De verbrandingsmotor is niet van de ene op de andere dag uitgevonden, maar voor het gemak houden we het erop 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.
Viertaktmotoren werken op basis van vier zogeheten slagen. De zuiger gaat in de cilinder op en neer en elk van deze bewegingen is een slag. 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.
Auto’s hebben vrijwel zonder uitzondering twee cilinders of meer. 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.
Verschillende soorten verbrandingsmotoren
Afhankelijk van het model en de fabrikant zijn er verschillende soorten verbrandingsmotoren in auto’s te vinden. Naast de motortypen die vaak in de autofabricage worden gebruikt, zoals lijnmotoren en V-motoren, zijn er ook enkele exotische types.
Lijnmotoren
Lijnmotoren behoren tot de meest voorkomende motoren in auto’s. Bij dit type motor staan alle cilinders van de motor achter elkaar in een rij. Elke lijnmotor heeft één cilinderbank, hoewel het aantal cilinders kan variëren. Dit type motor wordt in auto’s gebruikt als diesel- en benzinemotor. In-line motoren met vier, vijf of maximaal acht cilinders zijn door de hele geschiedenis van de auto gebruikt. De nieuwste ontwikkeling zijn concepten met drie cilinders in serie en turbo-oplading. Deze motoren worden beschouwd als bijzonder efficiënt en brandstofbesparend.
Lees ook: Motorrijden op een B-rijbewijs: wat mag wel en niet?
Lange tijd werd de viercilinder lijnmotor beschouwd als de standaard voor personenwagens. Door zijn ontwerp is de totale lengte van dit type motor met vier cilinders bijzonder kort. Afhankelijk van het voertuigmodel en het aandrijfsysteem kan zo’n motorblok gemakkelijk in de lengterichting of dwars op de rijrichting worden ingebouwd. Het is dan ook niet verwonderlijk dat dit populaire motorontwerp voortdurend verder is ontwikkeld. In lijnmotoren met meerdere nokkenassen in de cilinderkop en geoptimaliseerde brandstofinspuiting zijn tegenwoordig zelfs in kleine auto’s te vinden.
De voordelen van viercilinder-in-lijnmotoren zijn hun eenvoudige ontwerp en het feit dat ze zo goedkoop te produceren zijn. Een lijnmotor met veel cilinders kan daarentegen gevoelig zijn voor trillingen en schommelingen in de krukas.
Boxermotoren
Een boxermotor is een vorm van verbrandingsmotor waarbij de cilinders onder een hoek van 180 graden zijn geplaatst. Boxermotoren worden gebruikt met verschillende aantallen cilinders in personenauto’s en motorfietsen. De viercilinder boxermotor werd lange tijd gebruikt door Volkswagen, bijvoorbeeld in het succesvolle model VW Kever. De sportwagenfabrikant Porsche gebruikt traditioneel boxermotoren met zes cilinders. Boxermotoren zijn meestal te vinden als benzinemotor, maar er bestaan ook dieselmotoren.
Een van de grote voordelen van de boxer als benzinemotor is de soepelere motorloop, gecombineerd met een grotere souplesse. De nadelen zijn de gecompliceerdere productie en de daarmee samenhangende productiekosten en het grotere ruimtebeslag. Boxermotoren met twee cilinders worden vaak gebruikt als motorfiets boxermotor. Hier bieden de twee cilinders die aan de zijkant uitsteken veel voordelen, zoals goede koeling door de luchtstroom. De tweecilinder boxermotor werd in het verleden echter ook gebruikt in de auto-industrie.
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. 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).
Lees ook: Complete gids motorvervanging
V-Motoren
V-motoren zijn motoren met twee afzonderlijk geplaatste cilinderbanken. De twee cilinderbanken vormen visueel de letter V door hun hellingshoek, waar de naam van deze motoren vandaan komt. In auto’s zijn V-motoren meestal te vinden als V6-varianten met zes cilinders of als V8-motoren met acht cilinders. In het verleden waren er ook V4-motoren met slechts twee cilinders per cilinderbank.
Naast lijnmotoren is de V-motor een van de meest voorkomende ontwerpen in de autotechniek. Bij dit ontwerp zijn de zuigers van beide cilinderbanken via drijfstangen verbonden met een gemeenschappelijke krukas. De hellingshoek van de V-motor kan variëren afhankelijk van het motormodel en kan oplopen tot 180 graden. Bij V8- en V6-motoren in personenauto’s is de hellingshoek meestal kleiner. Dit resulteert in het klassieke V-vormige uiterlijk met de twee karakteristieke cilinderbanken. Elke cilinderbank heeft zijn eigen cilinderkop met afzonderlijke nokkenas en kleppen. Dit maakt de productie duurder en het onderhoud van de V-motoren niet onaanzienlijk moeilijker. Bovendien is de bediening van de nokkenassen in de twee cilinderkoppen gecompliceerder.
Een ander nadeel van de V-motoren is de gecompliceerdere routing van het uitlaatsysteem met twee uitlaatspruitstukken en de complexere motorkoeling. De krukas en het carter vormen ook speciale ontwerpuitdagingen. Bovendien moeten veel onderdelen worden gedupliceerd vanwege het motorontwerp. Vergeleken met de lijnmotor maakt de V-motor het echter mogelijk om veel cilinders in een korter ontwerp te plaatsen.
VR-Motoren
De zogenaamde VR-motor is een speciaal type motor. Het combineert de ontwerpkenmerken van de V-motor en de lijnmotor. VR-motoren hebben slechts één cilinderbank, waarin verschillende cilinders tegenover elkaar zijn geplaatst. Drijfstangen verbinden de zuigers met de krukas via afzonderlijke krukpennen. Een VR-motor heeft één cilinderkop waarin de nokkenassen en kleppen voor alle cilinders zitten. VR-motoren worden door verschillende fabrikanten gebruikt in personenwagens. Het bekendste voorbeeld is de VR6-motor van Volkswagen, die onder andere in de VW Passat wordt gebruikt. De hoek van de cilinders ten opzichte van elkaar is bij deze motoren kleiner dan bij de klassieke V-motor. Het ontwerp en de productie van deze motor worden als ingewikkelder beschouwd.
W-Motoren
Lange tijd stond de aanduiding W-motor voor motorvarianten met drie cilinderbanken. De Volkswagen Groep nam de term over rond de eeuwwisseling. Vanaf dat moment noemde VW zijn nieuw ontwikkelde motoren met meerdere VR-cilinderbanken en een gemeenschappelijke krukas W-motoren. Het concept maakte het mogelijk om acht of twaalf zuigers in een kleine ruimte onder te brengen. Strikt genomen is de W-motor van de Volkswagen Groep een dubbele VR-motor. Hiervoor plaatsten de ontwerpers van VW twee VR-cilinderbanken onder dezelfde hoek als in een V-motor. De achtcilinder W-motor in de VW Passat bestaat uit twee VR4-cilinderbanken. Volkswagen ontwikkelde ook een twaalfcilinder W-motor voor de VW Phaeton. Dit model is op zijn beurt gebaseerd op twee cilinderbanken van de VR6-motoren.
Lees ook: Motorrijbewijs halen: wat je moet weten
Rotatie- of Wankelmotoren
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.
Ter aanvulling bestaan ook nog exotische opstellingen zoals bij radiaalmotoren en H-motoren.
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.
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. 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. Voor de goede orde: in het geval van het plaatje ligt de nokkenas bóven de cilinder, maar onderliggende nokkenassen worden eveneens gebruikt.
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.
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. 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.
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.
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.
Uiteraard hebben we in dit verhaal een heel basale weergave van de werking van verbrandingsmotoren proberen te schetsen.
De Turbo: Meer Vermogen uit een Kleinere Motor
Een turbo, of turbolader, is een slim stukje techniek dat de prestaties van een verbrandingsmotor aanzienlijk verbetert. Door extra lucht in de cilinders te persen, wordt de verbranding krachtiger en levert de motor meer vermogen zonder dat de cilinderinhoud hoeft toe te nemen. Dit betekent snellere acceleraties, een hoger koppel en in veel gevallen zelfs een efficiënter brandstofverbruik. Geen wonder dat turbo’s tegenwoordig in bijna elke moderne auto te vinden zijn, van compacte stadsauto’s tot high-performance sportwagens. Maar hoe werkt een turbo precies, wat zijn de voordelen en waar moet je op letten om hem in topconditie te houden?
De turbo werd oorspronkelijk ontwikkeld voor vliegtuigmotoren in het begin van de 20e eeuw om op grote hoogte voldoende vermogen te behouden. In de jaren '60 en '70 vond de turbo zijn weg naar de autosport en later naar productievoertuigen, voornamelijk om de prestaties te verbeteren.
Een turbo bestaat uit twee hoofdcomponenten: een turbine en een compressor. De turbine wordt aangedreven door de uitlaatgassen van de motor, waardoor het turbinewiel gaat draaien. Dit wiel is verbonden met een as die het compressorwiel aandrijft. De compressor zuigt lucht van buiten aan en perst deze samen, waardoor meer lucht (en dus zuurstof) in de cilinders komt.
HOE Werkt Een TURBO? - UITLEG
Zowel turbo's als compressors (supercharger) verhogen de hoeveelheid lucht die de motor binnenkomt, maar ze verschillen in aandrijving. Een turbo wordt aangedreven door uitlaatgassen, terwijl een compressor mechanisch wordt aangedreven door de motor zelf, bijvoorbeeld via een riem. Hierdoor kan een compressor direct vermogen leveren zonder vertraging, maar het kost ook motorkracht om de compressor aan te drijven.
Variabele turbo's, of turbo's met variabele geometrie, hebben verstelbare schoepen in de turbine. Deze schoepen kunnen de stroming van uitlaatgassen aanpassen, waardoor de efficiëntie van de turbo over een breder toerenbereik wordt geoptimaliseerd.
Sommige motoren gebruiken meerdere turbo's om de prestaties verder te verbeteren. Bijvoorbeeld, een bi-turbo configuratie heeft twee turbo's die parallel werken, terwijl een twin-scroll turbo een enkele behuizing heeft met twee gescheiden inlaatkanalen voor de uitlaatgassen, wat de efficiëntie verbetert. Deze configuraties helpen om het turbogat te verminderen en zorgen voor een soepelere vermogensafgifte over het gehele toerenbereik. Een recente BMW 750d heeft zelfs 4 turbo's op een 3 liter 6 cilinder motor gebouwd om tot 400 pk en een koppel van 760 Nm te komen.
Turbogat, of "turbolag", is de vertraging tussen het moment dat de bestuurder het gaspedaal indrukt en het moment dat de turbo voldoende druk opbouwt om extra vermogen te leveren. Dit komt doordat de turbo tijd nodig heeft om op snelheid te komen en voldoende druk op te bouwen. Moderne auto's maken steeds vaker gebruik van turbo's om kleinere motoren te voorzien van voldoende vermogen, een proces dat bekend staat als "downsizing". Door een kleinere motor met een turbo te combineren, kan vergelijkbaar vermogen worden bereikt als bij een grotere motor, maar met een lager brandstofverbruik en minder uitstoot.
Een turbo geeft een motor meer lucht. Hij voert de benodigde lucht onder (over)druk aan, waardoor de motor meer zuurstof krijgt en er meer brandstof volledig kan verbranden. Een turbo wordt aangedreven door uitlaatgassen en daarom noemen we hem ook wel ‘uitlaatgasturbo’. Een kleinere motor mét een turbo kan dus vergelijkbare prestaties leveren als een grote motor zónder turbo. Vergelijk een turbo met een waterrad. Als je het water vervangt door uitlaatgassen, zie je de uitlaatgasstroom een turbinewiel aandrijven. Dit wiel is via een as verbonden met het compressorwiel. Dit wiel drukt verse lucht het inlaatsysteem in.
De turbo heeft wat tijd nodig om op toeren te komen. Hij werkt pas goed als er voldoende uitlaatgasstroom is. Deze reactietijd noemen we het turbogat. Belangrijk voor een goede werking van de turbo is een goede smering van de turbo-as, die zo’n 220.000 toeren per minuut maakt. Zorg dus voor goed onderhoud en gebruik altijd de voorgeschreven motorolie.
Een defecte turbo valt vaak te herkennen aan overmatig veel rook uit de uitlaat. Ook wanneer de motorprestaties opvallend minder zijn, is dat een indicatie van een turbogebrek. Dat geldt ook voor fluitende bijgeluiden. Bij normaal gebruik en onderhoud mag je van de turbo verwachten dat deze ten minste 10 jaar of 150.000 km meegaat. Maar in veel gevallen gaat een turbo ook gerust een autoleven lang mee. Let op, vaak gaat de turbo kapot vanwege een onderliggend probleem.
Tips om je Turbo in Topconditie te Houden
- Regelmatig onderhoud: Zorg voor tijdige olieverversingen en gebruik de juiste olie om de turbo goed gesmeerd en schoon te houden.
- Motor opwarmen: Laat de motor na het starten even op temperatuur komen voordat u hard gaat rijden, zodat de olie de juiste viscositeit bereikt.
- Koel afrijden: Laat de motor na een intensieve rit even stationair draaien voordat u deze uitschakelt, zodat de turbo kan afkoelen en olieverstopping wordt voorkomen.
- Gebruik kwaliteitsbrandstof: Dit vermindert de kans op koolstofafzettingen die de turbo kunnen beschadigen.
Veelgestelde Vragen over Turbo's
- Kan een turbo in elke auto worden ingebouwd? In theorie kan een turbo in veel auto's worden ingebouwd, maar dit vereist aanzienlijke aanpassingen aan de motor en het koelsysteem. Dit is niet altijd praktisch of kosteneffectief.
- Verhoogt een turbo het brandstofverbruik? Een turbo kan het brandstofverbruik verhogen als het extra vermogen continu wordt benut. Echter, bij normaal rijgedrag kan een turbo juist bijdragen aan een efficiëntere verbranding en dus zuiniger rijden.
- Hebben turbo's extra onderhoud nodig? Turbo’s vereisen geen specifiek extra onderhoud, maar het is essentieel om regelmatig de olie te verversen en een kwalitatieve motorolie te gebruiken. Dit helpt slijtage en schade aan de turbo te voorkomen.
- Wat zijn de tekenen van een defecte turbo? Symptomen van een defecte turbo kunnen zijn: vermogensverlies, overmatig rook uit de uitlaat (blauw of zwart), een fluitend of gierend geluid bij accelereren, verhoogd olieverbruik en foutmeldingen op het dashboard.
- Hoe lang gaat een turbo mee? De levensduur van een turbo hangt af van het onderhoud en rijgedrag, maar gemiddeld kan een turbo tussen de 150.000 en 250.000 kilometer meegaan.
| Motortype | Voordelen | Nadelen | Toepassingen |
|---|---|---|---|
| Lijnmotor | Eenvoudig ontwerp, goedkoop te produceren | Gevoelig voor trillingen bij veel cilinders | Diesel- en benzinemotoren in auto's |
| Boxermotor | Soepelere motorloop, grotere souplesse | Gecompliceerde productie, groter ruimtebeslag | Personenauto's en motorfietsen |
| V-Motor | Korter ontwerp voor veel cilinders | Duurdere productie, complexer onderhoud | V6- en V8-motoren in auto's |
| VR-Motor | Combineert kenmerken van V- en lijnmotor | Ingewikkelder ontwerp en productie | VW Passat (VR6-motor) |
| W-Motor | Compact ontwerp voor veel cilinders | Complexe constructie | VW Phaeton (W12-motor) |