Heb je ooit de motorkap van je auto geopend en je afgevraagd wat daarbinnen gebeurde? Een automotor kan voor niet-ingewijden eruitzien als een grote verwarrende warboel van metaal, buizen en draden.
Misschien wil je gewoon uit nieuwsgierigheid weten wat er aan de hand is. Of misschien koopt u een nieuwe auto en hoort u dingen als "2,5-liter incline four" en "turbocharged" en "start/stop-technologie". Wat betekent dat allemaal?
In dit artikel bespreken we het basisidee achter een engine en gaan we vervolgens in detail in op hoe alle onderdelen in elkaar passen, wat er mis kan gaan en hoe je de prestaties kunt verbeteren.
Het doel van een benzinemotor van een auto is om benzine in beweging om te zetten, zodat uw auto kan bewegen. Momenteel is de gemakkelijkste manier om beweging uit benzine te creëren, door de benzine in een motor te verbranden. Daarom is een automotor een verbrandingsmotor — verbranding vindt intern plaats.
Twee dingen om op te merken:
Laten we het interne verbrandingsproces in meer detail bekijken in de volgende sectie.
Inhoud
Het principe achter elke zuigermotor met inwendige verbranding:als je een kleine hoeveelheid brandstof met een hoge energiedichtheid (zoals benzine) in een kleine, afgesloten ruimte doet en deze ontsteekt, komt er een ongelooflijke hoeveelheid energie vrij in de vorm van uitzettend gas.
Die energie kun je voor interessante doeleinden gebruiken. Als je bijvoorbeeld een cyclus kunt maken waarmee je honderden keren per minuut zulke explosies kunt veroorzaken, en als je die energie op een nuttige manier kunt benutten, dan heb je de kern van een automotor.
Bijna elke auto met een benzinemotor gebruikt een viertaktverbrandingscyclus benzine in beweging te zetten. De viertaktbenadering staat ook bekend als de Otto-cyclus , ter ere van Nikolaus Otto, die het in 1867 uitvond. De vier slagen worden geïllustreerd in de animatie . Dit zijn:
De zuiger is verbonden met de krukas door een drijfstang . Terwijl de krukas draait, heeft dit het effect van "het kanon resetten". Dit is wat er gebeurt als de motor zijn cyclus doorloopt:
Nu is de motor klaar voor de volgende cyclus, dus hij neemt nog een lading lucht en gas op.
In een motor wordt de lineaire beweging van de zuigers door de krukas omgezet in een roterende beweging. De roterende beweging is leuk omdat we toch van plan zijn om de wielen van de auto ermee te draaien (roteren).
Laten we nu eens kijken naar alle onderdelen die samenwerken om dit mogelijk te maken, te beginnen met de cilinders.
De kern van de motor is de cilinder, waarbij de zuiger in de cilinder op en neer beweegt. Eencilindermotoren zijn typerend voor de meeste grasmaaiers, maar meestal hebben auto's meer dan één cilinder (vier, zes en acht cilinders zijn gebruikelijk). In een motor met meerdere cilinders zijn de cilinders gewoonlijk op een van de volgende drie manieren gerangschikt:inline , V of plat (ook bekend als horizontaal tegengesteld of boxer), zoals weergegeven in de afbeeldingen aan de linkerkant.
Dus die inline vier die we aan het begin noemden, is een motor met vier cilinders in een lijn. Verschillende configuraties hebben verschillende voor- en nadelen in termen van gladheid, fabricagekosten en vormkenmerken. Deze voor- en nadelen maken ze geschikter voor bepaalde voertuigen.
Laten we enkele belangrijke motoronderdelen in meer detail bekijken.
De bougie levert de vonk die het lucht/brandstofmengsel ontsteekt zodat verbranding kan plaatsvinden. De vonk moet op het juiste moment komen om de zaken goed te laten werken.
De inlaat- en uitlaatkleppen gaan op het juiste moment open om lucht en brandstof binnen te laten en uitlaatgassen eruit te laten. Merk op dat beide kleppen gesloten zijn tijdens compressie en verbranding, zodat de verbrandingskamer afgesloten is.
Een zuiger is een cilindrisch stuk metaal dat op en neer beweegt in de cilinder.
Zuigerveren zorgen voor een glijdende afdichting tussen de buitenrand van de zuiger en de binnenrand van de cilinder. De ringen hebben twee doelen:
De meeste auto's die "olie verbranden" en elke 1.000 mijl een liter moeten krijgen, verbranden het omdat de motor oud is en de ringen de dingen niet langer goed afsluiten. Veel moderne voertuigen gebruiken meer geavanceerde materialen voor zuigerveren. Dat is een van de redenen waarom motoren langer meegaan en langer mee kunnen gaan tussen olieverversingen.
De drijfstang verbindt de zuiger met de krukas. Het kan aan beide uiteinden draaien, zodat de hoek kan veranderen als de zuiger beweegt en de krukas draait.
De krukas verandert de op en neergaande beweging van de zuiger in een cirkelvormige beweging, net zoals een kruk op een jack-in-the-box doet.
Het carter omringt de krukas. Het bevat een hoeveelheid olie, die zich op de bodem van het carter (de oliecarter) verzamelt.
Vervolgens leren we wat er mis kan gaan met motoren.
Dus je gaat op een ochtend naar buiten en je motor draait rond, maar hij start niet. Wat kan er mis zijn? Nu je weet hoe een motor werkt, kun je de basiszaken begrijpen die ervoor kunnen zorgen dat een motor niet draait.
Er kunnen drie fundamentele dingen gebeuren:een slechte brandstofmix, gebrek aan compressie of gebrek aan vonk. Verder kunnen duizenden kleine dingen problemen veroorzaken, maar dit zijn de 'grote drie'. Op basis van de eenvoudige engine die we hebben besproken, volgt hier een kort overzicht van hoe deze problemen uw engine beïnvloeden:
Een slechte brandstofmix kan op verschillende manieren voorkomen:
Gebrek aan compressie: Als de lading van lucht en brandstof niet goed kan worden gecomprimeerd, zal het verbrandingsproces niet werken zoals het zou moeten. Gebrek aan compressie kan om de volgende redenen optreden:
Het meest voorkomende "gat" in een cilinder doet zich voor waar de bovenkant van de cilinder (die de kleppen en de bougie vasthoudt en ook bekend als de cilinderkop) ) hecht aan de cilinder zelf. Over het algemeen zijn de cilinder en de cilinderkopbout samen met een dunne pakking tussen hen gedrukt om een goede afdichting te verzekeren. Als de pakking kapot gaat, ontstaan er kleine gaatjes tussen de cilinder en de cilinderkop, die lekkage veroorzaken.
Gebrek aan vonk: De vonk kan om verschillende redenen niet bestaan of zwak zijn:
Er kunnen nog veel meer dingen mis gaan. Bijvoorbeeld:
In een goed lopende motor werken al deze factoren prima. Perfectie is niet vereist om een motor te laten draaien, maar je zult het waarschijnlijk merken als dingen niet perfect zijn.
Zoals u kunt zien, heeft een motor een aantal systemen die hem helpen zijn werk te doen door brandstof in beweging om te zetten. We zullen in de volgende paragrafen kijken naar de verschillende subsystemen die in motoren worden gebruikt.
De meeste motorsubsystemen kunnen worden geïmplementeerd met behulp van verschillende technologieën, en betere technologieën kunnen de prestaties van de motor verbeteren. Laten we eens kijken naar alle verschillende subsystemen die in moderne motoren worden gebruikt, te beginnen met de kleppentrein.
De kleppentrein bestaat uit de kleppen en een mechanisme dat ze opent en sluit. Het openings- en sluitsysteem wordt een nokkenas genoemd . De nokkenas heeft lobben die de kleppen op en neer bewegen, zoals weergegeven in Figuur 5 .
De meeste moderne motoren hebben zogenaamde bovenliggende nokken . Dit betekent dat de nokkenas zich boven de kleppen bevindt, zoals weergegeven in figuur 5. De nokken op de as activeren de kleppen direct of via een zeer korte verbinding. Oudere motoren gebruikten een nokkenas die zich in het carter bij de krukas bevond.
Een distributieriem of distributieketting verbindt de krukas met de nokkenas zodat de kleppen synchroon lopen met de zuigers. De nokkenas is ingesteld om met de helft van de snelheid van de krukas te draaien. Veel krachtige motoren hebben vier kleppen per cilinder (twee voor inlaat, twee voor uitlaat), en deze opstelling vereist twee nokkenassen per cilinderbank, vandaar de uitdrukking "dubbele bovenliggende nokkenassen".
Het ontstekingssysteem (Figuur 6) produceert een elektrische hoogspanningslading en geeft deze via ontstekingsdraden door aan de bougies . De kosten gaan eerst naar een distributeur , die u gemakkelijk onder de motorkap van de meeste auto's kunt vinden. De verdeler heeft één draad in het midden en vier, zes of acht draden (afhankelijk van het aantal cilinders) die eruit komen. Deze ontstekingsdraden stuur de lading naar elke bougie. De motor is zo getimed dat slechts één cilinder tegelijk een vonk van de verdeler ontvangt. Deze aanpak zorgt voor maximale soepelheid.
In het volgende gedeelte bekijken we hoe de motor van uw auto start, koelt en lucht circuleert.
Het koelsysteem in de meeste auto's bestaat uit de radiateur en de waterpomp. Water circuleert door doorgangen rond de cilinders en stroomt vervolgens door de radiator om het af te koelen. In een paar auto's (met name Volkswagen-kevers van vóór 1999), evenals de meeste motorfietsen en grasmaaiers, is de motor in plaats daarvan luchtgekoeld (je kunt een luchtgekoelde motor zien aan de vinnen die de buitenkant van elke cilinder sieren om te helpen warmte afvoeren.). Luchtkoeling maakt de motor lichter maar heter, wat over het algemeen de levensduur van de motor en de algehele prestaties verkort.
Nu weet u dus hoe en waarom uw motor koel blijft. Maar waarom is luchtcirculatie zo belangrijk? De meeste auto's hebben normale aanzuiging , wat betekent dat de lucht door een luchtfilter rechtstreeks in de cilinders stroomt. Krachtige en moderne zuinige motoren zijn ofwel turbocharged of opgeladen , wat betekent dat de lucht die in de motor komt eerst onder druk wordt gezet (zodat er meer lucht/brandstofmengsel in elke cilinder kan worden geperst) om de prestaties te verbeteren. De hoeveelheid drukverhoging wordt boost . genoemd . Een turbocompressor gebruikt een kleine turbine die aan de uitlaatpijp is bevestigd om een compressieturbine in de inkomende luchtstroom te laten draaien. Een supercharger is direct aan de motor bevestigd om de compressor te laten draaien.
Omdat de turbocompressor hete uitlaatgassen hergebruikt om de turbine te laten draaien en de lucht te comprimeren, verhoogt het het vermogen van kleinere motoren. Dus een viercilinder die brandstof verbruikt, kan het vermogen leveren dat je zou verwachten van een zescilindermotor, terwijl het brandstofverbruik 10 tot 30 procent lager is.
De prestaties van uw motor verhogen is geweldig, maar wat gebeurt er precies als u de sleutel omdraait om hem te starten? Het startsysteem bestaat uit een elektrische startmotor en een startmagneet . Als je de contactsleutel omdraait, draait de startmotor de motor een paar omwentelingen zodat het verbrandingsproces kan beginnen. Er is een krachtige motor nodig om een koude motor te laten draaien. De startmotor moet overwinnen:
Omdat er zoveel energie nodig is en omdat een auto een elektrisch systeem van 12 volt gebruikt, moeten er honderden ampère stroom in de startmotor stromen. De startersolenoïde is in wezen een grote elektronische schakelaar die zoveel stroom aankan. Wanneer u de contactsleutel omdraait, wordt de solenoïde geactiveerd om de motor van stroom te voorzien.
Vervolgens kijken we naar de motorsubsystemen die in stand houden wat er in gaat (olie en brandstof) en wat eruit komt (uitlaat en emissies).
Als het gaat om het dagelijkse auto-onderhoud, is uw eerste zorg waarschijnlijk de hoeveelheid gas in uw auto. Hoe drijft het gas dat je erin stopt de cilinders aan? Het brandstofsysteem . van de motor pompt gas uit de gastank en mengt dit met lucht zodat het juiste lucht/brandstofmengsel in de cilinders kan stromen. Brandstof wordt in moderne voertuigen op twee gebruikelijke manieren geleverd:brandstofinjectie in de haven en directe brandstofinjectie.
In een motor met brandstofinjectie wordt de juiste hoeveelheid brandstof afzonderlijk in elke cilinder geïnjecteerd, ofwel direct boven de inlaatklep (brandstofinjectie aan de poort) of rechtstreeks in de cilinder (directe brandstofinjectie). Oudere voertuigen waren voorzien van carburateurs, waarbij gas en lucht werden gemengd door een carburateur terwijl de lucht in de motor stroomde.
Ook olie speelt een belangrijke rol. De smering systeem zorgt ervoor dat elk bewegend onderdeel in de motor olie krijgt, zodat het gemakkelijk kan bewegen. De twee belangrijkste onderdelen die olie nodig hebben, zijn de zuigers (zodat ze gemakkelijk in hun cilinders kunnen schuiven) en eventuele lagers waarmee zaken als de krukas en nokkenassen vrij kunnen draaien. Bij de meeste auto's wordt olie door de oliepomp uit het carter gezogen, door het oliefilter geleid om eventueel gruis te verwijderen en vervolgens onder hoge druk op lagers en cilinderwanden gespoten. De olie druppelt dan naar beneden in het carter, waar het weer wordt opgevangen en de cyclus herhaalt.
Nu je weet over een aantal dingen die je in hebt gestopt uw auto, laten we eens kijken naar de dingen die eruit komen. Het uitlaatsysteem inclusief de uitlaatpijp en de uitlaat. Zonder geluiddemper zou je het geluid horen van duizenden kleine explosies die uit je uitlaat komen. Een geluiddemper dempt het geluid.
Het emissiecontrolesysteem in moderne auto's bestaat uit een katalysator , een verzameling sensoren en actuatoren, en een computer om alles te monitoren en bij te sturen. De katalysator gebruikt bijvoorbeeld een katalysator en zuurstof om ongebruikte brandstof en bepaalde andere chemicaliën in de uitlaat te verbranden. Een zuurstofsensor in de uitlaatstroom zorgt ervoor dat er voldoende zuurstof beschikbaar is om de katalysator te laten werken en stelt zo nodig bij.
Wat drijft uw auto nog meer aan, behalve gas? Het elektrische systeem bestaat uit een accu en een alternator . De dynamo is via een riem met de motor verbonden en wekt elektriciteit op om de batterij op te laden. De batterij stelt via de bedrading van het voertuig 12 volt beschikbaar voor alles in de auto dat elektriciteit nodig heeft (het ontstekingssysteem, radio, koplampen, ruitenwissers, elektrische ramen en stoelen, computers, enz.).
Nu u alles weet over de belangrijkste subsystemen van de motor, gaan we kijken naar manieren waarop u de motorprestaties kunt verbeteren.
Met behulp van al deze informatie kun je beginnen te zien dat er veel verschillende manieren zijn om een motor beter te laten presteren. Autofabrikanten spelen voortdurend met alle volgende variabelen om een motor krachtiger en/of zuiniger te maken.
Verplaatsing vergroten: Meer cilinderinhoud betekent meer vermogen omdat u meer gas kunt verbranden bij elke omwenteling van de motor. U kunt de cilinderinhoud vergroten door de cilinders groter te maken of door meer cilinders toe te voegen. Twaalf cilinders lijkt de praktische limiet.
Verhoog de compressieverhouding: Hogere compressieverhoudingen produceren tot op zekere hoogte meer vermogen. Hoe meer u het lucht/brandstofmengsel comprimeert, hoe groter de kans echter is dat het spontaan in brand vliegt (voordat de bougie hem ontsteekt). Benzine met een hoger octaangetal voorkomt dit soort vroege verbranding. Dat is de reden waarom high-performance auto's over het algemeen benzine met een hoog octaangehalte nodig hebben - hun motoren gebruiken hogere compressieverhoudingen om meer vermogen te krijgen.
Vul meer in elke cilinder: Als je meer lucht (en dus brandstof) in een cilinder van een bepaalde grootte kunt proppen, kun je meer vermogen uit de cilinder halen (op dezelfde manier als door de cilinder groter te maken) zonder de brandstof die nodig is voor de verbranding te verhogen . Turbochargers en superchargers brengen de binnenkomende lucht onder druk om effectief meer lucht in een cilinder te proppen.
Koel de binnenkomende lucht: Door lucht samen te persen, stijgt de temperatuur. U wilt echter de koelst mogelijke lucht in de cilinder hebben, want hoe heter de lucht is, hoe minder deze uitzet bij de verbranding. Daarom hebben veel auto's met turbocompressor en supercharger een intercooler . Een intercooler is een speciale radiator waar de perslucht doorheen gaat om deze af te koelen voordat deze de cilinder ingaat.
Laat gemakkelijker lucht binnenkomen: Als een zuiger tijdens de inlaatslag naar beneden beweegt, kan luchtweerstand het vermogen van de motor beroven. De luchtweerstand kan drastisch worden verminderd door twee inlaatkleppen in elke cilinder te plaatsen. Sommige nieuwere auto's gebruiken ook gepolijste inlaatspruitstukken om de luchtweerstand daar te elimineren. Grotere luchtfilters kunnen ook de luchtstroom verbeteren.
Laat de uitlaat er gemakkelijker uit: Als luchtweerstand het moeilijk maakt voor uitlaatgassen om een cilinder te verlaten, berooft dit de motor van vermogen. De luchtweerstand kan worden verminderd door een tweede uitlaatklep aan elke cilinder toe te voegen. Een auto met twee inlaat- en twee uitlaatkleppen heeft vier kleppen per cilinder, wat de prestaties verbetert. Als je een autoadvertentie hoort vertellen dat de auto vier cilinders en 16 kleppen heeft, zegt de advertentie dat de motor vier kleppen per cilinder heeft.
Als de uitlaatpijp te klein is of de geluiddemper veel luchtweerstand heeft, kan dit tegendruk veroorzaken met hetzelfde effect. Hoogwaardige uitlaatsystemen maken gebruik van headers, grote uitlaatpijpen en vrij stromende dempers om tegendruk in het uitlaatsysteem te elimineren. Als je hoort dat een auto "dubbele uitlaat" heeft, is het doel om de uitlaatstroom te verbeteren door twee uitlaatpijpen te hebben in plaats van één.
Maak alles lichter: Lichtgewicht onderdelen helpen de motor beter te presteren. Elke keer dat een zuiger van richting verandert, verbruikt hij energie om de beweging in de ene richting te stoppen en in een andere te starten. Hoe lichter de zuiger, hoe minder energie het kost. Dit resulteert in een lager brandstofverbruik en betere prestaties.
Injecteer de brandstof: Brandstofinjectie maakt een zeer nauwkeurige dosering van brandstof aan elke cilinder mogelijk. Dit verbetert de prestaties en het brandstofverbruik.
In de volgende secties zullen we enkele veelvoorkomende motorgerelateerde vragen beantwoorden die door lezers zijn ingediend.
Hier is een reeks motorgerelateerde vragen van lezers en hun antwoorden:
Het aantal cilinders dat een motor bevat is een belangrijke factor in de algehele prestatie van de motor. Elke cilinder bevat een zuiger die erin pompt en die zuigers verbinden met en draaien de krukas. Hoe meer zuigers er pompen, hoe meer verbrandingsgebeurtenissen er op een bepaald moment plaatsvinden. Dat betekent dat er meer stroom kan worden opgewekt in minder tijd.
Viercilindermotoren komen gewoonlijk in "straight" of "inline" configuraties, terwijl 6-cilindermotoren meestal zijn geconfigureerd in de meer compacte "V"-vorm, en dus worden aangeduid als V6-motoren. V6-motoren waren de favoriete motor van Amerikaanse autofabrikanten omdat ze krachtig en stil zijn, maar turbotechnologieën hebben viercilindermotoren krachtiger en aantrekkelijker gemaakt voor kopers.
Historisch gezien haalden Amerikaanse autoconsumenten hun neus op voor viercilindermotoren, in de overtuiging dat ze traag, zwak, ongebalanceerd en kort op acceleratie waren. Toen Japanse autofabrikanten, zoals Honda en Toyota, in de jaren '80 en '90 echter begonnen met het installeren van zeer efficiënte viercilindermotoren in hun auto's, ontdekten Amerikanen een nieuwe waardering voor de compacte motor. Japanse modellen, zoals de Toyota Camry, begonnen al snel beter te verkopen dan vergelijkbare Amerikaanse modellen
Moderne viercilindermotoren gebruiken lichtere materialen en turbotechnologie, zoals de EcoBoost-motor van Ford, om de prestaties van de V-6 te halen uit efficiëntere viercilindermotoren. Geavanceerde aerodynamica en technologieën, zoals die worden gebruikt door Mazda in zijn SKYACTIV-ontwerpen, leggen minder druk op deze kleinere turbomotoren, waardoor hun efficiëntie en prestaties nog verder toenemen.
Wat betreft de toekomst van de V6:de afgelopen jaren is het verschil tussen viercilinder- en V6-motoren aanzienlijk kleiner geworden. Maar V-6-motoren hebben nog steeds hun nut, en niet alleen in prestatieauto's. Vrachtwagens die worden gebruikt om aanhangers te trekken of ladingen te vervoeren, hebben de kracht van een V-6 nodig om die klus te klaren. Vermogen is in die gevallen belangrijker dan efficiëntie.
Oorspronkelijk gepubliceerd:5 april 2000
