Begrijpen wat er in de verbrandingskamer gebeurt en wat er uit de uitlaatklep komt, is van cruciaal belang voor het oplossen van emissies of rijeigenschappen problemen. En het diagnosticeren van ontstekingen en emissieproblemen wordt steeds moeilijker voor moderne motoren. U moet begrijpen wat er is gebeurd en wat er zal gebeuren op het moment dat de bougie de brandstof ontsteekt. Je moet ook weten wat de ingenieurs dachten toen ze probeerden de perfecte verbrandingsgebeurtenis te creëren.
De verbrandingsmotor zal nooit perfect zijn, maar we komen heel dichtbij. In de afgelopen 25 jaar zijn motoren niet alleen vooruitgegaan op het gebied van uitstoot, maar ook op het gebied van vermogen. Motoren die minder dan tien jaar geleden zijn gemaakt, zouden zijn vernietigd door de magere verbrandingsgebeurtenissen die we vandaag zien. Dit werd mogelijk gemaakt door de brandstofinjectorpoort in de cilinder te verplaatsen en de verbrandingsgebeurtenis te perfectioneren.
Sommige atmosferische motoren voor 2016 hebben een compressieverhouding van 12:1. In 1964 had de 426 Chrysler HEMI slechts een compressieverhouding van 10,25:1. Een motorbouwer uit de jaren 60 kon een HEMI bouwen met een motor met een compressieverhouding van 12:1, maar daarvoor was "racegas" nodig, en er was altijd de mogelijkheid dat een storing in de carburateur, de kleppentrein of het ontstekingssysteem de motor in een oogwenk kon vernietigen als het te arm liep en een detonatieprobleem had. In een moderne motor kan 12:1 worden bereikt met pompgas en gegoten zuigers, en dat alles met zeer lage emissies en een emissiegarantie van 80.000 mijl.
Wat is er veranderd? Dankzij hogesnelheidscamera's en computermodellen weten ingenieurs meer dan ooit over wat er in de verbrandingskamer gebeurt. Ook is de rekensnelheid van microprocessors een stuk sneller dan 15 jaar geleden. De module kan sneller wijzigingen aanbrengen in de vonk en brandstof en tegelijkertijd meer sensorinvoer verwerken dan ooit tevoren. Dit heeft gezorgd voor een bijna perfecte verbrandingsgebeurtenis.
Het perfecte voertuig met interne verbrandingsmotor zou in staat zijn om de exacte hoeveelheid brandstof en lucht in de verbrandingskamer te brengen. De vonkkern zou zijn hoogtepunt bereiken als het mengsel goed werd geroerd en de zuiger in de juiste positie stond. Het vlamfront zou zich gelijkmatig verspreiden en zou geen turbulentie hoeven te bestrijden.
Als de perfecte verbrandingsgebeurtenis zou plaatsvinden, zou je niets meer krijgen dan water en koolstofdioxide als bijproduct. Er zou geen onverbrande brandstof of zuurstof zijn. Het zou ook optreden bij de juiste temperatuur, zodat oxiden ("hyperactieve" zuurstof ingeschakeld door hogere temperaturen) niet zouden combineren met stikstof en koolstof om stikstofoxiden (NOx) en koolmonoxide (CO) te vormen. Deze perfecte auto zou geen emissiecontroleapparaat nodig hebben.
Omdat we er nog niet zijn, hebben we uitlaatgasrecirculatiesystemen (EGR), secundaire luchtinjectie en katalysatoren.
In theorie zijn bougies in 100 jaar niet veranderd. In de praktijk zijn ze een van de meest geëvolueerde componenten in een motor. Met de moderne motoren van vandaag is het gebied waar de vonk wordt gecreëerd een veel kleiner en fijner deel van de elektrode, terwijl de openingen in de bougies vrijwel hetzelfde zijn.
Maar de grootste verandering is de plaatsing en diameter van de moderne bougie, aangezien motoren kleiner zijn geworden, maar twee keer zo complex zijn als 25 jaar geleden.
Iedereen klaagt over de bougies in de Ford 5.4 Triton V8 omdat ze moeilijk te verwijderen zijn, maar toch vragen maar weinig mensen waarom ze daar in de eerste plaats zijn geplaatst. De bougies op de Triton zijn lang en smal, dus de elektroden zijn perfect geplaatst in de buurt van de uitlaat- en inlaatkleppen en ze zijn zo gepositioneerd dat ze uit de buurt blijven van de nokkenassen, kleppen en inlaatpoorten. Ford gebruikte een plug van 12 mm met een vingerhoed met een elektrodeband. De plaatsing werd bepaald met computermodellering om ervoor te zorgen dat het vlamfront zich gelijkmatig over de verbrandingskamer verspreidde en alle brandstof verbrandde. Dit betekent dat de katalysator niet te maken krijgt met de onverbrande koolwaterstoffen.
EGR-systemen brengen een kleine hoeveelheid inert gas in de verbrandingskamer om de temperaturen te regelen. Aangezien uitlaatgassen normaal gesproken niet verbranden, verlaagt dit de verbrandingstemperatuur en vermindert de NOx-emissie van de motor.
Wanneer dingen in de verbrandingskamer opwarmen tot temperaturen rond de 1.300°C of 2.500°F, beginnen zuurstof en stikstof met elkaar te combineren en vormen NOx en CO.
Door uitlaatgassen in de verbrandingskamer te brengen, wordt het lucht/brandstofmengsel verwaterd door de inerte uitlaatgassen. Dit vertraagt het verbrandingsproces en verlaagt de verbrandingstemperatuur tot niveaus waar geen NOx wordt gevormd.
Nieuwere voertuigen met variabele kleptiming op zowel uitlaat- als inlaatnokkenassen kunnen de timing aanpassen zodat een kleine hoeveelheid uitlaatgas tijdens de inlaatslag via de uitlaatkleppen terug in de kamer wordt gezogen. Dit wordt gedaan door de timing en lift van de nokkenas te bedienen. Door de jaren heen zijn voertuigen in staat geweest om nokkenassen sneller vooruit te laten gaan en te vertragen, en de actuatoren hebben een grotere rotatiegraad.
Het probleem met de perfecte verbrandingsgebeurtenis is dat het moet plaatsvinden over een breed scala van motor- en luchttemperaturen. De moderne motor heeft nog steeds moeite om te starten en de emissies onder controle te houden bij koude starts.
Secundaire luchtinjectiesystemen pompen buitenlucht in de uitlaatstroom zodat onverbrande brandstof kan worden verbrand. Vroege systemen hadden een riemaangedreven luchtpomp. Nieuwere aangezogen systemen gebruiken het vacuüm dat wordt gecreëerd door een uitlaatpuls om lucht in de pijp te trekken. De nieuwste systemen gebruiken een elektromotor om lucht te pompen. Deze systemen zijn cruciaal voor de levensduur van de katalysator.
Onder ideale omstandigheden kan een driewegkatalysator ergens tussen 50% en 95% van de NOx-emissies en 99,9% van de onverbrande brandstof verminderen. Het is de laatste stop voor verontreinigende stoffen, en als de stroomopwaartse sensoren van het emissiesysteem worden aangetast, kan het slechts zoveel compenseren voordat de uitlaatemissies toenemen.
Om een goede diagnose te stellen van een voertuig met een hoge uitstoot, moet je soms denken als een ingenieur. Moderne motoren zijn in staat om te werken op het rafelige randje tussen ontploffing en ultieme brandstofefficiëntie, omdat ze in staat zijn te voelen, te controleren en zich aan te passen.
Het detectiegedeelte betekent dat er meer sensoren op het voertuig zijn, zoals stroomopwaartse en stroomafwaartse zuurstofsensoren. Deze sensoren zijn gevoeliger en kunnen veel meer resolutie tonen. De modules die de informatie verwerken, kunnen de informatie ook snel gebruiken om brandstofafwerkingen, vonkcurven en kleptiming in kaart te brengen.
Het regelen van de verbrandingsgebeurtenis is eenvoudiger geworden met variabele kleptiming, elektronische ontsteking en directe injectie. Deze technologieën zorgen ervoor dat het juiste lucht/brandstofmengsel zich in de verbrandingskamer bevindt en op het optimale moment wordt ontstoken om de meest efficiënte en krachtige verbrandingsgebeurtenis te bereiken.
Moderne motoren kunnen zich ook beter aanpassen aan omstandigheden zoals veranderingen in brandstofkwaliteit, omgevingstemperatuur en de eisen van de bestuurder door de verbrandingsgebeurtenis bijna in realtime te detecteren en te regelen.
