LET WEL: Hierdie bladsy bevat drie geanimeerde voorstellings van meganiese werkinge en hierdie grafika kan gevolglik stadig laai as jou internetverbinding nie van die vinnigste is nie. Indien wel, wees dus asseblief net so ’n bietjie geduldig...
Die bobaas-werking van die
BO: Die binnebrandmasjien het ook lugvaart moontlik gemaak. Hier is ’n voorstelling van een silinder van die masjien van die Amerikaanse broers Wright se vliegtuigie van 1903—die eerste selfaangedrewe vliegtuig wat deur ’n vlieënier beheer is. Die masjien het uit vier silinders soos hierdie een bestaan, en al die suiers was verbind aan een krukas, wat op sy beurt ver­bind was aan die twee skroewe (pro­pellers) wat die voortstuwende krag verskaf het om die vliegtuig in die lug te hou.
Neem die binnebrandmasjien uit ons lewe en ons is as.’t ware terug in die eeu van die perdekar. Hierdie vernuftige manier om die wiele van onder meer motorkarre te laat draai, het die mens se hele lewe dramaties verander. Om een voorbeeld te noem, het die nodigheid verdwyn om dig op mekaar in groot stede te woon, en nuwe voorstede kon vinnig ontwikkel. Nie verniet dat daar soveel onsteltenis is in die huidige krisis rondom brandstowwe soos petrol en diesel wat die “lewensbloed” van ons binnebrandmasjiene is nie. Maar presies wat is ’n binnebrandmasjien en hoe werk dit? Hieronder volg ’n basiese verduideliking—gevolg deur ’n kykie na die bepaalde werkinge van die nokas en krukas in die masjien...
Y moet dit al gesien het: die deksel van ’n pot vol water op die stoof wat onstuimig begin wiebel sodra die water goed aan die kook is. Wat in der waarheid hier gebeur, is dat water in sy gastoestand 1600 keer meer ruimte nodig het as water in sy vloeistofvorm... en dat die uitdyende gas (stoom) in die pot nou so kwaai teen die deksel druk dat dit freneties begin ronddans.
Wetenskaplikes vertel dat die warmte wat die water laat kook, eintlik besig is om ’n stuk arbeid te verrig deur die deksel op te lig. Ons gesofistikeerde stoomenjins werk op presies dieselfde eenvoudige beginsel van hitte wat ’n werk doen.
Die vermoë om arbeid te verrig, staan bekend as “energie”—en selfs die kletterende pot vol kookwater laat ’n mens besef dat warmte ’n vorm van energie is. Die vindingryke mens het reeds enkele eeue gelede ontdek dat warmte nuttig aangewend kan word om werke te verrig, en van toe af het hy ál meer maniere bedink om dit te benut.
Die tussenstadium tussen warmte en arbeid is masjiene. Die wêreld is vandag propvol masjiene wat almal warmte, wat deur brandstof verskaf word, in meganiese energie verander. Hierdie energie word doodeenvoudig gebruik om ’n wiel te laat draai—die basiese prinsiep van masjiene.
Maar verder is daar natuurlik verskillende soorte masjiene. Twee hoofsoorte is die sogenaamde buitebrandmasjiene en binnebrandmasjiene.
Die stoomenjin is ’n buitebrandmasjien. By hierdie soort enjin vind die verbranding van die brandstof buite die enjin plaas. Dit geskied in ’n stoomketel, wat dan stoom lewer wat in die enjin gebruik word. Stoom vul ’n veel groter volume as toe dit vloeibare water was en, met sy geweldige drukking op een of meer suiers, word ’n wiel of wiele aan die draai gesit.
Binnebrandmasjiene, soos dié in ons motors, werk egter weer heel anders. Die brandstof ontbrand aan die binnekant van die enjin (in die silinder) en is in die vorm van ’n brandbare gas of van ’n ontvlambare vloeistof wat in ’n damp verander is. Hierdie damp word aan die brand gesteek en die warm gasse wat in die proses gegenereer word, sit uit en druk op die suiers, wat op hul beurt die masjien se wiele laat draai.
Die binnebrandmasjien se werking kan as volg in ietwat meer besonderhede verduidelik word:
• ’n Mengsel van brandstof (vlugtige petrol, ’n sproeireën van dieselolie of ’n ontvlambare gas) en lug word in ’n silinder, waarin daar ’n suier is wat op en af kan beweeg, saamgepers en verbrand.
• Met die verbranding van hierdie mengsel word verskillende gasse vrygestel. As gevolg van die groot hitte en gevolglike uitsetting van die verbrandingsproses ontstaan 'n hoë druk in die silinder. Vanweë hierdie druk teen die suier beweeg die suier eers ondertoe in die silinder en daarna boontoe, deur middel van ’n krukas. ’n Suierstang verbind die suier met die krukas, en die beweging van die krukas word dan met behulp van ’n ratstelsel na die res van die enjin oorgedra.
Ons sien dus dat die binnebrandenjin se werking op die beginsel berus dat die warmte-energie van brandende gasse werk kan verrig.
ONDER die soort brandstowwe wat in binnebrandenjins gebruik word, is steenkoolgas en soortgelyke gasse, petrol en swaarolie (diesel). Verskillende enjins verbrand verskillende brandstowwe, en hul werkinge word hieronder van nader bekyk.
(A) Gasenjins. Hierdie enjins werk met steenkoolgas en soortgelyke gasse, met inbegrip van watergas en gas van hoogoonde. Die gas word met lug gemeng en groot silinders en suiers word gebruik.
(B) Petrolenjins. Die belangrikheid van die petrolenjin kan vanselfsprekend nouliks oorbeklemtoon word. Een soort word in motors en motorfietse gebruik en ’n ander in vliegtuie wat met skroewe (“propellers”) werk. Die petrolenjin verskil in verskeie opsigte van die dieselenjin, wat verder ondertoe bespreek word. Een belangrike verskil is dat die brandstof ('n mengsel van petrol en lug) deur ’n elektriese vonk ontsteek word—en die enjin dus ook ’n doeltreffende en betroubare meganisme (die vonkverdeler) vir die verspreiding van elektrisiteit moet bevat.
Die werkingsiklus van die petrolenjin is kortliks:
BO: Die vierslagsiklus:
1. Inlaatslag of induksieslag;
3. Arbeidslag; 4. Uitlaatslag.
Beeld en animasie deur UtzOnBike, soos dit op hierdie bladsy in die Wikipedia-ensiklopedie op die wêreldwye web verskyn. Kopiëring, verspreiding en./.of modifikasie word vergun ingevolge die bepalings van die GNU Free Documentation license, weergawe 1.2 of enige latere weergawe soos gepu­bliseer deur die Free Software Foundation. ’n Kopie van die lisensie word ingesluit in die afdeling getiteld "GNU Free Documentation license".
(1) die suier word afgetrek deur die krukas wat die suierstang laat werk, terwyl ’n nok die inlaatklep oplig, en die silinder word met ’n mengsel van lug (waarvan suurstof die belangrikste bestanddeel is) en petrolgas gevul wat vooraf in die vergasser (carburettor) geproduseer word. Sodra die suier die boom van die silinder bereik, gaan die inlaatklep toe.
(2) Die suier styg nou en pers die mengsel van gas en lug tot nagenoeg ’n sesde van sy oorspronklike volume saam. Terselfdertyd laat die outomatiese kontakverbreker ’n vonk tussen die punte van die vonkprop deurgaan en word die mengsel sodoende ontsteek.
(3) Die lading van lug en gas ontplof en die suier word afgedwing; dit is die krag- of arbeidslag.
(4) Wanneer die suier styg, laat ’n nok die uitlaatklep oopgaan en die verbrande gasse word uitgedryf. Aangesien dit ’n vierslagsiklus is, het die meeste enjins minstens vier silinders sodat een van hulle altyd ’n arbeidslag gee.
Benewens die vergasser en die vonkverdeler vir die verskaffing van die ontstekingsvonk en ook vir die verspreiding daarvan na die vonkproppe, het die petrolenjin ook ’n oliestelsel vir smering nodig, asook ’n verkoelingstelsel waarin water of lug as verkoelmiddel gebruik word.
Behalwe vierslag-binnebrandenjins is daar ook tweeslag-tipes waarin die nuwe lading ingetrek word terwyl die uitlaatgasse uitgedryf word, en elke neergaande slag van die suier ’n arbeidslag is.
(C) Dieselenjin. In die dieselenjin word die brandstof ontsteek deur hitte wat van saamgeperste lug verkry word. Dit is soortgelyk aan die petrolenjin in sy konstruksie en werking, maar het geen vergasser of vonkproppe nie en gebruik dieselolie as brandstof. Dieselenjins het wel gloeiproppe (glow plugs) om die ontbrandingsiklus aanvanklik aan die gang te sit wanneer die masjien nog koud is. Dieselbrandstof is ’n vloeistof wat hoofsaaklik saamgestel is uit koolwaterstowwe wat van petroleum afkomstig is.
Dieselenjins kan gebruik word om sulke toestelle soos kragopwekkers en pompe aan te dryf, asook treine se lokomotiewe, vragmotors, busse, trekkers en selfs skepe en duikbote. In die meeste van die voertuie word dieselenjins soos petrolenjins aangewend—om die wiele of skroef (propeller) te laat draai. In lokomotiewe sit dieselenjins egter kragopwekkers aan die werk. Elektrisiteit van hierdie generators gaan na elektriese motore wat die wiele laat draai.
Die grootste dieselenjins is so kragtig soos groot stoomenjins en sekere stoomturbines. Skepe ter see word deur diesels aangedryf wat baie duisende perdekrag opwek.
Maar hoe lyk die dieselenjin eintlik? Dit bestaan hoofsaaklik uit 'n silinder, suier, krukas en vliegwiel. Die werksiklus in die silinder kan as volg opgesom word:
(1) Die suier sak af en die inlaatklep word deur ’n nokmeganisme geopen; suiwer lug word ingetrek.
(2) Die inlaat­klep gaan toe; die suier styg, pers die lug tot miskien een 25ste van die oorspronklike volume saam en in hierdie proses styg die temperatuur geweldig. Sodra die suier by die bopunt aankom, word ’n fyn sproeireën van diesel in die silinder ingespuit. Dié word dadelik deur die warm lug ontsteek. Die hoë temperatuur van die gasagtige verbrandingsprodukte veroorsaak ’n hoë druk.
(3) Die suier word afgedruk en gee die krag- of arbeidslag. Maar die vliegwiel laat, ten gevolge van sy momentum, die krukas aanhou met draai en dus...
(4) ...styg die suier weer, die uitlaatklep gaan oop en die warm gasse word uitgedryf.
Die nokas en die krukas
DIE hoofdoel van ’n nokas in ’n vierslag-binnebrandenjin is om die in- en uitlaatkleppe na die ontbrandingskamer op voorafbepaalde tye oop of toe te maak.
Die nokas bestaan uit ’n gegote metaalstaaf met ellipsvormige nokke (ook lobbe genoem—Eng. cams) wat op vasgestelde hoeke saam met die staaf ’n eenheid vorm. Wanneer die nokas roteer, word sekere van die kleppe deur die ellipsvormige nokke oopgestoot sodat die brandstofmengsel deur die suiers die ontbrandingskamers (combustion chambers) binnegesuig kan word, terwyl van die ander nokke op hul beurt bepaalde kleppe dig hou sodat ontbranding deur die vonkproppe kan plaasvind.
BO: ’n Rekenaar-animasie wat die werking van ’n nokas illustreer.
Beeld en animasie deur “Borowski”, wat dit in die Wikipedia-ensiklopedie op die wêreldwye web geplaas en tot openbare besit verklaar het (“released into the public domain”)
Die roterende werkoppervlak van elke nok word met ’n laag chroom verhard om slytasie teen te werk wanneer die onderpunt van die enjinklep daaroor beweeg. Enjinolie dien as smeermiddel om die verharde metaaloppervlakke verder te beskerm.
In die meeste moderne vierslagenjins is die nokas geleë in die silinderkop bo-op die enjinblok en direk bokant die suiersilinders. Sommige enjins het selfs twee nokasse—bv. in v-ses of v-agtenjins— d.w.s. een nokas vir elke drie of vier silinders.
Omdat die nokas die oop- en toemaak van die in- en uitlaatkleppe reël, is die verwantskap tussen die rotasie van die nokas en die rotasie van die krukas (crankshaft) baie belangrik. Daarom word die twee verbind deur een van die volgende: ’n tydrat (timing gear), tydketting (timing chain) of tydriem (timing belt). Wanneer die twee komponente in verhouding tot mekaar roteer, beheer die nokas die kleppe, terwyl die krukas op sy beurt die posisie van die suiers bepaal.
Die krukas is ’n swaar, kanteelvormige gietyster-onderdeel wat in die enjinblok geleë is. Die hoofdoel van die krukas is om die op- en afbewegende suiers se afwaartse krag as roterende krag oor te dra na die ratkas en van daar af na die aandrywingswiele van die voertuig. Om dit te bewerkstellig, word die suiers d.m.v. suiersstange (conrods) met die krukas verbind.
BO: Die krukas word hier in rooi aangedui, terwyl die grys suiers in hul blou silinders beweeg.
Illustrasie: NASA (openbare besit) by hierdie webblad: