De verbrandingsmotor is een cruciaal onderdeel van moderne voertuigen en machines. Elke motor levert een bepaald vermogen. In een verbrandingsmotor wordt dat vermogen geleverd door een combinatie van brandstof, zuurstof en de ontbrandingstemperatuur. Door elk van deze drie factoren te veranderen, verandert het vermogen van de motor. De motor is bij verbrandingsmotoren het hulpmiddel, de brandstof is de energiebron.
Een deel van de chemische energie wordt omgezet in nuttige energie. Er gaat ook een groot deel verloren in de vorm van warmte.
Animatie van een viertaktmotor.
De Basisprincipes van een Verbrandingsmotor
De werking van een verbrandingsmotor is gebaseerd op eenvoudige principes. In de cilinders vindt verbranding plaats van brandstof en zuurstof. De motor genereert energie om het achterwiel aan te drijven. In het motorblok wordt daarvoor een verbranding gecreëerd van een mengsel van brandstof en zuurstof. De zuurstof wordt uit de buitenlucht gehaald. De verbranding gaat gepaard met hoge druk en temperatuur.
De krachten die vrijkomen door de explosies in jouw blok worden omgezet in een draaiende beweging, waardoor jouw motor uiteindelijk kan rijden.
Lees ook: Fietsen met verbrandingsmotor versus elektrische fietsen: Een vergelijking
De Rol van Cilinders, Zuigers en Kleppen
De cilinders zijn het belangrijkste onderdeel van de verbrandingsmotor. Hier wordt het brandstof- en luchtmengsel verbrand. De zuigers, die zich in de cilinders bevinden, zijn verantwoordelijk voor het comprimeren van het brandstof- en luchtmengsel voordat het wordt ontstoken. De kleppen zijn verantwoordelijk voor het regelen van de brandstof- en luchtstroom in en uit de cilinders.
Er zijn twee soorten kleppen in een verbrandingsmotor: inlaatkleppen en uitlaatkleppen. De inlaatkleppen laten het brandstof- en luchtmengsel in de cilinders toe, terwijl de uitlaatkleppen ervoor zorgen dat de uitlaatgassen de cilinders verlaten.
De Viertaktmotor: Een Revolutie in de Techniek
Er zijn meerdere soorten verbrandingsmotoren. De meest bekende is de viertaktmotor die werd uitgevonden in 1876 door de Duitser Nikolaus August Otto. van 1867 tot 1876 werkte Nikolaus Otto samen met Gottlieb Daimler en Wilhelm Maybach verder aan de ontwikkeling van de gasverbrandingsmotor. Deze drie mannen hebben in die jaren het 'viertaktprincipe' ontwikkeld.
De term 'viertaktmotor' verwijst naar de vier draaibewegingen die worden gemaakt om de motor te doen werken. De energie komt van de verbranding van een hoogenergetisch mengsel van brandstof en lucht. Binnen de vier draaibewegingen wordt de verbrandingscyclus afgewisseld met een reinigings- of spoelcyclus waarin de afgewerkte gassen uit de cilinder worden geperst.
De Vier Slagen van een Viertaktmotor
De werking van een verbrandingsmotor:
Lees ook: Prototypes: Tesla en verbrandingsmotoren
- Slag 1 (inlaatslag): Lucht wordt in de cilinder gezogen.
- Slag 2 (compressieslag): De lucht wordt samengeperst.
- Slag 3 (arbeidsslag): Er komt een vonkje bij de lucht en brandstof en er ontstaat een kleine explosie (bij deze slag komt alleen energie vrij).
- Slag 4 (uitlaatslag): De verbrandingsstoffen worden afgevoerd.
1 Slag houdt in dat de zuiger zich verplaatst van het bovenste dode punt (BDP) naar het onderste dode punt (ODP).
Nog even over de werking van de viertakt benzinemotor:
- Inlaatslag: de zuiger beweegt van het bovenste dode punt (BDP) naar het onderste dode punt (ODP). De inlaatklep opent gelijktijdig met het naar beneden bewegen van de zuiger. Daarmee zuigt de zuiger lucht in de cilinder. De lucht is afkomstig van het inlaatspruitstuk en het luchtfilter. Afhankelijk van het type motor, wordt ook de brandstof door een injector ingespoten. Nadat de zuiger het ODP bereikt heeft, sluit de inlaatklep.
- Compressieslag: de inlaat- en uitlaatkleppen zijn gesloten en de zuiger beweegt naar het BDP.
- Arbeidsslag: een aantal graden voordat de zuiger het BDP heeft bereikt, geeft de bougie een vonk. Omdat benzine zeer explosief is en er voldoende zuurstof aanwezig is, vindt er een verbranding plaats. De kracht die daarbij vrijkomt, drukt de zuiger omlaag.
- Uitlaatslag: na de arbeidsslag heeft de zuiger het ODP bereikt. De uitlaatklep opent en de zuiger beweegt weer omhoog; de verbrandde gassen (uitlaatgas) wordt naar buiten gedrukt. Zodra de zuiger het BDP bereikt, sluit de uitlaatklep en opent de inlaatklep. De kleppen staan in deze situatie beide een klein beetje geopend; de snelheid waarmee de uitlaatgassen de cilinder uitstromen heeft effect op de binnenstromende lucht langs de inlaatklep. Er wordt dan al lucht naar binnen gezogen terwijl de zuiger nog niet naar het ODP beweegt. Dit wordt ook wel “klepoverlap” genoemd.
De animatie toont het vierslagproces van slechts één cilinder. In de autotechniek worden motoren vaak uitgerust met vier cilinders. Ook drie, vijf, zes en acht cilinders worden veelvuldig toegepast. Enkele fabrikanten passen ook tien, twaalf of zelfs zestien cilinders toe.
De Verbranding: Essentiële Elementen
De volgende elementen zijn nodig voor de verbranding:
- lucht
- brandstof
- en een vonkje
Met inwendige verbranding wordt bedoeld dat er een verbranding plaats vindt in een afgesloten ruimte.
Lees ook: De oorsprong van de auto
Onderdelen die Verbranding Omzetten in Beweging
De 4 onderdelen die er voor zorgen dat verbranding wordt omgezet in beweging zijn:
- de zuiger
- de drijfstang
- de krukas
- het vliegwiel
Met 2 van deze onderdelen wordt een rechte beweging omgezet in een draaiende, dat zijn de drijfstang en de krukas. Dit heet het krukasmechanisme.
De Geschiedenis van de Verbrandingsmotor
Eigenlijk was het principe achter de verbrandingsmotor al langer bekend. De oudste tot dusver teruggevonden vermelding stamt zelfs uit 1206 en staat in het 'Boek van kennis van ingenieuze mechanische apparaten' geschreven door de Arabische uitvinder Al-Jazari. Tijdens de Renaissance ontwierpen zowel Leonardo da Vinci als Christiaan Huygens een motor die werkte op buskruit. Ook de minder bekende Samuel Morland heeft zich veel met dit principe beziggehouden. Geen van deze wetenschappers kwam echter tot de bouw van een werkende motor.
De Zwitserse uitvinder François Isaac de Rivaz kwam in 1806 wél tot een motor die werkte. Als brandstof gebruikte hij een mengsel van waterstof en zuurstof. Een jaar later had hij om zijn motor al een houten auto gebouwd. In 1858 zette de Belgische uitvinder Étienne Lenoir (1822-1900) een volgende stap. Hij vond een zogeheten tweetaktmotor uit. Dat werd mogelijk doordat hij ook de bougie uitvond, het mechanisme dat in verbrandingsmotoren wordt gebruikt om de brandstof te ontsteken.
Niet veel later zetten anderen koers namelijk al koers naar de viertaktmotor, welke alles zou veranderen. Dat begon in 1862 toen de Franse ingenieur Alphonse Beau de Rochas als eerste het principe achter een viertaktmotor beschreef. Hierbij werd een mengsel van brandstof en lucht gecomprimeerd voordat het werd aangestoken. Tegelijkertijd maar onafhankelijk van De Rochas ontwikkelde de Duitse pionier Nikolaus August Otto (1832-1891) een op die van Lenoir geïnspireerde motor die werd aangedreven door gasoline.
In 1876 bereikt Otto tenslotte de definitieve doorbraak. Toen kwam hij tot de viertaktmotor die het prototype zou worden voor alle latere verbrandingsmotoren. Deze kwam bekend te staan als de ottomotor.
Gottlieb Daimler (1934-1900) was technisch directeur bij de fabriek van Otto in Deutz. In die functie hield hij zich bezig met het verder ontwikkelen van de viertaktmotor. In 1883 kreeg hij in die hoedanigheid een patent op de allereerste benzinemotor.
Ook Rudolf Diesel (1858-1913), een in Parijs geboren en getogen, maar in München afgestudeerde Duitse werktuigbouwkundige was erdoor gefascineerd. Hij wilde graag een verbrandingsmotor bouwen waarbij er geen vonk nodig was om te brandstof te ontsteken en dus ook geen bougies of ander ontstekingsmechanisme. Al in 1882 ging hij met dat idee aan de slag en deed hij veel experimenten. Bijna tien jaar later koste zijn droom hem bijna het leven, toen een prototype in zijn nabijheid ontplofte.
Zowel Otto als Diesel hadden motoren op de markt gebracht die de industrialisatie van kleinere bedrijven vooruit hielp. Dat was niet voor niks, want hun inspanningen brachten het gewenste effect teweeg. Een soort van tweede industriële revolutie brak aan, dit keer onder kleinschaliger fabrieken.
De dames Goldsmith in het Bois de Boulogne in 1897 in een voiturette.
De Turbo: Meer Vermogen bij Gelijkblijvende Cilinderinhoud
De werking van een turbo berust op het onder druk toevoegen van extra lucht aan de motor. Hierdoor neemt het vermogen toe (bij een gelijkblijvende cilinderinhoud) en kan de motor betere prestaties leveren. Willen we meer vermogen, dan zal er meer brandstof en zuurstof moeten worden aangevoerd. Dat vraagt om meer cilinderinhoud en dat maakt een motor groter, zwaarder en duurder. En juist dat is vandaag de dag niet wenselijk, gezien de strenge emissie-eisen, het hogere brandstofverbruik van een grotere motorinhoud en de hogere productiekosten.
De uitlaatgassen die uit de cilinder stromen, drijven het turbinewiel in de turbo aan. Dit turbinewiel is met een starre as gekoppeld aan een compressorwiel en drijft dit aan. Het draaiende compressorwiel zuigt lucht aan en perst die samen. Zodra de inlaatklep zich opent, stroomt de gecomprimeerde lucht de cilinder binnen.
Emissienormen en de Toekomst van de Verbrandingsmotor
Naarmate de zorg voor het milieu toeneemt, zijn emissienormen een belangrijk onderwerp geworden bij het ontwerp van verbrandingsmotoren. Emissienormen voor motorvoertuigen worden vastgesteld door overheden. Zij stellen grenzen aan de hoeveelheid verontreinigende stoffen die in de atmosfeer mogen vrijkomen.
De Europese Unie heeft een reeks emissienormen vastgesteld, de Euronormen. Deze normen beperken de hoeveelheid stikstofoxiden (NOx), koolwaterstoffen (HC), koolmonoxide (CO) en fijnstof (PM) die kunnen worden uitgestoten door verbrandingsmotoren. Sinds de invoering van de Euro-1-norm in 1999 is de uitstoot van deze verontreinigende stoffen met meer dan 80% verminderd.
De Europese Commissie heeft ook maatregelen gepresenteerd om de klimaatdoelstellingen in Europa haalbaar te maken. Zo is besloten dat alle nieuwe auto's die vanaf 2035 op de markt komen geen CO2 meer mogen uitstoten. Dit moet ervoor zorgen dat de vervoerssector tegen 2050 koolstofneutraal wordt.
Alternatieven: De Waterstof Verbrandingsmotor
Hoe werkt een waterstofauto? | Toekomstige technologie
We rijden tegenwoordig bijna allemaal op brandstof en accu’s in Nederland. Meer dan 95% van de Nederlanders rijdt op benzine of diesel en minder dan 5% rijdt elektrisch. Het zou zomaar eens kunnen dat een andere vorm van brandstof ook een stuk van deze taart pakt, namelijk het rijden op waterstof.
Een waterstof verbrandingsmotor werkt anders, hier zit namelijk geen brandstofcel in maar een verbrandingsmotor zoals wij hem kennen. Een waterstofmotor is een aangepaste versie van de traditionele brandstofmotor die we kennen van diesel- en benzineauto’s. In grote vormen blijft het verbrandingsproces dus hetzelfde wanneer je dit vergelijkt met een brandstofmotor.
Het waterstofgas wordt via een waterstoftank (waarin het met 700 par wordt samengedrukt) naar de waterstofmotor gestuurd. Hierin vormt zich een chemische reactie aan de hand van waterstofgas (H2) en zuurstof (O). Tijdens dit proces komt er energie vrij dat zorgt voor een op-en-neergaande beweging van de cilinders. Dit wordt via de krukas en aandrijflijn overgebracht naar de wielen van het voertuig waardoor de auto, bus of vrachtwagen kunt rijden.
Eigenschappen van een Waterstofmotor
Om de werkende principes van een waterstofmotor beter te begrijpen, zullen we kijken naar de eigenschappen ervan. We gaan in de diepte kijken hoe de lucht/ brandstof verhouding in elkaar ziet en hoe het ontstekingsproces werkt. Daarnaast bekijken we de dichtheid van het brandstof en de uitstoot die veroorzaakt wordt door een waterstofmotor.
Lucht/Brandstof Verhouding
De lucht/brandstof verhouding doelt op het ratio van zuurstof en de brandstof die in de cilinders tot ‘ontbranding’ komt. Bij benzinevoertuigen is het ratio 14,7 op 1, bij een waterstofverbrandingsmotor is dat 34 op 1 maar het gas kan nog steeds tot ontbranding komen bij 180 op 1. Zo zorgt de verbranding van een arm mengsel van 180 op 1 ervoor dat je de auto makkelijker kunt opstarten. Je hebt dus minder brandstof nodig om een koude motor op gang te laten komen. De keerzijde is dat een waterstofmotor minder hard op kunt trekken en over het algemeen een lagere topsnelheid heeft.
Ontsteking
Benzinemotoren hebben een vonk van 0,24mJ nodig om te zorgen voor ontsteking in de motor, bij waterstofmotoren is dit 0,02mJ. Je hebt dus een 12x krachtigere vonk nodig om een benzinemotor tot ontbranding te laten komen. De snelle ontbranding zorgt er ook voor dat wanneer de motor plotseling erg warm is, er zomaar een ontsteking plaats kan vinden.
Dichtheid
In een waterstof verbrandingsmotor is er sprake van een lucht/gas verhouding van 2,4 op 1. In een waterstofmotor zit er dus een verhouding van 29,4% waterstofgas en 70,6% voor zuurstof. Vergeleken met een benzinemotor waarbij slechts 2% van de ruimte wordt ingenomen door benzine, is dit zeer nadelig. Het betekent namelijk dat je veel meer waterstofgas mee moet nemen in de waterstof tank dan je benzine mee moet nemen in een brandstoftank.
Uitstoot
Waterstofgas zal in een waterstofmotor inderdaad geen koolstofmonoxide uitstoten, wat ze wel uitstoten is stikstof. De verbranding van waterstof vindt plaats in een atmosfeer waar stikstof en zuurstof is, deze produceren samen stikstofoxiden en uiteindelijk komt er stikstof vrij in de atmosfeer. Gelukkig is de hoeveelheid stikstof wat vrijkomt in een waterstof verbrandingsmotor 90% minder dan bij een traditionele benzinemotor.
Bedrijven die Vooroplopen in de Ontwikkeling
Op dit moment is de Duitse partij Keyou en het Japanse automerk Toyota het verst in de ontwikkeling van deze motor.
Keyou
Keyou heeft de meest efficiënte waterstofmotor ontwikkeld en zelfs recentelijk een 18 tons vrachtwagen geleverd aan het Duitse transportbedrijf Rheinkraft international. De vrachtwagen die Keyou heeft geleverd beschikt over een waterstofmotor met een vermogen van 210 kW en verbruikt ongeveer 7,5 kg waterstof per 100 kilometer.
Toyota
Vanaf het eind van het tweede decennium is de ontwikkeling begonnen en in 2021 racede ze met de Toyota Corolla over de circuits van Japan. Deze Toyota Corolla rijdt op een waterstof verbrandingsmotor en stoot hiermee geen CO2 uit. Toyota zet met de Corolla vol in op race- en autoliefhebbers die het gevoel willen hebben van een benzineauto, zonder deze te rijden.
Naar eigen zeggen zitten ze op 40% van de commercialisering en kan de Corolla voor de consument al in 2025 op de markt komen.
Voor- en Nadelen van de Waterstof Verbrandingsmotor
Voordelen
- Vermindering van de uitstoot van schadelijke stoffen.
- Behoud van rij-eigenschappen die vergelijkbaar zijn met traditionele benzinemotoren.
Nadelen
- Hoge prijs van waterstof.
- Gebruik van grijze waterstof (waterstof geproduceerd met fossiele brandstoffen).
Tweetaktmotor versus Viertaktmotor
Een automotor kan werken volgens het viertakt of tweetakt principe. Het grootste verschil tussen beide uitvoeringen is het aantal slagen per cyclus. Eén slag is de benaming voor het één keer naar beneden of omhoog gaan van de zuiger in de cilinder.
Bij een viertaktmotor bestaat één cyclus uit vier slagen. De eerste slag is de inlaatslag. De zuiger beweegt naar beneden en er zal lucht en brandstof in de cilinder stromen. De zuiger gaat vervolgens weer omhoog en bouwt daarbij druk op. Eenmaal boven zal een vonk van de bougie zorgen voor de ontbranding van het brandstofmengsel. Daardoor zal de zuiger weer naar beneden bewegen. Ten slotte zal de zuiger weer omhoog gaan wat wordt aangeduid als de uitlaatslag. Tijdens deze vierde en laatste slag zal de zuiger namelijk de uitlaatgassen via de uitlaatkleppen uit de cilinder drukken.
Bij een tweetaktmotor bestaat één cyclus uit slechts twee slagen. De eerste slag is de compressieslag. Aan het einde van deze slag zal het brandstofmengsel ontbranden door de hoge opgebouwde druk. Tijdens de tweede slag zal de zuiger naar beneden worden gedrukt door de ontbranding. Tijdens deze slag zal ook de uitlaat geopend worden waardoor de uitlaatgassen uit de cilinder worden gedreven.
Hieronder een tabel met de voor- en nadelen van de tweetaktmotor en de viertaktmotor:
| Eigenschap | Tweetaktmotor | Viertaktmotor |
|---|---|---|
| Brandstofverbruik | Hoog | Laag |
| Gewicht | Licht | Zwaar |
| Milieubelasting | Hoog (verbrande olie in uitlaatgassen) | Laag |
| Duurzaamheid | Laag (snellere slijtage door hoog toerental) | Hoog |
| Kracht | Meer kracht | Minder kracht |
| Kosten | Lager | Hoger |
Levensduur van een Automotor
Veel auto’s worden afgeschreven wanneer de motor kapot gaat. Vervanging is namelijk vaak te kostbaar. Maar hoe lang gaat een automotor eigenlijk mee? Dat zal verschillen per type motor, de rijstijl van de gebruikers, het onderhoud en het merk. Globaal kan worden gesteld dat een benzinemotor gemiddeld 300.000 kilometer mee gaat. Dit vrij grote verschil ontstaat door de constructieverschillen tussen beide type motoren. Dieselmotoren werken namelijk met hogere drukken en zodoende met sterkere onderdelen.
Ongeacht het type motor, is ook de rijstijl een belangrijke factor. Zo is het rijden van veel korte afstanden, niet bevorderlijk voor de automotor. Wanneer een auto snelheid moet maken zal het namelijk harder moeten werken dan wanneer de auto al op snelheid is. Daarnaast zal tijdens langere afstanden en hogere snelheden, de motor heter worden.
Motor Spoelen en Flushen
Op den duur kan een verbrandingsmotor te maken krijgen met vuilophopingen. Vaak gaat het daarbij om een combinatie van vet, stof en andere vervuilingen. Door deze aanslag kan de motor minder goed gaan werken.
Motor Spoelen
Tijdens het spoelen van een automotor wordt water onder druk door het motorblok gespoeld om verontreinigingen weg te spoelen. Vervolgens dient een geschikt motorreinigingsmiddel op alle oppervlakken van de motor te worden aangebracht. Na de inwerkperiode, kan de motor grondig worden afgespoeld met water om het reinigingsmiddel en het vuil weg te spoelen. Het is van groot belang dat tijdens het spoelen van de motor, de gevoelige onderdelen goed worden afgedekt.
Motor Flushen
Het flushen van een motor, ook wel motorflush genoemd, is een reinigingsproces waarbij een speciaal reinigingsmiddel aan de motorolie wordt toegevoegd om opgehoopte vuil- en koolstofafzettingen, slib en andere onzuiverheden uit de motor te verwijderen.