Zo werkt een motor

Let op: dit stuk is nog in aanbouw!

In dit verhaal leg ik van begin tot eind uit hoe een benzinemotor werkt. Wat ik uitleg, is de werking van een ouderwetse motor waar nog geen elektronica aan te pas komt. Alles wordt dus mechanisch geregeld. Zo’n beetje elke motor van auto’s tussen 1930 en 1980 zit op deze manier in elkaar.
Aan het eind van het artikel ga ik kort in op het verschil in werking tussen een benzine- en dieselmotor.

De basis

Doe de motorkap van je auto eens open? Goed. Laat je niet afschrikken door de wirwar van draden, kabels en slangen. We richten ons even op dat zwarte mysterieuze blok in het midden, en wat zich daarin afspeelt. De rest is bijzaak en komt later, stap voor stap.

In een benzinemotor gaan één of meerdere zuigers met hoge snelheid, in elk hun eigen cilinder, op en neer. Die cilinders hebben de breedte van, laten we zeggen, een wijnfles. Laten we eens kijken naar zo’n zuiger in de cilinder.

Zoals gezegd, beweegt de zuiger met hoge snelheid op en neer. Dit doet hij in vier fasen: inlaatslag, compressieslag, arbeidsslag en ventilatieslag.

…wat?

Oké dan, even stap voor stap:

1. Inlaat
De zuiger beweegt omlaag. De inlaatklep opent. Hierdoor wordt lucht, met daarin vermengde benzinedamp, aangezogen. Denk aan een injectiespuit! Daarmee kun je vloeistof aanzuigen als je het zuigertje naar achteren trekt.
Hoe de benzine met de lucht wordt vermengd en in welke verhoudingen komt in het hoofdstuk ‘benzinetoevoer’.

2. Compressie
Compressie betekent samendrukken, en dat is wat hier gebeurt. De kleppen bovenin staan dicht en de zuiger beweegt omhoog. De lucht met benzinedamp wordt flink samengedrukt. De druk en daarmee de temperatuur stijgt, de samengeperste benzinedamp kan niet wachten te ontploffen… één vonkje zou al genoeg zijn…

3. Arbeid
PATS! Het vonkje komt er (hoe deze vonk tot stand komt, komt in het hoofdstuk ‘ontsteking’), de benzinedamp komt tot ontploffing. Klinkt heftig, maar een simpel rotje knalt al harder. Maar, door de stevige metalen omhuizing kan de kracht van de ontploffing geen kant op en levert ook deze bescheiden ontploffing flink wat energie op. De zuiger wordt hard omlaag geduwd.

4. Ventilatie
De zuiger beweegt zich weer omhoog en de uitlaatklep opent zich. De verbrande lucht wordt via de uitlaat naar buiten geduwd.

Na deze vier stappen begint de boel weer van voren af aan. Gefeliciteerd! Je snapt het viertaktproces.

Maar, wacht even. Vier bewegingen waarvan er maar eentje energie oplevert in plaats van kost? Klopt. Vooral de compressieslag, waarbij de lucht met het benzinemengsel wordt samengedrukt, kost vrij veel kracht. Maar ook de energie voor de bewegingen van de in- en uitlaatslag moet ergens vandaan komen. De motor wordt op twee manieren over deze ‘zware momenten’ heen geholpen:

Meerdere cilinders
Een beetje motor bestaat uit minstens twee cilinders, die telkens om beurten een arbeidsslag maken. Bij een automotor met vier cilinders zal, wanneer de ene zuiger de zware taak van het samenpersen moet vervullen, altijd op dat moment een andere zuiger omlaag worden gestuwd door de arbeidsslag.
Hoe zit dat dan met motoren met drie, twee of misschien zelfs maar één cilinder? Daarvoor is een motor ook uitgerust met een…

Vliegwiel
Een vliegwiel is niets anders dan een zware metalen schijf die aan de draaiende as van de motor vast zit. Is deze schijf eenmaal in beweging, dan is er veel kracht voor nodig om deze tot stilstand te brengen. Ga maar na: wat zet jij liever met je blote handen stil? Een draaiend fietswiel of de wieken van een molen?
Hoewel volgens bovenstaand stukje theorie een auto met vier of meer cilinders zonder vliegwiel zou kunnen werken, hebben ook deze motoren er in de praktijk wel echt eentje nodig om soepel te werken.

Oké dan. Volg je het nog? Een aantal op- en neer gaande zuigers. Een draaiend vliegwiel. Hebben we dan alle bewegende onderdelen gehad? Nog lang niet!
Kijk weer even terug naar de tekeningen van het viertaktproces. Bovenin de cilinder zie je twee kleppen: de inlaatklep (blauw) en uitlaatklep (rood).
Deze kleppen moeten zich op precies de juiste momenten openen en sluiten. Hoe worden deze bediend? Door naar de volgende twee bewegende onderdelen, namelijk de…

Krukas en nokkenas
In de motor zitten twee stevige, draaiende assen. De grootste is de krukas. De krukas is verbonden met de zuigers: door de op- en neergaande beweging van de zuigers draait de krukas rond. Geen zwarte magie hoor, als je fietst doe je hetzelfde: je knieën gaan op en neer, maar je trappers draaien rond. Het is de krukas waar het vliegwiel en de koppeling op bevestigd zitten. Het toerental van de motor wordt daarom uitgedrukt in aantal omwentelingen per minuut van de krukas!

De tweede draaiende as is de nokkenas. In een auto met vier cilinders zal deze precies half zo snel draaien als de krukas. Om de nokkenas in beweging te zetten, zit er een distributieketting of -riem tussen de krukas en de nokkenas. De meeste fabrikanten kiezen tegenwoordig voor een distributieriem, omdat deze lichter is en minder wrijving oplevert dan een ketting. Een ketting gaat echter veel langer mee en hoeft niet preventief vervangen te worden. Waarom het op tijd vervangen van de distributieriem zo’n heet hangijzer is, snap je na de volgende alinea!

De nokkenas zit er niet voor niets. De nokkenas drijft apparatuur als de dynamo, waterpomp, stuurbekrachting en aircopomp aan via de multiriem of V-snaar. Maar, nog belangrijker: de nokkenas bedient de in- en uitlaatkleppen.
Door middel van, je raadt het al, nokken op de as worden de kleppen open gestoten. Een sterke veer laat ze hierna weer snel sluiten.
De kleppen openen zich naar binnen in de cilinder toe open. Bij veel motoren komen de kleppen hierbij in de bewegingsruimte van de zuiger. Wanneer de zuiger omhoog stormt bij de compressie- of uitlaatslag, moeten eventueel geopende kleppen zich snel uit de voeten maken om niet te worden geraakt door de zuiger. Het plotseling wegvallen van de aandrijving van deze kleppen, bijvoorbeeld als de riem of ketting breekt, betekent daarom in veel gevallen onherstelbare schade aan kleppen of zuigers.

Startmotor
Een benzinemotor is een mooie machine, maar kan zichzelf niet op gang helpen. Beetje kneuzig eigenlijk, niet? Een startmotor is een sterke elektromotor die de automotor ronddraait om het viertaktproces op gang te helpen. Zodra de motor eenmaal aan is geslagen zit het werk van de startmotor er alweer op. Lege accu? Dan krijg je de auto helaas niet aan de gang, tenzij je hem aanduwt! Zodra de automotor draait, wordt de dynamo aangedreven en wordt de accu weer opgeladen.

Bonusweetje
…voordat we doorgaan naar alle andere belangrijke systemen. In de type-aanduiding van auto’s worden vaak termen als ‘V6’, ‘V8’, ‘8V’ en ’16V’ gebruikt. Let op de plaatsing van de V, want ze betekenen iets heel anders…

een V6-motor heeft zes cilinders die in een V-vorm, in rijtjes van drie, tegenover elkaar in de motor liggen. Hetzelfde geldt voor een V8 (twee rijtjes van vier), V12 of zelfs V16. Als je die laatste hebt, rijd je óf in een extreem dure sportwagen rond, óf in een diesellocomotief.

Een 16V daarentegen… is een heel stuk betaalbaarder, maar is helaas wat minder spectaculair.
Zoals je nu weet, zit er bovenin elke cilinder een inlaatklep en een uitlaatklep. Twee kleppen per cilinder, een viercilindermotor, geen hoge wiskunde: er zitten acht kleppen in je motor.
Voeg je nu aan elke cilinder zowel een extra inlaatklep als uitlaatklep toe, dan verhoog je de hoeveelheid benzinelucht die in korte tijd de cilinder in gezogen kan worden, en de hoeveelheid uitlaatgassen die er vervolgens weer uit moeten. Motoren met dit dubbele aantal kleppen hebben een stuk meer vermogen! Twee inlaatkleppen en twee uitlaatkleppen per cilinder, maal vier cilinders, levert een totaal van zestien kleppen op. Een verkoopfeitje dat autofabrikanten maar wat graag in de naam van hun automodellen verwerken, en soms zelfs als embleem op de auto zetten!

Benzinetoevoer
In dit stuk beschrijf ik de werking van een carburateur. Daar moet bij gezegd worden dat je een carburateur niet meer gaat vinden op moderne automotoren. Wel worden carburateurs nog gebruikt in kleine motortjes van brommers, motorbootjes en grappig genoeg ook in de professionele racesport.
Waarom dan toch uitleggen hoe de carburateur werkt, als dit zo verouderd is? Om de simpele reden dat alle mechanische foefjes goed beschrijven wat een automotor nodig heeft, en met die kennis is het makkelijk om de werking van moderne brandstofinjectie-systemen te snappen.

De carburateur is een aluminium toestelletje dat er van buiten al interessant uitziet, maar van binnen al helemaal! De carburateur maakt gebruik van twee basisprincipes die je misschien kent: een ouderwetse parfumverstuiver (met zo’n blaasbalgje) en de stortbak van je toilet.

Verstuiving van benzine
Vloeibare benzine is slecht brandbaar. Ho ho, geen gekke dingen doen nu, eerst even doorlezen…
Stel (met de nadruk op stel), je vult een schaaltje met benzine en je houdt hier een lucifer boven. Uiteraard ben je dan je wenkbrauwen en waarschijnlijk ook je schaaltje kwijt, maar wat er zo graag ontbrandt is de verdampende benzine dat boven de vloeistof hangt. De vloeibare benzine is vervolgens een prima brandstof voor het al op gang gekomen vuurtje, zolang er voldoende zuurstof aanwezig is, maar giet je vloeibare benzine in een automotor dan weet deze er weinig raad mee!

Wat er wordt aangezogen door de automotor is voor het grootste deel doodgewone buitenlucht. Wel zit er een luchtfilter tussen om zand, pollen en muggen tegen te houden. In de carburateur stroomt deze aangezogen lucht door een smalle pijp. Denk qua breedte aan een WC-rol. In het midden wordt deze pijp ineens nóg smaller, waardoor de snelheid van de lucht toeneemt. Met het toenemen van de snelheid neemt de luchtdruk af. Dit effect heet het Venturi-effect, en mocht je het effect nog niet helemaal snappen, dan moet je het voor nu toch maar even voor waarheid aannemen!

In de versmalling van de aanzuigbuis, de venturi genoemd, komt een dunne holle naald uit. Door de versnellende lucht, en daarmee afnemende luchtdruk, wordt via de holle naald benzine aangezogen en verneveld in de lucht. Op precies deze manier werkt de parfumverstuiver waar ik het eerder over had!

Ontsteking
Zoals ik eerder schreef, persen de zuigers in de motor het lucht- en benzinemengsel samen waardoor een explosief goedje ontstaat. De ontbranding komt echter pas op gang door deze aan te steken, en hier is het de beurt aan het ontstekingssysteem.
Het zou eenvoudig zijn als er gewoon continu een gloeiend heet lontje in de verbrandingskamer aanwezig kon zijn, dat het benzinemengsel aan zou steken, en in zekere zin is dit ook zo ongeveer hoe een dieselmotor werkt (zie verderop in dit stuk).
Helaas is een benzinemotor een stuk kieskeuriger: het benzinemengsel moet op exact het juiste moment worden aangestoken om de motor goed te laten werken. Een koud kunstje voor de moderne digitale motormanagementsystemen, maar hoe krijg je zoiets voor elkaar met alleen mechanische onderdeeltjes?

Een mechanisch ontstekingssysteem bestaat in de basis uit vier onderdelen: de bobine, de accu, de bougies en de stroomverdeler.

Bobine en accu
De bobine is een toverdoosje! Je stopt er twaalf in, en hij geeft je er duizenden voor terug. Duizenden wat? Let op…
De accu in verreweg de meeste auto’s levert 12 volt, en in heel oude auto’s 6. Dit is voldoende spanning om de lichten te laten branden, de radio te laten werken en alle andere foefjes die stroom nodig hebben. Raak met je blote handen de accupolen aan, en je zult er weinig van merken. Een metalen stuk gereedschap dat je tijdens het klussen per ongeluk contact laat maken levert daarentegen een ware vonkenshow op en met een beetje pech zelfs een kapotte accu. Toch zijn deze vonken van 12 volt niet krachtig genoeg om onder de hoge druk en temperatuur in de motor het benzinemengsel aan te steken. Het voltage moet vele malen verhoogd worden, in de richting van 20.000 volt, om er de mooie witblauwe vonk van te kunnen maken die we zoeken. Klinkt enger dan het is: de oplawaai die je op droge winterdagen soms krijgt van je trui kan zomaar de 10.000 volt aantikken, maar doordat er extreem weinig stroomsterkte (ampèrage) achter zit is dat niet gevaarlijk.

De bobine is een cilindervormige transformator, ter grootte van een colablikje. Deze zit in de motorruimte vaak tegen de zijkant gemonteerd, liefst zo ver mogelijk van de motor vandaan om oververhitting te voorkomen.
In de bobine zitten twee wikkelingen van koperdraad en een ijzeren kern, die elkaar niet raken. Deze twee wikkelingen noemen we de primaire en secundaire spoel.

De primaire spoel is een spiraal van redelijk dik koperdraad dat in betrekkelijk weinig bochten, van boven naar beneden en langs de buitenwand van de bobine loopt. Deze primaire spoel is verbonden met de accu: zodra het contactslot aan staat, loopt er 12 volt door deze spoel.

De secundaire spoel daarentegen, bestaat uit heel dun koperdraad dat vele duizenden malen is opgewonden binnen de primaire spoel. Degenen die weleens een elektromotortje uit elkaar hebben gehaald hebben zich vast al eens verbaasd over de tientallen meters aan ragfijn koperdraad dat ze eruit konden trekken. De verhouding in het aantal windingen tussen de primaire en secundaire spoel bepaalt het maximale voltage van de vonk. Als de secundaire spoel 1500 keer zoveel windingen heeft als de primaire spoel, kan die 1500 worden vermenigvuldigd met de accuspanning van 12 volt. 1500 x 12 = 18.000 volt!

De secundaire spoel ligt op zijn beurt weer om de ijzeren kern heen.
Wat er nu gebeurt in de bobine volgt de magische wereld van de elektrotechniek, en moet je maar voor waarheid aannemen: door de 12 volt dat door de primaire spoel loopt, ontstaat er een magnetisch veld in de secundaire spoel. Wanneer de spanning in de primaire spoel plotseling wegvalt, zal het magnetische veld willen ontsnappen in de vorm van een stroomstoot. De ijzeren kern absorbeert de stroomstoot, en geeft deze door aan de bougiekabels.

Bougies
Wanneer je thuis een gasfornuis met automatische ontsteking hebt, heb je een mini-bougie: door middel van een felblauw vonkje wordt het gas aangestoken zodat jij je aardappeltjes kunt bakken. Een bougie is een metalen pen met een behuizing van isolerend en hittebestendig materiaal, zoals porselein. Aan het puntje van de bougie zit een tweede metalen deel dat via het motorblok verbonden is met de massa (aarding) van de auto. Tussen deze metalen delen zit een nauwkeurig vastgelegde opening: de contactpuntafstand. Dit is vaak een halve millimeter of minder. Bougies zijn aan slijtage onderhevig, waardoor de contactpuntafstand soms moet worden bijgesteld als de bougies verder nog niet vervangen hoeven worden. Degenen die vroeger vaak aan hun auto hebben gesleuteld zullen zich misschien nog herinneren dat de dikte van een duimnagel een goede ‘rule of thumb’ was! Wanneer de contactpuntafstand te groot wordt, kan de vonk niet meer overspringen. Een te kleine afstand levert een te zwakke vonk op.

Stroomverdeler
De stroomverdeler is als de spin in het web van het ontstekingssysteem, door het systeem mechanisch aan te sturen. De stroomverdeler zit aan het motorblok vast, en bestaat uit een langwerpige behuizing met daarin een draaiende as. Deze as wordt aangedreven door de nokkenas van de motor.

De eerste functie van de stroomverdeler is het onderbreken van de stroom door de bobine. Zoals je gelezen hebt, levert de bobine een vonk zodra de spanning in de primaire spoel plotseling wegvalt. In de stroomverdeler zit een schakelaartje dat steeds door de draaiende as open wordt getikt om de vonk op te wekken.
De tweede functie is het verdelen van de vonken vanuit de bobine naar de juiste bougie.

Koeling en smering

Diesels en andere buitenbeentjes