DE VERBR ANDINGSMOTOR
GaragastenEncyclopedie
Stomend op weg
T
ijd. Dat had je 150 jaar geleden nodig als je van de ene stad naar de andere wou reizen. Toen ging je immers te voet of met paard en kar. Met zo’n kar sjokte je dan langzaam over hobbelige wegen. En dat dagenlang. Geen wonder dus dat slimme technici een voertuig probeerden te ontwerpen dat een pak sneller kon rijden dan een paardenkar. Maar zonder paarden stonden ze voor een groot probleem: waar haalden ze de kracht vandaan om hun voertuig voort te bewegen? De oplossing is een motor: een machine die een energiebron (zoals gas, olie of stoom) omzet in beweging.
regelmatig worden bijgevuld met steenkool en water. Niet echt handig dus, en de zoektocht naar een bruikbare motor duurde voort. Tot iemand, bijna een eeuw later, op het idee kwam om een andere energiebron te kiezen. Stoom werd vervangen door gas en daarmee was de verbrandingsmotor
De allereerste kar met motor werd al in 1770 gebouwd en had een stoommotor. Nu weet je vast wel dat je vuur nodig hebt om stoom te produceren. In de stoommotor moest dat vuur om het kwartier opnieuw worden aangestoken. Bovendien moest de machine De eerste wagen aangedreven met een motor, gebouwd door de Fransman Cugnot in 1770
2
GaragastenEncyclopedie
geboren: een revolutionaire krachtbron. En hey, wist je dat de allereerste verbrandingsmotor door een Belg gebouwd werd? Jawel, in 1859 maakte Etienne Lenoir een motor die op steenkoolgas liep. Zijn ontwerp was niet meteen een geweldig succes, want zijn eerste wagentje had drie uur nodig om elf kilometer te rijden. Eigenlijk kon Lenoir dus net zo goed te voet gaan. Maar zijn motor was wel het begin van een nieuw tijdperk. Duitse uitvinders hebben zijn ontwerp verbeterd en in 1876 veranderde Nikolaus Otto nog maar eens van energiebron. Hij bouwde een motor die op benzine liep en vandaag gebruiken we die nog altijd: de viertaktmotor.
DE VERBRANDINGSMOTOR
De eerste auto met een benzinemotor, gebouwd door Carl Benz in 1885
Toch was het rendement van de benzinemotor in die tijd erg laag. Je had dus heel veel benzine nodig om niet eens erg ver te rijden. Daarom sleutelde de Duitse ingenieur Rudolf Diesel aan een veel efficiëntere verbrandingsmotor. In 1892 stelde hij de dieselmotor voor, die later vooral gebruikt werd in zware voertuigen zoals vrachtwagens en tanks. In de loop der jaren is er flink aan beide motoren gesleuteld en nu gebruiken we ze dus nog altijd. Ook al lijken onze auto’s allang niet meer op een driewieler.
Andere bollebozen sleutelden ijverig verder en in 1885 stelde Carl Benz trots zijn eerste wagen met benzinemotor voor: een driewieler die meer op een koets leek dan op een auto. Maar 15 jaar later al bouwde Gottlieb Daimler een auto die bijna 40 km/u kon halen. De wagen werd genoemd naar de dochter van de rijke zakenman die de auto besteld had: Mercedes. En die naam doet vast een belletje rinkelen. Nu weet je meteen hoe dat beroemde automerk aan z’n naam komt.
3
De motor slaat zijn slag
D
e naam verraadt het al: een verbrandingsmotor haalt zijn energie uit de verbranding van brandstof. Die brandstof (benzine of diesel) wordt tot ontbranding gebracht en de kracht die daarbij vrijkomt doet de wielen van de auto draaien. Ziezo, tot zover het hoofdstuk over de werking van de verbrandingsmotor.
Of nee, toch niet. Een echte Garagast als jij is nu pas echt nieuwsgierig geworden. Daarom lees je op de volgende pagina’s precies hoe een viertaktmotor werkt. Als voorbeeld nemen we een benzinemotor. Dieselmotoren zitten ietsjes anders in elkaar. Meer uitleg daarover vind je aan het eind van dit artikel. Wat hebben we nodig om een viertaktmotor te laten werken? Een afgesloten kamer, brandstof, zuurstof en een vonk. De afgesloten kamer noemen we de cilinder, de brandstof is benzine, zuurstof wordt uit de lucht gehaald en de vonk wordt gemaakt door de bougie. Een viertaktmotor werkt in vier stappen, die ‘slagen’ of ‘takten’ genoemd worden (yep, vandaar de naam). Na de vierde stap begint het hele proces weer bij stap 1, en dat telkens opnieuw zolang de motor draait. Zo’n viertaktmotor wordt trouwens ook ottomotor genoemd, naar Nikolaus Otto, de Duitse uitvinder ervan. Maar die had je vast al op de vorige pagina ontmoet.
Cilinder
Een automotor heeft verschillende cilinders, meestal zijn dat er vier of zes. De cilinderinhoud van een verbrandingsmotor geeft aan hoeveel gas (het mengsel van benzine en lucht) in de cilinders kan worden verbrand. Dus hoe hoger de cilinderinhoud, hoe krachtiger de motor. Die inhoud wordt meestal aangegeven in kubieke centimeter (afgekort tot cc) voor brommers en motoren. Voor grotere motoren zoals in auto’s wordt gerekend in liter (1000 cc = 1 liter).
4
GaragastenEncyclopedie
DE VERBRANDINGSMOTOR
Kleppen
De inlaatkleppen openen op het juiste moment om het mengsel van benzine en lucht in de cilinder te laten stromen. De uitlaatkleppen openen zich om het verbrande mengsel te laten ontsnappen. Het aantal kleppen per cilinder kan verschillen van motor tot motor, maar vandaag hebben de meeste motoren vier kleppen: twee voor de inlaat en twee voor de uitlaat.

Zuiger
Een zuiger is een ronde schijf die eigenlijk de bodem vormt. Ze beweegt in de cilinder op en neer. Rondom de zuiger zitten zuigerveren die ervoor zorgen dat er geen gas naar onderen kan ontsnappen.
5
Slag 1: de inlaatslag
Slag 2: de compressieslag
De zuiger gaat omlaag en de inlaatklep gaat open. Het mengsel van benzine en lucht wordt naar binnen gezogen. Als de zuiger op z’n laagste punt staat, sluit de inlaatklep. Omdat de uitlaatklep ook dicht is, vormt de cilinder een netjes afgesloten ruimte.
De zuiger beweegt naar boven en perst het brandstofmengsel samen. Hierbij ontstaat een heel hoge druk. Als de zuiger op z’n hoogste punt staat, geeft de bougie een vonk af.
1
2 Bougie
De bougie of ontstekingskaars is een belangrijk onderdeel van een benzinemotor. De bougie levert immers de vonk die het brandstofmengsel in de cilinder ontsteekt.
Drijfstang
Onderaan de zuiger zit de drijfstang. Die vormt de verbinding tussen de zuiger en de krukas. Ze zet de op- en neergaande beweging van de zuiger om in een draaibeweging van de krukas.
Krukas
Een krukas is een ronde staaf met daarop één of meerdere uitsteeksels (krukken) die via een drijfstang in verbinding staan met de bewegende zuigers.
6
GaragastenEncyclopedie
DE VERBRANDINGSMOTOR
Slag 3: de arbeidsslag
Slag 4: de uitlaatslag
3
4
Door de vonk van de bougie ontbrandt het brandstofmengsel. Daardoor wordt de zuiger met veel kracht omlaag geduwd en dat levert de energie op die de auto doet rijden. Als de zuiger helemaal onderaan gekomen is, opent de uitlaatklep zich.
De zuiger gaat weer omhoog en duwt de uitlaatgassen via de uitlaatklep naar buiten. De verbrandingsgassen komen dan langs de katalysator en door de uitlaatpijp in de buitenlucht terecht. Als de zuiger z’n hoogste punt bereikt, gaat de uitlaatklep weer dicht. De vier stappen van het verbrandingsproces zijn voltooid.
En een dieselmotor?
Omdat een motor meestal vier (of meer) cilinders heeft, is er altijd ééntje die zich in de derde slag (de arbeidsslag) bevindt. In die slag doet de cilinder de krukas draaien, waardoor ook de zuigers van de andere cilinders naar boven of naar beneden gaan bewegen. En op die manier wisselen de slagen zich in de vier cilinders mooi af, dankzij de krukas.
Een dieselmotor werkt op bijna dezelfde manier als een benzinemotor, maar gebruikt een zwaardere brandstof. De inlaatklep laat ook alleen maar lucht toe. De brandstof wordt aan het einde van de tweede slag in de cilinder gespoten. Een dieselmotor heeft trouwens geen bougie nodig, omdat de hoge druk in de cilinder de lucht zo heet maakt dat de brandstof vanzelf ontvlamt.
7
Luchtverfrisser onder de auto
E
en verbrandingsmotor verbrandt benzine of diesel. Op de vorige pagina’s kon je al lezen hoe de verbrandingsgassen van een motor via de uitlaat in de lucht worden geblazen. Als je ooit ’s per ongeluk wat rook van een vuurtje hebt ingeademd, weet je perfect dat zulke rook vreselijk irritant en ongezond is. Je kan je dus wel voorstellen dat de honderdduizenden auto’s op onze wegen samen voor flink wat luchtvervuiling zorgen. Gelukkig worden de uitlaatgassen van al die auto’s niet zomaar in de buitenlucht vrijgelaten. Autobouwers zoeken immers voortdurend naar manieren om de uitstoot van schadelijke gassen te verminderen. Zuinigere motoren bouwen, is zo’n manier. Maar je zou de uitlaatgassen natuurlijk ook kunnen zuiveren voor je ze de lucht in blaast. En dat is precies wat een katalysator doet. Hij haalt de meeste schadelijke stoffen uit de uitlaatgassen en houdt onze lucht op die manier een pak zuiverder.
De uitlaatpijp van een auto ken je. Als je een auto van achteren bekijkt, zie je het einde van die pijp immers onderaan uitsteken. Die pijp loopt onder de auto door en verdwijnt in het motorblok. Daar is ze aangesloten op de uitlaatkleppen van de cilinders zodat ze de verbrandingsgassen kan afvoeren. Vlak bij die motor loopt de pijp door een metalen bak, ongeveer zo groot als een schoendoos. Dat is de katalysator.
8
GaragastenEncyclopedie
Maar hoe werkt zo’n katalysator nu eigenlijk? Om dat te begrijpen, moet je wel iets over scheikunde weten. Bijvoorbeeld dat sommige materialen met elkaar reageren als je ze samenbrengt. Dat noem je dan een scheikundige reactie. Doe maar ’s een schep suiker in een glas limonade, dan zie je meteen wat er bedoeld wordt. De suiker en de limonade werken immers zo op elkaar in dat de limonade geweldig begint te schuimen. Een stof die zo’n scheikundige reactie nog versnelt, wordt met een moeilijk woord katalysator genoemd. Eigenlijk verwijst dat woord dus naar een scheikundige stof, maar intussen wordt met ‘katalysator’ het hele apparaat bedoeld.
DE VERBRANDINGSMOTOR
Als het uitlaatgas door de kanaaltjes van de katalysator gejaagd wordt, zorgen die edelmetalen ervoor dat het uitlaatgas in minder schadelijke gassen verandert, zoals in waterdamp. Vandaar de witte pluim die je kan zien als de motor nog eerder koud staat. Verdraaid slim ding dus, die katalysator.
En bij dieselwagens?
Een katalysator is een groot blok met heel veel kanaaltjes. Die zijn aan de binnenkant bedekt met edelmetalen, dat zijn metalen die niet roesten. Goud en zilver ken je vast wel. Dat zijn edelmetalen waar we dure ringen of kettinkjes mee maken. Voor de auto gebruiken we andere edelmetalen: platina of palladium.
Tegenwoordig hebben zowel benzinewagens als dieselwagens een katalysator. Auto’s met een dieselmotor krijgen vaak nog een ander zuiveringsmechanisme ingebouwd. Dat komt omdat dieselwagens andere schadelijke stoffen produceren. Ze jagen superfijn stof en roet de lucht in. Daarom krijgen dieselwagens ook een roetfilter.
9
Wat je allemaal met een motor kan
E
en motor zorgt voor beweging. Eigenlijk kan je dus voor alle bewegende toestellen een verbrandingsmotor gebruiken. Ga zelf maar ’s na hoeveel toepassingen van de motor je kent.
nieuws voor Garagasten die af en toe de tuin moeten maaien. Er bestaan namelijk grasmaaiers met een viertaktmotor die op benzine of diesel draait. Beetje aan de luie kant? Geen nood. Dan vraag je je ouders om een grasmaaier waar je op kan zitten. Benieuwd welke motor er in zo’n mini-
De auto? Uiteraard, daar hadden we het al over. Maar net zoals auto’s enorm kunnen verschillen, verschillen ook de automotoren. Een gewone auto heeft meestal een viercilindermotor met zestien kleppen en een inhoud van 1,4 tot 2 liter. Een vrachtwagen doet daar een flinke schep bovenop. Die heeft zes of acht cilinders, vier kleppen per cilinder en een inhoud tussen... hou je vast... 9 en 16 liter (9000 en 16000cc). En een Formule 1-racewagen dan? Die heeft een motor met niet minder dan tien cilinders, veertig kleppen en een inhoud van 3 liter. Om van te duizelen, niet? En dan is er nu goed
10
GaragastenEncyclopedie
tractor zit? Ze bestaan in vele soorten, maar als je voor een dieselmotor met drie cilinders en een inhoud van 1005cc kiest, heb je al een fraaie zitmaaimachine.
DE VERBRANDINGSMOTOR
inhoud ligt nog lager, soms is die niet meer dan 25cc. Ongetwijfeld kan je zelf nog veel meer voorbeelden van toestellen met een verbrandingsmotor bedenken. Misschien zijn er zelfs toepassingen die nog niet bestaan. Laat je verbeelding maar ’s werken. Want waarom is er nog geen blikopener met verbrandingsmotor op de markt? Of skeelers met een viertaktmotor?
Of er ook motoren met slechts één cilinder bestaan? Jazeker. Ooit al met een kart gereden? Ja? Dan had je op dat moment wellicht een ééncilindermotor in je rug, met een inhoud van pakweg 96 cc. En er bestaan ook slijpmachines en kettingzagen die met een verbrandingsmotor werken. Hun cilinder-
11
Adembenemend heet
G
elukkig zit de motor van een auto veilig weggeborgen onder de motorkap. Want wie met blote handen een draaiende motor aanpakt, zou zich wel eens lelijk kunnen verbranden. Je weet intussen dat een verbrandingsmotor met brandstof werkt. Daarom moet de motor flink gekoeld worden. Daar dient de koelvloeistof voor die langs fijne leidingen door de motor loopt. De temperatuur van die koelvloeistof kan tot 90° Celsius oplopen. Uitkijken dus.
Aan de andere kant van de auto zit de uitlaatpijp. En ook al houdt de katalysator heel wat schadelijke stoffen tegen, toch blijft het uitlaatgas van een auto schadelijk voor mens en dier. Daarom mag je nooit de motor van een auto laten draaien in een gesloten ruimte, zoals een garage. Wie dat toch doet, kan ernstig ziek worden. Sterker nog: er zijn al mensen gestorven aan de giftige stoffen die in uitlaatgassen zitten. Dus is het erg verstandig om ook de garage bij jou thuis af en toe ’s flink te verluchten.
12
GaragastenEncyclopedie
DE VERBRANDINGSMOTOR
Wist je dat... - je het vermogen van een motor moet kennen om te weten hoe krachtig hij is? Het vermogen is de maximale energie die een motor per seconde kan produceren. Je hebt al gelezen dat de cilinderinhoud daarbij een grote rol speelt, maar ook de bouw van de motor en de gebruikte brandstof zijn van groot belang. - je het vermogen van een motor uitdrukt in de eenheid watt? En da’s wel gek, want James Watt, de Schotse uitvinder naar wie de watt genoemd is, had zelf een andere eenheid bedacht om vermogen uit de drukken: de paardenkracht (pk). Zowat tweehonderd jaar lang werd het vermogen van motoren ook echt in pk uitgedrukt. Maar sinds 1980 gebruiken we daarvoor dus watt en kilowatt (1 kW = 1000 watt). Een stevige personenwagen heeft algauw een motor met een vermogen van 80 kW, maar da’s niks vergeleken met een F1-wagen: die doet het met 540 kW.
13
Aan de slag met motoren
J
e hebt intussen gelezen dat een automotor uit een heel pak verschillende onderdelen is opgebouwd. Die moeten allemaal perfect op elkaar zijn afgesteld om de auto te doen rijden. Stel dat een inlaatklep te laat opengaat of dat de bougie geen vonk meer geeft. Of dat een van de zuigers stuk is. Dan moet de auto aan de kant. Gelukkig zijn er veel mensen die precies weten hoe een automotor in elkaar zit. EĂŠn telefoontje naar de garagist in de buurt en klaar is Kees. Hij stelt de inlaatklep weer af, zorgt dat de bougie weer vonkt en vervangt de zuiger. Knap, natuurlijk. Maar wie is die garagist eigenlijk?
Een garagist werkt in een garage, dat klinkt logisch. En hij is een kei in autotechniek, want hij lost niet alleen problemen aan de motor op, maar ook aan de remmen bijvoorbeeld, of aan de koplampen of het koetswerk. Hij heeft natuurlijk een autoopleiding gevolgd, maar hij is vooral zot van alles wat op wielen rijdt. En dat maakt van hem een specialist bij wie je met elk autoprobleem terechtkunt. Maar de garagist is lang niet de enige die van automotoren zijn beroep heeft gemaakt. Ook de mecanicien en zijn hulpmecanicien weten best hoe de vork in de steel zit. Meestal is de hulpmecanicien een jonge autospecialist die net z’n diploma gehaald
14
GaragastenEncyclopedie
DE VERBRANDINGSMOTOR
Auto’s en hun motoren worden voortdurend vernieuwd en verbeterd. Maar wie bedenkt die vernieuwingen dan? Slimme vraag. Wel, elk automerk heeft een pak ingenieurs in dienst. Dat zijn knappe koppen, die behalve van auto’s ook veel verstand hebben van scheikunde, wiskunde en computers. In hun atelier zoeken ze constant naar verbeteringen. Eerst maken ze berekeningen en tekeningen op de computer, daarna testen ze hun vernieuwingen ook in het echt uit. En pas als die tests goed zijn, wordt hun uitvinding toegepast in de auto’s die in de fabriek van de band rollen. En zo zie je maar, techniek staat nooit stil.
heeft. Hij wil alles over automotoren te weten komen en begint daarom met de minst ingewikkelde opdrachten, zoals een bougie vervangen of de olie verversen. Hij helpt de mecanicien en houdt zijn ogen en oren goed open. Kwestie van snel te kunnen bijleren. Want de mecanicien is een ervaren specialist die ook de allermoeilijkste taken aankan. Hij stelt de kleppen af, repareert de zuigerveren en vervangt de krukas. Bovendien kan hij supergoed met de computer overweg, want de moderne wagen zit vol elektronica. Als de hulpmecanicien goed oplet, wordt hij ooit misschien zelf mecanicien.
15
De GaragastenEncyclopedie is een initiatief van toekomstopwielen.be toekomstopwielen.be is een actie van de automobielsector en aanverwante sectoren. toekomstopwielen.be, J. Bordetlaan 164, 1140 BRUSSEL Verantwoordelijke uitgever: Luc De Moor, toekomstopwielen.be Concept en realisatie: www.linkinc.be en www.zeppo.be Tekeningen: Sam Vanallemeersch