Verbrandingsmotoren
Verbrandingsmotoren 2
De verbranding
INLEIDING
Het koppel en het vermogen van een motor hangen af van:
- Vullingsgraad
- Cilinderinhoud
- Compressieverhouding Bij niet optimale verbranding
- Kleptiming wordt bv een zeer goede
- Mechanisch rendement vullingsgraad niet bereikt.
- Verbranding
- Slagvolume
DE BRANDSTOF
Benzine
De normale verbranding (nooit ontploffing!)
1.De bougie ontsteekt een kleine hoeveelheid
mengsel.
2.Ontstane warmte doet andere mengseldeeltjes
ontbranden, ontstaan vlamfront (snelheid: 20 à 3
m/s).
3.Druk en temperatuur stijgt als gevolg van de verbranding.
4.De verbranding duurt 1 tot 2 ms.
Abnormale verbranding, detonatie of gloeiontsteking
def. ongecontroleerd explosie, detoneren: Mengsel dat niet ontstoken was door vonk gaat ineens
verbranden.
def. pingelen: Contact metaal op metaal.
Als gevolg van de ontbranding aan de bougie
loopt de druk en temperatuur heel snel op.
Indien zelfontstekingstemperatuur bereikt, zal he
mengsel ongecontroleerd ontbranden.
Gemiddelde vlamsnelheden hoger dan
normaal, pingelende of kloppende verbranding.
11 invloedfactoren op verbranding:
- Vooronstekingshoek
Bij te vroeg ontsteken, begint verbranding eerder en zal piekdruk en temperatuur
hoger oplopen. Dit doordat zuiger nog aan het comprimeren is, terwijl drukstijging nog
bezig is. Kans op detonatie neemt.
Maar te laat ontsteken kan gevaar opleveren, motortemperaturen heel hoog oplopen.
Hoe groter vooronstekingshoek, hoe groter kracht op zuiger.
Vermijden door pingelsensor.
Als motor begint te pingelen (hevige trillingen) dan voelt de sensor dit en stuurt
het management de ontsteking in stappen van 10° later. In de volgende cyclus
opnieuw vervroegen tot pingen terug optreedt. Voor elke cilinder apart geregeld.
- Vullingsgraad
Bij te lage belasting (gasklep weinig open) komt weinig mengsel in cilinders. De druk en
temperatuur zullen na compressie relatief laag zijn. Geen detonatiegevaar.
Bij hoge belasting komt veel mengsel in cilinders, dan stijgt de druk en temperatuur na
compressie. Er is verhoogde kans op detonatie.
3 manieren voor betere vulling:
- Meer brandbaar mengsel om tot ontbranding te laten komen.
- Grotere druk, meer deeltjes brandstof en zuurstof dicht bij elkaar.
, - Sneller ontbranden, korte verbrandingstijd.
4 invloeden luchthoeveelheid:
- Gasklep (belasting)
- Kleptiming
- Afwerking in- en uitlaatkanalen
- Turbodruk
- Compressieverhouding
Hoe hoger compressieverhouding, hoe hoger druk en temperatuur, verhoogde
kans op detonatie.
Opgepast bij benzine niet overgaat tot spontane ontbranding VS diesel hoge temperature
must.
Te hoge compressie bij diesel leidt ook tot meer mechanische wrijving.
- Temperatuur mengsel
Gevolg van compressieverhouding en de temperatuur bij einde inlaat. Hoe kouder het
mengsel, hoe meer zuurstof en hoe lager de temperatuur bij eind compressie.
Temperatuur aangezogen lucht
N2 = 78% en O2= 21%, 23,1% massa lucht.
Hoe heter aangezogen lucht, hoe sneller detonatie optreedt.
Zuurstofgehalte in warme lucht lager.
Turbomotoren drijven de temperatuur van lucht snel op. Intercoolers bedwingen de
opwarming.
Benzine heeft koelend effect, bij vergassing wordt de warmte van lucht gebruikt
voor overgang van aggregatietoestand (dubbele winst).
- Soort brandstof
Het octaangetal (de klopvastheid)
Vroeger motoren met een hoge compressieverhouding vereisten benzine met
octaangetal hoger dan 100, nu worden dopes gebruikt om het octaangetal te
verhogen.
E: Max ethanolgehalte in vol %.
B: Max gehalte biodiesel in vol %.
Ethanol tast oldtimer aan dus beter E5 dan E10.
Testen gebeurt met CFR-motor
Draaien met de te testen brandstof tot detonatie optreedt, nu draaien met
dezelfde motorafstelling op verschillende mengverhoudingen octaan/heptaan tot
detonatie ontstaat.
RON= Labotesten (ook de waarde aan de pomp).
MON= Labotesten met hogere temperatuur (vergelijkbaar met motoromstandigheden).
MON is interessantst om brandstoffen te vergelijken.
- Homogeniteit van mengsel
def. homogeen mengsel: Geleidelijk, zacht verbranden en gecontroleerd verloop verbranding.
Bij een niet homogeen proces:
- Eventueel geen verbranding.
- Geleidelijk verbranding met slechte uitstoot.
- Kan bewust zijn bij DI benzinemotoren.
- Temperatuur van cilinder(wand)
, Hogere cilindertemperatuur= Groterekans detonatiekans.
- Grootte van verbrandingskamer
Hoe sneller normale verbranding, hoe minder tijd het overblijvend deel heeft om te
ontbranden.
Plaats bougie belangrijk: afstand uiterste punt verbrandingskamer en bougie zo kort
mogelijk.
Als vlamfront snel en gelijkmatig alles ontsteekt: geen detonatie.
Bij grote oppervlakte verbrandingsruimte: meer kans op misfire.
- Luchtvochtigheid
Vochtigheid doet detonatieneiging dalen, verdampt water doet temperatuur dalen.
Minder vorming NOx door lagere temperatuur (EGR).
Teveel vocht kan oliefilm schaden.
- Gasbeweging in verbrandingskamer
Snelle beweging en werveling, verbrand sneller en kans detonatie kleiner.
Bij gecontroleerde beweging: swirl, squish en thumble: Het vlamfront bereikt
sneller alle mengsel en te bekomen door juiste vorm van inlaatkanalen,
zuigerbodem en cilinderkop.
Ongecontroleerde/ teveel beweging kan vlamfront blussen.
- Lucht-brandstofverhouding
Benzine: 14,7 kg lucht/ 1 kg benzine => λ=1.
Afwijkende mengsel
Rijk mengsel: 13,2 kg lucht/ 1 kg benzine => λ<1. Rijker mengsel: te weinig lucht.
Arm mengsel: 16,2 kg lucht/ 1 kg benzine => λ>1. Armer mengsel: teveel lucht.
λ=0,9: De grootste kans op detonatie (sterk afhankelijk van
compressieverhouding).
Diesel
Luchtoverschot en verbrandingswaarde
Luchtoverschot λ>1 => betere menging => vollediger verbranden => minder vervuilend => minde
vermogen.
Theoretisch ideale mengverhouding: 14,5 lucht/ 1kg diesel.
def. verbrandingswaarde: Aantal J dat vrijkomt tijdens volledige verbranding 1m³ gas of 1kg benzine
Verbrandingswaarde van diesel ligt lager dan die van benzine, maar diesel heeft een beter
thermisch rendement en zorgt ervoor dat diesel zuiniger is.
Brandstofkenmerken
Diesel ontsteekt door zelfontbranding.
Geen vlamfront nodig.
Hoog vlampunttemperatuur.
Chemische verbranding
Voor benzine: n-heptaan C7H16
Voor diesel: hexadecaan C16H34
Voor CNG/LNG: methaan CH4
Voor LPG: butaan C4h10 en propaan C3H8
Het p-V diagram, koppel en vermogen
HET P-V DIAGRAM
Theoretische grafiek:
Geen inlaat, doet er niet toe, gewoon rechte lijn.
, Werkelijke grafiek:
Zo dicht mogelijk bij maximum gevuld (ideaal).
Gasklep deels open, grafiek ligt lager, maar moet, hinder zorgt ervoor dat we in zone 30 goed
kunnen rijden.
Inlaatslag:
Compressieslag:
Ontsteking:
Arbeid:
Uitlaat:
Klepoverlap: om zo cilinder te kuisen (in BDP). Nooit tussen
compressie- en arbeid slag.
Effectief vermogen:
8 redenen werkelijke afwijkt van de theoretische:
- Onvolledige verbranding.
- Restgas blijf in cilinder (restdruk).
- Normale verbranding 20 à 30 m/s.
- Kleppen openen en sluiten niet in BDP en ODP.
- Verbranding bij een niet constant blijvend volume.
- Massatraagheid van het gas.
- Spoeling/ gaswisseling niet ideaal.
- Drukverliezen langs zuigerveren.
Verbrandingsmotoren 2
De verbranding
INLEIDING
Het koppel en het vermogen van een motor hangen af van:
- Vullingsgraad
- Cilinderinhoud
- Compressieverhouding Bij niet optimale verbranding
- Kleptiming wordt bv een zeer goede
- Mechanisch rendement vullingsgraad niet bereikt.
- Verbranding
- Slagvolume
DE BRANDSTOF
Benzine
De normale verbranding (nooit ontploffing!)
1.De bougie ontsteekt een kleine hoeveelheid
mengsel.
2.Ontstane warmte doet andere mengseldeeltjes
ontbranden, ontstaan vlamfront (snelheid: 20 à 3
m/s).
3.Druk en temperatuur stijgt als gevolg van de verbranding.
4.De verbranding duurt 1 tot 2 ms.
Abnormale verbranding, detonatie of gloeiontsteking
def. ongecontroleerd explosie, detoneren: Mengsel dat niet ontstoken was door vonk gaat ineens
verbranden.
def. pingelen: Contact metaal op metaal.
Als gevolg van de ontbranding aan de bougie
loopt de druk en temperatuur heel snel op.
Indien zelfontstekingstemperatuur bereikt, zal he
mengsel ongecontroleerd ontbranden.
Gemiddelde vlamsnelheden hoger dan
normaal, pingelende of kloppende verbranding.
11 invloedfactoren op verbranding:
- Vooronstekingshoek
Bij te vroeg ontsteken, begint verbranding eerder en zal piekdruk en temperatuur
hoger oplopen. Dit doordat zuiger nog aan het comprimeren is, terwijl drukstijging nog
bezig is. Kans op detonatie neemt.
Maar te laat ontsteken kan gevaar opleveren, motortemperaturen heel hoog oplopen.
Hoe groter vooronstekingshoek, hoe groter kracht op zuiger.
Vermijden door pingelsensor.
Als motor begint te pingelen (hevige trillingen) dan voelt de sensor dit en stuurt
het management de ontsteking in stappen van 10° later. In de volgende cyclus
opnieuw vervroegen tot pingen terug optreedt. Voor elke cilinder apart geregeld.
- Vullingsgraad
Bij te lage belasting (gasklep weinig open) komt weinig mengsel in cilinders. De druk en
temperatuur zullen na compressie relatief laag zijn. Geen detonatiegevaar.
Bij hoge belasting komt veel mengsel in cilinders, dan stijgt de druk en temperatuur na
compressie. Er is verhoogde kans op detonatie.
3 manieren voor betere vulling:
- Meer brandbaar mengsel om tot ontbranding te laten komen.
- Grotere druk, meer deeltjes brandstof en zuurstof dicht bij elkaar.
, - Sneller ontbranden, korte verbrandingstijd.
4 invloeden luchthoeveelheid:
- Gasklep (belasting)
- Kleptiming
- Afwerking in- en uitlaatkanalen
- Turbodruk
- Compressieverhouding
Hoe hoger compressieverhouding, hoe hoger druk en temperatuur, verhoogde
kans op detonatie.
Opgepast bij benzine niet overgaat tot spontane ontbranding VS diesel hoge temperature
must.
Te hoge compressie bij diesel leidt ook tot meer mechanische wrijving.
- Temperatuur mengsel
Gevolg van compressieverhouding en de temperatuur bij einde inlaat. Hoe kouder het
mengsel, hoe meer zuurstof en hoe lager de temperatuur bij eind compressie.
Temperatuur aangezogen lucht
N2 = 78% en O2= 21%, 23,1% massa lucht.
Hoe heter aangezogen lucht, hoe sneller detonatie optreedt.
Zuurstofgehalte in warme lucht lager.
Turbomotoren drijven de temperatuur van lucht snel op. Intercoolers bedwingen de
opwarming.
Benzine heeft koelend effect, bij vergassing wordt de warmte van lucht gebruikt
voor overgang van aggregatietoestand (dubbele winst).
- Soort brandstof
Het octaangetal (de klopvastheid)
Vroeger motoren met een hoge compressieverhouding vereisten benzine met
octaangetal hoger dan 100, nu worden dopes gebruikt om het octaangetal te
verhogen.
E: Max ethanolgehalte in vol %.
B: Max gehalte biodiesel in vol %.
Ethanol tast oldtimer aan dus beter E5 dan E10.
Testen gebeurt met CFR-motor
Draaien met de te testen brandstof tot detonatie optreedt, nu draaien met
dezelfde motorafstelling op verschillende mengverhoudingen octaan/heptaan tot
detonatie ontstaat.
RON= Labotesten (ook de waarde aan de pomp).
MON= Labotesten met hogere temperatuur (vergelijkbaar met motoromstandigheden).
MON is interessantst om brandstoffen te vergelijken.
- Homogeniteit van mengsel
def. homogeen mengsel: Geleidelijk, zacht verbranden en gecontroleerd verloop verbranding.
Bij een niet homogeen proces:
- Eventueel geen verbranding.
- Geleidelijk verbranding met slechte uitstoot.
- Kan bewust zijn bij DI benzinemotoren.
- Temperatuur van cilinder(wand)
, Hogere cilindertemperatuur= Groterekans detonatiekans.
- Grootte van verbrandingskamer
Hoe sneller normale verbranding, hoe minder tijd het overblijvend deel heeft om te
ontbranden.
Plaats bougie belangrijk: afstand uiterste punt verbrandingskamer en bougie zo kort
mogelijk.
Als vlamfront snel en gelijkmatig alles ontsteekt: geen detonatie.
Bij grote oppervlakte verbrandingsruimte: meer kans op misfire.
- Luchtvochtigheid
Vochtigheid doet detonatieneiging dalen, verdampt water doet temperatuur dalen.
Minder vorming NOx door lagere temperatuur (EGR).
Teveel vocht kan oliefilm schaden.
- Gasbeweging in verbrandingskamer
Snelle beweging en werveling, verbrand sneller en kans detonatie kleiner.
Bij gecontroleerde beweging: swirl, squish en thumble: Het vlamfront bereikt
sneller alle mengsel en te bekomen door juiste vorm van inlaatkanalen,
zuigerbodem en cilinderkop.
Ongecontroleerde/ teveel beweging kan vlamfront blussen.
- Lucht-brandstofverhouding
Benzine: 14,7 kg lucht/ 1 kg benzine => λ=1.
Afwijkende mengsel
Rijk mengsel: 13,2 kg lucht/ 1 kg benzine => λ<1. Rijker mengsel: te weinig lucht.
Arm mengsel: 16,2 kg lucht/ 1 kg benzine => λ>1. Armer mengsel: teveel lucht.
λ=0,9: De grootste kans op detonatie (sterk afhankelijk van
compressieverhouding).
Diesel
Luchtoverschot en verbrandingswaarde
Luchtoverschot λ>1 => betere menging => vollediger verbranden => minder vervuilend => minde
vermogen.
Theoretisch ideale mengverhouding: 14,5 lucht/ 1kg diesel.
def. verbrandingswaarde: Aantal J dat vrijkomt tijdens volledige verbranding 1m³ gas of 1kg benzine
Verbrandingswaarde van diesel ligt lager dan die van benzine, maar diesel heeft een beter
thermisch rendement en zorgt ervoor dat diesel zuiniger is.
Brandstofkenmerken
Diesel ontsteekt door zelfontbranding.
Geen vlamfront nodig.
Hoog vlampunttemperatuur.
Chemische verbranding
Voor benzine: n-heptaan C7H16
Voor diesel: hexadecaan C16H34
Voor CNG/LNG: methaan CH4
Voor LPG: butaan C4h10 en propaan C3H8
Het p-V diagram, koppel en vermogen
HET P-V DIAGRAM
Theoretische grafiek:
Geen inlaat, doet er niet toe, gewoon rechte lijn.
, Werkelijke grafiek:
Zo dicht mogelijk bij maximum gevuld (ideaal).
Gasklep deels open, grafiek ligt lager, maar moet, hinder zorgt ervoor dat we in zone 30 goed
kunnen rijden.
Inlaatslag:
Compressieslag:
Ontsteking:
Arbeid:
Uitlaat:
Klepoverlap: om zo cilinder te kuisen (in BDP). Nooit tussen
compressie- en arbeid slag.
Effectief vermogen:
8 redenen werkelijke afwijkt van de theoretische:
- Onvolledige verbranding.
- Restgas blijf in cilinder (restdruk).
- Normale verbranding 20 à 30 m/s.
- Kleppen openen en sluiten niet in BDP en ODP.
- Verbranding bij een niet constant blijvend volume.
- Massatraagheid van het gas.
- Spoeling/ gaswisseling niet ideaal.
- Drukverliezen langs zuigerveren.
