Wat is een tuimelaar in de verbrandingsmotortechniek?

Als men het in de verbrandingsmotortechniek heeft over een tuimelaar dan doelt men op een hefboom die geplaatst is tussen de nokkenas en de kleppen. Een tuimelaar is ontwikkeld toen men de kleppen aan de bovenkant van de verbrandingsmotor ging plaatsen en de nokkenas aan de onderkant van de motor. Onderliggende nokkenassen kunnen de kleppen aan de bovenkant niet rechtstreeks bedienen. Daarom werden tuimelaars ontwikkeld. De tuimelaars worden bediend door stoterstangen.

Hoe werkt een tuimelaar?
Een tuimelaar zet de draaiende beweging van de nok van de nokkenas om in een open en dichtgaande beweging van de klep. Hierbij maakt men gebruik van een hefboomeffect. Door dit hefboomeffect kan een grote kracht worden uitgeoefend op de klep. Zoals aangegeven bestaat de tuimelaar uit een bewegend deel dat werkt op basis van een hefboomeffect. De ene kant van de tuimelaar wordt in beweging gebracht door de stoterstang. De stoterstang komt in beweging door het draaien van de nokkenas.

Tussen de nokkenas en de stoterstang is bus geplaatst die meebeweegt als de nokkenas er tegenaan komt. De stoterstang duwt de ene kant van de tuimelaar omhoog waardoor de ander zijde van de tuimelaar naar beneden gaat. Aan die kant drukt de tuimelaar de klepsteel aan zodat de klep dicht gaat. Aan de onderzijde van de klepsteel bevindt zich de klep voor het in- en uitlaten van de brandstof van motor. Rondom de klepsteel bevind zich de klepveer die er voor zorgt dat de klep gesloten wordt wanneer de stoterstang naar beneden gaat en de tuimelaar wordt ontspannen. De klep wordt dus door de veer automatisch gesloten.

Waar treft men tuimelaars aan?
Tuimelaars worden voornamelijk geplaatst in motoren met een onderliggende nokkenas. Men plaatst echter ook wel tuimelaars in motoren met bovenliggende nokkenassen. Door de toepassing van tuimelaars kan men het aantal nokkenassen in een motor beperken. Ook kunnen de kosten worden beperkt door het gebruik van tuimelaars. Het gebruik van tuimelaars zorgt er voor dat men de kleppen zelf kan stellen. Dit is bij een directe aandrijving van de kleppen door de nokkenas minder goed mogelijk. Hierbij maakt men dan namelijk gebruik van een hydraulische klepstoter die zichzelf stelt.

Zwevende kleppen
Er kan ook sprake zijn van zogenaamde zwevende kleppen. In dit geval is het motortoerental hoger dan de trilfrequentie van de klepveer van de motor. Daardoor het mechanisme niet meer in staat is om het tempo bij te houden. Men kan dan beter sterkere klepveren gebruiken of dubbele klepveren zodat de klep met meer kracht dochtgedrukt wordt. Hierdoor kan de kans op zwevende kleppen worden verkleind.

Voordelen van de toepassing van tuimelaars
De toepassing van tuimelaars in de verbrandingsmotortechniek zorgt er voor dat men zelf de kleppen afstellen als men daarvoor de kennis in huis heeft. Men kan de klepspeling beïnvloeden door een met moeren geborgde stelbout aan te draaien.

Een lijnmotor wordt door de toepassing van een tuimelaar compacter. Daarnaast zorgt de toepassing van tuimelaars er voor dat er motorconstructies mogelijk zijn waarbij men de cilinders van de motor niet in één lijn heeft aangebracht. Hierbij kan men denken aan V-motoren zoals de V-8 en de V-12.

Wat is een benzinemotor of mengselmotor?

Een benzinemotor is een verbrandingsmotor. Deze motor verricht mechanische arbeid door het verbranden van de brandstof benzine. De meeste benzinemotoren bevatten cilinders met zuigers. Motoren die zuigers bevatten worden ook wel zuigermotoren genoemd. Het aantal zuigers verschilt per type zuigermotor. Er zijn zuigermotoren die volgens het tweetaktprincipe werken en er zijn zuigermotoren die bijvoorbeeld werken op een viertaktprincipe. De laatste wordt ook wel de ottomotor genoemd naar de ontwerper Nikolaus Otto die deze motor in 1876 uitvond. Naast de hiervoorgenoemde motoren zijn er ook wankelmotoren. Deze motoren werken over het algemeen ook op benzine.

Mengselmotoren
Vrijwel alle benzinemotoren zijn mengselmotoren. Op een aantal oude motoren na zijn tegenwoordig alle mengselmotoren die worden geproduceerd bedoelt voor het verbranden van benzine. Om deze reden worden benzinemotoren ook wel mengselmotoren genoemd en andersom. De meeste benzinemotoren kunnen naast benzine ook op andere brandstoffen werken. Hierbij kan gedacht worden aan lpg, waterstof en ethanol. Hiervoor moeten echter wel een aantal aanpassingen worden aangebracht.

Het brandstofmengsel dat deze verbrandingsmotor bevat wordt in de cilinder gebracht. De bobine levert de bougie een hoogspanning waardoor deze gaat vonken. De vonk brengt het brandstofmengsel tot ontsteking waardoor een soort explosie ontstaat. Deze explosie zorgt voor druk. Deze druk brengt de zuiger in de cilinder naar beneden. De zuiger brengt de krukas in beweging.

Wat zijn uitlaatgassen en hoe ontstaan deze?

Uitlaatgassen zijn gassen die tijdens verbrandingsprocessen in verbrandingsmotoren ontstaan en via een uitlaat worden uitgestoten. Door het verbranden van de brandstof in de motor komen de uitlaatgassen vrij. Deze gassen kunnen niet meer worden gebruikt in de motor en worden daarom via de uitlaat van het voertuig verwijdert.

Uitlaatgassen behoren tot de emissie van een voertuig dat gebruik maakt van een verbrandingsmotor. In uitlaatgassen zitten verschillende stoffen zoals stikstofoxiden (NOx) , koolstofdioxide (CO2),  koolmonoxide (CO) en zwaveldioxide (SO2). Deze stoffen dragen bij aan de verzuring en daarnaast zorgen ze ook voor het broeikaseffect. Dit is vooral het geval bij koolstofdioxide (CO2) dat ook wel broeikasgas wordt genoemd. Verder bevinden zich in uitlaatgassen ook ander schadelijke stoffen zoals kleine roetdeeltjes en fijnstofdeeltjes.

Gevaar van uitlaatgassen
Uitlaatgassen behoren tot de grootste veroorzakers van luchtvervuiling daarom worden internationaal afspraken gemaakt over het reduceren van uitlaatgassen in de atmosfeer. Het probleem van de uitlaatgassen en het daaraan verbonden broeikaseffect is regelmatig het belangrijkste onderwerp op wereldwijde bijeenkomsten over milieu en duurzaamheid.

Verschillende steden in de wereld hebben te maken met smog die ontstaat door de uitlaatgassen van motorvoertuigen die in de steden rondrijden. Deze uitlaatgassen zorgen er voor dat mensen het benauwd krijgen en moeilijk kunnen ademhalen. Daarnaast zorgt de fijnstof en roet voor dichte ‘mist’ in gebieden waar de emissie van uitlaten onvoldoende weg kan komen.

Filteren van uitlaatgassen
Er worden verschillende maatregelen genomen om de schadelijke stoffen in uitlaatgassen te beperken. Sinds 1 januari 1993 dienen alle auto’s die rijden op benzine een katalysator te bevatten die koolwaterstoffen, koolmonoxide en stikstofoxiden omzetten in waterdamp, koolstofdioxide en stikstof. Omdat de werking van de katalysator via drie reacties gebeurd wordt ook wel gesproken over een driewegkatalysator. Ondanks deze verplichte technische voorziening in auto’s komt er nog steeds veel schadelijke emissie ten gevolge van uitlaatgassen in de atmosfeer.

Wat is een katalysator of driewegkatalysator?

De katalysator bevindt zich onder  de auto. Hier is de katalysator als element vlak na de motor ingebouwd in het uitlaatsysteem. Een katalysator is een systeem dat bestaat uit kostbare materialen en is in het uitlaatsysteem ingebouwd om giftige en schadelijke gassen uit de uitlaatgassen te verwijderen.

In feite zet de katalysator de schadelijke stoffen in de uitlaatgassen om in onschadelijke stoffen. Dit gebeurd doormiddel van een chemisch proces. Een katalysator kan alleen worden toegepast indien gebruik wordt gemaakt van loodvrije benzine als brandstof.

Katalysator verplicht
Autofabrikant Volvo bouwde als eerste deze katalysator in haar voertuigen in vanaf 1978. In de periode tussen 1980 en 2000 werden steeds meer auto’s uitgerust met een katalysator en werd de platina-rhodium katalysator steeds meer verplicht gesteld in Europa. Auto’s die rijden op benzine met een cilinderinhoud van twee liter of meer moeten sinds oktober 1989 verplicht worden uitgerust met een katalysator. Alle overige auto’s die een benzinemotor hebben moeten sinds 1 januari 1993 eveneens met een katalysator zijn uitgerust.

Waaruit bestaat een katalysator?
De katalysator bestaat uit een monolithische drager van cordieriet, dit is een magnesium-aluminium-silicaat. De monolithische drager is van hoogsmeltend keramisch materiaal vervaardigd en bevat een honingraatachtige celstructuur. De verschillende wanden van de cellen zijn bedekt met aluminiumoxide. De metalen die waarmee de katalysator is geïmpregneerd zijn onder andere palladium, rhodium en platina. De katalysator is geplaatst in een thermische isolatie. Daar omheen zit een roestvaststalen omhulsel.

Welke stoffen zet de katalysator om?
De uitstoot van een auto wordt ook wel emissie genoemd. De katalysator zet een aantal schadelijke stoffen in deze emissie om. De stoffen die omgezet worden zijn de volgende:

  • HC = koolwaterstoffen
  • CO = koolmonoxide
  • NOx = stikstofoxiden

Deze schadelijke stoffen worden door de katalysator omgezet in minder schadelijke stoffen. De stoffen die tijdens het proces in de katalysator ontstaan zijn:

  • H2O = dit is waterdamp en niet schadelijk voor de gezondheid.
  • CO2 = koolstofdioxide. Deze stof is niet direct schadelijk maar zorgt wel voor het broeikaseffect.
  • N2 = stikstof is niet schadelijk voor de gezondheid. Ongeveer 78 procent van de lucht die wij inademen bestaat uit dit gas.

Driewegkatalysator
De naam driewegkatalysator is afgeleid van de drie reacties die tijdens het katalytisch reinigen van uitlaatgassen door de katalysator worden uitgevoerd. Deze drie reacties zijn als volgt:

1. De eerste reactie is: 2 CO(g) + 2 NO(g) → N2(g) + 2 CO2(g)
2. De tweede reactie is: CO(g) + O2(g) → 2 CO2(g)
3. De derde reactie is: 4 CxHy(g) + (4x+y) O2(g) → 2y H2O(g) + 4x CO2(g)

De bovenstaande reacties zijn de drie hoofdreacties van een katalysator. Naast deze hoofdreacties treden er in de katalysator nog een aantal nevenreacties op.  In het kort reduceert het rhodium NO en oxideert het platina CO en de koolwaterstoffen. De rhodium en platina kunnen worden vervangen  door palladium. De werking van de driewegkatalysator blijft hetzelfde.

Wat is een zuigermotor en welke zuigermotoren worden gebruikt in de techniek?

Zuigermotoren zijn motoren die één of meerdere zuigers bevatten. Deze zuigers zijn geplaatst in cilinders en zetten druk om in een draaiende beweging. Dit gebeurd door bijvoorbeeld een krukas in beweging te brengen. Er zijn verschillende zuigermotoren die in de techniek worden gebruikt. Zo bestaan er tweetaktmotoren die bijvoorbeeld worden gebruikt voor brommers, scooters en grote schepen. Daarnaast bestaan er viertaktmotoren. Deze motoren worden ook wel een ottomotor genoemd en veel toegepast in autotechniek en automotive. Ook een Stirlingmotor bevat een zuiger die doormiddel van het verwarmen en afkoelen van lucht in beweging wordt gebracht. Sommige motoren die zuigers bevatten worden ingedeeld op basis van de vorm waarin de cilinders ten opzichte van elkaar zijn geplaatst. Een aantal voorbeelden hiervan zijn de boxermotor, lijnmotor, V-motor, de U-motor, de W-motor en de stermotor. Daarover hieronder meer.

Boxermotor: flat twin, flat four en flat six
Boxermotoren zijn verbrandingsmotoren met een uniek vorm. De motor ziet er uit als een soort box. De cilinderparen van deze motoren zijn bijna recht tegenover elkaar geplaatst. Dit zorgt er voor dat de boxermotor niet hoog is. het zwaartepunt van het voertuig waarin de boxermotor is geplaatst wordt daardoor lager. Dit kan zorgen voor betere rijeigenschappen. Ook is de motor in een nagenoeg perfecte balans. De krachten van de zuigers heffen elkaar op omdat ze tegenover elkaar liggen. Er bestaan verschillende boxermotoren. Zo zijn er twee cilinder boxermotoren die in het Engels ook wel boxertwin of flat twin worden genoemd. Daarnaast zijn er ook viercilinderboxermotoren die flat four worden genoemd. Een zescilinderboxermotor draagt de naam flat six. De Engelse term ‘flat’ geeft aan dat het om een platte motor gaat dit in tegenstelling tot onderstaande motorvarianten.

Lijnmotor
Een lijnmotor is een verbrandingsmotor waarbij de cilinders naast elkaar of achter elkaar in één lijn met elkaar staan. Er ontstaat hierdoor één rij of lijn met cilinders.

V-motor
V-motoren zijn verbrandingsmotoren waarbij de cilinders geplaats zijn in een V-vorm ten opzichte van elkaar. Hierbij zijn twee rijen van cilinders aanwezig die in een V-vorm aan de onderkant bij elkaar komen bij de krukas. Deze motoren worden gebruikt in voertuigen en vliegtuigen waarbij er weinig ruimte beschikbaar is. De V-positie van de cilinders zorgt er voor dat er minder ruimte nodig is voor de motor dan bijvoorbeeld het geval is bij een boxermotor en een lijnmotor. Deze motoren worden onder andere gebruikt in auto’s en motorfietsen.

U-motor
De U-motor lijkt op een V-motor omdat er twee rijen van cilinders aanwezig zijn. Alleen wordt hierbij gebruik gemaakt van twee krukassen. In feite bestaat een U-motor uit twee lijnmotoren die zijn samengevoegd en onderling aan elkaar zijn bevestigd. De U-motor wordt in de praktijk nauwelijks gebruikt. Meestal kiest men voor de eerder genoemde V-motor.

W-motor
De W-motor is een verbrandingsmotor die zijn naam ook ontleent aan de vorm waarin de cilinders ten opzichte van elkaar zijn gepositioneerd.  Dit is een ‘W’ vorm. Er wordt hierbij gebruik gemaakt van drie rijen cilinders. Toch bestaan er ook W-motoren met twee rijen en met vier cilinderrijen. Een W-motor met twee rijen cilinders lijkt op een V-motor. Echter heeft de W-motor in dit geval één krukas per rij cilinders. De V-motor bevat slechts één krukas. Deze W-motorvariant wordt onder andere gebruikt voor speciale racemotorfietsen.

Stermotor een zuigermotor
Een bijzondere vorm van een zuigermotor is de stermotor. Deze zuigermotor wordt ook wel radiaalmotor genoemd. De stermotor bevat meerdere cilinders die in een stervorm of cirkelvorm geplaatst zijn rondom een krukas. Stermotoren of radiaalmotoren werden veel gebruikt voor propellervliegtuigen.  De gehele motor draait hierbij om de stilstaande krukas. De stermotor heeft voor vliegtuigen een belangrijk voordeel. Het is namelijk een compacte motor. In plaats van motoren waarbij de cilinders achter elkaar staan heeft de stermotor de cilinders in een stervorm om de krukas staan. De motor is hierdoor compact. De omvang van stermotoren kan echter verschillen. Er zijn stermotoren die drie cilinders bevatten maar er zijn ook stermotoren die vijf cilinders bevatten. Zelfs stermotoren van zeven cilinders komen voor. Wanneer het aantal cilinders nog verder wordt uitgebreid kiest men er voor om de cilinders in twee rijen achter elkaar te plaatsen.

Cilinders in zuigermotoren
De cilinders zijn een belangrijk onderdeel van de zuigermotoren. In cilinders bevinden zich zuigers die in beweging gebracht worden door druk. Hierdoor brengen de zuigers een krukas in beweging, behalve bij stermotoren die draaien om de krukas. Hoe groter de inhoud van de cilinder hoe meer druk geleverd zou kunnen worden. Motoren van kleine modelbouwvliegtuigen hebben een beperkte cilinderinhoud van bijvoorbeeld enkele cc. Grote scheepsdieselmotoren kunnen echter een cilinderinhoud hebben van honderden liters. Over het algemeen leveren grotere cilinders een groter rendement. Kleinere cilinders hebben echter over het algemeen een groter specifiek vermogen.

Wat is stirlingmotor, hoe werkt een stirlingmotor en waar wordt deze toegepast?

Stirlingmotor zijn heteluchtmotoren. De naam stirlingmotor is afgeleid van de bedenker van deze motor. De Schotse ingenieur Robert Stirling bedacht, zover bekend, als eerste een motor waarvan de werking was gebaseerd op warme lucht. Robert Stirling plaatse in de motor een regenerator en noemde die  “economiser”. Deze regenerator zorgde er voor dat hitte opgeslagen kon worden zodat de motor niet veel warmte zou verliezen. Dat verklaard ook de naam  “economiser”. In de tijd dat de stirlingmotor werd bedacht werden veel machines nog aangedreven doormiddel van stoomdruk. De stirlingmotor was echter veiliger, zuiniger en produceerde minder geluid. Toch is de stirlingmotor nooit heel breed toegepast in de techniek. Dit heeft te maken met het feit dat de stirlingmotor niet veel kracht heeft. De gasdruk van een stirlingmotor is bijvoorbeeld geringer dan stoomdruk van een stoommachine.

Er zijn verschillende varianten van de  stirlingmotor. Deze motoren zijn allemaal gebaseerd op een stirlingcyclus. Het principe van deze motors is gericht op het uitzetten van lucht of andere gassen doormiddel van verwarming. Naast de stirlingmotor bestaan er ook andere heteluchtmotoren. Dit artikel beschrijft de werking en toepassing van de stirlingmotor.

Hoe werkt een stirlingmotor?
Zoals in de inleiding is genoemd werkt een stirlingmotor doormiddel van het uitzetten van gassen. Door verhitting van gassen ontstaat druk. Deze druk valt weg wanneer de temperatuur wordt verlaagd. In een stirlingmotor zit lucht of een ander gas in een gesloten systeem. Er kunnen verschillende cilinders geplaatst worden in een stirlingmotor:

  • Dit systeem bevat een koude cilinder en een hete cilinder. Men spreekt hierbij ook wel van een alpha-configuratie.
  • Het is ook mogelijk dat een stirlingmotor een cilinder bevat met zowel een koud als heet compartiment.  Dit wordt ook wel een beta-configuratie genoemd.

In een stirlingmotor ontstaat druk doormiddel  van het verwarmen van gassen. Lucht wordt in de stirlingmotor heen en weer geschoven tussen een hete en een koude ruimte. In de hete ruimte expandeert de lucht. Deze druk zorgt er voor dat beweging kan worden gerealiseerd. In een stirlingmotor komt door deze hitte een zuiger in beweging.  Het verplaatsen van de lucht in de stirlingmotor naar een koude en hete ruimte gebeurd doormiddel van een verplaatser. De verplaatser gebruikt hierbij nauwelijks arbeid. Daarnaast is dit systeem geluidsarm.

Regenerator
Een stirlingmotor werkt doormiddel van de verwarming van gassen. Dit gebeurd via een regenerator. Deze regenerator neemt de warmte uit de lucht op bij een isochore temperatuurdaling. De warmte  kan ook in de regenerator worden opgeslagen en aan de lucht afgegeven bij een isochore temperatuurstijging. Een regenerator zorgt er voor dat heet gas wordt afgekoeld en koud gas wordt opgewarmd. Een regenerator moet goed in staat zijn om warmte op te vangen en op te slaan. Regeneratoren kunnen bestaan uit geperforeerde staalplaten, staalwol of roosters.

Toepassing van stirlingmotoren
Stirlingmotoren worden tegenwoordig toegepast bij onder andere warmte-krachtkoppeling oftewel WKK. Daarnaast kunnen stirlingmotoren worden toegepast in cv-ketels om verwarming te genereren van 1,5 of 10 kW. Dit wordt ook wel micro-warmte-krachtkoppeling genoemd. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van thermoakoestische stirlingmotoren die lineair trillend werken. In deze variant van stirlingmotoren wordt wisselstroom opgewekt die rechtstreeks aan het net kan worden geleverd.