Hier volgt een stuk informatie welke ik voor mij HBO opleiding Werktuigbouw geschreven heb. De opdracht was:

Omschrijf de uitvoering en de specificaties van de krachtbron (motor). Laat dmv schetsen en schema’s duidelijk de werking zien. Geef specifiek aandacht aan de menging van brandstof en lucht, de toevoer ,en de ontsteking hiervan. Geef ook duidelijk aan hoe koeling plaats vind en maak een schema van het evt. koelcircuit. Verklaar (bijvoorbeeld aan de hand van veranderingen in toestandsdiagrammen) hoe het mogelijk gemaakt wordt dat de motor ook in deellast kan werken.

Het werd uiteindelijk beoordeeld met een 8.

Dit stuk is gepubliceerd met toestemming van Delta Press educatieve en technische uitgaven BV.
Kijk voor meer informatie en eductieve boeken over oa. dit onderwerp op hun website www.deltapress.nl.

Inhoudsopgave

1.0 Inleiding

2.0 Het werkingsprincipe (theorie)
2.1 Opwekken van kracht, arbeid en vermogen
2.2 Omzetting van energie

3.0 Het werkingsprincipe (praktijk)
3.1 DOHC
3.2 Het vierslagproces bij de Ottomotor

4.0 Ontsteking
4.1 L-Jetronic
4.2 Bougies

5.0 Het koelsysteem (theorie)
5.1 Taak en noodzaak van de koeling
5.2 Warmtetransport en warmteafvoer

6.0 Het koelsysteem (praktijk)

7.0 Kringprocessen (theorie)
7.1 Toestandsveranderingen van gassen
7.1.1 Isotherme toestandsverandering
7.1.2 Adiabatische toestandsverandering
7.1.3 Isobare toestandsverandering
7.1.4 Isochore toestandsverandering
7.1.5 Polytropische toestandsverandering
7.2 Theoretische processen
7.3 Gelijkvolumeproces of Ottoproces

8.0 Kringprocessen (praktijk)
8.1 Vollast
8.2 Deellast
8.3 Nullast
8.4 Deceleratie

9.0 Bronvermelding

1 Inleiding

De motoren welke in auto’s worden toegepast zijn vaak verbrandingsmotoren, welke dus ook bij de CRX van toepassing is. Deze verbrandingsmotoren zijn motoren waarbij de mengselvorming en de verbranding in de motor zelf plaats vinden. De Honda motor is dus een zogenaamde Ottomotor, genoemd naar de uitvinder, de Duitser Nikolaus August Otto; hij leefde van 1832 tot 1891. De Ottomotor gebruikt meestal benzine of gas als brandstof. In het geval van de Honda motor is dit benzine.

Figuur 1 Een Honda CRX D16Z5 motor.

2 Het werkingsprincipe (theorie)

Figuur 2 Door de kracht F wordt de zuiger omlaag gedrukt.

2.1 Opwekken van kracht, arbeid en vermogen

In Figuur 2 is een zuiger in een cilinder getekend. Boven de zuiger wordt een mengsel van lucht en brandstof verbrand. Door de verbranding stijgt de temperatuur boven de zuiger, en daarmee de druk welke op de zuiger wordt uitgeoefend. Als de druk vermenigvuldigd wordt met de oppervlakte van het bovenvlak van de zuiger, dan hebben we een kracht waarmee de zuiger omlaag gedrukt wordt.

Als een kracht verplaatsing tot gevolg heeft dan is er sprake van ARBEID. Als ten gevolge van de kracht (Th de zuiger zich over een afstand (S) verplaatst, dan is de verrichte arbeid:

Arbeid = Kracht x Afstand, of: W = F . S
(Arbeid in Nm, kracht in N, afstand in m)

Als deze arbeid een bepaald aantal keren per seconde (n) wordt verricht, dan kunnen we ook het vermogen berekenen, want: vermogen is gelijk aan de verrichte arbeid per seconde.

Het verrichte vermogen is dan:

Vermogen = Arbeid x Aantal keren, of: P = W . n
(vermogen in W, arbeid in Nm, aantal keren in Hz)

Bij een verbrandingsmotor gebeurt datgene wat hiervoor is beschreven. Door het verbranden van een mengsel van lucht en brandstof wordt op een zuiger een kracht uitgeoefend; tijdens de arbeidsslag verplaatst de zuiger zich over een afstand, de slag van de motor. Als de motor loopt dan wordt dit een bepaald aantal keren per seconde gedaan; het gevolg is dat de motor vermogen levert.
Er zijn ook motoren waar de verbranding van de brandstof extern geschiedt; een voorbeeld hiervan is de stoommachine. Interne verbranding leidt tot minder warmteverlies en is dus meer efficiënt.

2.2 Omzetting van energie

Energie is hetzelfde als arbeid.
Als een motor loopt, dan wordt een mengsel van lucht en brandstof verbrand; deze verbranding is een scheikundige reactie. We kunnen ook zeggen dat er scheikundige of chemische energie wordt opgewekt. Deze scheikundige of chemische energie wordt omgezet in thermische energie: warmte, deze energie wordt vervolgens omgezet in mechanische energie: beweging.

Figuur 3 Blokschema van de omzetting van energie in een verbrandingsmotor.

In Figuur 3 is aangegeven welke energieomzettingen er in de motor voorkomen. De in de brandstof aanwezige chemische energie wordt tijdens de verbranding omgezet in thermische energie. Vervolgens wordt de thermische energie via de druk op de zuiger omgezet in mechanische energie. Als laatste kan de mechanische energie nog omgezet worden in elektrische energie; dit gebeurt als de dynamo via de V-riem aangedreven wordt door de motor.

3 Het werkingsprincipe (praktijk)

Figuur 4 Het DOHC Systeem.

3.1 DOHC

De motor uit de Honda CRX heeft 16 kleppen. Hij heeft 4 cilinders dus dat wil zeggen dat er 4 kleppen per cilinder aanwezig zijn. 2 hiervan zijn er voor de inlaat en de andere twee zijn uiteraard voor de uitlaat. Vier kleppen per cilinder in plaats van twee geeft een betere (snellere) vulling van de cilinder met het brandstof-lucht mengsel, en een betere (snellere) afvoer van de verbrandingsgassen. En dat heeft dus als gevolg dat hij meer vermogen levert.

De kleppen worden bediend door de zogenaamde DOHC (zie Figuur 4). DOHC staat voor Double OverHead Camchafts, in het Nederlands betekend dat dubbel bovenliggende nokkenassen. Dit systeem heeft als voordeel dat er meer kleppen toegepast kunnen worden.

Figuur 5 Afbeelding van een standaard nokkenas, de cirkels tonen hoelang de kleppen open blijven.
Rood is van de uitlaat en blauw van de inlaat.

Figuur 6 Een simpele weergave van een enkele bovenliggende nokkenas (SOHC).

3.2 Het vierslagproces bij de Ottomotor

Omdat een compleet arbeidsproces zich afspeelt in vier slagen van de zuiger, wordt dit een vierslagmotor genoemd. De vier slagen zijn:

De inlaatslag
De compressieslag
De arbeidsslag
De uitlaatslag

Hieronder volgt een beschrijving van hoe deze slagen tot stand komen en wat er gebeurt. De Honda motor heeft 4 cilinders, maar omdat de werking van elke cilinder hetzelfde wordt hier alleen de werking van één cilinder beschreven. De Honda motor heeft de ontstekingsvolgorde 1-3-4-2. Dat wil zeggen dat de arbeidsslag (waarbij het mengsel wordt ontstoken) eerst in de 1e cilinder plaatsvindt dan in de 3e dan de 4e en als laatste de 2e. deze volgorde is gekozen omdat hierdoor het trillen van de motor wordt verminderd.

Figuur 7 Het vierslagproces bij de Ottomotor in de inlaad slag.

In de bovenstaand figuur wordt het vierslagproces van de Ottomotor voorgesteld.
Rechts naast elke tekening zijn de 4 slagen in een cirkel weergegeven. In deel 1 (zie Figuur 7) wordt de zuiger naar beneden getrokken. Dit gebeurt door de ronddraaiende krukas (P), in samenwerking met de drijfstang (N). Bij deze slag wordt door de nokkenas (I), welke met een getande riem (distributieriem) met de krukas (P) is verbonden en dus een gelijk aantal omwentelingen maakt, de inlaatklep, tegen de veerkracht in, open gedrukt en dus de inlaatpoort (C) geopend. Omdat de zuiger naar beneden wordt getrokken, ontstaat boven de zuiger een onderdruk. Via de openstaande inlaatklep wordt daardoor een mengsel van lucht en brandstof in de motor gezogen. Deze slag heet daarom de inlaatslag, en is de eerste slag van een arbeidsproces.

Figuur 8 Het vierslagproces bij de Ottomotor aan het begin van de compressie slag.

In Figuur 8 is deel 2 van het vierslagproces te zien. Dit is de compressieslag. Bij deze slag wordt de zuiger door de krukas en de drijfstang omhoog geduwd. De nokkenas (I) heeft er voor gezorgd dat via de tuimelaar (J) de inlaatklep weer omhoog is. Onder andere door de veerdruk van de klep is nu de inlaatpoort (C) weer gesloten. De uitlaatklep is, net als bij de inlaatslag, gesloten. Het tijdens de vorige slag aangezogen mengsel bevind zich in de cilinder (M) en wordt door het omhoog bewegen van de zuiger (N) samengeperst. Deze slag heet daarom de compressieslag, en is de tweede slag van een arbeidsproces. Door het samenpersen stijgt de temperatuur van het mengsel, met als gevolg een extra drukstijging. Door de hogere temperatuur verdampt de brandstof beter, en ontsteekt daardoor gemakkelijker. Aan het einde van deze slag ontsteekt een bougie (K) het samengeperste mengsel.

Figuur 9 Het vierslagproces bij de Ottomotor aan het begin van de arbeidsslag.

In Figuur 9 staat de zuiger aan het begin van de arbeidsslag, namelijk het BDP (het Bovenste Dode Punt).
Het brandstof-lucht mengsel is in de compressieslag maximaal gecomprimeerd als de zuiger in de bovenste stand staat. Dit is deel 3 van het vierslagproces.
De nokkenas (I) heeft ervoor gezorgd dat via de tuimelaars (J) de in- en uitlaatkleppen gesloten zijn. De bougie (K) ontsteekt vervolgens het mengsel en door de hierop volgende explosie stijgt de temperatuur sterk. Hierdoor stijgt ook de druk. De druk zorgt voor een kracht op de zuiger en de zuiger wordt nu omlaag gedrukt. Doordat de zuiger in beweging komt door de verbranding van het mengsel, verricht de motor arbeid.Deze slag wordt dan ook de arbeidsslag genoemd. Omdat de arbeid in een bepaalde tijd wordt verricht, mogen we ook zeggen dat gedurende de arbeidsslag vermogen wordt geleverd.

Figuur 10 Het vierslagproces bij de Ottomotor aan het begin van de uitlaatslag.

In Figuur 10 staat de zuiger aan het begin van de uitlaatslag. De zuiger staat op zijn ODP (Onderste Dode Punt). Het brandstof-lucht mengsel is verbrand en bevind zich in de cilinder (M). In deel 4 van het vierslagproces wordt de zuiger (N) weer door de krukas (P) en de drijfstang (O) omhoog bewogen. De nokkenas (I) heeft ervoor gezorgd dat via de tuimelaar (J) de uitlaatklep geopend is. De verbrande gassen worden tijdens deze uitlaatslag, via de openstaande uitlaatklep, naar buiten gedreven; dit is daarom de uitlaatslag.
Er zijn dus, zoals ook in het begin al is gezegd, vier slagen van de zuiger nodig om een geheel arbeidsproces af te werken.
In Tabel 1 is nog te zien hoe hoog de drukken en temperaturen kunnen zijn boven de zuiger tijdens verschillende slagen. Let wel op dat dit een voorbeeld is want de waarden wisselen sterk tijdens de verschillende bedrijfsomstandigheden.

Tabel 1 Overzicht temperaturen en drukken in een cilinder.

4 Ontsteking

1. IMA-sensor
2. Luchtdruksensor (PA)
3. Regeleenheid (ECU)

Figuur 11 De elektronische regeleenheid.

De Honda CRX is voorzien van het zogenaamde PGM-FI inspuitsysteem. Dit is een elektronisch geregeld benzine inspuitsysteem. Letterlijk betekend dit dus Programmed Fuel Injection.

Dit systeem is dezer dagen nog steeds een behoorlijk geavanceerd systeem. Het beschikt over een zelf diagnose systeem, wat zoveel wil zeggen dat als er een storing op mocht treden deze gemakkelijk is op te sporen omdat de ECU (elektronische regeleenheid, zegmaar het brein van het injectiesysteem) door middel van een indicatielampje de aard van de storing weergeeft. Mocht bijvoorbeeld de BDP-sensor het begeven hebben dan zal het indicatielampje van de ECU 4 keer achter elkaar knipperen, even rust, 4 keer knipperen enz. Aan de hand van deze code is met behulp van de juiste code tabel gemakkelijk af te lezen wat de storing is.

In Figuur 11 en Figuur 12 zijn de verschillende sensoren en hun plaats te zien welke allemaal aangesloten zijn op de centrale regeleenheid (ECU).

Figuur 12 Plaats van de verschillende sensoren en componenten in de Honda CRX.

1. MAP-sensor
2. Afsluitregelklep luchtventilatie
3. EACV
4. Versneld stationairafsluitklep
5. TA-sensor
6. Voorschakelweerstand verstuivers
7. TW- sensor
8. Lambda-sonde
9. BDP-sensor
10.Gasklephoeksensor

MAP-sensor
Absolute druksensor. Geeft informatie over de druk in het inlaatspruitstuk

BDP-sensor
Bovenst Dode Punt sensor. Geeft informatie over de stand van de zuiger van de eerste cilinder en over het motor toerental.

IMA-sensor
Stationair mengsel sensor. Motoren zonder katalysator kunnen het stationair mengsel met behulp van deze sensor aanpassen.

Lambda-sonde
Zuurstofsensor. Geeft informatie over het zuurstofgehalte in de uitlaatgassen.

PA-sensor
Atmosferische druksensor. Geeft informatie over de atmosferische druk.

TA-sensor
Inlaatluchttemperatuur-sensor. Geeft informatie over de temperatuur van de aangezogen lucht in het inlaatspruitstuk.

TH-sensor
Gasklepsensor. Geeft informatie over de stand van de gasklep.

TW-sensor
Koelvloeistoftemperatuur-sensor. Geeft informatie over de temperatuur van de koelvloeistof.

4.1 L-Jetronic

Het PGM-FI inspuitsysteem van de Honda CRX motor valt onder de categorie L-Jetronic inspuitsystemen. Het L-Jetronic-systeem beschikt over drie met elkaar samenwerkende systemen, namelijk:

het brandstofsysteem;
het luchtmeetsysteem;
het elektronische besturingssysteem (regeleenheid).

Figuur 13 Schema van een L-Jetronic met lambdaregeling.

Zoals al eerder gezegd loopt de Honda motor op benzine. Deze benzine bevindt zich in de tank welke zich voor de achteras aan de onderkant van de auto bevind.

De brandstofpomp (2) (zie Figuur 13) pompt de brandstof vanuit de brandstoftank (1) via het brandstoffilter (3) naar de (brandstof) verdeelbuis waarop de verstuivers (5) zijn aangesloten. Door het relatief grote volume van de verdeelbuis werkt deze tevens als accumulator voor het compenseren van drukschommelingen. Drukschommelingen zijn namelijk ongewenst omdat zij een negatieve invloed hebben op de hoeveelheid in te spuiten brandstof. Een drukregelaar (6) op de verdeelbuis zorgt voor een constant drukverschil van ongeveer 250 a 300 kPa (2,5 a 3 bar) tussen de brandstofdruk in de verdeelbuis en de luchtdruk in het inlaatspruitstuk. Over de verstuiver heerst er dus een constant drukverschil zodat de in te spuiten brandstofhoeveelheid uitsluitend afhangt van de openingstijd van de verstuivers.

Verschillende sensoren geven meetwaarden door aan het regelapparaat (stuurapparaat). Tevens komt een signaal van de luchthoeveelheidsmeter in het regelapparaat terecht. Aan de hand van de ingekomen gegevens bepaalt het regelapparaat de tijd dat de verstuivers open mogen staan, en daarmee de hoeveelheid in te spuiten benzine per inlaatslag.

De door de motor aangezogen hoeveelheid lucht wordt gemeten in de luchthoeveelheidsmeter, waarna de lucht naar de motor wordt geleid. De gemeten luchthoeveelheid wordt, zoals al eerder opgemerkt doorgegeven aan het elektronisch regelapparaat. Door de elektronische sturing past het L-Jetronicsysteem zich vrijwel vertragingsloos aan bij wisselende bedrijfsomstandigheden van de motor.
In Figuur 14 is het inspuiten in beeld gebracht.

Figuur 14 Het inspuiten van benzine bij geopende inlaatklep.

Figuur 15 Het principe van het L-Jetronic-systeem in een blokschema.

In het blokschema van Figuur 15 is op eenvoudige wijze weergegeven hoe de verschillende hoofdgroepen van het systeem samenwerken om te komen tot een juiste mengselvorming voor de motor.

4.2 Bougies

Figuur 16 De bougie is hier goed zichtbaar in een opengewerkte motor.

Figuur 17 De bougie.

De bougie (zie Figuur 17) is het ding wat ervoor zorgt dat het benzine-luchtmengsel ontstoken wordt. Hij bevind zich in het midden van de kleppen (zie Figuur 16) en bij de Honda CRX motor 1 per cilinder, het komt bij sommige auto’s namelijk ook voor dat er 2 bougies per cilinder zijn wat weer voor een betere ontsteking zorgt.

A. Bougie kabel
B. Verdelerkap
C. Rotor
D. Hoofd bougie kabel
E. Rotor aandrijfmechanisme
F. Nokkenas
G. Ontstekingssignaal sensor
H. Ontstekingsmodule
I. Bobine
J. Bougies

Figuur 18 Schematische weergave van de aansturing van de bougies.

In de bobine wordt door middel van spoelen een hoog voltage opgewekt. De ontstekingsmodule zorgt ervoor dat dit hoge voltage op het juiste moment wordt afgegeven naar een van de bougies. Dit juiste moment wordt bepaald door de ontstekingssignaal sensor, in het geval van de Honda is dit de BDP-sensor. De verdeler, welke word aangedreven door de nokkenas, zorgt ervoor dat het hoge voltage naar de juiste bougie gaat. En als laatste maakt de bougie van het hoge voltage een vonk.

5 Het koelsysteem (theorie)

5.1 Taak en noodzaak van de koeling

Bij een verbrandingsmotor vindt in de cilinders de verbranding van het mengsel van lucht en brandstof plaats; de warmte welke hierdoor ontstaat moet er voor zorgen dat de zuiger met kracht naar beneden wordt gedrukt. Omdat niet alle warmte omgezet wordt in mechanische energie zal echter ook de cilinder, de verbrandingsruimte, de zuiger met toebehoren verwarmd worden. De temperatuur van de motordelen zal hierdoor binnen korte tijd zo hoog worden dat er schade optreedt. Het is daarom nodig dat de motor gekoeld wordt. De koeling moet er voor zorgen dat de temperatuur van de motordelen niet boven een maximaal toegestane waarde komt. Het teveel aan warmte moet door het koelsysteem afgevoerd worden naar de buitenlucht. Dit vindt plaats door warmtetransport.

Figuur 19 Vereenvoudigde vermogensbalans van een Ottomotor.

Door een deel van de kostbare verbrandingsenergie af te voeren naar de buitenlucht treedt er verlies aan energie op van maar liefst 30%; de koeling moet daarom gezien worden als een noodzakelijk kwaad. De motorconstructeur zal er daarom altijd naar streven dat er zo weinig mogelijk warmte via de koeling afgevoerd moet worden.

5.2 Warmtetransport en warmteafvoer

Het transporteren van warmte kan op drie verschillende manieren plaats vinden:

door geleiding (conductie);
door stroming (convectie);
door straling (radiatie).

Bij de koeling van motoren is er zowel sprake van geleiding, van convectie als van straling; meestal zal er sprake zijn van een combinatie van de drie.
Afhankelijk van de toegepaste materialen zal de afvoer langzamer of sneller verlopen. We spreken bij stoffen van het warmtegeleidingsvermogen; de ene stof geleidt de warmte beter dan de andere stof. Zo kunnen we bijvoorbeeld zeggen dat koper de warmte beter geleidt dan staal. Bij de koeling wordt het afvoeren van de warmte dan ook sterk bepaald door de gebruikte materialen. Ook is de verdeling van de warmte over de gehele motor of over een deel van de motor beter bij materialen welke de warmte gemakkelijk geleiden. Zo zal de warmte bij een lichtmetalen motorblok beter verdeeld zijn dan bij een blok van gietijzer; een voordeel hiervan is dat er minder spanningen optreden.

De verbrandingstemperatuur bedraagt circa 2000 K. Een groot gedeelte van die warmte wordt opgenomen door de cilinderkop en de cilinderwand. De overige temperaturen in de motor bedragen ongeveer:

klepzittingen : 973K (700 ºC)
zuigerbodem : 523 K (250 ºC)
cilinderwand : 473K (200 ºC)
koelvloeistof : 353 368 K (80 - 95 ºC)
motorolie : 343 - 393K (70- 120 ºC)

Figuur 20 Schematische weergaven van het koelsysteem van een Ottomotor.

6 Het koelsysteem (praktijk)

Het gebruikte koelmedium is koelvloeistof, dit is gedemineraliseerd water met onder andere de volgende bestanddelen erin:

Antivries
Anti-corrosiemiddel
Smeermiddel
Anti-schuimmiddel

Het koelsysteem van de Honda CRX is een zogenoemd gesloten systeem (zie Figuur 21). Dit wil zeggen dat het koelmedium in het systeem blijft circuleren. Deze circulatie wordt tot stand gebracht door een waterpomp. Deze waterpomp wordt aangedreven door een V-riem welke om de krukaspoelie loopt. De koelvloeistof stroomt door het dubbelwandige motorblok en de dubbelwandige cilinderkop. De vloeistof neemt de warmte op van de cilinders en de cilinder kop en stroomt vervolgens naar de radiateur.

Figuur 21 Koelsysteem van de Honda CRX.

De radiateur is een soort bord welke is opgebouwd uit een heleboel horizontale dunne strookjes aluminium die met een kleine tussenruimte boven elkaar liggen. Door deze strookjes lopen kleine verticale buisjes waar het koelwater doorheen loopt. Door de grote hoeveelheid strookjes en leiding lengte is het gekoelde oppervlak behoorlijk groot en wordt er dus veel warmte afgestaan aan de rijwind die door de radiateur loopt. Omdat als de auto stilstaat er geen rijwind door de radiateur stroomt is er achter de radiateur een ventilator geplaatst die de lucht door de radiateur zuigt om zo voldoende koeling te veroorzaken.

De radiateurventilator wordt aangedreven door een elektromotor en aan en uit geschakeld door een temperatuursensor in de radiateur.Verder is er nog een expansie vat in het systeem aanwezig. Als de koelvloeistof bij verwarming uitzet wordt deze uitzetting in het expansievat opgevangen. Een teveel aan koelvloeistof komt dus niet op straat terecht.

7 Kringprocessen (theorie)

Het pv-diagram geeft de relatie weer tussen de druk en het volume van het gas in de cilinder van een verbrandingsmotor. De grafiek die het verband tussen de druk en het volume weergeeft, geeft in feite aan hoe de toestand van het gas verandert tijdens de inlaatslag, compressieslag, arbeidsslag of uitlaatslag.

Figuur 22 Een indicateurdiagram.

Figuur 23 De relatie tussen druk en volume.

Wanneer de verschillende toestandsveranderingen in een grafiek worden getekend, dan kan er een zogenaamd kringproces ontstaan. Wanneer op een testbank van een bestaande vierslag-motor continu het verloop van de druk in de cilinder wordt gemeten tijdens de vier slagen, dan is het mogelijk van deze motor een indicateurdiagram te construeren (zie Figuur 22). In het indicateurdiagram van een vierslagmotor zijn twee kringprocessen te onderscheiden.

7.1 Toestandsveranderingen van gassen

De twee kringprocessen die in het indicateurdiagram te onderscheiden zijn, zijn in feite praktische kringprocessen, opgenomen van een bestaande motor. In de warmteleer wordt deze praktische situatie theoretisch benaderd en verklaard met behulp van theoretische kringprocessen en toestandsveranderingen. We onderscheiden de volgende toestandsveranderingen:

de isotherme toestandsverandering;
de adiabatische toestandsverandering;
de isobare toestandsverandering;
de isochore toestandsverandering;
de polytropische toestandsverandering.

De lijnen die het verband weergeven tussen druk en volume tijdens de genoemde toestandsveranderingen worden respectievelijk isotherm, adiabaat, isobaar, isochoor en polytroop genoemd. Het gas dat deze theoretische toestandsveranderingen ondergaat is een zogenaamd ideaalgas. Het gas in de verbrandingsmotor, waterdamp of een benzine-luchtmengsel, mag als een ideaalgas worden beschouwd mits de druk niet al te hoog wordt. Bij een ideaalgas oefenen de moleculen geen invloed op elkaar uit, zoals wrijving of onderlinge aantrekkingskracht.

7.1.1 Isotherme toestandsverandering

Figuur 24 Isotherme compressie of expansie.

Zoals bekend stijgt de temperatuur van het gas bij compressie. Bij een isotherme toestandsverandering wordt er echter tijdens de compressie zoveel warmte afgevoerd dat de temperatuur T2 van het gas aan het eind van de compressie nog steeds hetzelfde is als de temperatuur T1 het begin van de compressie. De temperatuur blijft gedurende de hele toestandsverandering constant (T1 = T2 constant). De lijn tussen 1 en 2, die het verband weergeeft tussen druk volume tijdens de toestandsverandering, wordt isotherm genoemd (zie Figuur 24). Iso betekend gelijk en therm slaat op de temperatuur.

Bij een isotherme expansie blijft de temperatuur ook gedurende de toestandsverandering hetzelfde (T1 = T2 = C). Het spreekt voor zich dat als er bij de compressie warmte moet worden afgevoerd om de temperatuur T constant te houden, er bij de expansie warmte moet worden toegevoerd.

7.1.2 Adiabatische toestandsverandering

Figuur 25 Adiabatische compressie of expansie.

Bij een adiabatische toestandsverandering wordt er tijdens de compressie geen warmte afgevoerd. Door de warmte die tijdens de compressie wordt ontwikkeld stijgt de temperatuur van het gas. De temperatuur T2 van het gas aan het eind van de compressie zal dan veel hoger zijn dan de temperatuur T1 aan het begin van de compressie. De temperatuur is dan ook ongelijk aan de temperatuur T2. De lijn tussen 1 en 2, die het verband weergeeft tussen druk en volume tijdens de toestandsverandering, wordt adiabaat genoemd (zie Figuur 25).

Bij een adiabatische expansie zal de temperatuur aan het eind van de expansie veel lager zijn dan de temperatuur aan het begin van de expansie (T1 is ongelijk aan T2) omdat er in dit geval geen warmte wordt toegevoerd.

7.1.3 Isobare toestandsverandering

Wanneer bij een toestandsverandering de druk gelijk blijft, dan spreekt men van een isobare toestandsverandering. Wanneer de druk tijdens compressie gelijk blijft, dan betekent dit dat zeer veel warmte is afgevoerd. De temperatuur T2 van het gas aan het eind van de compressie is dan vele malen lager dan de temperatuur T1 aan het begin van de compressie. De lijn tussen 1en 2, die het verband weergeeft tussen druk en volume tijdens de toestandsverandering, wordt isobaar genoemd (zie Figuur 26). Iso betekent gelijk en baar slaat op de druk.

Bij expansie blijft de druk ook gedurende de toestandsverandering hetzelfde (P1 = P2). Anders gezegd: de druk is constant (P = C). Het spreekt voor zich dat als er bij de compressie veel warmt moet worden afgevoerd om de druk constant te houden, er bij de expansie veel warmte moet worden toegevoerd.

7.1.4 Isochore toestandsverandering

Figuur 26 Isobare compressie of expansie.

Wanneer bij een toestandsverandering het volume gelijk blijft, dan spreekt men van een isochore toestandsverandering. De druk tijdens de isochore toestandsverandering kan alleen maar stijgen als er warmte aan het gas wordt toegevoerd. De temperatuur T2 van het gas aan het eind van de drukstijging zal hoger zijn dan de temperatuur T1. Omdat de zuiger bij deze toestandsverandering niet verplaatst wordt kan er niet gesproken worden van een compressie. De temperatuurstijging van het gas wordt niet verkregen door het samenpersen van het gas maar doordat het gas bijvoorbeeld warmte opneemt van de cilinderwand. De lijn tussen 1 en 2, die het verband weergeeft tussen druk en volume tijdens de toestandsverandering, wordt isochoor genoemd (zie figuur 1.6). Iso betekent gelijk en choor slaat op het volume.

De druk tijdens de isochore toestandsverandering kan alleen maar dalen als er warmte aan het gas wordt onttrokken. De temperatuur van het gas aan het eind van de drukdaling is dan lager doordat het gas warmte afstaat aan bijvoorbeeld de cilinderwand.

7.1.5 Polytropische toestandsverandering

Figuur 27 Isochore compressie of expansie.

Figuur 28 Polytropische compressie of expansie.

De praktische toestandsveranderingen in een verbrandingsmotor kan men benaderen met de hiervoor besproken toestandsveranderingen. In werkelijkheid zullen de compressie en expansie van een normaal werkende verbrandingsmotor niet isothermisch of adiabatisch verlopen maar polytropisch. De polytroop, de lijn tussen 1 en 2 die het verband weergeeft tussen druk en volume, ligt ergens tussen de isotherm en de adiabaat in (zie Figuur 28). Bij compressie wordt er in een verbrandingsmotor immers warmte afgevoerd naar de cilinderwand terwijl de temperatuur T2 van het gas aan het eind van de compressie wel degelijk hoger is dan de temperatuur T1 van het gas aan het begin van de compressie. Afhankelijk van de mate waarin de motor wordt gekoeld zal de polytroop dichter bij de isotherm of de adiabaat komen te liggen. Bij lekkage van het koelsysteem zal de polytroop de adiabaat benaderen door de slechte koeling. De compressie-einddruk kan dan zo hoog worden dat de koppakking wordt weggeblazen.

Bij expansie neemt het gas warmte op van de cilinderwand maar niet zoveel dat de temperatuur constant blijft. Ook hier is sprake van een polytropische toestandsverandering. De polytroop ligt in dit geval ook tussen de adiabaat en de isotherm in. In Figuur 29 zijn alle besproken toestandsveranderingen afgebeeld tijdens compressie en expansie.

Figuur 29 Toestandsveranderingen tijdens compressie.

Om het verhaal compleet te maken moet nog wel even vermeld worden dat de isotherm, adiabaat, isobaar en isochoor ook wel bijzondere polytropen worden genoemd.

7.2 Theoretische processen

Processen waarbij de druk in de cilinder tijdens de (isobare) toestandsverandering constant blijft, worden ook wel gelijkdrukprocessen genoemd. Processen waarbij het volume van de cilinder tijdens de (isochore) toestandsverandering constant blijft, worden ook wel gelijkvolume processen genoemd. Wanneer beide processen gecombineerd worden, spreekt men van een gemengd proces.

7.3 Gelijkvolumeproces of Ottoproces

Figuur 30 Gelijkvolumeproces.

Het gelijkvolume- of Ottoproces is een theoretische benadering van het verbrandingsproces in een Ottomotor en is opgebouwd uit de hiervoor behandelde toestandsveranderingen, te weten twee adiabaten en twee isochoren (zie Figuur 30).

Dit kringproces gaat uit van een ideale theoretische situatie.
Toestandsverandering van 1 naar 2: de compressie verloopt adiabatisch. Alle ontwikkelde warmte komt het gas ten goede omdat er geen warmte wordt afgevoerd tijdens de compressie.

Toestandsverandering van 2 naar 3: de verbranding is tijdloos bij constant volume, dus isochorisch. Q1 stelt de warmte voor die uit de verbranding vrijkomt en ervoor zorgt dat de druk stijgt van 2 naar 3. Men noemt deze warmte ook wel de aan het kringproces toegevoerde warmte.

Toestandsverandering van 3 naar 4: de expansie verloopt weer adiabatisch. Er wordt geen warmte toegevoerd zodat de temperatuur en de druk aan het eind van de expansie flink zijn gedaald.

Toestandsverandering van 4 naar 1: de gaswisseling (verbrandingsgas eruit en vers gas erin) verloopt hier tijdloos bij constant volume dus weer isochorisch. Q2 stelt de warmte voor die wordt afgevoerd met het uitlaatgas en die ervoor zorgt dat de druk daalt van 4 naar 1.

Naarmate de compressieverhouding groter wordt zullen de drukken bij toestand 2 en 3 hoger worden. Omgekeerd zal door de hoge compressieverhouding de druk bij toestand 4 aan het eind van de expansie juist veel lager zijn. Dit heeft tot gevolg dat er een kringproces ontstaat met een relatief groot oppervlak. Het oppervlak van een rechtsom draaiend kringproces is een maat voor de in de motor ontwikkelde arbeid W1. De ontwikkelde arbeid is gelijk aan het verschil tussen de toegevoerde warmte Q1 en de afgevoerde warmte Q2.

8 Kringprocessen (praktijk)

Het werkelijke pV- of indicateurdiagram van een motor verschilt nogal van de hiervoor beschreven theoretische indicateurdiagrammen. Het verbrandingsproces in een motor is in werkelijkheid niet ideaal en wel om de volgende redenen:

Niet alle brandstof verbrandt.
In de cilinder blijft altijd verbrandingsgas achter.
De verbranding is niet tijdloos zodat er geen sprake kan zijn van een isochore toestandsverandering.
De compressie en expansie verlopen niet adiabatisch omdat er warmte-uitwisseling plaatsvindt tussen gas en cilinderwand.
Er treedt altijd drukverlies op langs de zuigerveren.
De cilindervulling is nooit 100% door stromingsweerstanden in het aanzuigsysteem.
De kleppen openen en sluiten niet exact in het BDP en OPD.

In Figuur 31 is een indicateurdiagram afgebeeld van een goed functionerende volbelaste motor. Hoe dichter het indicateursdiagram bij het theoretisch Ottoproces komt te liggen, des te idealer de motor functioneert. Het kwaliteitsrendement van een Ottomotor ligt tussen de 40 en 70%.

Door het aanpassen van de vullingsgraad van de cilinder is het mogelijk de motor in bijvoorbeeld deellast te laten lopen. Met vullingsgraad wordt bedoeld de hoeveelheid brandstof-luchtmengsel welke in de cilinder komt te zitten.

Figuur 31 Indicateurdiagram en theoretisch diagram van een vierslag benzinemotor.

8.1 Vollast

Figuur 32 Indicateurdiagram van een vierslag benzinemotor bij vollast.

In figuur 1.16 is een indicateurdiagram afgebeeld van een normaal functionerende benzine motor. Het oppervlak van het rechtsom draaiend kringproces gevormd door de polytropen van compressie en expansie, is maximaal. De verliezen, voorgesteld door het oppervlak van het linksom draaiend kringproces gevormd door de polytropen van inlaat en uitlaat, vallen in het niet bij de opgewekte arbeid Wi.

8.2 Deellast

In figuur 1.17 is een indicateurdiagram afgebeeld van een benzinemotor bij deellastomstandigheden. Het oppervlak van het rechtsom draaiend kringproces gevormd door de polytropen van compressie en expansie, is door de slechtere cilindervulling kleiner. De opgewekte arbeid W1 is vanzelfsprekend lager dan bij vollastomstandigheden.

Figuur 33 Indicateurdiagram van een vierslag benzinemotor bij deellast.

8.3 Nullast

Figuur 34 Indicateurdiagram van een vierslag benzinemotor bij nullast.

In Figuur 33 is een indicateurdiagram afgebeeld van een benzinemotor bij nullastomstandigheden. Het oppervlak van het rechtsom draaiend kringproces gevormd door de polytropen van compressie en expansie, is minimaal. De verliezen, voorgesteld door het oppervlak van het linksom draaiend kringproces gevormd door de polytropen van inlaat en uitlaat, benaderen opgewekte arbeid Wi. De opgewekte arbeid Wi is groter dan de verliezen in de motor, zodat de motor stationair kan blijven draaien.

8.4 Deceleratie

Onder deceleratie verstaan we het afremmen op de motor. In Figuur 35 is een indicateurdiagram afgebeeld van een Ottomotor tijdens decelereren.

Figuur 35 Indicateurdiagram van een vierslag benzinemotor bij deceleratie.

Het oppervlak van het linksom draaiend kringproces gevormd door de polytropen van inlaat en uitlaat is maximaal. Wanneer het gaspedaal wordt losgelaten en de gas- of smoorklep de motor smoort, ontstaat er tijdens de inlaatslag een hoge onderdruk in de cilinder doordat de inlaat wordt afgesloten. In de motor wordt als het ware negatieve energie opgewekt tijdens het afremmen. Deze negatieve energie overheerst de in de motor opgewekte positieve energie of arbeid Wi. Het oppervlak tussen de polytropen van de inlaat- en uitlaatslag (zie Figuur 35) is dan ook groter dan dat van de polytropen van compressie en expansie (zie Figuur 36).

In tegenstelling tot wat velen denken komt in Figuur 35 duidelijk naar voren dat bij een Ottomotor wordt afgeremd op de inlaatslag en niet op de compressieslag. Uit Figuur 36 blijkt dat er tijdens de compressie een onderdruk in de cilinder heerst en er dus niets te comprimeren valt. Populair gesteld remt het vacuüm in de cilinder de zuiger tijdens de inlaatslag af. Wanneer er bij een auto wordt teruggeschakeld neemt het motortoerental toe. Per tijdseenheid worden er dan veel inlaatslagen gemaakt die achtereenvolgens de zuigers, de krukas, de aandrijfassen en uiteindelijk de auto zelf afremmen. Wetenschappelijker uitgedrukt produceert de motor tijdens het afremmen op de motor bij hoogtoerental veel negatieve energie. Er moet energie worden aangevuld om de motor draaiende te houden. Deze energie wordt onttrokken aan de bewegingsenergie van de auto zelf, die daardoor langzamer gaat rijden.

Bij een dieselmotor wordt er wel op de compressieslag afgeremd omdat daar geen smoorklep in de inlaat is opgenomen. De verbranding stopt bij het loslaten van het gaspedaal omdat er geen dieselbrandstof meer wordt ingespoten. Soms wordt een uitlaatrem toegepast. Dit is een klep in de uitlaat die wordt dichtgetrokken zodat in dat geval de zuiger wordt afgeremd door het uitlaatgas dat een druk opbouwt tot aan de uitlaatrem.

Figuur 36 Linksom draaiend kringproces bij deceleratie.

Figuur 37 Rechtsom draaiend kringproces bij deceleratie.

9 Bronvermelding

Boeken

Titel: Motorvoertuigentechniek – Motoren
Semester 1
Schrijvers: T.J. de Jager
B.J. ter Haar
Uitgeverij: Delta Press
ISBN: 90-6674-228-3

Titel: Motorvoertuigentechniek – Motoren
Semester 2
Schrijvers: T.J. de Jager
B.J. ter Haar
Uitgeverij: Delta Press
ISBN: 90-6674-230-5

Titel: Motorvoertuigentechniek – Motoren
Semester 6
Schrijvers: B.J. ter Haar
Uitgeverij: Delta Press
ISBN: 90-6674-024-8

Titel: Benzine-en dieselmotoren
Werking, constructie en berekening van twee- en vierslagverbrandingsmotoren
Schrijvers: Heinz Grohe
Uitgeverij: Kluwer
ISBN: 90-201-2523-0
Titel: Honda Civic technische garage handleiding

Internet

deCRXgarage

Verbrandingsmotor