Werking van de motor De motor wordt ook dikwijls aangeduid met de naam: vierslag motor of viertaktmotor. De beide namen zijn dermate ingeburgerd, dat ze even juist zijn. De aanduiding viertakt geeft aan, dat het arbeidsproces zich voltrekt in vier zuigerslagen. Onder een arbeidsproces verstaan wij in het kort gezegd de zuiger- en gasbewegingen die nodig zijn om eenmaal arbeid aan het krukas en drijfstang mechanisme te kunnen afstaan. Wij zullen de gebeurtenissen gedurende deze vier zuigerbewegingen eens bekijken: 1e slag of inlaatslag Doel: Tijdens deze slag wordt het voor de verbranding benodigde benzine/luchtmengsel aangezogen. (Zie tekening Motor 7.) Zuigerbeweging: De zuiger beweegt zich tijdens deze slag van het bovenste dode punt (bdp) naar het onderste dode punt (odp). De ruimte boven de zuiger wordt dus groter, er komt meer ruimte voor lucht. De lucht wordt ijler. Er ontstaat een tekort aan lucht (gas) en dus een onderdruk. Deze onderdruk wordt aangevuld langs de inlaatklep, waardoor nu vers benzine/ luchtmengsel vanaf de carburateur naar binnen wordt gezogen. Kleppen: Inlaatklep staat open. Uitlaatklep is gesloten. Motor 7 - Inlaatslag
2e slag of compressieslag Doel: Het aangezogen mengsel wordt nu samengeperst en krijgt nu een hogere druk en daardoor een hogere temperatuur. (Zie tekening Motor 8.) Zuigerbeweging: De zuiger gaat nu van beneden naar boven, van odp naar bdp, aldus de ruimte boven de zuiger verkleinend waardoor de druk en temperatuur van het mengsel verhoogd worden. Kleppen: Beide kleppen zijn gesloten. Motor 8 - Compressieslag
3e slag of arbeidsslag Doel: Bij het bovenste dode punt springt een vonk over aan de bougiepunten waardoor de verbranding wordt ingeleid. Door de nu toenemende temperatuur en druk wil het gas sterk expanderen (uitzetten of exploderen) waardoor de zuiger met kracht naar beneden wordt weggedrukt. (Zie tekening Motor 9.) Het gas verricht nu arbeid op de zuiger en deze arbeid wordt door de
Motor 9 - Arbeidsslag
drijfstang op de krukas overgebracht. Zuigerbeweging: De zuiger beweegt van boven naar beneden. Kleppen: Beide kleppen zijn gesloten. 4e slag of uitlaatslag Doel: Na de verbranding, dus na de arbeidsslag, bevinden zich in de cilinderruimte de verbrandingsresten van ons mengsel. Alvorens wij een nieuw arbeidsproces kunnen beginnen, moeten deze resten worden verwijderd. (Zie tekening Motor 10.) Zuigerbeweging: De zuiger beweegt van odp naar bdp, de verbrande gassen voor zich uitdrijvende door de uitlaatklep.
Motor 10 - Uitlaatslag
Kleppen: Uitlaatklep staat open. Inlaatklep is gesloten. De ademhaling van de motor wordt geregeld door twee kleppen, de inlaatklep en de uitlaatklep. Het valt ons op, dat gedurende de twee besproken krukas omwentelingen de motor slechts eenmaal arbeid levert. Gedurende de andere drie zuigerbewegingen werkt de motor als pomp, die aanzuigt, samenperst en uitdrijft en dan dus arbeid vraagt in plaats van arbeid levert. het smeerolie systeem Het voornaamste doel van de oliesmering is, de wrijving (en daardoor de slijtage) te verminderen, door twee bewegende oppervlakken door een dunne laag olie van elkaar te scheiden. Er zijn twee algemene smeertypen, die vloeibare smering en grensvlaksmering worden genoemd. Vloeibare smering is de ideale toestand, waarin de twee bewegende oppervlakken altijd gescheiden worden door een laag olie. In de praktijk echter komt deze toestand zelden voor, wél altijd in de hoofdlagers van een motor. Grensvlaksmering is de toestand waarbij slechts een zeer dunne olielaag (van ongeveer 0,5 mm) aanwezig is, de twee bewegende oppervlakken zijn dan nooit volledig gescheiden en er is altijd enig ‘metaal op metaal’ contact. Grensvlaksmering komt voor in de cilinders van de motor, direct na het starten van een koude motor. Alle moderne systemen voor motor smering berusten op de doorlopende circulatie van olie onder druk door de lagers. Hierdoor worden de langs elkaar schurende onderdelen door een oliefilm gescheiden. (Zie tekening Motor 11 en 12.) De olie is er niet alleen voor de smering, maar ook om de warmte van de bewegende delen af te voeren. Daarom is er aanzienlijk meer olie aanwezig, dan eigenlijk voor de smering alleen nodig is. De Motor 11 - Oliefilm aanbrengen
olie wordt in het onderste gedeelte van het carter of ondercarter opgeslagen, die redelijk koel blijft door de rijwind die tijdens het rijden onder langs het carter stroomt. Bij race en rally uitvoeringen zijn extra koelribben op het carter aangebracht of is een oliekoeler gemonteerd.
Motor 12 - Door oliedruk gescheiden
oliedruksmering In het oliedruk smeringsysteem (zie tekening Motor 13) van een kopklepmotor bevindt de oliepomp zich in de olie van het ondercarter en wordt aangedreven door een as, die in verbinding staat met de nokkenas van de motor. Als de motor loopt, is de stroom van de olie onder druk van de motor als volgt. Eerst zuigt de pomp de olie door een ruwe zeef en vandaar door een ‘full-flow’-filter naar de hoofdolieleiding, die in de lengte langs het carter loopt. Dan worden de hoofdlagers van de krukas onder druk voorzien van olie uit de hoofdleiding, via geboorde kanalen in het carter. De ‘big-end’ lagers worden onder druk van olie voorzien via geboorde kanalen in de krukas, die van de hoofdlagers afkomen. De lagers van de nokkenas worden onder druk van olie voorzien door kanalen in het carter, vanuit de hoofdlagers. De cilinderwanden, zuigers, ‘small ends’ en zuigerpennen worden gesmeerd door rondspattende olie of nevel, of door een geboord oliekanaal in de drijfstang.
olievuldop tuimelaar-as
teruglopende olie naar het carter toevoer naar tuimlaar-as achterste nokken-aslager toevoer naar ‘big end’ lager
hoofdolieleiding krukas
Motor 13 - Oliecircuit 4 cilinder kopklep motor
carter
Enige olie wordt vanuit de hoofdleiding geperst naar de holle tuimelaaras van het kleppensysteem, gewoonlijk in beperkte mate om de bovenkant van de motor niet met olie te laten overstromen. De tuimelaars worden gesmeerd via kanalen in de tuimelaar-as en de olie gaat via kanalen in de tuimelaars naar de uiteinden van de stoterstangen. Alle olie die zich bovenin de motor verzamelt, stroomt terug door de stoterstang doorgangen en smeert aldus de tappen. De wielen en de ketting worden van olie voorzien vanuit de voorste lager van de nokkenas. oliepompen Er zijn twee typen oliepompen in gebruik (zie tekening Motor 14 en 15), namelijk de pomp met tandwielen en de rotorpomp.Bij Austin-Healey wordt het tandwiel type toegepast (zie tekening Motor 16) en wordt door de nokkenas aangedreven door middel van een tandwiel overbrenging. De pomp met tandwielen bestaat uit een ‘loop’ tandwiel en een aangedreven tandwiel, dat verbonden is met een as die weer aangedreven wordt door de nokkenas. De twee tandwielen zijn van gelijke grootte en liggen dicht bij elkaar in de pomp. De olie wordt van de inlaat zijde tandwielen naar de uitlaatzijde van de pomp gevoerd door de tanden van beide tandwielen (het stroomt niet tussen de in Motor 14 - Tandwielpomp elkaar grijpende tanden); de olie wordt zo in de afvoerleiding geperst. Het rotor type wordt ook aangedreven door de nokkenas. De aan de binnenkant gelegen rotor met uitwendige lobben is bevestigd aan de aandrijfas en drijft de aan de buitenkant gelegen rotor met naar binnen gerichte lobben aan. Deze aan de buitenkant gelegen rotor heeft één lob meer dan de binnenste rotor. De olie buitenste rotor en de boring van de oliepomp zijn beide los van de binnenste rotor, zodat de pompende werking wordt verkregen door de afname en toename van de buitenste rotor binnenste rotor ruimte tussen elk stel rotorlobben. Motor 15 - Rotorpomp De oliedruk van een doorsnee oliesysteem ligt tussen 3 en 6 kg per cm2 en de eigenlijke druk kan door middel van een oliedrukmeter op het instrumentenbord worden afgelezen. In vele moderne auto’s is een waarschuwingslichtje aangebracht in plaats van een meter. Het lichtje wordt door een oliedrukschakelaar bediend. Als de oliedruk beneden een bepaalde waarde zakt, gaat het lampje branden. Om buitensporige oliedruk en mogelijke schaMotor 16 - Oliepomp Austin Healey ‘100’
de aan het systeem te voorkomen, speciaal als de olie koud en dik is of bij hoge motorsnelheid, is er een overdrukventiel aangebracht. Dit ventiel kan óf in de pomp aangebracht zijn óf tussen de pompuitlaat en de hoofdolieleiding. Dit ventiel is meestal verstelbaar door middel van een veer uitgeruste kogel, die een opening ontsluit en de olie laat terugvloeien naar het ondercarter, als de druk te groot wordt. oliefilters Om de olie schoon te houden, is het smeersysteem voorzien van een oliefilter (meestal aan de buitenkant van de motor gemonteerd). Het gaastype-(zeef)-filter is reeds genoemd in verband met de oliepomp, maar dit filter voorkomt alleen dat grote vuildeeltjes in de motor kunnen komen. Om de motor langer te laten meegaan, moeten praktisch alle verontreinigingen uit de olie verwijderd worden. Dit wordt bereikt door middel van een speciaal filter, dat gewoonlijk aan de buitenzijde van de motor is gemonteerd. filter Het moderne filter bestaat uit een vilt element of uit speciaal behandeld papier in een metalen houder. Er zijn twee veel Motor 17 - Full Flow filtersysteem gebruikte filtertypen. Het ‘full-flow’ systeem en het bijpass systeem. In het ‘Full flow’ type, dat bij Austin-Healey wordt toegepast, wordt alle olie die van de pomp naar de hoofdleiding stroomt gedwongen door het filterelement te stromen. omloopafvoer (Zie tekening Motor 17.) Dit filtersysteem is uitgerust met naar carter een overdrukventiel om de olie in staat te stellen een andere uitweg te vinden als het oliefilter verstopt zou raken. Het andere is het ‘bypass’-filter, (zie tekening Motor 18) waarin slechts een deel van de olie tegelijk wordt gefiltreerd en het grootste deel van de olie rechtstreeks naar de oliehoofdleiding stroomt. Een volkomen filtratie van de olie filter duurt daarom veel langer. Motor 18 - Bijpass filtersysteem ventilator thermostaat waterpomp en aandrijver
luchtstroom
het koelsysteem Gedurende de verbranding in een benzinemotor wordt slechts één kwart van de warmte-energie die uit de benzine wordt verkregen, gebruikt om nuttig vermogen te leveren. Hoewel er een aanzienlijke hoeveelheid van de overgebleven warmte met de uitlaatgassen wordt afgevoerd, gaat de rest over in de cilinderkop en cilinderwanden en verdwijnt van daaruit overloop pijpje in de lucht. ventilatorriem Deze hoeveelheid warmte is vrij aanzien
Motor 19 - Koelwater circuit
lijk en zonder enige vorm van koeling zou de smeerolie in brand vliegen, zouden de zuigers uitzetten en de kleppen ontsteld raken door de oververhitting. De hoeveelheid brandstof die in de cilinders zou komen, zou dan zo verminderd worden, dat er vrijwel geen vermogen meer geleverd zou worden. Daarom moet er een vorm van een koelsysteem aangebracht worden. waterkoeling Als materiaal voor het afvoeren van warmte is water geschikter dan lucht (water kan veel warmte opnemen) en dus zijn de meeste motoren watergekoeld. Het water circuleert door speciale leidingen of watermantels, die rondom de cilinderwand en cilinderkop lopen. De warmte die vrijkomt bij de verbranding gaat door de wanden van de cilinder en de cilinderkop naar het water. Het verhitte water wordt minder dicht en beweegt zich naar boven (door convectie), naar de bovenbak van de radiateur. Door de rijwind koelt het water af en zakt naar de onderbak van de radiateur. Hierdoor ontstaat een constante waterstroom in het motorblok en radiateur. Deze wijze van koelen staat bekend als het ‘thermosifon’-systeem en om convectie te verkrijgen, moet de bovenbak van de radiateur hoger geplaatst zijn dan het cilinderblok. radiateur boventank
overdruk-vuldop
de radiateur overstroomleiding De functie van de radiateur is, zo snel mogelijk de pijp voor bovenste hitte kwijt te raken. Dit wordt bewerkstelligd door radiateurhet water te verdelen en door een groot aantal slang koelblok kleine doorgangen te laten stromen. Deze doorgangen zijn zodanig ontworpen, dat het grootst radiateur mogelijke oppervlak voor de er door heen stroondertank mende koele lucht wordt verkregen. aftapkraan De radiateur bestaat gewoonlijk uit een of plug bovenbak en een onderbak, die met elkaar verpijp voor onderste bonden zijn door dunne pijpjes (het middenstuk radiateurslang van de radiateur). (Zie tekening Motor 20 en 21.) Motor 20 - De radiateur Door zigzag gevormde koperen, aluminium of waterkanaal metalen plaatjes, die aan de randen van de pijpjes vast gesoldeerd zijn, wordt een groot koelend oppervlak verkregen. Alle radiatoren zijn voorzien van een metalen koelrib ‘overloop’ buis, die de eventueel gevormde stoom in het systeem in staat stelt te ontsnappen. Het voorlucht komt ook het overvol raken van de radiateur.
Motor 21 - Koelblok van radiateur
koeling met behulp van een waterpomp De meeste auto’s zijn uitgerust met een koeling die werkt met een waterpomp en een radiateur die tegen de nodige druk bestand is. De dop van de radiateur sluit de ‘overloop’ buis af en voorkomt zo waterverlies. Daardoor ontstaat een gesloten koelsysteem, waarin
het kookpunt van water ho-ger is dan normaal. De motor kan dus bij hogere temperaturen werken, zonder dat het water gaat koken en zonder waterverlies. De radiateurdop is tevens een veiligheidsklep (zie tekening Motor 22), waardoor eventuele overdruk die binnen het systeem zou kunnen ontstaan, kan ontsnappen. Motor 22 - Radiateurdop De dop bevat een met een veer uitgeruste overdrukklep, die de lucht buiten het koelsysteem houdt. Als de motor afkoelt, zal de druk in het koelsysteem tot beneden de druk van de buitenlucht zakken. Om schade aan de radiateur en waterslangen te voorkomen, gaat de kleinere, met een veer uitgeruste onderdrukklep open en zo kan de druk in het koelsysteem weer gelijk worden aan de druk van de buitenlucht. de ventilator Om een gelijkmatige luchtstroom door de radiateur te verkrijgen, als de auto stilstaat of langzaam rijdt, is er een ventilator tussen de motor en de radiateur aangebracht. Deze ventilator kan uit twee tot twaalf bladen bestaan en wordt door een riemschijf (poelie) op de krukas van de motor, door middel van een rubber riem met een v-vorm aangedreven, die in vele gevallen ook dient om de dynamo aan te drijven. Bij moderne motoren is een elektrische ventilator aangebracht die via een temperatuur zender in de radiateur wordt ingeschakeld. Dit noemt men ook wel een zelfdenkende ventilator. de waterpomp In het thermosifon-systeem circuleert het water nogal langzaam en moet de radiateur hoger geplaatst zijn dan de motor. Daarom koelventilator ventilatorpoelie zijn auto’s gewoonlijk uitgerust met een schoepenwiel kleine (centrifugaal) waterpomp om de of waaier pompas stroomsnelheid van het water te verhogen. Als er een pomp is aangebracht, kan de radiateur kleiner zijn en lager geplaatst worden dan anders het geval zou zijn. kogellagers
De waterpomp bestaat uit een huis waterwaarin een as is geplaatst waaraan een afdichtring schoepenwiel is bevestigd. Dit schoeinvoerpijp vanaf penwiel krijgt het koelwater in het midradiateur-ondertank den aangevoerd en slingert het koelwa- Motor 23 - Waterpomp met ventilator ter door centrifugaal kracht naar de buitenzijde waar het via een opening het motorblok in stroomt De waterpomp wordt meestal op dezelfde as bevestigd waarop de ventilator draait en is geplaatst in de waterstroom tussen de bodem van de radiateur en het cilinderblok.(Zie tekening Motor 23.) Bij moderne motoren wordt de waterpomp aangedreven
door de distributieriem en wordt de ventilator elektrisch aangestuurd door een temperatuur voeler in de radiateur.De richting van de waterstroom die door de pomp wordt veroorzaakt is dezelfde als bij de thermosifon circulatie. de thermostaat naar bovenbak klep open Omdat het wenselijk is dat een koude motor zo snel mogelijk warm wordt, is er meestal een thermostaat klepzitting aangebracht in de wateruitlaat van de cilinderkop. (Zie tekening Motor 24.) De thermostaat bestaat uit balgen uitgezet metalen balgen, gevuld met een vluchtige vloeistof of cilinderkop met was, waarop een schotelvormige klep is bevestigd. Motor 24 - Thermostaat Tijdens de ‘opwarm’ periode zorgt deze klep ervoor, dat het koelwater niet door de radiateur gaat. (Zie tekening Motor 25 en 26.) Wanneer de temperatuur van het water op ongeveer 80oC komt, gaat de vluchtige vloeistof koken en veroorzaakt een uitzetting van de balgen, zodat de klep wordt opgetild. Als de klep open staat, kan het water van uit de cilinderkop de radiateur bereiken en daar gekoeld worden. De met was gevulde thermostaat werkt in principe het zelfde alleen gaat de was niet koken maar zet uit waardoor de klep geopend wordt. Thermostaten zijn in verschildrukstang lende warmte graden verkrijgrubber membraan baar. Een thermostaat voor een Austin-Healey 100 six wasvulling moet bij ± 75oC open gaan, Motor 25 - Thermostaat gesloten volgens de fabrieks gegevens. Motor 26 - Thermostaat geopend Bij een ‘Sprite’ moet deze open gaan bij ± 70oC. de benzinetoevoer De benzinetank van een auto bevindt zich bijna altijd achterin, als de motor voorin zit en omgekeerd. Deze opstelling vermindert het brandgevaar (omdat de benzine dan van de hete motor verwijderd blijft) en voorkomt, dat benzinedampen in de passagiersruimte komen. De tank wordt meestal onder de bagageruimte geplaatst, in de regel lager dan de carburateur, zodat de benzine naar de carburateur gepompt moet worden om een constante benzinetoevoer te verkrijgen. De benzinepomp wordt tussen de carburateur en de benzinetank aangebracht en is met de benzinetank verbonden door een koperen, stalen of plastic leiding. Elektrische benzinepompen worden vaak achterin de auto, naast de benzinetank aangebracht. De verbinding met de carburateur moet bijzonder buigzaam zijn, vanwege het trillen van de motor. De benzinepomp moet de brandstof van de lager gelegen benzinetank pompen naar de vlotter van de carburateur. Het kan of een mechanische of een elektrische benzinepomp zijn.
de mechanische benzinepomp Een mechanisch werkende pomp is meestal aan de zijkant van het motorblok gemonteerd en werkt door middel van een excentriek (een eivormig wiel) op de nokkenas. (Zie tekening Motor 27 en 28.) Wanneer het excentriek draait tilt deze de hefboom op, die op zijn beurt een flexibel membraan naar beneden drukt tegen de druk van de membraanveer in. Wanneer het membraan naar beneden uitpuilt, zal de luchtdruk die op het benzineoppervlak in de benzinetank werkt, de Motor 27 - Mechanische pomp, inlaatslag benzine via de zuigklep (inlaatklep) naar de brandstofkamer stuwen. Omdat het excentriek verder draait, tilt het de hefboomarm niet verder op. De membraanveer kan dan de membraan omhoog duwen, zodat de druk die uitgeoefend wordt op de benzine in de brandstofkamer, de met een veer uitgeruste persklep (uitlaatklep) opent. De benzine stroomt door de opening van de persklep en door de benzineleiding naar de vlotter van de carburateur. Motor 28 - Mechanische pomp, persslag De naaldklep in de vlotter van de carburateur wordt stevig afgesloten, als de benzine in de vlotter een zeker peil bereikt, wat in feite het geval is als de pijpleiding en de brandstofkamer gevuld zijn met benzine. De druk die aldus geproduceerd wordt, houdt het membraan tegen de membraanveer. De hefboomarm zal ‘voor niets’ op en neer gaan, dus zonder het membraan te bewegen, totdat de druk verminderd wordt door het openen van de naaldklep, dus wanneer de carburateur weer benzine nodig heeft. Het afvoergaatje in de pomp dient om de benzine die door of langs het membraan lekt af te voeren, want anders zou er benzine in het motorcarter komen, waar het de smeerolie zou verdunnen. de elektrische pomp Elektrisch werkende pompen worden niet aan de motor bevestigd maar zijn óf vlakbij de benzinetank óf onder de motorkap aangebracht. Indien de benzinepomp te dicht bij de motor is aangebracht, zou er gevaar bestaan dat, door de hitte van de motor, de benzine in de pomp of in de pijpleidingen verdampt, solenoïde (magneetspoel) membraan waardoor de pomp dan niet meer werkt. onderbrekerpunten De elektrische pomp heeft een buigzaam membraan, net als de mechanische pomp. In feite werken beide pompen volgens een bijna gelijk principe. De met een veer uitgeruste membraan in de elektrische pomp is uitgerust met een zacht ijzeren plaatje, aansluiting voedingskabel een anker geheten, zodat het elektrisch benzine-inlaatleiding bediend kan worden door middel van een
Motor 29 - Elektrische benzinepomp
naar filter en carburateur
elektromagneet. (Zie tekening Motor 29.) De contactpuntjes, die verbonden zijn met een onderbreken, werken als een automatische schakelaar en verwerken de stroom die door de accu aan de elektromagneet wordt geleverd. Wanneer de contactpuntjes gesloten zijn, gaat Motor 30 - Inlaatslag elektrische pomp de stroom door de windingen van de elektromagneet, zodat het anker wordt aangetrokken. Het membraan wordt dan gelijktijdig naar voren getrokken, zodat de brandstofkamer groter wordt en er een gedeeltelijk naar filter en carburateur vacuüm ontstaat. De benzine wordt in de brandstofkamer gezogen door de inlaatklep. (Zie tekening Motor 30). Een bronzen stang, verbonden met het anker haalt de onderbreker over die de contactpunten van elkaar houdt, als het membraan geheel wordt uitgerekt. Daar-door wordt Motor 31 - Persslag elektrische pomp de stroomtoevoer naar de elektromagneet afgebroken en het anker wordt er niet langer door aangetrokken. De membraanveer drukt het anker en het membraan terug en stuwt zo de benzine door de uitlaatklep in de vlotterkamer van de carburateur. (Zie tekening Motor 31.) Dit kan natuurlijk alleen gebeuren, indien de naaldklep in de vlotterkamer open staat, dus als de carburateur meer benzine nodig heeft. Aan het eind van de beweging van het membraan die de benzinetoevoer veroorzaakt, sluit de onderbreken de contactpunten, waarna het gehele proces opnieuw begint. Elektrisch werkende pompen moeten horizontaal gemonteerd worden (dus met het membraan verticaal), terwijl mechanisch werkende pompen verticaal (dus met het membraan horizontaal) gemonteerd moeten worden. De kleppen kunnen dan goed functioneren en eventuele lekkage van benzine kan door het afvoergaatje verwerkt worden.
