In de cilinder

Een automotor heeft één taak: de warmte van brandende brandstof omzetten in de rotatie van een as. Bijna elke benzine- en dieselauto doet dat met dezelfde truc, die zich in meerdere cilinders herhaalt: een zuiger die in een buis op en neer schuift, en een mechanisme dat deze rechte beweging omzet in een draaiende beweging.

De belangrijkste onderdelen van één cilinder, van boven naar beneden:

• Cilinder en cilinderkop. De buis waarin de zuiger schuift, aan de bovenkant afgesloten door de cilinderkop. De ruimte tussen de zuiger en de cilinderkop is de verbrandingskamer.
• Kleppen. Twee of meer kleine deurtjes in de cilinderkop: inlaatkleppen laten verse lucht (en bij veel motoren brandstof) naar binnen; uitlaatkleppen laten verbrand gas naar buiten. Een draaiende nokkenas duwt ze op het juiste moment open.
• Bougie (benzinemotoren). Deze maakt een vonk die de brandstof en lucht ontsteekt.
• Zuiger. De plunjer. Ringen eromheen dichten de ruimte tussen de zuiger en de cilinderwand af.
• Drijfstang. Een sterke stang die de zuiger met de krukas verbindt. De stang zwaait terwijl hij beweegt.
• Krukas. Een as met een verschoven gedeelte, de krukpen. Als de zuiger tegen de drijfstang duwt, duwt de drijfstang de krukpen rond in een cirkel, zoals een voet een fietspedaal ronddraait.
• Vliegwiel. Een zware schijf aan het uiteinde van de krukas die draai-energie opslaat.

De slag is de afstand die de zuiger aflegt tussen zijn hoogste punt, het bovenste dode punt (BDP), en zijn laagste punt, het onderste dode punt (ODP). De kruktap bevindt zich op een afstand r van het middelpunt van de as, dus de zuiger beweegt in één halve omwenteling r omhoog en r omlaag: slag = 2r.

De hoogte van de zuiger volgt uit de meetkunde van de kruk en de drijfstang. Met de krukhoek θ, gemeten vanaf het BDP, en een drijfstang met lengte l, is de afstand van het middelpunt van de as tot de zuigerpen x(θ) = r cos θ + √(l² − r² sin² θ). Je hoeft dit niet uit te rekenen, maar let op wat het zegt: elke positie van de zuiger wordt vastgelegd door de krukhoek. Draai aan de kruk en de hele motor beweegt; niets kan uit de pas lopen.

De zuiger draait niet. Hij schuift recht op en neer; de drijfstang zwaait heen en weer; alleen de krukas draait. En de zuiger stopt echt een ogenblik bovenaan en onderaan, waar hij van richting verandert, en beweegt het snelst rond het midden van elke slag.

Twee maten beschrijven een motor. Het slagvolume (cilinderinhoud) van één cilinder is de oppervlakte van de zuiger maal de slag: V = (π/4) × boring² × slag. Bij een boring en slag van elk 86 mm is V = (π/4) × 0.086² × 0,086 ≈ 0,0005 m³ = 0,5 liter, dus vier van zulke cilinders vormen een motor van 2,0 liter.

De compressieverhouding vergelijkt het grootste en kleinste volume dat het gas ooit inneemt: CR = (V_swept + V_clearance) / V_clearance, waarbij het restvolume het volume is dat boven de zuiger overblijft bij het BDP. Als één cilinder 500 cm³ verplaatst en er bovenaan 50 cm³ overblijft, is CR = 550 / 50 = 11 : 1.

Hoe snel beweegt de zuiger? Zijn gemiddelde snelheid is 2 × slag × (omwentelingen per seconde). Bij 6 000 rpm (100 omw/s) en een slag van 86 mm is dat 2 × 0,086 × 100 ≈ 17 m/s, ongeveer 62 km/u, terwijl hij honderden keren per seconde op en neer beweegt. Dat is een van de redenen waarom er een limiet is aan hoe snel motoren veilig kunnen draaien.