Wat elke man MOET weten: de werking van verbrandingsmotoren

Met de opmars van EV's in het achterhoofd, vonden we het wel tijd om de goeie ouwe verbrandingsmotor nog eens uit te lichten.

Natuurlijk is de verbrandingsmotor niet van de ene op de andere dag uitgevonden, maar voor het gemak houden we het er voor nu op dat Nicolaus Otto als eerste de techniek bedacht zoals die vandaag de dag gebruikt wordt. Verder houden we het in deze uitleg bij viertakt-motoren op benzine, daar dit nog steeds een zeer veel voorkomend principe is in auto's vandaag de dag. Of in elk geval de meest vermakelijke, daar zullen de meeste petrolheads het wel over eens zijn.

De vier slagen

Viertaktmotoren dus. Dergelijke motoren werken op basis van vier zogeheten slagen. De zuiger gaat in de cilinder op en neer en elk van deze bewegingen is een slag. Zo hebben we de:

- Inlaatslag, de zuiger gaat omlaag en het brandbare mengsel van benzine en lucht wordt de verbrandingskamer in gezogen,

- Compressieslag, de zuiger komt omhoog en drukt het mengsel samen,

- Arbeidsslag, de bougie(s) geven een vonk, de zuiger wordt met kracht naar beneden gedrukt,

- Uitlaatslag, de uitlaatklep opent zich en het mengsel wordt door de zuiger naar boven en dus naar buiten gedrukt.

Hoe dat er ongeveer uitziet? Check onderstaande afbeelding.

Deze op en neer gaande beweging van de zuiger wordt door de krukas omgezet in een draaiende beweging. Zodoende zet de verbrandingsmotor als geheel dus de verbranding van het benzine/luchtmengsel om in een beweging die ervoor zorgt dat de wielen kunnen draaien. Héél simpel uitgedrukt.

Verschillende lay-outs

Auto's hebben vrijwel zonder uitzondering twee cilinders of meer. Aan de ene kant van het spectrum vinden voorbeelden als de Alfa MiTo TwinAir die het met een tweecilindertje doet, aan de andere kant zit een mastodont als de Bugatti Veyron met z'n 16 cilinders.

Deze cilinders kunnen in verschillende 'vormen' naast/voor/achter/boven elkaar worden opgesteld. Meest gangbaar zijn lijnmotoren. Veelal zijn dit viercilinders, maar bijvoorbeeld BMW en Lexus bouwen motoren met zes cilinders in lijn.

Motoren met de cilinders in V-vorm worden veelal gebruikt bij een wat grotere cilinderinhoud en een hoger (vaak vanaf zes stuks) aantal cilinders. Ferrari bijvoorbeeld bouwt auto's met V8 (denk 488 enz.) en V12 (F12berlinetta). De V16 kwam in het verleden nog weleens voor, maar de laatste keer dat we er iets over hebben gehoord was in de one-off Rolls-Royce van niemand minder dan Mr. Bean.

Merken als Subaru en Porsche staan bekend om hun boxermotoren, waarbij de cilinders tegenover elkaar liggen. Voordeel: laag zwaartepunt en weinig trillingen omdat de zuigers 'van één paar' dezelfde kant (naar binnen of naar buiten, zie GIFje) op bewegen. Daardoor heffen ze 'elkaars trillingen' als het ware op. Da's ook het grote verschil met platte V's zoals je die in bijvoorbeeld de Ferrari 512 BB aantrof. Zuigers in een platte V-motor bewegen elk tegelijkertijd dezelfde richting op (dus naar links of naar rechts). Check voor meer info dit artikel.

Rotatie-of wankelmotoren maken gebruik van schijven die als het ware roteren in de verbrandingskamer. Meest recente voorbeeld is de Mazda RX-8. Wankelmotoren staan bekend om hun eigenschap dat uit een beperkte cilinderinhoud een hoog vermogen kan worden gehaald, de onvermijdelijke downside is dat de vrij korte levensduur van dergelijke blokken. Ze worden vanwege hun compacte afmetingen ook wel gebruikt als range extenders in hybrids.

Tot slot zijn er nog de W-motoren zoals die bijvoorbeeld zijn toegepast in de Volkswagen Passat W8 en de Bugatti Veyron.

Ter aanvulling bestaan ook nog exotische opstellingen zoals bij radiaalmotoren en H-motoren. Beide concepten worden heden ten dage niet of nauwelijks toegepast in productieauto's, gauw door dus!

Kleppen en nokkenas

Een belangrijke rol in de vier slagen is weggelegd voor de kleppen. De inlaatkleppen openen tijdens de inlaatslag om het mengsel de verbrandingskamer binnen te laten. Vervolgens sluiten ze weer tijdens de compressie- en arbeidsslag, zodat het mengsel de cilinder niet kan verlaten én om te voorkomen dat de door de verbranding de hele motor het begeeft.

Na de verbranding openen de uitlaatkleppen zodat de zuiger (die weer naar boven komt) de uitlaatgassen de verbrandingskamer uit kan stuwen. Na deze vier slagen begint het feest weer van voren af aan. Het aantal kleppen per cilinder varieert van twee stuks tot soms wel vijf exemplaren, afhankelijk van het type motor en de manier waarop deze wordt ingezet.

De kleppen worden naar beneden gestuwd door de nokkenas. Deze as met een soort eivormige excentrieken draait rond. Door de eivormige uitstulpingen worden de kleppen naar beneden geduwd. Vervolgens zorgen de klepveren er weer voor dat de klep z'n oorspronkelijke positie inneemt, zie daarvoor bijgaand plaatje van een stel kleppen. Voor de duidelijkheid: deze onderdelen bevinden zich bóven de cilinder. En ja, ik weet dat ik zieke photoshop skills heb. Bespaar me de kritiek.

Op zijn beurt wordt de nokkenas weer aangedreven door de krukas en draait ongeveer op halve snelheid. Zoals je zult begrijpen luistert de timing van deze nokkenas behoorlijk nauw. Je wilt immers voorkomen dat de inlaatkleppen openstaan op het moment dat de bougie vonkt, of dat uitlaatgassen terug de motor in worden gestuwd. De nokkenas wordt overigens niet direct door de krukas aangedreven, maar door middel van een distributieriem (die nog meer taken heeft, maar dat terzijde). Als deze riem er niet goed op ligt of bijvoorbeeld is uitgerekt, gaat de kleptiming alsnog naar z'n mallemoer. Vandaar dat ook het vervangen van de distributieriem een secuur (en duur) klusje is.

Voor de goede orde: in het geval van het plaatje ligt de nokkenas bóven de cilinder, maar onderliggende nokkenassen worden eveneens gebruikt.

Voor de puristen: desmodromische- en pneumatische klepbediening laten we even buiten beschouwing in dit voorbeeld.

Het benzine/lucht mengsel en de smering

Benzine moet worden verneveld en gemengd met lucht alvorens het de verbrandingskamer in kan worden gezogen tijdens de eerdergenoemde inlaatslag. Vroeger gebeurde dat met carburateurs, waar de hobbyist urenlang aan kon pielen en dan was-ie nog niet perfect afgesteld, maar tegenwoordig zijn de meeste motoren voorzien van injectie. De verhouding brandstof:zuurstof is ongeveer 1:14.

Smering kan grofweg op twee manieren plaatsvinden. Wet-sumpsystemen gebruiken de krukas als oliereservoir, de olie wordt dus onderin de motor opgevangen in het carter en hoeft alleen maar naar de bovenkant van het blok te worden gepompt. Vervolgens sijpelt het goedje vanzelf weer naar beneden. Een vrij simpel systeem, dat wel enkele nadelen heeft. Zo zal het blok qua afmetingen hoger worden omdat voor de olie een plekje onder het blok wordt gereserveerd en bij hoge g-krachten (circuitgebruik bijvoorbeeld) kan het zijn dat de olie minder makkelijk z'n weg terug naar het carter vindt. Zie de afbeelding hieronder voor een duidelijke weergave van wet-sump smering.

Dry-sumpsystemen hebben een aparte olietank, die niet noodzakelijkerwijs onder de motor ligt. Daardoor kan het blok lager in de auto worden gemonteerd wat goed is voor zowel de bodemvrijheid als het zwaartepunt. Deze variant heeft echter wel meerdere oliepompen nodig om goed te werken en is daardoor wat complexer. Grote voordeel is wel weer dat de oliecirculatie niet afhankelijk is van de zwaartekracht. G-krachten zijn dus geen belemmering voor goede smering van het blok, wat bijvoorbeeld in de racerij van pas komt.

Koeling

Zoals reeds vermeld wordt het mengsel van benzine en lucht verbrand, zodat de zuiger naar beneden wordt gedrukt wat er weer voor zorgt dat de krukas gaat draaien. Verbranding suggereert echter dat er warmte vrijkomt en da's inderdaad het geval. Die warmte zal moeten worden afgevoerd om te voorkomen dat de boel oververhit raakt. Die koeling kan grofweg op twee manieren plaatsvinden.

Vooral (maar lang niet alleen) Volkswagen en Porsche staan bekend om hun luchtgekoelde motoren. Bij dit type koeling wordt de warmte die vrijkomt in het blok overgedragen aan de lucht die daar langs komt. Rijwind is dus van essentieel belang. Omdat een auto stilstaand natuurlijk niet door rijwind kan worden gekoeld, kan luchtkoeling ook geforceerd plaatsvinden. Daarom zie je dus de ventilator zitten bij de zescilinder van deze heerlijke Porsche 964 Speedster.

Strikt genomen is vloeistofkoeling uiteindelijk ook luchtkoeling. Bij de eerstgenoemde variant wordt vloeistof langs de delen gepompt die moeten worden gekoeld. Vervolgens komt deze koelvloeistof uit bij de radiateur, die het goedje weer afkoelt. Deze radiator is op zijn beurt ook weer afhankelijk van rijwind, vandaar dus dat luchtkoeling ook in dit geval een rol speelt. De Bugatti Veyron die eerder al aan bod kwam heeft vanwege z'n monsterlijke blok maar liefst 10 radiateurs, veel auto's hebben aan één exemplaar genoeg. Die 10 exemplaren van de Veyron zijn trouwens niet allemaal bestemd voor de koeling van de motor, dat zijn er namelijk maar drie.

Tot slot

Uiteraard hebben we in dit verhaal een heel basale weergave van de werking van verbrandingsmotoren proberen te schetsen. Dat het in de praktijk wat ingewikkelder zit en dat motoren nog veel meer onderdelen bevatten moge dan ook duidelijk zijn.