De Motor: kleppen

Terug naar de startpagina over "Snorkel"

Een motor is een magisch ding van de auto. Maar weinig mensen durven er iets aan te sleutelen. Toch is de basis van een motor heel eenvoudig. Voor het kleppenstellen zie ik vaak vragen verschijnen als "hoe moet het ook weer?". Er zijn dan mensen die roepen: "als de eerste cylinder op tuimelen staat kun je de achterste kleppen stellen". Maar waarom ze dat roepen weten ze nog al eens niet. Ik probeer in dit stuk het fenomeen uit te leggen aan de hand van een hoop tekst, maar ook plaatjes. Ik hoop dat deze tekst jou zoveel leert dat je hierna feilloos, hooguit met enig nadenken, de kleppen kunt stellen. Als basis neem ik de eenvoudigste en meest voorkomende motor: een viercylinder, het brandstoftype maakt niet uit.

Slagen

Een motor met vier cylinders, en ontstekingsvolorde 1342? Uh, wat moet ik daarmee? Welnu. Een zuiger in de motor heeft als functie dat ie de explosie die in de motor plaatsheeft weet op te vangen en door de geven aan de krukas. Dat is de essentie van wat er in een motor gebeurt. Maar er gebeurt veel meer. Lees gerust verder.

Een zuiger gaat heen en weer, en bij het heen en weer gaan spreek je van een slag. Een viertakt motor heet viertakt omdat deze motor per zuiger vier verschillende slagen kent. Dit zijn de compressieslag, de arbeidslag, de uitlaatslag en de inlaatslag. Laat ik die slagen eens goed uitleggen.

ARBEIDSSLAG

De belangrijskte slag is de arbeidsslag. Deze slag volgt op de ontsteking in de cylinderkamer, waar brandstof met luchtgemengd tot ontploffing komt. Dat kan gebeuren door er een vonkje af te laten gaan (benzine of gas motor) of omdat de druk zo hoog wordt dat de temperatuur voldonde is om het aanwezig mengsel te laten ontploffen (diesel). Deze explosie is zo krachtig dat het gevolg is dat de zuiger wordt weggeduwd. Het wegduwen van de zuiger zorgt voor een halve omwenteling van de krukas, de auto zal een stukje rijden! Elk lek in de motor, bijvoorbeeld op de kleppen die niet goed afsluiten, of via de zuigerveren, veroorzaakt een vermindering van de overdracht van de explosiekracht op de zuiger (=vermogens verlies). Als dat verlies te groot wordt is het tijd daar iets aan te doen.

UITLAATSLAG

Als de zuiger aan het eind van zijn arbeidsslag is gekomen in de onderste stand, zit de cylinderkamer vol met verbrande brandstof, die er uitmoet. Daartoe gaat op dat moment de uitlaatklep open, en maakt de zuiger een beweging omhoog, waarbij hij de uitlaatgassen eruit perst. Dit heeft de uitlaatslag. Uiteraard luistert hierbij de kleptiming heel nauw: de klep moet op precies het juiste moment open. Niet te laat om zo weinig mogelijk weerstand (=vermogensverlies) te geven bij het naar buiten persen, maar ook niet te vroeg om de arbeidsslag zo lang mogelijk te kunnen laten duren.

INLAATSLAG

Als de zuiger alle uitlaatgassen er heeft uitgeperst, en in de bovenste stand staat, gaat de uitlaatklep dicht, en de inlaatklep open, om nieuwe brandstof met lucht in te laten. Dit mengsel wordt door het naar beneden gaan van de zuiger gewoon naar binnen gezogen, tenzij er een brandstof-injectiepomp aan te pas komt. Deze pomp zou er voor zorgen dat de brandstof naar binnen gespoten wordt. Ook een turbo heeft een vergelijkbaar effect: het mengsel wordt er in geperst, in plaats van naar binnen gezogen.

COMPRESSIESLAG

Is de zuiger helemaal in de onderste stand beland, en hij dus de maximale hoeveelheid brandstof met lucht naar binnen heeft gezogen, gaat de inlaatklep weer dicht. De zuiger beweegt naar boven en comprimeert het gasmengsel in de cylinder met een hoge druk samen tot een explosief mengsel. Bij een temperatuur van ongeveer 100 graden celsius en een druk van tussen de 10 en de 20 bar heeft dit mengsel maar weinig nodig om tot ontploffing te komen. Die ontploffing vindt of vanzelf plaats, omdat de zogenaamde hotspots van de dieselmotor heet genoeg zijn om dit tot gevolg te hebben, of omdat er een vonk wordt afgegeven door een bougie in een benzine/gas motor. Op deze compressieslag volgt na de vonk weer de arbeidsslag, en zo is het verhaal rond.

Iets verkort: de slagen nogmaals

Zo heb je dus de volgende stapppen gehad, die ook in deze volgorde optreden in de motor

arbeidsslag:

Bij een arbeidslag zijn beide kleppen dicht.

uitlaatslag

Bij een uitlaatslag is de uitlaatklep open.

inlaatslag:

Bij een inlaatslag is de inlaatklep open.

compressieslag:

Bij een compressieslag zijn beide kleppen dicht.

Op de site van HowStuffWorks (opent in nieuw venster) vond Floris een mooie shockwave Flash movie over het geheel. Deze geeft rechtsonder de verschillende slagen in kleuren weer. Let op de kleppen die open en dichtgaan, en het mengsel dat binnenkomt en de uitlaatgassen die er uitkomen. Ik heb deze zonder toestemming maar met bronvermelding overgenomen van HowStuffWorks. Floris, dank voor de melding.

Let op dat in alle vier de verschillende slagen die een zuiger maakt, er maar EEN slag is waarbij de inlaatklep open staat, en er maar EEN slag is waarbij de uitlaatklep open staat. Een klep die OPEN staat herken je als je kijkt onder het kleppendeksel, naar de nokkenas en de tuimelaars, door het INDUWEN van de klepgeleider door de nokkenas. Omdat elke klep tijdens TWEE rondjes van de krukas maar gedurende een half rondje open mag staan, weet je DUS dat de nokkenas op de halve snelheid draait ten opzichte van de krukas, want deze nokkenas mag dus maar EEN omwenteling maken per twee omwentelingen van de krukas. Tijdens een kwart-omwenteling van de nokkenas is deze dus in staat een klep open te duwen.

Een viercylindermotor maakt in viertakt variant, zoals we die normaal kennen, dus per zuiger vier slagen, en dus is er altijd, gedurende elke slag, wel een zuiger die door een arbeidsslag het hele proces aandrijft, en de weerstand kostende slagen (alle andere drie) overwint.

Krukas

Vanwege de hoge snelheid waarmee dit proces zich afspeelt, is de krukas zo gefabriceerd, dat deze zo weinig mogelijk trillingen afgeeft, en zo stabiel mogelijk zijn werk doet. Daarom is deze geconstrueerd met de buitenste en binnenste drijfstangpunten gespiegeld. Dit houdt in, dat als zuiger 1 in de hoogste stand staat, zuiger 4 op moment OOK in de hoogste stand staat. Omdat de tweede en derde drijfstangpunten precies tegenover deze staan, zullen op dat moment deze twee zuigers dus in de laagste stand staan.

Je kunt zelf wel bedenken dat een zuiger die bovenaan staat, DUS op het begin staat van een arbeids OF een inlaat slag. Een zuiger die onderaan staat, staat DUS aan het begin van een compressie OF een uitlaat slag.

Een oudere series Land Rover heeft drie lagers op de krukas, een nieuwer model motor heeft er vijf. Dit is een stuk sterkere en stabielere constructie. Hierbij een plaatje van twee krukassen, vijfmaal gelagerd.

Het verhaal van de krukas, waarbij het ging om zuiger twee en drie, die samen op dezelfde plek staan in het rondje draaien, gecombineerd met de vier verschillende slagen, levert de volgende kennis op: Als zuiger twee bovenaan staat, en begint aan een arbeidsslag, dan staat DUS zuiger drie OOK bovenaan, en deze staat DUS aan het begin van een inlaatslag. Een inlaatslag herken je aan de inlaatklep die open moet staan om de in te laten lucht de cylinder in te kunnen zuigen. Terug naar zuiger twee: aan het begin van een arbeidsslag zitten DUS de twee BEIDE kleppen dicht, anders zou je tenslotte de opgebouwde druk verliezen.

Tuimelen

Als een cylinder in zijn slagen tussen de uitlaat en de inlaat slag in zit, herken je dat door, als je de krukas langzaam ronddraait, de ene klep dichtgaat (uitlaatklep) en precies op het moment dat ie dicht is, de andere klep van deze cylinder (de inlaatklep) opengaat. Dat moment wordt "tuimelen" genoemd. Welke klep(pen) kan je nu stellen? Laten we het beredeneren.

Als je cylinder EEN op tuimelen hebt staan, en je combineert dat met de kennis die je nu hebt, redeneer je als volgt:

• Cylinder EEN staat op tuimelen, en staat DUS aan het begin van een INLAAT slag
• Cylinder EEN staat dan DUS bovenaan
• Cylinder EEN en VIER staan altijd op dezelfde plek, gezien de vorm van de krukas, DUS staat cylinder VIER OOK bovenaan
• DUS staat op dat moment cylinder VIER aan het begin van een ARBEIDSSLAG, omdat die OOK bovenaanstaat en GEEN INLAAT slag gaat maken (dat doet cylinder EEN al).
• De onstekingsvolgorde is 1-3-4-2. DUS weet je dat NA de ontsteking van VIER, cylinder TWEE aan de beurt is met onsteken, deze cylinder TWEE ligt DUS één slag ACHTER op cylinder 4.
• DUS is op dat moment clinder TWEE (hij staat onderaan, dat wist je al) aan het begin van de slag VOOR de arbeid, en dat is de COMPRESSIE.
• Dan staat op dat moment de enig onbekende cylinder DUS aan het begin van de enig nog niet genoemde slag, en DUS aan het begin van een UITLAAT slag.

Conclusie

Zo, ik hoop dat je dit verhaal hebt kunnen volgen. Nu zien of je het hebt begrepen. Staat cylinder 1 op tuimelen, en DUS aan het begin van een inlaatslag, staat DUS cylinder 4 op het moment van overgang van compressie naar arbeid, en dus zijn zijn beide kleppen stijf gesloten, omdat bij geen van deze slagen er ook maar enig lekje mag zijn. Die zijn nu dus te stellen. TEGELIJK. Niet persé één van de kleppen, maar gewoon allebei. Met de gegeven ontstekingsvolgorde (1-3-4-2)weet je dus dat hierna het tuimelmoment van 3 volgt, en dan kun je DUS van cylinder 2 beide kleppen stellen. Etc.

Schematische herhaling

Je kunt een willekeurig moment ook in een tabel zetten: er zijn vier cylinders, vier slagen, zet deze maar in volgorde in een tabelletje. Met logisch beredeneren kun je nu achterhalen, aan de hand van een tuimelmoment van één van de cylinders, aan welke slag de andere cylinders dan gaan beginnen. Uiteraard hoef je niet met een tuimelmoment te beginnen, alleen de slagen Inlaat en Uitlaat zijn te herkennen aan het open en dichtgaan van de kleppen. Maar de tuimelstand is wel een prettige omdat je dan de kleppen van de complementerende cylinder kunt stellen en het moment heel makkelijk en heel precies is op te zoeken.

• Als je weet dat cylinder 1 op tuimelen staat, staat DUS cylinder 1 aan het begin van een INLAAT slag. Tabel A is dus de uitgangspositie
  

  tabel A	1	2	3	4
  Uitlaat
  Inlaat	*
  Compressie
  Arbeid

  
   
• Op dat moment staat DUS cylinder 4 aan het begin van een arbeidsslag
  

  tabel B	1	2	3	4
  Uitlaat
  Inlaat	*
  Compressie
  Arbeid				*

  
   
• Gegeven de ontstekingsvolgorde 1-3-4-2 staat DUS op dat moment cylinder 2 aan het begin van de slag voor die van vier, en dus aan het begin van een compressieslag. Tabel C.
  

  tabel C	1	2	3	4
  Uitlaat
  Inlaat	*
  Compressie		*
  Arbeid				*

  
   
• Omdat cylinder 2 op dat moment begint met comprimeren, begint DUS cylinder 3 op dat moment met UITLAAT. Nu mag je dus voor dat moment weer een kruisje toevoegen aan de tabel, en zie je dus de tabel zoals ik tabel D heb getekend.
  

  tabel D	1	2	3	4
  Uitlaat			*
  Inlaat	*
  Compressie		*
  Arbeid				*

Terug naar de startpagina over "Snorkel"