11 Verbrandingsmotoren.
11.1
De eerste verbrandingsmotor is ontwikkeld door de Belg Lenoir.
Maar de Duitsers Rudolf Diesel en Nikolaus
August Otto hebben uiteindelijk de eerste diesel- en benzinemotor ontwikkeld.
Wat is een verbrandingsmotor?
Definitie:
Een verbrandingsmotor is een werktuig, dat energie, door verbranding in het werktuig
zelf verkregen, in mechanische arbeid
omzet.
Er worden steeds hogere eisen aan
verbrandingsmotoren gesteld, zeker qua
brandstofverbruik en aan de emissies. (= stoffen die aanwezig zijn in de uitlaatgassen)
11.2 Constructie en werking van (verbrandings)- motoren.
Er zijn: (waren) externe verbrandingsmotoren, stoommachines, de verbranding vind
ergens anders plaats nl. in de stoommachine.
en
interne verbrandingsmotoren we noemen dit verder “motoren”.
Stoomketel
Externe verbrandings-
motor
Een interne verbrandingsmotor.
Onderdelen van een zuigermotor
1. fundatie / cilinderbalk 2. zuiger met zuigerveren 3. cilindervoering
4. drijfstang
5. krukas (ashals) 6. krukwang
7. vliegwiel
8. krukastandwiel 9. nokkenastandwiel 10.nokkenas
11.uitlaatklep 12.inlaatklep
13.hoge drukbrandstofpomp 14.verstuiver
Onderdelen van een zuigermotor
Onderdelen van een zuigermotor
Onderdelen van een zuigerlmotor
Onderdelen van een zuigermotor
Onderdelen van een zuigermotor
Onderdelen van een zuigermotor
Onderdelen van een zuigermotor.
Fundatie met Krukas
De hele zuiger (diesel) motor
Krachtenspel:
De overbrenging van
de rechtlijnige beweging van de zuiger naar de
ronddraaiende beweging van de krukas noemen we het kruk-drijfstang- mechanisme.
Er zijn 2 manieren om branstof toe te voeren in de cilinder.
1- Mengselmotoren.
Mengen met lucht (zuurstof) buiten de cilinder, zoals bij gas en benzine. Carberateur.
2- Ingespoten motoren.
Onder hoge druk inspuiten in de cilinder, zoals bij gasolie, dieselolie en zwareolie. Hogedruk- brandstofpomp en verstuiver.
11.3 Verbranding in mengsel en dieselmotoren.
Bij mengselmotoren wordt het mengsel van
brandstof en lucht samengeperst. Het mengsel wordt ontstoken door een vonk van de bougie.
Er ontstaat een verbrandings golf in de cilinder.
De scheiding tussen het brandende mengsel en onverbrande mengsel noemen we het
Vlamfront.
Vlamfront.
Door de verbranding ontstaat er een overmaat aan thermische energie. Hierdoor onstaat een hoge druk en deze druk drukt de zuiger naar beneden.
Bij ingespoten motoren (Dieselmotoren) wordt de lucht gecomprimeerd. Het gevolg is een hoge druk en een hoge temp. De brandstof wordt op het juiste moment onder hoge druk zeer fijn
verneveld in de cilinder gespoten.
De zeer fijne brandstof druppeltjes verdampen snel en het gas zal exploderen. Ook hier spreekt men van een vlamfront.
11.4 Detonatie.
De verbranding kost enige tijd.
De hoogste druk op de zuiger moet net na het bovenste dode punt (BDP) van de zuiger
optreden.
De verbranding moet dus gecontroleerd verlopen. Als dit niet zo is noemt men dit ongecontroleerde verbranding, detonatie, pingelen of kloppen.
Detonatie kan ontstaan door:
1- te vroege ontsteking.
2- gloeiontsteking.
3- explosieve verbranding.
1- te vroege ontsteking.
De druk op de zuiger loopt al sterk op voordat deze in het BDP is.
2- gloeiontsteking.
Hierbij ontsteekt het mengsel te vroeg door gloeiende kooldeeltjes of gloeiende elektrode van de bougie.
Gevolg 2 vlamfronten en een metaalachtig getik in de cilinder.
3- explosieve verbranding.
Het mengsel komt in z’n geheel te snel tot ontbranding.
- 1 Reden verkeerde brandstof.
- 2 Te warme zuiger of cilindervoering.
Detonatie heeft altijd tot gevolg dat er zeer hoge drukken ontstaan in de cilinder met als gevolg hoge lager belasting.
11.4.2 Compressieverhouding = Є (epsilon)
Dit is de ruimte boven de zuiger als deze in het ODP staat gedeeld door de ruimte boven de
zuiger als de inlaatklep(pen) net dicht zijn.
11.4.2 Compressieverhouding = Є (epsilon)
Dit is de ruimte boven de zuiger als deze in het ODP staat gedeeld door de ruimte boven de
zuiger als de inlaatklep(pen) net dicht zijn.
Є = ( Vs + Vv ) / Vv
11.4.2 Compressieverhouding = Є (epsilon)
Dit is de ruimte boven de zuiger als deze in het ODP staat gedeeld door de ruimte boven de
zuiger als de inlaatklep(pen) net dicht zijn.
Є = ( Vs + Vv ) / Vv
Om detonatie te voorkomen is de Є bij benzine- motoren aan een maximum gebonden.
11.4.3 Octaangetal.
Het octaangetal is een referentiewaarde voor de klopvastheid van benzine.
11.4.3 Octaangetal.
Het octaangetal (en niet het octaangehalte) van benzine wordt gemeten door de klopvastheid te vergelijken met een mengsel van het makkelijk
ontbrandbare n-heptaan en het moeilijk ont-brandbare iso-octaan. Hierbij geldt per definitie dat de
klopvastheid van n-heptaan 0 en die van iso-octaan 100 is. Hoe hoger het octaangetal, hoe klopvaster de benzine. Er bestaan brand-stoffen die klopvaster zijn dan iso-octaan en dus een hoger octaangetal hebben dan 100. Lpg bijvoorbeeld heeft een klopvastheid van 108-110
11.4.3 Octaangetal.
Het octaangetal wordt aan de brandstofpomp meestal aangeduid met de afkorting RON.
RON staat voor Research Octane Number, een gestandaardiseerde methode voor de bepaling van het octaangetal in een testmotor
11.4.4 Detonatie in dieselmotoren.
In tegenstelling tot de verbranding bij benzine motoren, waarbij de verbranding makkelijk te snel verloopt. Heb je bij dieselmotoren het
probleem dat de verbranding te langzaam op gang komt. Oplossing:
- De verbrandingsruimte een betere vorm geven.
- Minder koeling cilinder wordt warmer.
- De brandstofstraal op het gloeispiraal richten.
- Een betere brandstof gebruiken.
11.4.5 Cetaangetal.
De klopvastheid van dieselolie drukken we uit in het cetaangetal.
Het cetaangetal refereert aan cetaan (hexadecaan).
Dit is een koolwaterstof die zeer gemakkelijk tot
zelfontbranding komt onder druk en aanwezigheid van zuurstof. Daarom wordt cetaan gebruikt als
referentiebrandstof voor het bepalen van het
cetaangetal van dieselbrandstof als maat voor de zelfontbrandbaarheid. Het gedrag van de brandstof wordt vergeleken met het gedrag van cetaan.
Cetaangetal 100 betekent dat de brandstof zich gedraagt als 100% cetaan. Er hoeft echter geen
cetaan in de brandstof te zitten: het cetaangetal is een referentiewaarde die iets zegt over het gedrag van de brandstof.
19 Bij een mengselmotor vindt de ontsteking plaats na de compressie van lucht en brandstof.
De verbranding start vanaf het BDP en verspreidt zich via een vlamfront door de
verbrandingsruimte.
Detonatie geeft een te vroege verbranding.
Detonatie is te voorkomen door het octaangehalte van de brandstof te verhogen of door de
compressieverhouding te verlagen.
De brandstof wordt ingevoerd als de zuiger omlaag beweegt; daarbij heerst er in de verbrandingsruimte onderdruk.
20 Bij een dieselmotor vindt de inspuiting plaats na de compressie van lucht zonder brandstof. De verbranding start vanaf het BDP en verspreidt zich via een vlamfront door de verbrandingsruimte.
Detonatie geeft een te late verbranding. Detonatie is te voorkomen door het cetaangehalte van de
brandstof te verhogen of door de compressie- verhouding te verhogen.
De brandstof wordt ingevoerd als de zuiger omhoog is gekomen; daarbij heerst er in de verbrandingsruimte overdruk.
11.5 Het 2-slag en 4-slag principe.
Er zijn 2 systemen om complete verbranding cyclus te bewerkstelligen.
- Het 2-slag principe (2-takt in het Duits) en
- Het 4-slag principe (4-takt in het Duits)
11.5.1 De 2-slagmotor.
11.5.1 De 2-slagmotor.
11.5.2 De 4-slagmotor.
De 4 slagen van een 4-slagmotor.
32
32
De bobine.
Op de primaire “dikke” wikkeling wordt 12 V.
gezet. Doordat de (12 V.) spanning wegvalt
zal er door de snelle veldverandering een hoge zelfinductiespanning ontstaan.
Het toepassen van een condensator verhoogt de snelheid van het wegvallen van de spanning en zal de secundaire spanning nog hoger worden.
11.6.3 Het motormanagement.
Het motormanagement zorgt voor een efficiënte, schone verbranding van een motor.
De hoofdtaken van het motor management zijn:
1- Juiste hoeveelheid brandstof.
2- Het juiste ontstekingstijdstip.
Beide onder alle omstandigheden en ten alle tijden
Het motormanagement heeft ook secundaire taken:
1- De regeling van het stationaire toerental.
2- laaddrukvulling van een eventueel aanwezige drukvulgroep.
3- Het signaleren van beginnende detonatie.
Het motormanagement wordt gestuurd door sensoren zoals bv.:
- De hoeveelheid aangezogenlucht.
- De koelvloeistoftemperatuur.
- De rijsnelheid.
- De buitentemperatuur.
- Het motortoerental.
- De emissies.
- De positie van de zuigers
11.6.4 Verdeler- en
verdelerloze ontstekingssystemen.
Bij mengselmotoren zorgt het verdeler- of
verdelerloze systeem er voor dat de bougie op het juiste moment een vonk geeft.
Ontsteking met verdeler.
Een verdeler bestaat uit een huis en kap.
Op de kap zitten de aansluitingen voor de
bougies en één aansluiting van de bobine.
Meestal direct op de nokkenas gemonteerd.
Ontsteking zonder verdeler. (Verdelerloossysteem)
Een ontsteking zonder verdeler kan ook maar dan moet je voor elke bougie een bobine
hebben.
Als je een wasted spark-system gebruikt kan je met de helft van het aantal bobines toe.
De bougie geeft elke omwenteling één vonk.
Dus één vonk komt voor niets.
11.7 Rookgasanalyse bij mengselmotoren.
De schadelijke stoffen in de rookgassen worden gemeten d.m.v. rookgasanalyse.
De schadelijke stoffen zijn:
- Koolmonoxide (CO)
- Stikstofoxide (NOx) NO & NO2 - Koolwaterstof (HC) of CxHy
11.7 Rookgasanalyse bij mengselmotoren.
Koolmonoxide (CO) ontstaat door onvolledige verbranding dit ontstaat weer door slechte
menging van lucht en brandstof en een te kleine luchtovermaat.
Denk aan de verstuiver!
Koolmonoxide is dodelijk!!!
Luchtovermaat. (λ = lamda)
Luchtovermaat = Hoeveelheid toegevoerde lucht Benodigde lucht
11.7 Rookgasanalyse bij mengselmotoren.
Koolwaterstof (HC) of CxHy ontstaat door een te kleine en te grote luchtovermaat, slechte
verbranding, kwaliteit van de brandstof.
Door juiste afstelling kun je HC voorkomen.
HC’s zijn behoorlijk schadelijk voor de gezondheid.
11.7 Rookgasanalyse bij mengselmotoren.
Stikstofoxide (NOx) NO & NO2 deze
verbindingen geven de meeste problemen voor het milieu. Ze ontstaat door het oxideren van de stikstof (N) tijdens de verbranding. (NO)
De NO2 wordt gevormd na de verbranding bij lagere temperaturen. dus een grote
luchtovermaat (λ) zorgt voor meer NO2.
11.8 Reductie van schadelijke stoffen in de uitlaatgassen.
Bij benzine motoren.
Om uitlaatgassen te reinigen gebruiken we een driewegkatalysator. Hierin vinden 3 chemische reacties plaats. Dit vindt plaats bij hoge temp. en m.b.v. één of meerdere katalytische stoffen.
Er is ook een lambda sonde gemonteerd om de zuurstof O2 te meten in de uitlaatgassen.
Het motormanagement kan ingrijpen om de hoeveelheid zuurstof in de uitlaatgassen te regelen.
Bij dieselmotoren.
Meer vaste deeltjes, minder schadelijke gassen dan bij benzine motoren.
Toegepaste systemen:
- geregelde katalysatoren.
- oxidatiekatalysatoren.
- roetfilters.
- andere inspuittechnieken.
- uitlaatgasrecirculatie.
12 Brandstofsystemen en vermogen
.Het aangezogen of ingespoten mengsel is belangrijk voor een goede verbranding.
Maar ook vermogen, verbruik en het milieu zijn steeds belangrijker bij motoren.
12.2.1 Enkelpunts-inspuitsysteem.
Dit noemt men ook wel monopoint injection.
Eerst moet je een idee hebben wat er zoal voor onderdelen in een brandstofsysteem van een
benzinemotor zitten.
Dus: Eén verstuiver voor de hele motor!
12.2.1 Enkelpunts-inspuitsysteem.
De hoeveelheid brandstof wordt geregeld door het motormanagement systeem of door een
elektronische controle-unit (ECU).
12.2.1 Enkelpunts-inspuitsysteem.
Dit (ECU) systeem reageert op:
- inlaatdruk
- hoeveelheid zuurstof
- temp. van de inlaatlucht - stand van de gasklep
- temp van de omgevingslucht - temp. van het koelwater
- detonatie in de cilinder
- positie (stand) van de krukas
12.2.1 Enkelpunts-inspuitsysteem.
Voordelen: - Brandstof toevoer is zeer nauwkeurig te berekenen.
- Goedkoop systeem.
- Eenvoudige regeling.
12.2.2 Meerpunts-inspuitsysteem.
Een beter, maar natuurlijk, duurder systeem.
Voordelen: - Zuiniger - Schoner
Ook bij dit systeem een ECU
Dus: Elke cilinder heeft zijn eigen verstuiver!
12.2.3 LPG- of autogassysteem.
LPG (liquified Petroleum Gas) bestaat uit propaan (C3H8) en butaan (C4H10) .
Deze verbindingen zijn bij atmosferische
drukken gasvormig. Afhankelijk van de buiten temperatuur zit er meer of minder propaan in.
Dit i.v.m. de ontstekingskwaliteit.
Dus: Hoe kouder hoe meer propaan in de LPG
12.2.3 LPG- of autogassysteem.
Het LPG systeem lijkt sterk op het benzine
systeem. Je hebt wel met een nog brandbaarder product te maken en met een gastank die onder drukstaat (0,8 MPa of 8 bar).
12.3.1 De verstuiver.
12.3.1 De verstuiver.
Eéngatsverstuivertip. Meergatsverstuivertip.
12.3.1 De verstuiver.
De verstuiver zorgt voor de juiste inspuiting.
Qua inspuit richting (hoek) en verstuiving van de druppeltjes.
De verstuivertip slijt door de hoge druk van de brandstof en het vaak openen en dichtslaan van de verstuivernaald op de zitting.
De verstuiver moet dus regelmatig afgeperst (gestest) worden.
12.3.1 De verstuiver.
Bij het testen komen de “druppeltjes” brandstof met hoge snelheid uit de tip. Deze druppeltjes kunnen in de huid dringen en gasolie is
behoorlijk slecht voor je gezondheid.
12.3.1 De verstuiver.
12.3.2 Directe en indirecte brandstofinspuiting.
Het mengen van brandstof en lucht in een
dieselmotor gebeurd in de verbrandingsruimte.
Dit moet zo goed mogelijk gebeuren belangrijk daarbij zijn:
- de vorm van de verbrandingsruimte.
- de inspuitstraal (verneveling en lengte) - de aanwezige temperatuur.
12.3.2 Directe en indirecte brandstofinspuiting.
Er zijn zoals al eerder vermeld nog al wat verschillende vormen van zuigers om de
werveling en het mengen van lucht en brandstof zo goed mogelijk te laten verlopen.
De brandstof straal mag in ieder geval niet de cilinderwand raken deze wordt gekoeld, de
brandstof zou juist afkoelen i.p.v. opwarmen.
12.3.2 Diverse zuigers.
12.3.2 Directe en indirecte brandstofinspuiting.
Bij hoge toerentallen is er steeds mindertijd om brandstof en lucht goed te mengen. Om toch een goed mengsel te krijgen gebruikt men een
voorkamer of wervelkamer. Deze inspuiting heet dan ook indirecte inspuiting.
12.3.2 Directe en indirecte brandstofinspuiting.
12.3.3 Common rail-systeem.
In plaats van één brandstofpomp per verstuiver, gebruikt men in de moderne diesel techniek de common rail. Eén pomp met een leiding die
onder hoge druk staat 1850x105 Pa of 1850 bar.
Elke verstuiver heeft zijn eigen elektronisch
geregelde klep. Deze kleppen worden geregeld door het ECU en de EDU (Electronic Diagnostic Unit)
