Onderwerpen:
- Inlaatspruitstuk
- Luchtpulsen in het inlaatspruitstuk
- Helmholtz-resonator
- Inlaatspruitstuk met wervelkleppen
- Inlaatspruitstuk met variabele lengte
- DISA-klep
- Uitlaatspruitstuk
Inlaatspruitstuk:
Het inlaatspruitstuk zit gemonteerd tussen de aanzuigbuis van het luchtfilter en de motor. De buizen van het spruitstuk zitten direct op het inlaatgedeelte van de motor gemonteerd, direct bij de inlaatkleppen. Bij indirect ingespoten benzinemotoren zit de brandstofinjector ook in het inlaatspruitstuk gemonteerd. Deze injector spuit de benzine brandstof direct op de inlaatklep.
Een inlaatspruitstuk bestaat niet uit zomaar een stel buizen. De vorm en afwerking ervan moeten zo weinig mogelijk weerstand bieden aan de binnenstromende lucht. Alle cilinders moeten even veel lucht naar binnen krijgen. Voor alle cilinders zouden de inlaatbuizen dus even lang moeten zijn. Meestal is het inlaatspruitstuk gemaakt van kunststof, omdat dit goedkoper en minder beïnvloedbaar is voor opwarming door hoge temperaturen, dan bijv. metaal. De lucht in het inlaatspruitstuk moet zo koel mogelijk blijven.
Luchtpulsen in het inlaatspruitstuk:
Bij een geopende inlaatklep wordt de lucht met hoge snelheid aangezogen. De luchtstromingsnelheid in het inlaatspruitstuk is hoog. Wanneer de inlaatklep sluit, botst de nog niet in de cilinder toegelaten lucht tegen de inlaatklep en veroorzaakt een drukverhoging. Deze drukverhoging zorgt daarmee voor een golfbeweging in het inlaatspruitstuk, die zich tegen de luchtstroomrichting in het inlaatspruitstuk beweegt. Wanneer de inlaatklep opent op het moment dat de drukgolf terugkeert, is er sprake van een maximale cilindervulling; de drukgolf zorgt dat er extra lucht in de verbrandingskamer terecht komt. Dit is echter bijna nooit het geval, omdat het toerental van de motor varieert en daarmee de inlaatklep bijna nooit op het optimale moment voor de drukgolf opent. Bij een langer inlaatspruitstuk zal het lager duren voordat de drukgolf weer bij de inlaatklep is dan bij een kort inlaatspruitstuk. Om deze reden is het zinvol om de lengte van het inlaatspruitstuk aan te kunnen passen aan de bedrijfsomstandigheden van de motor (zie de paragraaf “inlaatspruitstuk met variabele lengte” of het toepassen van een zogenaamde Helmholtz-resonator.
Helmholtz-resonator:
Een Helmholtz-resonator is een resonantiekamer waar drukgolven in terechtkomen die ontstaan door het sluiten van de inlaatklep. De resonator is niets meer dan een gesloten luchtkamer die op de luchtaanzuigslang is aangesloten tussen de luchtmassameter en de gasklep. Een voorbeeld van een Helmholtz-resonator is in de afbeelding met een rode pijl aangegeven.
De drukgolven die in de resonator terecht komen, worden weer teruggekaatst naar de inlaatklep. De drukgolven helpen hiermee de beweging van de lucht naar binnen, zodat uiteindelijk een hogere vullingsgraad wordt gehaald. Ook zorgt de resonator dat het inlaatgeluid gedempt wordt, zodat de motor stiller wordt. De motor wordt dus krachtiger en stiller.
Inlaatspruitstuk met wervelkleppen:
Bij dieselmotoren worden er soms inlaatspruitstukken met wervelkleppen gebruikt. Deze kleppen zorgen voor de werveling van de inkomende lucht. Bij lage toerentallen kan de luchtsnelheid zo laag zijn (omdat de turbo ook nog niet op toeren is gekomen), dat de werveling van de lucht onvoldoende is om een goede vermenging met de dieselbrandstof te krijgen. De inspuitdruk staat hier los van. Wanneer de kleppen niet zouden werken, zou de vermenging met de brandstof, dus ook de uiteindelijke verbranding niet optimaal zijn. Dit heeft als gevolgen dat de motor extra brandstof verbruikt, minder vermogen levert en roet uitstoot.
Wanneer de wervelkleppen ingeschakeld moeten worden, wordt het vacuümpotje aangestuurd, waardoor de regelstang van links naar rechts kan bewegen. Bij het verschuiven van de regelstang kunnen de kleppen in de gewenste stand worden gezet.
Inlaatspruitstuk met variabele lengte:
Bij het construeren van een motor moet rekening gehouden worden met de lengte van de inlaatkanalen van het inlaatspruitstuk. De lengte van de inlaatkanalen is bepalend voor de drukpulsen die ontstaan bij het openen en sluiten van de inlaatklep (zie de paragraaf over de luchtpulsen). Wanneer deze inlaatkanalen altijd lang zijn, heeft de motor een hoog koppel bij lage toerentallen, maar wordt de trekkracht bij hoge toerentallen steeds minder. En andersom, wanneer deze altijd te kort zijn, heeft de motor pas in een hoger toerental voldoende koppel en vermogen. Door het toepassen van een variabel inlaatspruitstuk wordt de lengte aangepast aan de hand van de rijomstandigheden. Hier volgen de 2 situaties:
- Lange aanzuigbuis: Door de lucht een langere afstand af te leggen en de diameter van de buis kleiner te maken, krijgt de lucht een hogere snelheid. Dit is zeer gunstig bij en hoog toerental met lage belasting, of een laag toerental met hoge belasting (meer koppel).
- Korte aanzuigbuis: De lucht legt nu een kortere afstand af en geeft een betere cilindervulling bij een laag toerental met lage belasting en een hoog toerental met hoge belasting (meer vermogen).
DISA-klep:
De DISA-klep is te vinden in de inlaatspruitstukken van BMW. DISA staat voor: DIfferenzierte SaugAnlage. De DISA-klep zorgt ervoor dat de luchtstroming bij bepaalde toerentallen in verschillende delen van het inlaatspruitstuk geblokkeerd kan worden. Daarmee wordt het inlaatspruitstuk in twee delen gesplitst. Hieronder volgt een uitleg met drie afbeeldingen.
Bij lage of middelhoge toerentallen is de DISA-klep gesloten. Vanaf het gasklephuis stroomt de lucht direct naar cilinder 1. Door de inlaatlucht via één gedeelte van het spruitstuk naar de inlaatklep te leiden, ontstaat een hogere luchtsnelheid. Met deze hogere luchtsnelheid gaat de lucht wervelen en is er een betere vermenging met de ingespoten brandstof mogelijk.
Bij het sluiten van de inlaatkleppen van cilinder 1 ontstaat er een drukgolf. Doordat de klep gesloten is, zal de drukgolf een lange weg af moeten leggen door de resonantiebuizen, om naar de inlaatkleppen van cilinder 5 te stromen. De drukgolf zal nu geen invloed uitoefenen op de luchtstroming van de aangezogen lucht door cilinder 5.
Bij hogere motortoerentallen opent de DISA-klep. Doordat de inlaatlengte nu wordt verlengd, wordt er een hoger vermogen verkregen bij hogere toerentallen.
De aangezogen lucht stroomt door beide resonantiekamers. Het terugkaatsen van de lucht na het sluiten van de inlaatklep van cilinder 1 zorgt voor een voortstuwing van de lucht die naar cilinder 5 stroomt; de vullingsgraad van cilinder 5 wordt daarmee verhoogd.
Uitlaatspruitstuk:
Ook het uitlaatspruitstuk is niet zomaar een stel buizen. Hoe sneller de uitlaatgassen naar buiten kunnen stromen, des te beter dat is. Dat is niet alleen een kwestie van stromingsweerstand. Er moet immers ook rekening worden gehouden met de opening en sluitingen van de uitlaatkleppen.
Voorbeeld: een viercilinder heeft een ontstekingsvolgorde 1-2-4-3. Op het moment dat de uitlaatklep van de tweede cilinder opent, staat die van de eerste nog open. Omdat de uitlaatperiode van cilinder 2 pas begint, stroomt het gas er met een grotere druk uit dan dat bij 1 het geval is.
Als het spruitstuk niet de juiste vorm en diameter heeft dan hebben de uitlaatgassen inteferentieproblemen. De uitlaatgassen van cilinder 1 kunnen die van cilinder 2 tegenwerken. Een juiste constructie doet zich echter het omgekeerde voor en helpen de gassen van cilinder 1 de resterende uitlaatgassen van cilinder 2 afzuigen. Dat is vooral bij een zogenaamd Spaghetti-spruitstuk (in de afbeelding hieronder) het geval.
Bij sommige benzine en de meeste dieselmotoren zit er nog een uitlaatgasturbo aan het spruitstuk gemonteerd. Deze zit zo kort mogelijk na de bocht in het spruitstuk gemonteerd, om de uitstromende lucht zo min mogelijk af te remmen.
Het helse lawaai van een motor zonder uitlaatdempers ontstaat doordat de uitlaatgassen die onder een grote druk- en snelheid naar buiten stromen de lucht doen trillen. Een uitlaatdemper dient deze druk en snelheid te verminderen.