Zuiger:


Op deze pagina worden de volgende onderdelen beschreven:
-Algemeen
-Zuigerbodem
-Materialen
-Zuigerveren
-Slotspeling van de zuigerveren
-Zuigerpen
-Desaxatie van de zuigerpen
-Zuigervervorming
-Kantelende zuiger
-Koeling
-Primaire en secundaire zuigerbewegingen
-Zuigersnelheid berekenen

 

Algemeen:
De zuigers maken op- en neergaande bewegingen in de cilinder. De cilinder zit vast in het motorblok en beweegt niet. De zuiger beweegt constant van het ODP (Onderste Dode Punt) naar het BDP (Bovenste Dode Punt) in de cilinder. Aan de bovenkant van de zuiger (wat zuigerbodem wordt genoemd) vindt de verbranding plaats. Doordat de inlaatkleppen open gaan en de zuiger naar beweegt, wordt er een vacum in het inlaatgedeelte gecreerd. Door die vacum wordt er lucht (of een brandstofmengsel) de cilinder in gezogen. Bij een motor met drukvulling (d.m.v. een turbo of compressor) wordt de inlaatlucht met een bepaalde overdruk in de cilinder geduwd.
De inlaatkleppen sluiten en de zuiger beweegt omhoog. De lucht (of brandstofmengsel) wordt samengeperst (gecomprimeerd) vervolgens bij een benzinemotor met een bougie en bij een dieselmotor door het toevoegen van dieselbrandstof ontstoken. Zie daar voor de hoofdstukken Werking benzinemotor en Werking dieselmotor voor een uitgebreide uitleg.
Doordat het mengsel ontbrandt, wordt de zuiger met grote kracht naar beneden geduwd. Vervolgens gaan de uitlaatkleppen open en duwt de zuiger bij de opgaande slag de verbrande gassen de uitlaat in.


Zuigers moeten voldoen aan de volgende eigenschappen voldoen:
-  Een zo laag mogelijke massa om de massakrachten in het BDP en ODP zo laag mogelijk te houden. Kleine massakrachten belasten de lagers minder en laten hogere rotatiefrequenties toe.
-  Goede warmtegeleiding; de temperatuur van de zuigerbodem kan meer dan 400 graden Celcius bedragen. Om de temperatuur van de  zuigerbodem niet te hoog te laten oplopen, wordt deze constant gekoeld met een oliestraal tegen de onderzijde. De lagere thermische belasting geeft minder slijtage en minder olieverbruik.
-  Voldoende mechanische weerstand.
-  Lage wrijvingscofficint.

 

Zuigerbodem:
De bovenkant van de zuiger wordt de "kroon" of de "zuigerbodem" genoemd. Vaak zijn er uitsparingen voor de kleppen in de zuigerbodem geslepen.

Vaak is bij direct ingespoten dieselmotoren de zuigerbodem nog een deel van de verbrandingsruimte. Er wordt dan een speciale holte in de zuiger geslepen, wat dient voor de werveling van de lucht. De lucht in die ruimte zal een wervelende beweging maken, waardoor de dieselbrandstof bij de inspuiting direct goed met deze lucht vermengd wordt.

De bovenstaande afbeelding is van een direct ingespoten dieselmotor met een voorwervelkamer in de zuiger. Bij een indirect ingespoten dieselmotor zit er een aparte voorwervelkamer in de cilinderkop. Er is dan geen sprake van een verbrandingsruimte in de zuigerbodem. Voor meer informatie, zie het hoofdstuk dieselmotor.



Materialen:
Zuigers zijn meestal gemaakt van aluminium of magnesiumlegeringen. Soms worden er gesmede aluminium zuigers gebruikt waarvan de zuigerbodems verchroomd zijn. Deze zijn zeer sterk en hebben een laag gewicht. Het voordeel is dat ze door het lage gewicht ook een lagere mechanische belasting in de cilinderwanden hebben (en dus minder slijtage), plus dat ze hierdoor kunnen worden gebruikt in motoren met zeer veel vermogen. Vanwege de specialistische productie is de prijs een stuk hoger als normale aluminium zuigers.

In de zijkant van de zuiger zijn ook kleine groefjes aangebracht, vergelijkbaar met de hoongroeven in de cilinderwand. Deze dienen ervoor om de olie een soort van "mee te nemen" bij het op- en neer bewegen. Wanneer er geen kleine groefjes zouden zijn aangebracht, zou de olie er gewoon langs kunnen bewegen en in de verbrandingsruimte terecht kunnen komen.

 

Zuigerveren:
Zuigerveren moeten voor een zo goed mogelijke gasafdichting zorgen tussen de zuiger in de cilinder. Lekkages langs de zuigerveren veroorzaakt o.a:
-  Compressieverlies (daardoor ook vermogensverlies).
-  Olieverlies via de verbrandingsruimte.
-  Vroegtijdig verouderen en vervuilen van de olie; doordat er lekgassen in de olie komen, kunnen die gassen zich met de olie vermengen, waardoor de olie verouderd.

Er zijn 2 soorten zuigerveren:
- Compressieveren: Deze zorgen voor een zo goed mogelijke gasafdichting. De compressieveren zijn meestal de 2 bovenste zuigerveren.
- Olieschraapveren: Deze moeten de overtollige olie van de cilinderwanden schrapen en zo het olieverbruik beperken.

Tussen de zuigerveergroeven en de zuigerveren zit altijd een laagje olie (zie onderstaande afbeelding). Het is namelijk niet mogelijk om alleen de zuigerveren voor het afdichten te laten zorgen. De olie speelt hierbij ook een belangrijke rol. Het werkt als volgt:
-  Als de zuiger omhoog gaat, gaan de zuigerveren naar het onderste gedeelte van de zuigerveergroef. (zie afbeelding)
-  Olie op de cilinderwand, dringt tussen de zuigerveer en zuigerveergroef. De zuiger word daardoor tegen de cilinderwand aangedrukt.

Wanneer de olieschraapveren versleten zijn, kan de olie tussen de cilinderwand en de olieschraapveer komen, waardoor het in de verbrandingsruimte terecht komt. De olie wordt vervolgens verbrand, wat blauwe of zwarte rook uit de uitlaat als gevolg heeft. Blauwe rook is van motorolie dat direct, onverbrand in de uitlaat terecht komt en verdampt. Bij zwarte rook heeft de olie meegedaan aan het verbrandingsproces en verlaten de verbrande olieresten in de vorm van (zwarte) roet de uitlaat.





Slotspeling van de zuigerveren:
De slotspeling is de ruimte tussen de twee uiteinden van de zuigerveer. Wanneer de slotspeling te klein is, heeft de zuigerveer geen ruimte om zich naar een kleinere diameter te kunnen vormen. De cilinderwand kan daarbij beschadigen en de zuigerveer kan breken. Bij een te grote slotspeling is er teveel ruimte tussen de uiteinden aanwezig; de zuigerveren dichten onvoldoende af en kan tot compressieverlies of een verhoogd olieverbruik zorgen.



De slotspeling wordt gemeten met een voelermaat. Bij de bovenstaande meting dient de slotspeling tussen de 0,35 en 0,55 mm te bedragen. De voelermaat met een dikte van 0,5 mm kon er met enige weerstand doorheen bewogen worden. De slotspeling is dus in orde.

 

Zuigerpen:
Met de zuigerpen wordt de zuiger draaibaar aan de drijfstang bevestigd. De zuigerpen is (theoretisch) in het midden van de zuiger gemonteerd en wordt geborgd met een borgveer. In werkelijkheid zit de zuigerpen uit het midden gemonteerd, wat de prestaties ten goede komt. Meer informatie hier over staat hier onder in het volgende hoofdstuk: Desaxatie van de zuigerpen.


(Afb. van een zuiger met een gedemonteerde zuigerpen)

 

Desaxatie van de zuigerpen:
Desaxatie van de zuigerpen betekent dat de zuigerpen niet helemaal in het midden geplaatst is (zoals in de onderstaande afbeelding te zien is). Deze zuigers moeten uiteraard ook in een bepaalde richting gemonteerd worden. De richting wordt aangegeven door een pijl, die in de zuigerbodem gemarkeerd staat. Deze pijl staat naar de distributiezijde gericht.



Het uit het midden plaatsen van de zuigerpen heeft een belangrijk doel; slijtage van de cilinderwand verminderen en het geluid dat de zuiger maakt bij het wisselen van cilinderwand verminderen. Bij het omhoog bewegen van de zuiger wordt deze tegen de linker kant van de cilinderwand aangedrukt en bij het omlaag bewegen naar de rechter kant. Bij elke arbeidsslag zal de zuiger dus vanaf de linker kant met een enorme kracht tegen de rechter kant aangeslagen worden.
Doordat de zuigerpen uit het midden is geplaatst, staat de drijfstang vr het BDP al rechtop. De zuiger beweegt vr de arbeidsslag al naar de rechter kant van de cilinder. Wanneer nu de arbeidsslag plaatsvindt, staat de zuiger al in de juiste positie en kan nu in n beweging recht naar beneden. Door de uit het midden geplaatste zuigerpen wordt de zuiger dus niet meer tegen de cilinderwand aangeslagen door de arbeidsslag, waardoor geluid en slijtage verminderd worden.



Zuigervervorming:
De zuiger neemt bij een warme motor een andere vorm aan dan bij een koude motor. Het materiaal zet uit door de warmte. De zuiger is zo geconstrueerd, dat de uitzetting maar in 1 richting plaatsvindt. Anders zou de zuiger vast kunnen lopen in de cilinder.



Helemaal links in de afbeelding is de zuiger in normale toestand te zien. Het middelste plaatje is van de zuiger in de cilinder van bovenaf gezien, wanneer deze op bedrijfstemperatuur is. De motor staat dus al een tijdje aan, waardoor het materiaal van de zuiger is opgewarmd en uitgezet. Het rechter plaatje is van de zuiger in koude toestand. Deze is nu ovaal van vorm. De pijltjes boven en onder geven het verschil in maat aan. De zuiger in het rechter plaatje is in de breedte versterkt, en in de lengte expres zo geconstrueerd zodat deze hier de ruimte heeft om uit te kunnen zetten. De reden hiervan is, dat elk materiaal bij verhitting uitzet. De zuiger moet hier hier ook de ruimte voor krijgen.

De kant die niet uitzet, dus in de afbeelding de linker- en de rechterkant van de zuiger, wordt tegen de cilinderwand gedrukt bij de arbeidsslag. Deze kant vangt de lijbaankracht op (zie de afbeelding bij onderstaand hoofdstuk "kantelende zuiger". Dit is natuurlijk op deze manier geconstrueerd, omdat anders de ruimte tussen de zuiger en de cilinderwand te groot is bij deze enorme kracht. De zuiger wordt dan bij koude motor tegen de cilinderwand aangesmeten en zal hierdoor een korte levensduur hebben.

Ondanks dat, kan het geluid bij koude motor hierdoor toch anders zijn dan bij warme motor. Bij koude motor is er toch dermate meer speling tussen zuiger en cilinder, dat er alsnog een licht tikkend geluid hoorbaar kan zijn. Dit is helemaal niet erg, zolang de opwarmfase van de motor maar rustig verloopt. Daarmee bedoel ik, dat de motor rustig warm gereden moet worden (niet te hoge toerentallen en zeker niet te veel gas geven in de lage toeren). Gebeurt dit wel, dan is de zuiger is nog niet volledig uitgezet en dan is de olie is nog niet op de bedrijfstemperatuur van min. 60 of 80 graden. De motor zal dan een aanzienlijk kortere levensduur hebben. De cilinderwand zal sneller inslijten, evenals de zijkant van zuiger die hard zal slijten. Het geluid van de zuiger kan door de constructeur ook verminderd worden door "desaxatie'' toe te passen. (Zie bovenstaand hoofdstuk).

 

Kantelende zuiger:
Tijdens het omhoog en omlaag bewegen beweegt de zuiger ook iets in de breedterichting in de cilinderwand. Wanneer er door verkeerd gebruik van de motor slijtage in de cilinderwand ontstaat (denk aan hard rijden / hoge toeren maken bij koude motor) kan het (in de afbeelding rood gemarkeerde) deel van de cilinderwand hol inslijten. Ook een slechte materiaalkeuze van de autofabrikant kan daar een grote rol in hebben (denk aan bepaalde 1.4 16v motoren van de V.A.G.) Dat betekent dat de breedte van de cilinderwand toeneemt en daardoor de zuiger meer bewegingsvrijheid krijgt ten gevolgen van de lijbaankracht. In dat geval wordt er gesproken van "kantelende zuigers". In de afbeelding is te zien dat de zuiger iets verdraaid in de cilinder getekend is. Een klein beetje overdreven situatie, maar zo is het begrip "kantelende zuiger'' goed te zien.

Het gevolg van kantelende zuigers is dat de motor veel tikkende geluiden maakt. Zo kan het soms bijna vergeleken worden met het geluid dat dieselmotor produceert. Het geluid is puur het tegen de cilinderwand aan slaan door de extra ruimte die de zuiger in de cilinder heeft. Daardoor neemt het olieverbruik vaak toe (door de slechte afdichting) en zal vaak ook de slijtage toenemen. Het enige wat hieraan gedaan kan worden is de motor te reviseren.





Koeling:
De zuiger wordt gekoeld doordat er aan de onderkant motorolie tegenaan gespoten wordt. Dit kan met een oliesproeier (zie onderstaande afbeelding), of via een gat in de drijfstang. Dit wordt, samen met nog meer informatie over koeling en smering, beschreven op de pagina Smeersysteem.





Primaire en secundaire zuigerbewegingen:
De op- en neergaande (translerende) beweging van de zuiger wordt door het kruk- drijfstangmechanisme omgezet in een roterende beweging. De zuiger beweegt in n rechte lijn omhoog en omlaag. Dit wordt de primaire zuigerbeweging genoemd. Echter, de drijfstang beweegt niet alleen omhoog en omlaag, maar ook zijdelings. Door de zijdelingse beweging van de drijfstang, zal de zuiger een iets grotere afstand afleggen. Op dit punt heeft de zuiger de hoogste bewegingssnelheid. Deze extra afstand wordt de secundaire zuigerbeweging genoemd.

In de onderstaande afbeelding zijn drie zuigers afgebeeld. De bovenste blauwe zuiger geeft aan waar het BDP (Bovenste Dode Punt) is. De blauwe zuiger rechts in het midden geeft de afstand van de primaire zuigerbeweging aan (dus waarbij de drijfstang niet schuin is komen te staan). De onderste roodgekleurde zuiger geeft de extra afstand aan die door het draaien van de krukas en de schuine stand van de drijfstang ontstaat; dit is de secundaire zuigerbeweging.



Op het moment dat de krukas 90 graden is verdraaid, is de bewegingssnelheid van de zuiger het hoogst. De secundaire zuigerbeweging zorgt voor een grotere afgelegde afstand. Door de afstand van de secundaire beweging bij die van de primaire beweging op te tellen, kan de totaal afgelegde afstand van de zuiger bepaald worden.

In de onderstaande grafiek zijn de primaire zuigerbeweging (blauw) en de secundaire zuigerbeweging (rood) te zien. Bij de primaire zuigerbeweging staat de zuiger bij 0 verdraaiing in het BDP. Bij een halve omwenteling van de krukas (180), staat de zuiger in het ODP. Wanneer de krukas 180 graden verder verdraaid is, staat de zuiger weer in het BDP.
Tijdens de secundaire zuigerbeweging staat de zuiger bij 90 en bij 270 op zijn laagste punt. Bij 0 en 180 staat de zuiger op zijn hoogste punt.



De secundaire zuigerkracht is mede verantwoordelijk voor motortrillingen. Om de trillingen te verminderen worden motoren vaak met balansassen uitgevoerd.


Zuigersnelheid berekenen:
De snelheid waarmee de zuiger zich in de cilinder verplaatst wordt de zuigersnelheid genoemd. De zuiger beweegt van boven naar beneden (het bovenste dode punt BDP) naar onderen (onderste dode punt ODP) en weer naar boven. Telkens als de zuiger het BDP of het ODP bereikt, staat deze stil omdat de bewegingsrichting verandert. Dit wordt in de onderstaande afbeelding verduidelijkt:



De zuigersnelheid is het hoogst wanneer deze zich halverwege de cilinder bevindt. Dit heeft ook te maken met de secundaire zuigerbeweging, wat beschreven wordt in de vorige paragraaf. Vanaf het midden zal de beweging weer vertragen totdat het BDP bereikt is. Wanneer de krukas n keer volledig ronddraait, dan beweegt de zuiger een keer naar beneden en naar boven. De afstand tussen het BDP en het ODP wordt het slagvolume genoemd. Als ook het actuele krukastoerental bekend is, dan kan de gemiddelde zuigerbeweging berekend worden.

V = 2 x s x n

V = gemiddelde zuigersnelheid [meter per seconde]
2 = tweemaal de zuigerbeweging
s = slag; de afstand die de zuiger aflegt [meter]
n = krukastoerental [Hertz]

Voorbeeld:
Een motor heeft een slag van 90 mm. Het slagvolume is te vinden in de fabrieksgegevens van de motor. Het motortoerental is 3000 omwentelingen per minuut (afgelezen van de toerenteller). Met deze gegevens kan de gemiddelde zuigersnelheid berekend worden.
Om te beginnen moet de slag die gegeven is in millimeters, omgerekend worden naar meters (delen door 1000). Dat is dus 0,09 meter. Ook moet het krukastoerental in omwentelingen per minuut omgerekend worden naar omwentelingen per seconden (delen door 60). Dat is 50 Hertz.
De berekende gegevens kunnen in de formule ingevuld worden:

V = 2 x 0,09 x 50 = 9 m/s