen steeds efficiënter zijn geworden. Denk daarbij aan brandstofinjectie, die de carburateur verving. In eerste instantie ging dit nog mechanisch, zoals bij de Mercedes-Benz 300 SL. Later is daarvoor het motormanagementsysteem in de plaats gekomen, wat op dit moment nog steeds ontwikkeld wordt.

Maar we beginnen bij het begin: De brandstoftank. Eigenlijk niet meer dan een brandstofopslagpunt. Je haalt de opsluitdop eraf, doet de brandstof erin, dop erop en rijden maar. Toch is het niet zo simpel en zijn er door de jaren heen best wel wat aanpassingen geweest. In eerste instantie kom je het probleem van vacuümtrekken tegen. Een brandstofpomp blijft namelijk zuigen, maar aangezien de brandstoftank afgesloten is zou het vacuüm steeds groter worden. Hierdoor kan er geen benzine meer worden aangezogen. Om dat probleem te verhelpen is een vacuümklep ingebouwd. De klep werkt een kant op:  Zodra er vacuüm optreedt gaat de klep een beetje open om lucht binnen te laten. De lucht kan echter nooit naar buiten toe, tenzij je de tank opent om te tanken. Daarnaast is de tank in de loop der tijd voorzien van een tankinhoudsmeter. Wel zo handig als je weet wanneer je moet tanken. Anders gaat het vroeg of laat een keer fout. Daarnaast is de tank intern aangepast. Veel klassiekers zullen nog wel eens last hebben van klotsende tanken. In de loop der tijd hebben brandstoftanken aanpassingen gekregen aan de binnenkant van de tank. Je moet dan denken aan brandstofschotten. Deze houden het klotsen tegen door alleen onderin de schotten stroming toe te laten door gaten in de schotten. Voor normale straatdoeleinden is dit redelijk effectief. Enige probleem is dat ik voor mijn verdriet nog niet aan een bestaande tank ga lassen. Benzinedampen en lassen gaan namelijk slecht samen. Toch is er wel een oplossing voor die uit de racewereld komt. Wanneer je een brandstofvlotter hebt kun je deze meestal demonteren uit de tank. Het gaat om de sensor die het brandstofniveau meet. Als deze eruit is heb je toegang tot de binnenkant van de tank. Nu bestaat er tegenwoordig open schuim. Dit is schuim die vloeistof beperkt doorlaat. Het lijkt op een spons, maar spons houdt vloeistof nog te goed vast. En aangezien het een soort schuim is, is het goed kneedbaar. Hierdoor kan het gemakkelijk door de opening worden gestoken. Vervolgens vul je de tank helemaal, behalve waar de brandstofvlotter komt. Daarna plaats je het brandstofvlotter opnieuw en seal je die opnieuw af met speciale sealer. Op die manier heb je een niet klotsende tank. Bijkomend voordeel is dat brandstof de brandstof minder snel uit een tank kan lekken in geval van een serieus ongeval. Het enige nadeel is dat je tank eerder leeg is. Er kan sowieso minder in, maar her houdt de vloeistof ook meer vast in het schuim.

Vervolgens komen we aan bij de brandstofpomp. Eigenlijk het enige wat gelijk is gebleven, zowel bij benzine als diesel. Het enige verschil wat daartussen zit, is dat de brandstofdruk met de loop der jaren omhoog is gegaan. Dit vanwege het voordeel dat hoe hoger de druk, hoe beter de brandstof zich vermengt met lucht. Dat wordt ook wel atomiseren genoemd. Tegenwoordig is dat mogelijk door de betere afdichtmogelijkheden die er vroeger niet waren en vanwege de bewerkingsprocessen die veel efficiënter zijn geworden. Benzinesystemen begonnen vroeger met 0,1 Bar, wat later opliep tot 1 Bar. Injectiesystemen begonnen met 1 Bar, wat tegenwoordig rond de 3 tot 3,5 half Bar ligt. Huidige directe injectiesystemen in benzineauto’s draaien zelfs op 150 Bar. Toch zijn er wel meerdere verschillen in brandstofpompen door de jaren heen. Eerst waren de pompen mechanisch, waardoor ze op het motorblok gemonteerd waren. Brandstof werd naar gelang je motortoerental steeg, steeds sneller rondgepompt. Later kwamen er elektrische pompen. Deze kwamen aan de kant van de benzinetank, aangezien dat efficiënter is. Hoe dichter een pomp bij het te verpompen materiaal zit, hoe minder lucht er in de leidingen zit. De laatste variant is ook een elektrische pomp, maar deze zit in de brandstoftank zelf. De reden dat dit gedaan werd, is vanwege het geluid. Elektrische pompen kun je duidelijk horen. Door de pomp in de tank te monteren doet de brandstof en de tank zelf ook dienst als geluidsdemper. Met de komst van elektrische pompen kwam ook de komst van een retourleiding. Mechanische pompen werden aangedreven door de motor en waren toerentalafhankelijk. Elektrische pompen draaien op een vast toerental. Hierdoor wordt er vaak teveel benzine aangeleverd. Aangezien iets in het systeem het gaat begeven als de druk alsmaar hoger wordt, wordt de overige druk afgevoerd naar de benzinetank. Hierdoor houd je een constante brandstofdruk zonder dat deze alsmaar hoger wordt. Een klep die ook wel FPR (Fuel Pressure Regulator, wat niks anders betekent dan brandstofdrukregelaar) wordt genoemd, regelt de druk van de brandstof. Deze is mechanisch en gaat bij een vooraf instelde veerdruk open, zodat brandstof doorgelaten wordt naar de retourleiding. Tegenwoordig zijn er ook elektrische, maar worden voor zover ik weet nog niet toegepast in auto’s.

Een andere belangrijke toevoeging aan het brandstofsysteem is het toevoegen van een brandstof filter. Vanwege carburateurs werd dat voorheen niet echt nodig geacht. Dat hoefde op zich ook niet, aangezien de aanvoerroute van brandstof relatief ruim was in vergelijking met nu. Alle openingen waren in het carburateurtijdperk een stuk groter dan nu in het injectietijdperk. Vuil kwam daardoor rechtstreeks de motor in. Om dit niet te laten gebeuren werd er na de brandstofpomp en voor de carburateur een filter gezet, zodat het vuil daarin achter bleef. Ten tijde van de injectiesystemen waren de aanvoerroutes zo nauw dat het vuil bijna onmogelijk nog via benzine in de motor kon komen. Maar door diezelfde nauwere route kwam het wel voor dat injectoren verstopt konden komen te zitten. Herinnert zich iemand de voorvallen bij Shell pompen nog van een aantal jaren geleden? Om bovenstaande redenen adviseer ik dan altijd om minstens één brandstoffilter te plaatsen, maar liefst meerdere. Ikzelf maak eigenlijk altijd gebruik van brandstoffilters van vrachtwagens. Het voordeel is dat deze groter zijn, waardoor ze meer vuil kunnen bevatten dan normale filters bedoelt voor auto’s. Hierdoor hoef je filters minder vaak te vervangen. Als je ze toch van plan bent aan te schaffen, neem dan de doorzichtige varianten van kunststof. Hierdoor kun je zien hoe vul het filter is. Bij andere moet je het filter telkens open maken om dat te kunnen beoordelen. Neem ook geen variant van glas. Het ziet er dan misschien beter uit, maar glas kan breken door hevige trillingen. Leuk als je op klinkers rijdt en de boel spat uit elkaar. Een stilstaande auto en een spoor van benzine. Alleen nog iemand die een brandende sigarettenpeuk erop gooit en het wordt een groot kampvuur. Verder nog een persoonlijke stelregel van mijn kant: Plaats tussen elk component een filter. Als je een externe brandstofpomp hebt dan zou ik er eentje plaatsen tussen de brandstofpomp en de brandstoftank en tussen de brandstofpomp en de carburateur. Zekerheid voor alles. Na montage start de auto de eerste keer wel even lastig, maar dat is omdat de filters eerst vol moeten pompen, en de leiding ook, want die zal wel leeg zijn na montage van de filters.

Dan komen we uiteindelijk aan bij het onderdeel waar “the magic happens” : De carburateur. Uitgevonden rond 1885, maar het is niet helemaal duidelijk door wie. Vermoedelijk door Carl Benz, Wilhelm Maybach of Gotlieb Daimler. Wie het ook was, ik ben er blij mee. Eigenlijk is het een vrij simpel, maar toch ook ingenieus apparaatje wat brandstof met lucht vermengd. Dit gebeurt door luchtdruk. Des te sneller lucht stroomt, des te lager de luchtdruk. Doordat de luchtdruk wegvalt boven een sproeier, zal deze meer brandstof doorlaten. In een carburateur beweegt namelijk maar 1 ding als je het gaspedaal indrukt: De gasklep. Deze opent zich naarmate je het gaspedaal verder indrukt. Hierdoor versnelt de lucht zich met bovenstaande als resultaat. Natuurlijk zijn er zeker nog meer bewegende onderdelen, maar die worden niet door het gaspedaal bediend.

Door de jaren heen zijn carburateurs veranderd. De eerste carburateurs waren gemaakt met 1 afstelling in gedachte, waardoor ze niet verstelbaar waren. Gelukkig kwamen ze er al snel achter dat dit wel nodig was, waardoor we tegenwoordig steeds meer afstelmogelijkheden hebben. Denk aan zaken als een gasklep en de choke bijvoorbeeld. Daarnaast waren de carburateurs in het begin der tijden van onderaf naar boven aangezogen vanwege filteratie, maar daar kom ik nog wel een keer op terug in een ander artikel. Daarna kreeg je vooral carburateurs die van boven aanzogen werden. Tot slot kwam nog de van opzij aangezogen carburateur. Dit laatste is niet echt per direct een verbetering, maar heeft meer met de inbouwruimte te maken. Inmiddels zie je carburateurs alleen nog terug op sommige motorfietsen.

Injectiesystemen zijn sinds de jaren 80 gemeengoed geworden op auto’s en sinds ongeveer 2000 ook op motorfietsen. Al zijn er daar nog steeds die gebruik maken van carburateurs, Het injectiesysteem dankt zijn naam aan de injector. Niet veel meer dan een klein buisje met een nog kleinere openinging aan de kant van de motor met een klepje. Wanneer nodig injecteerd deze brandstof. Bij 6000RPM is dat 3000 keer! Het injectiesysteem bestaat echter al  veel langer. In 1894 werd het patent aangevraagd door ene meneer Diesel en in 1897 was de eerste dieselmotor een feit. Diesel kan namelijk alleen geïnjecteerd worden onder een hoge druk. Simpel gezegd is diesel te dik en zwaar om met zuurstof te vermengen onder normale druk. Op auto’s werd dit echter niet veel toegepast, aangezien het systeem vrij kostbaar was en vooral ook complex. De eerste benzineinjectiesystemen zien we dan ook terug in de luchtvaartindustrie, waar geld niet zo’n grote rol speelt. Zeker niet in oorlogstijd. Technologisch voordeel wordt daar ten alle tijde uitgebuit. In de Tweede Wereldoorlog maakte dan ook zo’n beetje elk vliegtuig gebruik van brandstofinjectie, aangezien de brandstof niet terug kon vloeien in de leidingen door de hogere G-krachten. Stel je zou een bocht van 3G maken en doet dit 5 seconden, dan zal een brandstofsysteem van 0,5 Bar niet tegen dat soort krachten op kunnen werken. Het komt er dan ook op neer dat de motor gedurende die 5 seconden geen benzine krijgt, of heel weinig. Iets wat je absoluut niet wilde, want dan sloeg de motor af in de lucht. Probeer hem dan maar op tijd te starten!

Deze injectie is echter nogal wat anders dan de injectie van vandaag de dag, aangezien de injectie zelf mechanisch gebeurde. Er werd gebruik gemaakt van een elektrische brandstofpomp, maar injectoren werkten met een vacuüm. Dit systeem is voor het eerst op auto’s toegepast door Robert Bosch. Het bekendste systeem kennen we van de Mercedes-Benz 300 SL, maar dat was niet de eerste productieauto die gebruik maakte van het systeem. De allereerste auto was namelijk de Goliath GP700 E. Dat was een 2-takt  2 cilinder. En het had een techniek die we pas sinds enkele jaren weer terugzien in de huidige injectiesystemen: Directe injectie. Elke injector zat namelijk in de cilinderkop geplaatst. Hierdoor was injectie vrij precies en door de hoge druk vernevelde alles nog eens zeer goed. Voor die tijd werden er dan ook zeer hoge vermogens mee bereikt. Helaas houdt daar het leuke verhaal wel op. De systemen waren namelijk vrij duur in vergelijking met carburateurs. Ook het onderhoud was prijzig, aangezien er speciaal getrainde monteurs voor aan te pas moesten komen. Maar dat was niet het enige probleem. Vaak genoeg bleven de injectiesystemen langer injecteren dan nodig was. Als de motor al uit stond bijvoorbeeld. Het resultaat was dan dat benzine langs de zuigerveren lekte en zorgde voor vervuilde motorolie. Bij 2-takt was dat geen probleem, aangezien deze toch geen olie in het carter had, maar bij 4takt wel. Vanwege bovenstaande feiten is de carburateur nog jarenlang aan de macht gebleven. Toch zag je het in de racewereld wel veel toegepast worden, om zo extra voordeel te hebben ten opzichte van de competitie.

Totdat eind jaren 70, begin jaren 80 computers en elektronica hun intrede deden. Zij zorgden ervoor de elektronische injectie tegenwoordig gemeengoed is. Onderdelen waren vanaf dat moment betrouwbaar genoeg. Met nadruk op genoeg, want het is nog steeds niet altijd even betrouwbaar, zoals met injectoren van Delco een tijdje terug in Mercedes-Benz motoren. Elektronische injectie begon in de jaren 70 als een vervanging voor de carburateur. Het was één enkele injector, die op de plaats zat waar voorheen een carburateur te vinden zou zijn. Deze injecteert vervolgens de brandstof in de luchtstroom. Dit was efficiënter omdat de druk hoger was, waardoor brandstof beter atomiseert. Tegenwoordig weten we echter dat hoe dichter je bij de zuigers injecteert, hoe beter dit is. Daarom zijn in de jaren 80 en 90 de injectoren verplaatst. Ze zaten nog steeds in het inlaatspruitstuk, maar nu was het één injector per cilinder, en soms zelfs twee. Het voordeel hiervan is dat er een kleinere injector gennomen kon worden, waardoor de efficiëntie bij lagere toeren toenam. Dit kwam op zijn beurt weer doordat grotere enkele injectoren vaak te veel benzine inspoten op lagere toeren en te weinig op de hoge toeren. Nu hoefde men geen compromis meer te sluiten. Daarnaast kwam de injectie dichter bij de zuiger, wat de efficiëntie nog verder deed stijgen. De meeste auto’s van tegenwoordig hebben dit systeem nu nog steeds. Tenslotte is er nog de laatste ontwikkeling: Directe injectie. Eigenlijk bestond dat al in de tijd van de 300SL, maar dan mechanisch. Het grote verschil is dat het hier elektronisch is. Dat het zo lang geduurd heeft, komt door de hogere kosten van het systeem. De kwaliteit van de componenten moeten namelijk flink hoger zijn. Injectoren in de cilinderkop staan immers bloot aan hoge temperaturen. Mitsubishi met hun GDI motoren is hier het eerste mee geweest. Toch is het pas echt groot geworden sinds Volkswagen het gebruikt op hun motoren. Steeds meer fabrikanten stappen over, waaronder sinds dit jaar Ferrari. Door directe injectie kunnen ontzettend hoge drukken gebruikt worden voor een perfecte verneveling van brandstof met lucht. Daarnaast blijft er ook geen brandstof meer achter in het inlaatspruitstuk zelf.

Vervolgens zal ik nog een aantal Mythes de wereld uit proberen te helpen:
– “Door een injectiesysteem te monteren gaat mijn geluid verloren”.
Absoluut niet het geval! De burble die je hoort bij het loslaten van je gas is onverbrande benzine die in je uitlaat alsnog verbrand. Met een programmeerbaar injectiesysteem is dit gewoon te realiseren. Maar bedenk je wel het volgende: Waarom zou je? Zeker met de huidige benzineprijzen?
– “Injectiesystemen halen de charme van mechanica weg”.
Persoonlijk vind ik van wel, maar het is niet per definitie waar. As je zou willen kan je nog steeds een carburateur monteren, waarvan alleen de gasklep nog werkt. Vervolgens plaats je ergens onder het spruitstuk de injectoren. Op die manier heb je wel het aangezicht van een carburater, maar de efficiëntie van een injectiesysteem.
– “Injectiesystemen starten efficiënter”.
Niet waar! Een auto start net zo goed als hij staat afgesteld. Denk hierbij ook aan onderhoud van het ontstekingssysteem (https://new.klassiekerrally.nl/techniek-ontsteking-afstellen-en-servicen/). Ik ken injectiemotoren die slechter starten dan carburaturermotoren.
– “Injectiesystemen leveren meer vermogen”.
Niet per definitie waar. Een carburateur kan net zoveel vermogen leveren. Zeker als we kijken naar maximaal vermogen en koppel. Enige uitzondering zijn de direct ingespoten injectiemotoren. Die halen meer rendement, maar niet veel meer. Het echte rendement komt door de hogere compressie doordat de benzine het mengsel afkoelt. Dat gezegd hebbende kun je er wel van uit gaan dat onder alle andere omstandigheden een injectiesysteem beter functioneert. Ze houden veel meer variabelen in de gaten en passen de injectiewaarden daar constant op aan. Waar je op maximaal vermogen niet tot nauwelijks verschil zult merken, is dat bij alles behalve maximaal vermogen wel het geval. Verder is er vaak meer koppel en vermogen beschikbaar over het gehele toerenbereik dan een carburateur. Maar verwacht geen levensgrote verschillen. En het blijft zo dat een injectiesysteem net zo goed is als het staat afgesteld.
– “Carburateurs verbruiken meer benzine”.
Waar! Dat komt met name door de lagere druk en omdat ze verder van de cilinders af zitten. Daarnaast heeft een injectiesysteem meer mogelijkheden om variabelen aan te passen, waardoor het efficiënter met brandstof om kan gaan.  En het blijft zo dat een injectiesysteem net zo goed is als het staat afgesteld.
– “Injectie is ingewikkeld”.
Hangt er vanaf waar je goed in bent!? Met wat kennis van computers en Excel kom je een aardig eind. Wel zul je moeten weten wat een auto nodig heeft. Ga je een systeem plaatsen dan is het lastiger als het plaatsen van een carburateur. Afstellen vind ik persoonlijk makkelijker, aangezien je geen vieze handen krijgt, en niet elke keer onderdelen hoeft te vervangen.

Dan hebben we nog het volgende voor de racers onder ons: Brandstof kun je koelen. En door de brandstof te koelen, koel je ook de ingaande lucht. Des te kouder lucht is, des te meer zuustof het bevat, waardoor je meer vermogen krijgt. Het enige nadeel is dat ik nog geen permanente oplossing heb voor het permanent koelen ervan. De oplossing is vij simpel: Je hebt een stuk koperleding nodig die dezelfde dikte heeft als je brandstofleiding. Alluminium mag ook, maar geen staal. Het moet namelijk makkelijk warmte op kunnen nemen en af kunnen staan. Vervolgens gebruik je iets als een soepblik of ander rond voorwerp. de enige vereiste die er is is dat je er een deksel voor kunt vinden of maken. Vervolgens eet je de inhoud van het blik eerst op en maak je hem schoon. Daarna maak je aan de bovenkant 2 inkepingen waar 2 leidingen precies doorheen kunnen. De leiding gaat aan de ene kant naar beneden in een spiraalvorm. Des te mer windingen des te beter. Vervolgens gaat hij vanaf onder  weer naar boven en de tank uit via de ander inkeping. Beide inkepingen kit je vervolgens af met siliconenkit. Daarna vul je de tank met koud ijs en alcohol, voor een langdurig effect. Maar het kan ook met gewoon ijs en water. Bedenk je dan wel dat het effect niet bijster lang zal duren. Tot slot doe je de deksel erop om het geheel af te sluiten en plaats je dit tussen de brandstofleiding van je auto. Brandstof wordt hierdoor rond het vriespunt.  Ter vergelijking heb ik een stelregel: Wanneer je de inlaatlucht 2 graden kouder de motor in laat stromen, staat dit gelijk aan 1% meer vermogen. Een rendement van 5 tot 10% is dus haalbaar….

Tekst: Kevin “Kevski Style” Houtzager