Zelfstudieproject Fysica 5D, 5C
- Je verdeelt je in groepjes van 3.
- Tracht volgende tekst volledig te begrijpen.
- Los de gestelde vragen op.
- Tijdens de zelfstudieweek kom je in het labo met je groepje de antwoorden toelichten en tracht je een heuse motor aan de praat te krijgen. (INSCHRIJVEN!)
De Verbrandingsmotor
Hoe werkt een motorblok?
Eigenlijk heel simpel. Door middel van ontploffingen. En voor een
ontploffing heb je het volgende nodig:
1. Een afgesloten ruimte
2. Een brandstof, in dit geval benzine
3. Zuurstof, oftewel lucht
4. Een vonk
Stel
je een injectiespuit voor die met de naald naar boven staat. Dit is eigenlijk
een holle buis met een zuiger erin die op en neer kan bewegen. Zo ziet
een ééncilinder motorblok er eigenlijk ook uit. Een metalen buis (de
cylinder) bevindt zich centraal in het blok terwijl binnenin deze buis een
zuiger op en neer kan bewegen. Aan deze zuiger zit een stang vast (de
drijfstang). We vervangen de naald door een bougie (een aansteker)
die de spuit van boven afdicht. We voegen nu een gasmengsel van benzine
en lucht (een zeer explosief goedje) toe in de afgesloten ruimte, die we vanaf
nu de verbrandingskamer noemen.
Daarna duwen we de drijfstang met daaraan de zuiger omhoog. Op
een gegeven moment zal de druk van het gasmengsel op de drijfstang zo hoog
worden dat de zuiger niet verder omhoog kan. Er ontstaat met andere woorden een
flinke compressie. Op dat moment laten we de bougie een vonk maken. Het gevolg
is natuurlijk dat het gasmengsel ontbrandt en de enorme explosie de zuiger en
drijfstang met kracht naar beneden duwt.
In tegenstelling tot een injectiespuit is bij een motorblok de drijfstang
onderaan verbonden met de krukas. Deze as zet de op en neergaande
beweging om in een rondgaande. Deze beweging wordt uiteindelijk doorgegeven aan
het achterwiel waardoor het gaat draaien. Hoe dit in zijn werk gaat kun je lezen
in de paragraaf over de aandrijving.
Voor motorfietsen worden er tegenwoordig twee varianten van de verbrandingsmotor gebruikt. Het verschil tussen beiden zit hem vooral in de manier waarop de krukas ronddraait en de manier waarop het gasmengsel in de verbrandingskamer wordt gebracht. Beide varianten worden op de volgende pagina's besproken.
De tweetaktmotor is de eenvoudigste vertaling van het ontploffingsprincipe
naar een werkend motorblok. Het blok werkt in twee takten.
Een
takt betekent eigenlijk niets meer dan een beweging van de zuiger.
Een tweetakt heeft twee takten (bewegingen van de zuiger) nodig voordat
het verbrandingsproces klaar is. Eerst beweegt de zuiger omhoog, vervolgens
omlaag. Daarna begint het proces weer van voren af aan. Als deze twee takten
zijn uitgevoerd is de krukas precies één keer rond geweest. Maar er
gebeurt nog meer tijdens de twee takten. Vandaar dat ik ze hieronder omschrijf.
De inlaattakt
De
zuiger beweegt omhoog en duwt het verse mengsel richting bougie. Tegelijk duwt
hij het oude verbrande mengsel de cylinder uit. Als de zuiger in het hoogste
punt is gekomen ontsteekt de bougie het gasmengsel.
De uitlaattakt
De
ontploffing duwt de zuiger naar beneden. De omlaag bewegende zuiger zuigt een
nieuw mengsel de verbrandingskamer in. Onderaan gekomen is het
verbrandingsproces voltooid. De krukas is nu éénmaal rondgedraaid.
Voordelen
Als je de werking van de tweetakt met die van de viertakt vergelijkt zul je
snappen dat een tweetakt veel eenvoudiger van opzet is. Dit maakt het motorblok
ook goedkoper dan een viertakt. Er zijn immers een stuk minder onderdelen nodig.
Ook zal hierdoor het gewicht van het motorblok lager liggen. De tweetakt heeft
ook minder bewegende delen en zal dus minder makkelijk storingen ontwikkelen.
Omdat een tweetakt eens per twee takten de krukas ronddraait kan een kleine
cilinderinhoud al een groot vermogen ontwikkelen, zeker in verhouding tot een
viertakt met een gelijke cilinderinhoud die immers maar eens per vier takten de
krukas ronddraait.
Nadelen
Een tweetakt beschikt niet over kleppen waardoor hij vaak minder
zuinig met benzine kan omspringen dan een viertakt. Omdat een tweetakt niet over
een apart reservoir voor de olie die het blok moet smeren beschikt zal deze door
de benzine gemengd moeten worden. Een tweetakt verbruikt dus naast benzine ook
olie. Tegenwoordig kan deze vaak in een aparte tank worden bijgevuld waarna de
motor de olie zelf in de goede verhouding door de benzine mengt. Doordat de
verbrande olie via de uitlaat naar buiten komt zie je vaak een blauw
rookpluimpje. Tweetaktmotoren zijn door hun benzine- en olieverbruik minder
milieuvriendelijk dan viertaktmotoren. Vandaar dat er tegenwoordig (helaas)
steeds minder tweetakten gebouwd worden. Omdat een tweetakt meer kracht
ontwikkeld dan een viertakt heeft het blok meer te lijden en slijt het sneller.
Voorbeelden
Je herkent een tweetakt motor aan het motorgeluid. De meeste bromfietsen en
scooters zijn namelijk tweetakten. Een tweetakt motorfiets zal vaak hetzelfde
scherpe 'rengdengdeng' geluid maken als een bromfiets, alleen wat lager van
toon. Motoren uit het voormalige oostblok zoals MZ en Jawa zijn ook veelal
tweetakten. Tenslotte zijn er nog een handvol racereplica's die net als hun
voorbeeld uit de Grand Prix racerij voorzien zijn van een potent tweetaktblok.
Voorbeelden hiervan zijn de Aprilia RS250, de Suzuki RG500 en de Yamaha RD500.
De viertaktmotor is een gecompliceerdere doorontwikkeling van de tweetakt.
Het zal je niet verbazen dat een viertaktmotor in vier takten (bewegingen
van de zuiger) werkt. Pas als deze vier takten zijn voltooid is het
verbrandingsproces voltooid. De krukas is dan twee maal rondgedraaid. Voordat ik
toekom aan het bespreken van de vier takten moet er nog een essentieel onderdeel
van de viertaktmotor genoemd worden.
Kleppen
In tegenstelling tot de tweetakt wordt bij een viertakt het gasmengsel niet door
een voortdurend openstaande verbinding naar binnen gezogen. Een viertakt is
namelijk voorzien van kleppen die het moment van aanzuigen en afvoeren
van het gasmengsel regelen. Er is een inlaatklep die de toestroom van het
verse gasmengsel regelt en een uitlaatklep waarlangs de verbrande gassen
de cylinder kunnen verlaten. Moderne motoren zijn tegenwoordig vaak voorzien van
vier kleppen waarbij twee in- en uitlaatkleppen de in- en uitgaande gassen nog
beter kunnen doseren. Er bestaan ook motoren met een oneven aantal kleppen per
cylinder, zoals een drie- en vijfkleps systeem. In deze gevallen zullen de
meeste kleppen (twee of drie) gebruikt worden als inlaatkleppen, omdat dit een
preciezer werkje is dan het eruitlaten van de gassen.
Inlaattakt
Tijdens
de inlaattakt beweegt de zuiger omlaag. De ingaande klep gaat open en laat de
zuiger het gasmengsel de verbrandingskamer in zuigen. Als de zuiger onderaan
gekomen is sluit de ingaande klep. De uitgaande klep staat ook dicht waardoor de
verbrandingskamer afgesloten wordt.
Compressietakt
De
zuiger beweegt zich vervolgens omhoog. Het gasmengsel wordt samengeperst tot
soms maar ééntiende van het oorspronkelijke volume. Als de zuiger zich op het
bovenste punt bevindt vonkt de bougie.
Arbeidstakt
Het
mengsel ontbrandt en duwt de zuiger met kracht omlaag. Via de drijfstang wordt
de krukas rondgedraaid. Als de zuiger onderaan gekomen is opent de uitgaande
klep zich.
Uitlaattakt
De
zuiger beweegt weer omhoog en stuwt het verbrande mengsel via de uitgaande klep
naar buiten. Bovenaan gekomen sluit de uitgaande klep zich weer en is het
verbrandingsproces voltooid.
Voordelen
Door het gebruik van kleppen zal een viertakt over het algemeen minder benzine
verbruiken. Een viertaktblok beschikt over een aparte olievoorraad (verborgen
onder in het motorblok en soms in het frame) die alle draaiende motoronderdelen
smeert en koelt. Omdat deze olie niet aan het verbrandingsproces meedoet maar
via aparte oliekanalen wordt rondgepompt verbruikt een viertakt geen olie. Een
viertakt is minder explosief dan een tweetakt waardoor de techniek minder te
lijden heeft.
Nadelen
Een viertakt beschikt over minder effectief vermogen dan een tweetakt omdat er
meer takten nodig zijn voordat er weer een ontploffing volgt. Daarom heeft een
viertakt meer cylinderinhoud nodig dan een tweetakt om hetzelfde aantal pk's te
bereiken. Een viertakt is technisch gecompliceerder en daardoor gevoeliger voor
storingen.
Voorbeelden
De meeste moderne motorblokken werken volgens het viertaktprincipe. Daarnaast
zijn benzinemotoren in auto's uitsluitend nog voorzien van viertaktblokken.
Rendement
Rond 1850 bedacht een slimme Fransman Sadi Carnot wat het maximum haalbare rendement is van een motor die op warmte werkt. Zijn formule is ongeveer als volgt: (temperatuur van de hete zijde - temperatuur van de koude zijde)/temperatuur van de hete zijde x 100 is gelijk aan het maximaal haalbare rendement. Natuurlijk moet de temperatuur in deze formule worden uitgedrukt in Kelvin.
De kenmerkende verschillen tussen een benzine en dieselmotor.
Benzine motor |
Diesel motor |
Buiten
de verbrandingskamer wordt het brandbare mengsel in een carburator gevormd.
Ook kan benzine in het uitlaatspuitstuk gespoten worden, waar dan het
brandbare mengsel wordt gevormd. Het brandstof-luchtmengsel komt tijdens de
inlaatperiode in de cilinder, waar het gecomprimeerd wordt. Compressie-einddruk ± 10 tot 12 bar. Compressie-eindtemperatuur ± 400 °C. |
De
brandstof wordt in de verbrandingskamer gespoten. Tijdens de inlaatslag
zuigt de motor alleen lucht aan. Aan het eind van de compressieslag wordt
een aangepaste hoeveelheid brandstof onder hoge druk (van 80 tot 180 bar)
door de verstuiver in de hete samengeperste lucht gespoten. Compressie-einddruk 25 tot 50 bar. Compressie-eindtemperatuur 500 tot 700°C |
Waarom moet diesel voorverwarmd worden? |
Om de zelfontbrandingstemperatuur (300-375°C) van de mazout te bereiken. Een diesel is een zelfontbrander; heeft dus geen bougie om de verbranding in te leiden. |
Los volgende vragen op:
Wat is de functie van de carburator?
Hoe gebeurt de ontsteking in een motor steeds op het juiste ogenblik?
Waarom werkt een gekoelde motor beter?
Waarom rijd je sneller als de uitlaat van een motor verwijderd wordt?
Vragen?
Commentaar? Ik ben bereikbaar in het labo op Di,Wo,Do,Vr.
|