Benzinemotor:


Op deze pagina worden de volgende onderdelen beschreven:
-Werking van de vierslag benzinemotor
-Ontstekingsvolgorde (arbeidsdiagram)
-Indirecte en directe inspuiting
-Elektromagnetische injector (MPI)
-PiŽzo injector (DI)
-InspuitstrategieŽn van het directe injectiesysteem
-Spanning- en stroomverloop meten aan injectoren



Werking van de vierslag benzinemotor:
De benzinemotor is in 1876 uitgevonden door Nikolaus Otto en wordt om die reden ook wel een "ottomotor" genoemd. In deze mengselmotor wordt chemische energie omgezet in mechanische energie. Hiervoor zijn lucht, benzine en een vonk benodigd. Er zijn diverse technieken om zoveel mogelijk lucht en een gecontroleerde hoeveelheid brandstof in de cilinder te verkrijgen. Met behulp van variabele kleptiming of drukvulling wordt een hoge vullingsgraad bereikt. De brandstofinspuiting kan door twee verschillende inspuitsystemen worden gerealiseerd; directe en indirecte inspuiting. Later meer hierover.

De werking van de benzinemotor komt, ondanks alle vernieuwende technieken, altijd op hetzelfde principe neer. Bij een complete arbeidscyclus resulteert de ontbranding van de benzine in een verdraaiing van de krukas. De krukas is aan de aandrijflijn bevestigd. De verschillende stappen van de arbeidscyclus worden verdeeld in vier slagen; de inlaat- compressie- arbeid- en uitlaatslag.



Inlaatslag: de zuiger beweegt van het bovenste dode punt (BDP) naar het onderste dode punt (ODP). De inlaatklep opent gelijktijdig met het naar beneden bewegen van de zuiger. Daarmee zuigt de zuiger lucht in de cilinder. De lucht is afkomstig van het inlaatspruitstuk en het luchtfilter. Afhankelijk van het type motor, wordt ook de brandstof door een injector ingespoten. Nadat de zuiger het ODP bereikt heeft, sluit de inlaatklep.

Compressieslag: de inlaat- en uitlaatkleppen zijn gesloten en de zuiger beweegt naar het BDP. Het mengsel van lucht en brandstof wordt gecomprimeerd (samengeperst).

Arbeidsslag: een aantal graden voordat de zuiger het BDP heeft bereikt, geeft de bougie een vonk. Omdat benzine zeer explosief is en er voldoende zuurstof aanwezig is, vindt er een verbranding plaats. De kracht die daarbij vrijkomt, drukt de zuiger omlaag.

Uitlaatslag: na de arbeidsslag heeft de zuiger het ODP bereikt. De uitlaatklep opent en de zuiger beweegt weer omhoog; de verbrandde gassen (uitlaatgas) wordt naar buiten gedrukt.

Zodra de zuiger het BDP bereikt, sluit de uitlaatklep en opent de inlaatklep. De kleppen staan in deze situatie beide een klein beetje geopend; de snelheid waarmee de uitlaatgassen de cilinder uitstromen heeft effect op de binnenstromende lucht langs de inlaatklep. Er wordt dan al lucht naar binnen gezogen terwijl de zuiger nog niet naar het ODP beweegt. Dit wordt ook wel "klepoverlap" genoemd.

Het kringproces wordt beschreven op de pagina Seiliger-proces. De onderstaande animatie toont het vierslagproces van een benzinemotor.

Inlaatslag (1)
Compressieslag (2)
Arbeidsslag (3)
Uitlaatslag (4)

De bovenstaande animatie toont het vierslagproces van slechts ťťn cilinder. In de autotechniek worden motoren vaak uitgerust met vier cilinders. Ook drie, vijf, zes en acht cilinders worden veelvuldig toegepast. Enkele fabrikanten passen ook tien, twaalf of zelfs zestien cilinders toe. De arbeidsslagen van de cilinders volgen elkaar op: bij een viercilindermotor vinden er bij iedere krukasrotatie twee arbeidsslagen plaats. De volgorde is hierbij wel van belang; dit wordt in de volgende paragraaf beschreven.



Ontstekingsvolgorde (arbeidsdiagram):
Motoren hebben altijd een vaste ontstekingsvolgorde. Bij elke arbeidsslag wordt de verbrandingskracht via de zuiger aan de krukas doorgegeven. De arbeidskrachten moeten optimaal worden verdeeld bij het draaien van de krukas, want anders kunnen er oneenparige bewegingen ontstaan (dus extra trillingen en onregelmatig draaien).

Bij een viercilinder motor (zowel benzine als diesel) is de ontstekingsvolgorde 1-3-4-2. Dat betekent dat de arbeidsslag eerst bij cilinder 1 plaatsvindt, een halve krukasrotatie verder bij cilinder 3, weer een halve rotatie verder bij cilinder 4 en nog een halve rotatie verder bij cilinder 2. De krukas is dan 2 rotaties verdraaid (720 graden). Er is dan sprake van een volledige verbrandingscyclus.
In het onderstaande arbeidsdiagram wordt weergeven welke cilinders met welke slag bezig zijn; op het moment dat cilinder 1 met de arbeidsslag bezig is, dan vindt in cilinder 4 de uitlaatslag plaats. Ter informatie; de rode pijlen geven het tijdstip van de bougievonk aan.



De onderstaande afbeelding is van een vierslagmotor waar de eerste cilinder (wat bepaald is vanaf de distributiezijde) begint aan zijn inlaatslag. De zuiger beweegt dan van boven naar beneden.
In het bovenstaande arbeidsdiagram is te zien dat cilinder 2 moet beginnen aan de compressieslag. Dat is correct, want deze staat nog in het ODP (onderste dode punt). Cilinder 3 begint aan de uitlaatslag en cilinder 4 begint aan de arbeidsslag (op dit moment komt de vonk van de bougie tot stand waardoor de zuiger door middel van de kracht door de ontbranding van het benzine- luchtmengsel naar beneden wordt geduwd).





Indirecte en directe inspuiting:
Er zijn 3 verschillende injectiesystemen in een benzinemotor, namelijk indirecte inspuiting voor de gasklep, indirecte inspuiting per cilinder en directe hogedruk inspuiting.

Indirecte inspuiting:
Voor de gasklep bevindt zich een injector. De brandstof wordt tegen de gasklep aangespoten, en daar vermengt met de langs stromende lucht. Het grote nadeel is dat er geen nauwkeurige brandstofdosering per cilinder is; de ene cilinder krijgt altijd wat meer of minder dan de andere. Het systeem is dus niet regelbaar en wordt daardoor tegenwoordig niet meer toegepast m.b.t. de milieueisen. Dit systeem wordt ook centrale inspuiting (Monopoint) genoemd.




Indirecte inspuiting:

Elke cilinder heeft zijn eigen injector. De injector spuit de brandstof in op de inlaatklep. De langs stromende lucht zorgt ook bij dit systeem voor de vermenging voordat het lucht- brandstofmengsel in de verbrandingsruimte komt. Het voordeel t.o.v. indirecte inspuiting is dat de hoeveelheid brandstof een stuk nauwkeuriger geregeld kan worden. Dit systeem wordt ook wel MPI (MultiPoint Injectie) of PFI (Port Fuel Injection) genoemd.




Directe inspuiting:

De injectoren bij DI (Direct Injection) of DISI (Direct Injection Spark Ignition) zitten naast de bougie, bovenin de verbrandingsruimte geplaatst. De brandstof wordt door deze injector met een hoge druk van ca. 200 bar ingespoten tijdens de inlaatslag. De grote voordelen van dit systeem zijn dat de brandstofhoeveelheid nog nauwkeuriger plaats kan vinden en dat er meerdere keren kan worden ingespoten tijdens de inlaatslag. Dat laatste geeft een zeer nauwkeurige vermenging met de lucht en een optimaal verbrandingsverloop. Meer informatie wordt in de paragraaf PiŽzo injector behandeld.



Voor DI zijn er hogere inspuitdrukken nodig dan bij MPI / PFI, omdat de inspuiting plaatsvindt tijdens de compressieslag; de brandstof moet wel voldoende verneveld worden terwijl de lucht in de cilinder wordt gecomprimeerd. Daarom is er bij DI een aparte hogedrukpomp aanwezig. De hogedrukpomp bouwt een brandstofdruk op in de brandstofgalerij. De injectoren zitten met leidingen aan deze brandstofgalerij bevestigd. Zodra het motormanagement een signaal naar de injector verstuurt, zal deze op het gewenste tijdstip openen en sluiten.

De voordelen van DI t.o.v. PFI zijn o.a:
- Nauwkeuriger inspuiten
- Meerdere inspuitingen mogelijk
- Inspuittijdstip kan aangepast worden
- Hogere effectieve druk boven de zuiger mogelijk (daardoor wordt downsizing mogelijk gemaakt)
- Lager brandstofverbruik, lagere CO2 uitstoot

De nadelen zijn o.a:
- Hogere systeemkosten t.g.v. een hogedruk brandstofpomp, geavanceerde injectoren, complexere cilinderkop
- Roetuitstoot verhoogd (PM-emissies)
- Rechtstreeks inspuiten in de verbrandingsruimte geeft koeling i.p.v. de benodigde warmte voor de verdamping van de brandstof
 

Elektromagnetische injector (MPI):
De elektromagnetische injector wordt op zeer veel benzinemotoren toegepast die geen gebruik maken van (directe) hogedruk inspuiting met een aparte hogedrukpomp. De brandstof onder een constante druk van 1 bar op de ingang van de injector. De brandstofdruk wordt verzorgd door de brandstofpomp in de tank. Bij multipoint injectie (dit wordt later op de pagina beschreven) heeft iedere cilinder een eigen injector. Deze injector zit in het inlaatspruitstuk bevestigd en spuit voordat de klep opent al brandstof in met een druk van maximaal 6 bar. De brandstof heeft dan voldoende tijd om, als de inlaatklep begint met openen, zich te mengen met alle zuurstof (in de afbeelding als de donkerblauwe pijl aangegeven) die de cilinder binnenstroomt.


 

Het motorregelapparaat kijkt naar de stand van de krukas om het inspuittijdstip en het ontstekingstijdstip te regelen. Aan de hand van meerdere factoren (motor- en omgevingstemperatuur, belasting, toerental etc. zal deze op het juiste moment een signaal aan de injector geven om te openen. Het uitgangssignaal vanaf het regelapparaat van ca. 5 Volt wordt tot de benodigde openingsspanning van ongeveer 60 tot 70 Volt verhoogd om de injector zo snel mogelijk te openen. Bij geopende injector wordt de spanning pulserend aangestuurd op ongeveer 15 Volt tot dat de injector moet sluiten. Wanneer de spoel niet meer bekrachtigd wordt, drukt een veer de injectornaald terug. De brandstoftoevoer wordt dan afgesloten.
Deze injectoren worden van brandstof voorzien door de brandstofrail (ook wel de brandstofgalerij genoemd). De opvoerpomp in de brandstoftank zorgt voor de druk in de brandstofrail. De brandstofdruk in de rail is constant (ca. 1 bar). Omdat de druk zo laag is zitten de injectoren met een vergrendelclip en een o-ring voor de afdichting bevestigd. Zeker bij oudere auto's waarbij het systeem gedemonteerd wordt is het verstandig om de O-ringen voor de montage te vervangen.


(Afb. van een injectiesysteem van een V8-motor).



PiŽzo injector (DI):
In zowel benzine- als dieselmotoren kunnen piŽzo injectoren toegepast worden. BMW was het eerste merk dat de piŽzo-techniek in benzinemotoren heeft toegepast, maar is daar bij de nieuwere motoren mee gestopt.
Een piŽzo injector is een onderdeel van de hogedruk inspuiting. Een aparte hogedrukpomp zorgt voor de druk op de brandstofrail. Deze brandstofrail verdeeld de brandstof naar alle injectoren (zie afbeelding). Vanwege de zeer hoge drukken worden er aluminium leidingen met wartels toegepast. De wartels (die op de leiding en de injectoren geschroefd zitten) moeten altijd met de juiste kracht worden aangedraaid. Dit staat in de reparatiehandleiding van de desbetreffende motor.

Het piŽzo-element in de injector heeft de eigenschap in lengte te veranderen wanneer er een positieve of een negatieve spanning op aangesloten wordt. Daar wordt bij de injector gebruik van gemaakt. Zodra het motorregelapparaat een stuurspanning van ca. 100 tot 150 Volt levert, zet het piŽzo-element ongeveer 0,03mm uit. Deze lengteverandering is genoeg om verbinding tussen de hoge- en lage drukkamer te maken. De inspuiting begint direct. Binnen een duizendste seconde kan het piŽzo element in- en uitschakelen. Samen met de zeer hoge inspuitdruk van maximaal 2000 bar levert dit dus zeer snelle en nauwkeurige inspuitingen. Ook kunnen er door deze snelheiden meerdere inspuitingen achter elkaar plaatsvinden.
Meerdere inspuitingen tijdens de inlaatslag heeft als voordeel dat de lucht- brandstofmenging optimaal is. Door de hoge druk worden de brandstofdruppeltjes ultra fijn verneveld, waardoor het nog beter vermengd wordt met de lucht. Er kunnen tijdens de inlaatslag tot wel 8 inspuitingen plaatsvinden. Dit heeft positieve gevolgen voor het brandstofverbruik, het vermogen en de uitlaatgasemissies.



InspuitstrategieŽn van het directe injectiesysteem:
De inspuitstrategie van directe injectie kent verschillende varianten: wandgeleid, luchtgeleid en straalgeleid (zie de onderstaande afbeeldingen). In deze situaties is er sprake van een gelaagd verbrandingsproces. Dit is niet in alle bedrijfsomstandigheden van toepassing.



-Wandgeleid: De zuiger geleidt de brandstofwolk naar de bougie. De afstand tussen de bougie en injector is groot. Toegepast op GDI en HPI motoren.
-Luchtgeleid: De luchtbeweging brengt de brandstofwolk naar de bougie. De afstand tussen de bougie en injector is groot. Toegepast op FSI en JTS motoren.
-Straalgeleid: De bougie zit aan de rand van de brandstofwolk. De afstand tussen de injector en de bougie is klein. Toegepast op BMW motoren.

Zoals reeds is aangegeven, is er bij de direct ingespoten benzinemotoren niet in alle bedrijfsomstandigheden sprake van een gelaagde verbranding. Motoren met straalgeleide directe inspuiting kunnen bij deellast gelaagd draaien. Een gelaagd verbrandingsproces betekent dat er diverse luchtlagen in de verbrandingsruimte aanwezig zijn. Dichtbij de bougie is de lambdawaarde 1. Verder daar vandaan wordt de lambdawaarde steeds hoger (armer, dus meer lucht). Deze lucht zorgt voor een isolerende luchtlaag. Bij een gelaagd proces is het inspuittijdstip later dan bij het homogene proces. Met behulp van een gelaagde inspuiting kan de gasklep volledig geopend worden waardoor deze de lucht minder smoort. Doordat de aangezogen lucht ontsmoord wordt, ondervind deze minder weerstand en kan daardoor makkelijker aangezogen worden. Doordat de lambdawaarde in de verbrandingsruimte bij de gelaagde inspuiting toch kleiner dan 1 is door de isolerende luchtlaag, geeft dat geen problemen met de verbranding. Tijdens het gelaagde proces daalt het brandstofverbruik.

Bij een homogeen mengsel is de lambdawaarde overal 1. Dat betekent bij een benzinemotor dat de verhouding van lucht en brandstof 14,7:1 is (14,7 kg lucht met 1 kg brandstof). Elke motor kan homogeen draaien. Als er wordt verrijkt, zal de lambdawaarde dalen en als het mengsel armer wordt gemaakt, zal de lambdawaarde stijgen:
λ<1 = Rijk
λ>1 = Arm
Voor meer informatie over de lambdawaarde, zie de pagina
lambdasonde. Een motor zal altijd blijven schommelen tussen arm en rijk om de katalysator goed te laten werken.

Bij vollast draait de motor altijd homogeen. Dit geeft een hoger koppel dan bij een gelaagd proces. Als de motor homogeen draait, wordt de brandstof vroeg ingespoten. Ook bij het wegrijden vanuit stilstand draait de motor homogeen. Er is dan een hoger wegrijdkoppel aanwezig dan wanneer de motor gelaagd zou draaien.



Spanning- en stroomverloop meten aan injectoren:
Met de oscilloscoop kan het spanningverloop van de injectoren gemeten worden. De oscilloscoop in combinatie met een stroomtang kunnen het stroomverloop meten. Wanneer twee kanalen van de oscilloscoop gebruikt worden, kunnen beiden beelden boven elkaar weergeven worden. In het onderstaande scoopbeeld is het spanning- en stroomverloop van een injector van een indirect ingespoten benzinemotor weergeven.



De rode lijn in het scoopbeeld geeft het spanningverloop aan. Bij "Begin aansturing" wordt de injector door de ECU verbonden met massa. De rode lijn zakt dan van de accuspanning naar 0 volt. Op dat moment gaat er een stroom lopen en wordt er een magnetisch veld opgebouwd. Zodra deze sterk genoeg is om de veerkracht van de injectornaald te overwinnen, zal de injectornaald openen. De brandstof zal vanaf dat punt ingespoten worden. Bij "Einde aansturing" beŽindigd de ECU de aansturing. Doordat het circuit nu onderbroken is, kan er geen stroom meer lopen. De plotselinge stroomverandering veroorzaakt een hoge inductiespanning. Het opgebouwde magnetisch veld zal afzwakken, waardoor de injectornaald weer zal sluiten. Het bewegen en sluiten van de injectornaald is te zien in de bobbel in het injectorsignaal bij "Injector sluit".

De gele lijn geeft het stroomverloop in de injector aan. Op het moment dat de aansturing begint, dus wanneer de injector aan massa wordt gelegd, gaat er een stroom lopen. De gele lijn begint te stijgen. Halverwege, bij "Injector opent", is een knik te zien. Dit is het punt waarop de injectornaald opent. Vanaf dat moment wordt er benzine ingespoten. Vanaf het punt dat de injector niet meer aangestuurd wordt, zal de stroom afnemen tot 0 AmpŤre.

Met een vierkanaals oscilloscoop kan het spanningsverloop van alle vier de injectoren onder elkaar weergeven worden. In het onderstaande scoopbeeld is de ontstekingsvolgorde zichtbaar; de injector van cilinder 1 is rood, 2 is geel, 3 is groen en 4 is blauw. Uit het scoopbeeld is te herleiden dat de injectievolgorde 1-3-4-2 is (eerst rood, dan groen, dan blauw en als laatst geel).