Icon up Overzicht

Zuigermotoren 2: de viertaktmotor

Onderwerp:

De zogenaamde viertaktmotor is een verbrandingsmotor waarvan de cyclus, zoals de naam al zegt, uit vier slagen bestaat, waarbij elke slag een halve omwenteling betekent. Slechts één van die vier slagen zorgt voor de aandrijving van de zuiger in de cilinder, de andere drie slagen volbrengt de motor meestal op inertia, of doordat er meerdere cilinders parallel geschakeld zijn die uit fase lopen. De viertaktmotor is het type motor dat meestal gebruikt wordt voor de aandrijving van auto's. In onderstaande 3D-animatie wordt de werking van de motor preciezer uitgelegd.

De werking van de viertaktmotor op YouTube.

Zoals je in de animatie ziet, is een viertaktmotor een type zuigermotor, waarin een zuiger in een cilinder heen en weer bewogen wordt door de expansie van een gas (via een explosie) die via een aandrijfstang zijn lineaire beweging omzet in een rotatiebeweging van de krukas, die vervolgens gebruikt kan worden om nuttig werk te verrichten. De instroom en uitstroom van brandstof wordt geregeld door twee kleppen per cilinder. Een bougie, die een kleine vonk kan produceren, wordt gebruikt om de brandstof op het juiste moment tot ontploffing te brengen. Een overzicht van de belangrijkste onderdelen vind je in figuur 1.

Figuur 1: Schematisch overzicht van de onderdelen waaruit een viertaktmotor is opgebouwd.

De cyclus van de viertaktmotor, die uit vier slagen bestaat, ziet er als volgt uit:

  • 1. De inlaatslag. In deze slag is de inlaatklep geopend en de zuiger wordt teruggetrokken. Door de onderdruk die hierbij in de cilinder ontstaat, wordt de zuiger gevuld met brandstof. Dit is een isobaar proces, aangezien de druk niet verandert (zie ook hoofdstuk 1).
  • 2. De compressieslag. Zodra de zuiger weer terug de cilinder in beweegt, wordt de inlaatklep gesloten. Op die manier wordt het brandstofmengsel samengeperst, waardoor het veel simpeler tot ontploffing gebracht kan worden. In theorie is dit een adiabatisch proces, wat betekent dat er geen energie van de brandstof verloren gaat (in de praktijk is de cilinder niet perfect geisoleerd, dus dat gebeurt natuurlijk wel)..
  • 3. De aandrijfslag. Als de zuiger zich weer helemaal bovenin de cilinder bevindt (op het bovenste dode punt) genereert de bougie een vonk, waardoor het benzinemengsel ontploft. De druk in de cilinder loopt hierbij snel op, waardoor de zuiger naar buiten gedrukt wordt. Zie ook het filmpje hieronder. Deze slag kan genoeg energie opleveren om de krukas de andere drie slagen op inertia te laten draaien. Dit proces is niet volledig adiabatisch, aangezien er energie van de brandstof omgezet wordt in kinetische energie van de zuiger.
  • 4. De uitlaatslag. De producten van de verbranding van de brandstof, oftewel de uitlaatgassen, moeten via de uitlaatklep de cilinder weer verlaten. Daarom wordt, als de zuiger het onderste dode punt weer bereikt heeft, de uitlaatklep geopend. Als de zuiger weer de cilinder in beweegt worden de uitlaatgassen zo de cilinder uit geperst. In principe is dit weer een isobaar proces.

Proef waarmee de werking van de benzinemotor gedemonstreerd wordt. Op het moment dat het brandstofmengsel in de cilinder wordt aangestoken, ontbrandt het, waarbij de druk snel genoeg oploopt om de ‘zuiger’ (de kurk) weg te schieten.

In figuur 2 zie je naast de draaiende viertaktmotor het (p,V)-diagram van zo’n motor, waarin al deze processen duidelijk weergegeven zijn. Zoals in hoofdstuk 1 van deze serie uitgelegd werd, is de totale arbeid die de motor per cyclus kan leveren gelijk aan de oppervlakte die omsloten wordt door het pad in het (p,V)-diagram.

Figuur 2: Animatie van een draaiende viertaktmotor en het bijbehorende druk-volume-diagram. Op de x-as staat het volume van de cilinder, op de y-as de druk van de brandstof in de cilinder. De eenheden zijn arbitrair.

Overige onderdelen

Naast de onderdelen die in figuur 1 gegeven zijn, zijn er nog meer onderdelen die nodig zijn om een viertaktmotor draaiende te houden. Zo is er bijvoorbeeld de carburateur, die ervoor zorgt dat de brandstof, in het geval van een viertaktmotor meestal benzine, wordt verneveld en vermengt met lucht om vervolgens de cilinder binnen te treden. Dat is nodig om de benzine efficiënt tot ontploffing te brengen: voor die verbranding is zuurstof nodig, en in een fijne nevel is de brandstof goed met de lucht (en dus met zuurstof) vermengt, zodat het hele mengsel in één keer verbrandt.

In figuur 3 is schematisch de opbouw van de carburateur weergegeven. Kort gezegd bestaat de carburateur uit een vernauwing in buis waar lucht doorheen kan stromen. Als de lucht tijdens de inlaatslag door deze vernauwing moet passeren, gaat de stroomsnelheid logischerwijs omhoog (dat staat bekend als het 'venturi-effect'). In de vernauwing (die ook wel de 'venturi' genoemd wordt) is ook de benzine-inlaat aangebracht. Door de hogere stroomsnelheid wordt de benzine uit de benzine-inlaat aangezogen en verneveld in de lucht. De verhouding van het mengsel kan geregeld worden door het beperken van de lucht- of benzinetoevoer.

Figuur 3: Schematisch overzicht van de werking van de carburateur.

Een ander belangrijk deel is de zogenaamde nokkenas. Deze as, die op de krukas is aangesloten, regelt het openen en sluiten van de kleppen, zoals in figuur 4 te zien is. Als de nokkenas met de helft van de snelheid van de krukas ronddraait, komt elke nok eens per twee omwentelingen (dus eens per vier slagen) langs om de kleppen open te duwen. De momenten waarop de kleppen open zijn, valt dan te regelen via de positie van de nok.