Onderwerpen:
- Vergelijking theoretisch en werkelijk arbeidsproces
- Indicateurdiagram
- Drukverloop tijdens het vierslagproces van een benzinemotor
- Drukverloop tijdens het vierslagproces van een dieselmotor
- Drukverloop tijdens wisselende bedrijfsomstandigheden
- Stromingsverlies
- Invloed ontstekingstijdstip op indicateurdiagram
- Drukverloop in het p-α diagram
- Piek gasdruk
- Gemiddelde gasdruk
Vergelijking theoretisch en werkelijk arbeidsproces:
Bij een arbeidsproces van een benzine- of dieselmotor hebben we te maken met een PV-diagram (P = druk, V = volume) waarmee de relatie tussen de druk en het volume in het vierslagproces wordt aangeduid. Meer info hierover vindt u op de pagina: Seiliger-proces.
Het theoretische kringproces speelt zich af in een ideale motor, waarin geen restgassen of verliezen aanwezig zijn. In werkelijkheid verschilt het theoretisch arbeidsproces met het werkelijke arbeidsproces om de volgende afwijkingen:
- in de cilinder zit niet alleen verse lading, maar ook restgas van de voorgaande arbeidscyclus;
- onvolledige verbranding van de brandstof;
- verbranding loopt niet precies bij een gelijk volume of gelijke druk;
- warmt uitwisseling tussen het gas en de cilinderwand;
- tijdens de arbeidswisseling treden stromingsverliezen op;
- langs de zuigerveren is er altijd (minimale) gaslekkage;
- de soortelijke warmte verandert met de druk en temperatuur, wat invloed heeft op de verbranding.
Het verloop van het werkelijke arbeidsproces wordt met het indicateurdiagram opgenomen.
Indicateurdiagram:
Het indicateurdiagram weergeeft de gasdruk in de cilinder (boven de zuiger) tijdens twee krukasomwentelingen. Het diagram is vastgesteld tijdens een drukmeting die in de cilinder heeft plaatsgevonden.
De afgebeelde indicateurdiagram is van een benzinemotor. De rode lijn geeft het drukverloop ten opzichte van de zuigerslag aan. Bij een werkelijke meting verkrijgt men bij p Max een waarde. Hier gaan we later op in. Onder het diagram is een cilinder met daarin een zuiger te zien. De letters Vs en Vc geven het slagvolume en het compressievolume aan.
Hier volgt een lijst met afkortingen die in de afbeelding worden gebruik:
- p0: atmosferische luchtdruk;
- pmax: maximale druk in cilinder;
- S: slag van de zuiger;
- Vs: slagvolume;
- Vc: compressievolume;
- W: arbeid (+ positief en – negatief);
- Ign: ontstekingsmoment;
- Io: inlaatklep opent;
- Us: uitlaatklep sluit;
- Is: inlaatklep sluit;
- Uo: uitlaatklep opent
Drukverloop tijdens het vierslagproces van een benzinemotor:
Het indicateurdiagram kunnen we in vier verschillende situaties bekijken:
- Inlaatslag: de zuiger beweegt van BDP naar ODP en zuigt de lucht naar binnen. Het volume stijgt doordat de ruimte boven de zuiger steeds groter wordt.
De druk blijft constant*. De rode lijn in het indicateurdiagram loopt van a naar b; - Compressieslag: de zuiger beweegt omhoog en comprimeert de lucht. Het luchtvolume daalt, terwijl de druk toeneemt. De rode lijn toont dit tussen de punten b en c. Aan het einde van de compressieslag vindt de ontsteking plaats;
- Arbeidsslag: nadat de bougie vonkt, duurt het enige tijd voordat het mengsel is volledig is verbrandt. Dit proces zien we tussen de punten c en d. Door de kracht die met de ontsteking is vrijgekomen wordt de zuiger omlaag gedrukt. Het volume neemt toe en de druk neemt af. Dit zien we tussen de letters d en e;
- Uitlaatslag: de uitlaatklep opent en de zuiger duwt de uitlaatgassen naar buiten. Het volume neemt af, de druk blijft constant (e naar a).
Fabrikanten van hybridevoertuigen passen tegenwoordig steeds vaker het Atkinson-Miller-principe toe om de mechanische weerstand tijdens de compressieslag te verminderen. Dit is in de stijgende lijn van de compressieslag in het indicateurdiagram terug te zien.
*In de uitleg spreken we over een gelijke druk tijdens de inlaatslag. Dit is gedeeltelijk juist. Tijdens de inlaatslag is de zuigerversnelling bij ongeveer 60 graden na BDP maximaal. De binnenstromende lucht kan de zuiger niet volgen. Op dat moment ontstaat de maximale onderdruk van ongeveer -0,2 bar. Daarna stijgt de cilinderdruk weer. De massatraagheid van de binnenstromende lucht zorgt ervoor dat er nog lucht in de cilinder stroomt, terwijl de zuiger alweer naar boven beweegt. De grootte van de onderdruk hangt af van de stand van de gasklep en het toerental. Een verder gesloten gasklep geeft een grotere onderdruk bij een constant motortoerental. De verhoogde onderdruk tijdens de maximale zuigerversnelling hebben we in de bovenstaande tekst en afbeeldingen verwaarloosd.
Drukverloop tijdens het vierslagproces van een dieselmotor:
Hiernaast zien we een indicateurdiagram van een dieselmotor.
- inlaatslag: de zuiger beweegt van het BDP naar het ODP en zuigt lucht naar binnen (indien de motor is voorzien van drukvulling);
- compressieslag: de zuiger beweegt naar het ODP. De lucht wordt gecomprimeerd en de temperatuur stijgt naar meer dan 100 graden Celsius door de drukverhoging. Aan het einde van de compressieslag de dieselbrandstof wordt ingespoten. De brandstofinspuiting begint 5 tot 10 graden voor het BDP en eindigt tussen de 10 en 15 graden na het BDP;
- arbeidsslag: omdat aan het einde van de compressieslag dieselbrandstof is ingespoten, begint dit te branden terwijl de druk constant blijft. De druk in het (nagenoeg) horizontale deel blijft constant, terwijl het volume toeneemt.
In de arbeidsslag zien we de isobare warmteafvoer terug vanuit het theoretische kringproces.
Net als bij de benzinemotor, zien we dat de uitlaatklep opent voordat de zuiger het BDP heeft bereikt. Ook vindt er klepoverlap plaats doordat de inlaatklep eerder opent dan dat de uitlaatklep sluit.
Drukverloop tijdens wisselende bedrijfsomstandigheden:
Naast dat de motoreigenschappen het indicateurdiagram bepalen, hebben de bedrijfsomstandigheden (lees: motorbelasting) hier ook invloed op. Niet altijd is een hoge druk boven de zuiger aanwezig of nodig.
De onderstaande drie indicateurdiagrammen tonen het drukverloop in relatie met de krukasgraden. De diagrammen zijn onder de volgende omstandigheden opgenomen:
- deellast: 3/4 last bij n = 4200 omw/min;
- vollast: bij n = 2500 omw/min;
- afremmen op de motor: bij n = 6000 omw/min bij gesloten gasklep.
Tussen deellast en vollast zien we verschillen in de maximale gasdruk in de cilinder. Bij het “afremmen op de motor” is de gasklep gesloten en heerst er een hoog vacuüm in het inlaattraject en in de cilinder. De compressiedruk is door deze onderdruk niet hoger dan 3 á 4 bar.
Stromingsverlies:
Tijdens de inlaatslag ontstaat er een onderdruk in de cilinder. Het aanzuigen van de lucht kost energie. Ook dit zien we terug in het indicateurdiagram. Tussen de punten a en b daalt de rode lijn onder p0 (de atmosferische buitenluchtdruk). Onder deze stippellijn heerst een vacuüm (gebied -W). We noemen dit stromingsverliezen of spoelverliezen.
De negatieve arbeid (-W) kost energie, en is dus ongewenst. Het spoelen kost arbeid. De uitlaatdruk is hoger dan de inlaatdruk. De spoellus is bij zelf aanzuigende motoren linksom.
Fabrikanten passen technieken toe om de stromingsverliezen te beperken:
- variabele kleptiming;
- snelle en grote klepopening;
- optimale dimensionering van inlaatkanalen;
- vloeiend verloop van de kanalen in het inlaattraject (voorkomen van scherpte overgangen);
- drukvulling (door middel van een turbo en / of mechanische compressor.
Motoren die zijn voorzien van drukvulling, hebben een minder of geen negatief verloop in het indicateurdiagram. De spoellus verloopt rechtsom en levert nu arbeid. De vuldruk helpt tijdens de inlaatslag immers om de zuiger omlaag te drukken (van BDP naar ODP). De benodigde compressorarbeid wordt onttrokken aan het uitlaatgas, omdat het compressorwiel van de turbo wordt aangedreven door het turbinewiel. Daarmee zijn motoren met drukvulling, in vergelijking met een zelf lucht aanzuigende motoren, onder dezelfde omstandigheden een stuk efficiënter.
Invloed ontstekingstijdstip op indicateurdiagram:
Om een zo laag mogelijk brandstofverbruik en een hoog rendement te behalen, is het belangrijk om het volgende te bereiken:
- een korte verbrandingstijd, dus een hoge verbrandingssnelheid. Dit heeft te maken met de mengselsamenstelling;
- een juiste fasering van de verbranding t.o.v. de zuigerbeweging. Dit heeft direct betrekking op het ontstekingstijdstip. Het zwaartepunt van de verbranding moet ca. 5 tot 10 krukasgraden na het BDP liggen. Het zwaartepunt is de warmte-afgifte dit bij de verbranding ontstaat.
Zowel een te vroeg als te laat ontstekingstijdstip leidt tot een verhoogde warmte-afgifte door de cilinderwand en dus een verlaging van de kwaliteitsgraad.
- Te vroege ontsteking: de druk loopt te vroeg op omdat de verbranding al vroeg tijdens de compressieslag begint. De zuiger wordt voor het BDP sterk afgeremd door de verbrandingsdruk. Een te vroege ontsteking leidt tot hoge topdrukken, met als gevolg een verlaging van het mechanisch rendement en kans op motordefecten.
- Te lage ontsteking: de verbranding wordt te laat ingeleid. De zuiger beweegt al naar het ODP, waardoor de druk in de groter wordende ruimte onvoldoende hoog wordt. Ook stromende de nog brandende gassen langs de uitlaatkleppen. Als gevolg hiervan loopt de temperatuur te hoog op. Een arm mengsel geeft hetzelfde resultaat: het gas verbrandt te langzaam. Bij een te arm mengsel brandt het gas nog aan het begin van de inlaatslag. Bij carburateurmotoren kan er om die reden een terugslag ontstaan.
Een modern motormanagementsysteem bepaalt het juiste ontstekingstijdstip uit zijn kenvelden: onder alle omstandigheden moet het ontstekingstijdstip zo dicht mogelijk bij de klopgrens zitten.
Drukverloop in het p-α diagram:
Het indicateurdiagram kan worden omgebouwd naar het tangentiaalkrachten-diagram. Hierin wordt de tangentiaalkracht als functie van de krukhoek (alpha) afgebeeld. Het indicateurdiagram vormen we om tot een diagram waarin de druk (p) als functie van de hoek (α) is afgebeeld: het p-α diagram.
In de volgende afbeelding zien we het drukverloop in de cilinder tijdens vollast.
De blauwe punten geven, net als in de paragraaf “indicateurdiagram”, aan op welk moment de kleppen openen en sluiten:
- Inlaatkleppen openen (Io) en sluiten (Is)
- Uitlaatkleppen openen (Uo) en sluiten (Us).
Daarnaast kunnen we aan de krukasgraden zien met welke slag de motor bezig is:
- 0 graden: BDP (einde uitlaatslag, begin inlaatslag)
- 180 graden: ODP (einde inlaatslag, begin compressieslag)
- 360 graden: BDP (einde compressieslag, begin arbeidsslag)
- 540 graden: ODP (einde arbeidsslag, begin uitlaatslag)
Piek gasdruk:
De piek gasdruk is tijdens de arbeidsslag het hoogst. De hoogte van de druk hangt af van de motorbelasting: wanneer de motor veel vermogen levert, zal de verbrandingsdruk hoger zijn dan in deellast.
De onderstaande vier afbeeldingen laten dit zien: de gasklepopening TP (Throttle Position) geven een indicatie in hoeverre de motor wordt belast ten opzichte van de krukasverdraaiing CA (Crank Angle). Bij een gemiddelde benzinemotor ontstaat er tijdens de verbranding in deellast een druk van gemiddeld 4000 kPa en in vollast in dit geval rond de 5000 kPa. Bij motoren met gelaagde inspuiting, nokkenasverstelling en variabele kleplichthoogte kan de druk boven de 6000 kPa stijgen.
Gemiddelde gasdruk:
Tijdens het arbeidsproces varieert de druk in de cilinder enorm. Tijdens de inlaatslag heerst er een onderdruk (indien een uitlaatgasturbo zorgt voor een verhoogde inlaatluchtdruk), en na de compressieslag volgt er een drukpiek. Hoe hoger de piek gasdruk is, hoe krachtiger de verbranding verloopt.
Om de gemiddelde druk van het verbrandingsproces te bepalen, kunnen we het indicateurdiagram opdelen in kleine rechthoeken met gelijke breedtes. De volgende afbeelding toont blauwe en groene rechthoeken. Met het berekenen van het oppervlak van de blauwe rechthoeken kunnen we de positieve druk berekenen. Vervolgens trekken we daar de oppervlakte van de groene driehoeken vanaf. We houden dan de gemiddelde zuigerdruk over.
Met de gemiddelde zuigerdruk kunnen we onder anderen het geïndiceerde en effectieve vermogen van de motor bepalen. Bezoek de pagina: vermogens, verliezen en rendementen om hier meer over te lezen.
In de afbeelding zien we dat de rode lijn buiten de blauwe rechthoeken valt: als we de breedte van iedere rechthoek kleiner zouden maken en we zouden daardoor meer rechthoeken naast elkaar kunnen plaatsen, krijgen we een steeds minder grote afwijking. Dit kunnen we tot in het oneindige toepassen. Natuurlijk gaan we dat in werkelijkheid niet doen. Met het toepassen van wiskundige functies kunnen we het oppervlak mathematisch bepalen. Dit doen we met integreren.