Inleiding:
Een cilinderdrukmeting (in-cylinder pressure test) is een meetmethode waarmee de drukverandering in een cilinder van een verbrandingsmotor zichtbaar wordt gemaakt gedurende de volledige motorcyclus. Met deze meting kan een compressietest worden uitgevoerd waarbij, net als bij een klassieke compressiemeting, de druk aan het einde van de compressieslag wordt bepaald. Daarnaast maakt een cilinderdrukmeting het mogelijk om het volledige drukverloop tijdens de inlaatslag, compressieslag, arbeidsslag en uitlaatslag te analyseren.
Een tegenwoordig veelgebruikt meetgereedschap om de druk in de cilinder te meten, is de WPS500x pressure transducer van PicoScope. Naast dit merk zijn er ook vergelijkbare drukopnemers beschikbaar van onder andere Fluke en enkele minder gangbare merken. Omdat de WPS500x anno 2026 zeer populair is in de automotive werkplaats en bovendien wordt toegepast bij landelijke praktijkexamens, richten we ons op deze pagina specifiek op de scoopbeelden die met dit meetsysteem worden opgenomen.
De WPS500x is een hoge-resolutie druksensor die met behulp van een bougieadapter (benzinemotor), gloeibougieadapter of verstuiveradapter (dieselmotor) in de cilinderkop, direct in de verbrandingsruimte wordt gemonteerd. De sensor zet de aanwezige cilinderdruk om in een elektrisch signaal. Dit signaal wordt door de PicoScope weergegeven als een drukgrafiek, uitgezet tegen de tijd of tegen de krukaspositie. In de software kan de WPS500x worden geselecteerd, waarna de Y-as verandert van Volt naar Bar.
De afbeelding hiernaast toont een opstelling van de WPS500x op een Automotive scope welke met een USB-kabel met een laptop is verbonden.
De laptop toont een meting van het drukverloop tijdens een draainde motor. Zowel de brandstofinspuiting als ontsteking van de cilinder zijn uitgeschakeld, zodat de zuiger zorgt voor een luchtverplaatsing, zonder dat er een verbranding plaatsvindt. Voor de monteur cq. technisch specialist is het interessant om te zien hoeveel onderdruk er heerst tijdens de inlaatslag en hoeveel overdruk er heerst tijdens de compressie– arbeid– en uitlaatslag.
In de volgende paragrafen wordt uitgelegd hoe een het drukverloop tijdens het starten en het draaien van de motor kunnen worden afgelezen, wat de verschillende gebieden tonen, hoe mogelijke storingen in het vierslagproces kunnen worden herkend en welke stappen er kunnen worden genomen om de oorzaak te vinden.
Drukverloop met stationair draaiende motor:
Op het moment dat de meetapparatuur is aangebracht, de injectie- en ontsteking van de te meten cilinder is uitgeschakeld en de motor stationair draait, ontstaat het drukverloop (p) ten opzichte van de tijd (t) zoals in de afbeelding rechts wordt weergegeven.
De blauw-grijs gekleurde vakken zijn met een instelling van de PicoScope geplaatst door bij “Linialen” te kiezen voor “Faselinialen” en voor 720 graden. De linialen zijn uitgelijnd op de drukpieken van de compressieslagen, die bij een draaiende motor zonder verbranding zichtbaar blijven. Hieronder worden het drukverloop in de verschillende faselinialen met de gele pijlen met nummers uitgelegd.
- Inlaatslag: tussen de 0 en 180 krukasgraden. In dit gebied heerst er een onderdruk in de cilinder om de inlaatlucht naar binnen te zuigen;
- Compressieslag: bij t = 180 graden begint de drukopbouw van de compressieslag tot de top van de drukpiek. Bij 360 graden is het einde van de compressieslag bereikt;
- Arbeidsslag: de zuiger beweegt van het BDP naar het ODP. Let op: dit is eigenlijk geen letterlijke arbeidsslag maar de expansie van het luchtvolume, omdat er geen verbranding plaatsvindt;
- Uitlaatslag: bij t = 540 krukasgraden beweegt de zuiger naar het BDP en ontstaat er een lichte overdruk: hier is de uitlaatklep geopend en worden de gassen naar buiten geleid. Op t = 720 graden begint de inlaatslag van de volgende cyclus weer.
Het volledige scoopbeeld met de bijbehorende instellingen is hieronder weergegeven. De compressie-einddruk bedraagt circa 5 bar en is met behulp van de liniaal aangegeven. Omdat de motor stationair draait, staat de gasklep vrijwel gesloten door de actieve stationairregeling. Hierdoor wordt minder lucht in de cilinder aangezogen, is de spruitstukdruk ca. 30 tot 40 kPa en de vullingsgraad van de cilinder laag, wat resulteert in een lagere compressiedruk.
Drukverloop tijdens het starten van de motor:
Net als bij een stationair draaiende motor, dient tijdens het starten de injectie en ontsteking van de betreffende cilinder te worden uitgeschakeld. Om zoveel mogelijk lucht in de cilinder te laten stromen, moet tijdens het starten de gasklep volledig zijn geopend:
- Motoren met een elektrisch bediend gaspedaal in combinatie met directe inspuiting en kleplichthoogteregeling: de gasklep kan tijdens het starten al automatisch volledig zijn geopend;
- Motoren met gaskabel (bowdenkabel): hierbij moet het gaspedaal volledig worden ingetrapt of onder de motorkap de gasklep met de hand worden opengedraaid.
Tijdens het starten zal de compressie-einddruk op de scope worden weergegeven. Deze compressiemeting is vergelijkbaar met de klassieke methode met het compressiekaartje: dezelfde einddruk zal worden weergegeven. De compressie-einddruk is te zien in het verloop in de onderstaande afbeelding. Van dezelfde motor als waarbij de compressiedruk tijdens stationair draaien (slechts) 5 bar was, is de druk tijdens het starten ca. 14 bar, wat voor deze motor een nette waarde is. Deze meting kan bij iedere cilinder worden herhaald om de onderlinge verschillen te zien.
Drukverloop tijdens het starten met compressieverlies:
Tijdens het starten met geopende gasklep zien we op het scoopbeeld de compressie-einddruk bij iedere compressieslag. Wanneer we compressieverlies vermoeden, sluiten we de drukmeter na iedere meting op een andere cilinder aan. In dit experiment is er gemeten op een motor waarbij motorschade is aangebracht om dergelijke metingen goed op te kunnen uitoefenen.
- Cilinder 1: een compressie-einddruk van 14 bar. Dat is in orde, en is tevens de referentie voor de andere cilinders die moeten worden gemeten;
- Cilinder 2: de compressie-einddruk bedraagt nog geen 10 bar. Hier is sprake van compressieverlies;
- Cilinder 3: in dit beeld is slechts een minimale drukverhoging van 1,33 bar te zien. Dit betekent dat er nauwelijks luchtdruk wordt opgebouwd en dat de kans groot is dat hier een flinke schade aanwezig is.
Onder het scoopbeeld zoomen we verder in op het drukverloop van de groene en gele curves (cilinder 1 en 2) waarbij we kijken naar de rise-rate en fall-rate tijden.
Met de linialen kunnen we het verschil in de rise-rate en de fall-rate tijd inzichtelijk maken.
- Verticale liniaal 1: in de breedte van de top-piekdruk (t = 729,3 ms)
- Horizontale liniaal 1: op de hoogte van de top-piekdruk (p = 13,83 bar)
- Horizontale liniaal 2: halverwege de stijgende druk (p = 6,89 bar)
- Verticale liniaal 2: op de raaklijn tussen de grafiek en de horizontale liniaal 2.
In de onderstaande scoopbeelden zijn met de rode punten de raaklijnen van de linialen aangegeven. Hiermee kunnen de rise-rate tijd (t1) en de fall-rate tijd (t2) worden bepaald. De uitleg over het scoopbeeld met de groene curve (cilinder 1) gaat verder onder de afbeelding.
Met behulp van de horizontale en verticale linialen kunnen exact de tijdverschillen worden bepaald. In het bovenstaande scoopbeeld (van cilinder 1) lezen we de volgende tijden van de linialen af:
- t1: 16,54 ms
- t2: 15 ms
Het tijdsverschil tussen t2 en t1 bedraagt: (16,54 – 15) 1,54 ms. Dit is kenmerkend voor een goed functionerende motor: de rise- en fall-rate tijden zijn bijna gelijk aan elkaar. De expansie (BDP -> ODP) verloopt iets sneller dan de compressie (ODP -> BDP): het kost meer moeite (en dus tijd) om de lucht te comprimeren dan om de luchtdruk te laten helpen om de zuiger weer naar het ODP te duwen.
De uitleg over de gele curve (cilinder 2) gaat verder onder de afbeelding.
In het bovenstaande scoopbeeld van cilinder 2 bedraagt het tijdsverschil tussen t2 en t1: 2,69 ms. Dit tijdsverschil is groter dan in de cilinder waar geen compressieverlies is, wat betekent dat de drukop- en afbouw niet met dezelfde snelheid verlopen. Eén van de flanken is steiler of vlakker dan de ander. Dit wijst op compressieverlies in de cilinder.
De oorzaken van compressieverlies zijn divers. Er zijn vele mogelijkheden van luchtlekkage in de verbrandingsruimte, waarvan dit de meest voorkomende praktijkvoorbeelden zijn:
- verbrande inlaat- of uitlaatklep;
- versleten compressieveren;
- vreetsporen in de cilinderwand waardoor er geen goede afdichting is tussen zuiger en cilinder;
- defecte koppakking;
- breuk in de zuiger;
- scheur in de cilinderkop;
- lekkage langs injector cq. verstuiver.
Wanneer er sprake is van compressieverlies, kan met aanvullende metingen worden vastgesteld waar de luchtlekkage optreedt. Bij verbrande kleppen kan een luchtpuls in het inlaatspruitstuk of in het uitlaatsysteem worden gemeten. Dit kan zowel met de WPS500x als met de zogenaamde First look sensor van PicoScope.
Ook met minder uitgebreide meetapparatuur kan de diagnose worden verdiept. Met een klassieke cilinderlektester wordt perslucht op de cilinder gezet. Afhankelijk van de locatie van het lek is vervolgens een sissend of fluitend geluid hoorbaar in het inlaatkanaal, het uitlaatkanaal of de carterontluchting. Bij een lekkage richting het koelsysteem kunnen bovendien luchtbellen in het koelvloeistofreservoir zichtbaar worden. De ontsnappende lucht vanuit de cilinder zal zich altijd op één van deze plaatsen manifesteren.
Wanneer er sprake is van mogelijke motorschade, kan aanvullend een endoscoop worden gebruikt om in de cilinder te kijken. Hiermee kunnen zichtbare afwijkingen aan de kleppen, de zuiger of de cilinderwand worden vastgesteld.
Drukverloop tijdens het starten met gesmoorde inlaat:
Op het moment dat er een restrictie in het inlaatkanaal aanwezig is, ontstaat er tijdens het starten van de motor meer onderdruk op het moment dat de zuiger de lucht aanzuigt. Als gevolg van de hogere onderdruk is de vullingsgraad lager. Om inzichtelijk te maken wat er gebeurt met de luchtdrukken, is in dit experiment het inlaatkanaal gesmoord door deze dicht te houden. Deze gevolgen zijn in het onderstaande scoopbeeld te zien.
- Tussen t = 0 en 1,5 seconden zien we een normaal drukverloop;
- Na de compressieslag (na t = 1,5 s.) begint de luchtdruk tijdens de inlaatslag te dalen. Deze daling zet zich iedere inlaatslag voort tot t = 3,5 s.
- Vanaf t = 1,5 s. begint ook de compressie-einddruk te dalen tot circa 7 bar in de laagste compressiepiek;
- Na t = 3,5 s. wordt de luchttoevoer weer geopend en zien we de onderdruk tijdens de inlaatslag weer minder hoog worden en stijgt de compressie-einddruk.
Hieronder is hetzelfde scoopbeeld afgebeeld, maar nu met linialen om het drukverschil in de inlaat nauwkeurig te kunnen zien. Het verschil tussen de “normale” en afwijkende inlaatslag bedraagt door de restrictie in de inlaat bijna 470 mbar.
In dit experiment is de restrictie aangebracht en verwijderd om in de tussentijd de afwijkingen in het signaal te zien. Op het moment dat er een drukmeting wordt gedaan bij een bestaand probleem, dan zullen de ‘hogere onderdruk’ en ‘lagere compressie-einddruk’ tijdens de gehele meting aanwezig zijn.
Praktijkvoorbeelden van een gesmoorde inlaat kunnen het gevolg zijn van:
- Versleten inlaatnokken waardoor de kleplicht minimaal is;
- Ruime afgestelde klepspeling waardoor de inlaatklep te kort open staat;
- Verkeerde distributietiming, evt. door foutieve nokkenas (VVT)-verstelling;
- Object in de inlaat die de luchtstroming blokkeert, zoals een wervelklep (vlinderklep) die van zijn plek uit het variabele inlaatspruitstuk is gebroken;
- Dichtgekoold inlaattraject door extreme motorvervuiling;
- Versleten (daardoor soepele) inlaatslang die door onderdruk wordt dichtgezogen;
- Gasklep opent niet volledig door een defecte actuator of mechanische beperking;
- Sterk vervuild of verkeerd gemonteerd luchtfilter.
De bovenstaande praktijkvoorbeelden kunnen van toepassing zijn op slechts één cilinder of alle cilinders. Als het probleem bij andere cilinders niet aanwezig is, kunnen oorzaken als een vervuild luchtfilter al worden weggestreept.
Drukverloop tijdens het starten met restrictie in de uitlaat:
Wederom zien we tijdens het starten met geopende gasklep op het scoopbeeld de compressie-einddruk bij iedere compressieslag. Tijdens dit experiment is de stroming van de uitlaatgassen geblokkeerd. Hierdoor ontstaat een hogere tegendruk in de uitlaat – en dus ook in de cilinder tijdens de uitlaatslag. De drukpieken zien we in scoopbeeld 1 vanaf t = 0,5 s. Hier zien de al een lichte verhoging van de tegendruk ontstaan. Deze tegendruk wordt steeds hoger tot t = 4 s. Vanaf dat moment wordt de blokkade in de uitlaat verwijderd.
Praktijkvoorbeelden van een restrictie in de uitlaat kunnen het gevolg zijn van:
- Versleten uitlaatnokken waardoor de kleplicht minimaal is;
- Klepspeling staat veel te ruim afgesteld waardoor de uitlaatklep te kort open staat;
- Verkeerde distributietiming van de uitlaatnokkenas, waarbij de inlaatnokkenas wel goed op tijd staat (anders kan er geen goede compressiedruk ontstaan);
- Defecte katalysator die de doostroming van uitlaatgassen deels of geheel belemmert (zie de afbeelding);
- Gedeeltelijk losgeraakt binnenwerk in een uitlaatdemper;
- Dichtgeslagen uitlaatdemper of geknikte uitlaat als gevolg van een aanrijding;
- Bij zware dieselmotoren een vastzittende uitlaatremklep;
- Een defecte turbo waarbij de uitlaatgassen niet via het turbinewiel of niet via de wastegate de turbo kunnen verlaten, of een combinatie van beide.
Gerelateerde pagina’s: