F1-motoren: inleiding
Door Ramses Bossuyt, 21 March 2005
Na een lange afwezigheid zullen we terug de draad oppakken met enkele technische features. En waar beter mee te starten, dan met het hart van de F1-wagen: zijn motor? De motoren die hun onderdak vinden in de huidige F1-wagens spelen nog steeds een erg belangrijke rol. Zij moeten er voor zorgen dat wagens hun enorme snelheden kunnen halen en staan in voor bliksemsnelle acceleraties. Maar wat maken deze F1-motoren nu zo speciaal? En waarin verschillen ze met de motor in onze dagdagelijkse wagen? In de komende features zullen we de schijnwerpers richten op deze pk-monsters die de F1 voortbrengt. De ene feature zal wat technischer zijn dan de andere, maar we proberen het voor iedereen begrijpbaar te houden.
Echter voor we effectief uit de startblokken kunnen schieten, moeten we even door de basiskennis van motoren lopen. Degenen die reeds voldoende bagage mee hebben over motoren, kunnen deze inleiding overslaan. Andere kunnen hun kennis met deze inleiding even opfrissen of bijschaven.
Zo goed als alle automotoren werken volgens het 4-takt principe. Dit wilt zeggen dat de motorcyclus uit vier fasen of slagen bestaat, namelijk de inlaatslag, de compressieslag, de verbrandingsslag en de uitlaatslag. De onderstaande figuur illustreert het principe van deze vier slagen. Tijdens de inlaatslag gaat de inlaatklep open en stroomt het vers mengsel de cilinder binnen. Wanneer de zuiger zijn onderste stand bereikt, sluit de inlaatklep en vangt de compressieslag aan. Tijdens deze slag duwt de zuiger het verse mengsel samen, waardoor temperatuur en druk stijgen. Wanneer de zuiger in het bovenste punt aankomt, geeft de bougie een vonk (bij een dieselmotor ontsteekt het mengsel zelf door de hoge compressie, maar de dieselmotor gaan we verder niet bespreken in deze features). De verbrandingsslag is nu begonnen. Het mengsel verbrandt en hierbij komt een enorme energie vrij die de zuiger naar beneden duwt. Enkel tijdens deze slag produceert de cilinder arbeid, vandaar dat deze slag ook wel ‘ns de arbeidsslag genoemd wordt. Wanneer de zuiger terug helemaal beneden is, opent de uitlaatklep en de uitlaatslag vangt aan. Terwijl de zuiger naar boven beweegt, duwt hij de uitlaatgassen uit de cilinder. Op het einde van de uitlaatslag sluit de uitlaatklep en het hele proces begint weer van vooraf aan.
In de vorige paragraaf kwam er maar één cilinder aan bod. Automotoren beschikken echter over meerder cilinders. Wanneer je de motorkap van je wagen open doet, zul je er waarschijnlijk vier vinden. De cilinders kunnen op verschillende manieren ingebouwd worden om een motor te vormen, ook wel de opstelling van de motor. Bij automotoren zijn er drie courante opstellingen, namelijk de lijnmotor, de V-motor en de boxermotor. Bij de lijnmotor staan de cilinders allemaal mooi op een rij. Bij de V-motor zijn er twee rijen cilinders die een V-vorm met elkaar maken. En bij de boxermotor staan de twee rijen cilinders in elkaars verlengde, waarbij twee tegenover elkaar staande zuigers telkens in tegengestelde richting bewegen (denk maar aan de bekende Porsche motoren).
Dit brengt ons bij de krukas, de as die de verschillende zuigers van de verschillende cilinders met elkaar verbindt. Deze as is geen mooi rechte as, maar zit vol ‘trappen’ of krukken die de op en neer gaande beweging van de zuigers omzetten in een draaiende beweging. Het onderdeel dat de zuiger met de krukas verbindt, noemt men een drijfstang. Automotoren werken ook met kleppen die moeten kunnen openen en sluiten. Hier komt de nokkenas aan te pas. Dit is een as waarop verschillende nokken zijn gemonteerd (zie figuur). Deze nokken duwen de kleppen op en neer. Om te verzekeren dat de kleppen bij alle toerentallen de nokken blijven volgen, zijn de kleppen voorzien van klepveren die de kleppen tegen de nokken duwen.
Om ervoor te zorgen dat alles in de motor gesmeerd loopt, is een automotor voorzien van oliesmering. Deze moet twee belangrijke taken vervullen. Een eerste taak is het smeren van de bewegende delen (zuigers, krukas, nokkenassen, etc.). Een tweede taak is het koelen van de zeer hete delen, zoals de zuigers. Echter de olie kan niet alles voldoende koelen, vandaar dat waterkoeling een handje komt helpen (een uitzonderlijk geval gebruikt nog steeds luchtkoeling, maar waterkoeling is tegenwoordig de standaard). Het principe van waterkoeling is als volgt: koelwater dat in kanalen rond de cilinder stroomt koelt de motor af, waarna het door de radiator stroomt om afgekoeld te worden door de buitenlucht.
Wanneer de automotor op tafel ligt tijdens een gespreksonderwerp, zal ongetwijfeld het woord cilinderinhoud vallen. Wanneer een zuiger op en neer beweegt in een cilinder, verandert het volume in de cilinder. Wanneer de zuiger zijn bovenste stand staat, is het volume in de cilinder namelijk kleiner dan wanneer de zuiger in zijn laagste stand staat. Dit verschil in volume is verplaatsingsvolume van één cilinder. Als we al de cilinderinhouden van de cilinders optellen krijgen we de cilinderinhoud van de motor. Stel bvb. dat één cilinder van een 4-cilindermotor 0,5 liter verplaatst per slag, dan heeft de motor een cilinderinhoud van 2 liter. De cilinderinhoud van een motor wordt berekend uit de slag en de boring van de cilinders. Wat wilt dit nu zeggen? De slag van een cilinder is de afstand tussen de bovenste en de onderste stand van de zuiger en de boring van de cilinder is gewoon de diameter van de cilinder.
Ook begrippen als vermogen en koppel zijn niet weg te slaan uit de hedendaagse autogesprekken. Maar wat is nu het verschil tussen beiden? Koppel is een ander woord voor draaimoment. Dit draaimoment is gelijk aan de kracht maal de hefboomsarm en wordt uitgedrukt in Nm (Newtonmeter). Allemaal mooi en wel die theorie, maar wat wilt dit nu zeggen voor een motor? De kracht is in dit geval de kracht waarmee de verbranding de zuiger naar beneden duwt en de hefboomsarm is de grootte van de kruk van de krukas (niet 100% correct in werkelijkheid, maar we gaan het niet te moeilijk maken). Het koppel duidt dus de ‘kracht’ van de motor aan. Wat is dan vermogen? Vermogen is de hoeveelheid koppel (dus ‘kracht’) die de motor kan produceren per seconde. Hoe hoger het toerental de motor kan draaien hoe meer vermogen hij dus kan produceren. Het vermogen voor een automotor wordt uitgedrukt in pk (paardenkracht) of kW (kiloWatt). Concreet nu, wat betekent dit voor mijn wagen. Veel koppel heb je nodig als uit een constante snelheid snel wilt hernemen. Wil je daarna verder bliksemsnel blijven accelereren en een hoge topsnelheid halen, dan heb je veel vermogen nodig.
Ziezo dit was een inleiding op de automotor, maar wat zijn nu enkele concrete cijfers voor een alledaagse motor? Onze gemiddelde automotor die in het vooronder van onze wagen ligt is een 2 liter 4-cilinder lijnmotor met 120 à 140 pk, waarvan het maximumtoerental rond de 6000 toeren ligt bij benzinemotoren en 4500 bij dieselmotoren. Hier tegenover staan de 3 liter V10 pk-monsters uit de F1, zij braken bijna 1000 pk uit en flirten met de 20.000 toeren per minuut. Maar hier meer over in de volgende feature over F1-motoren.
Facebook
NuJij
eKudosF1 merchandise
Een hele winkel vol F1 modellen en spullen tegen scherpe en interessante prijzen. Kom zeker eens kijken!