Zuigen, persen, knallen, blazen

Bijna elke automotor die ooit is gebouwd, draait op hetzelfde vierslagsritme, bedacht door Nikolaus Otto in 1876 en nooit verbeterd: zuigen, persen, knallen, blazen. Vier zuigerslagen — twee volle omwentelingen van de krukas — voor één stoot vermogen. Ingenieurs noemen het de viertaktcyclus; alles in deze les speelt zich af in één cilinder, in een paar honderdste seconde.

De vier slagen

Zuigen (inlaat). De zuiger schuift omlaag met de inlaatklep open, en de ruimte die daarboven ontstaat vult zich met lucht en een fijne nevel benzine — ruwweg één deel brandstof op 14,7 delen lucht naar massa, de chemisch perfecte verhouding.

Persen (compressie). De kleppen zijn dicht, de zuiger stijgt en perst het mengsel samen tot een tiende van het volume of minder. Dat samenpersen doet twee dingen: de komende verbranding wordt veel krachtiger (meer zuurstof en brandstof dicht op elkaar), en het mengsel warmt op richting ontsteking. De compressieverhouding is het ene getal dat het karakter van een motor het meest bepaalt.

Knallen (arbeid). Een paar graden voor het hoogste punt vonkt de bougie. De vlam trekt door de verbrandingskamer, de druk schiet omhoog tot 50–100 bar, en de zuiger wordt met tonnen kracht naar beneden gedreven. Dit is de enige slag die arbeid levert — de andere drie kosten juist arbeid, en die investering wordt hier met rente terugbetaald.

Blazen (uitlaat). De uitlaatklep gaat open en de stijgende zuiger duwt de verbrande gassen naar de uitlaatpijp, nog heet genoeg om te gloeien. Dan begint de cyclus opnieuw — tot vijftig keer per seconde per cilinder bij hoge toerentallen.

Waarom een vliegwiel

Let op de scheve verhouding: maar één arbeidsslag op de vier. Een eencilindermotor geeft één duw en draait dan anderhalve omwenteling op eigen vaart door. De oplossing is het vliegwiel — een zware schijf op de krukas die de energie van de knal opslaat in zijn draaisnelheid en die tijdens de drie 'lege' slagen weer afgeeft, zodat een reeks schokken een vloeiende draaiing wordt. (De andere oplossing is meer cilinders die om beurten vuren — dat is les 4.)

Kleppen houden de maat

De inlaat- en uitlaatkleppen zijn de poortwachters van de cyclus. Ze worden geopend door nokken op een nokkenas die precies half zo snel draait als de krukas — elke klep hoeft immers maar één keer open per twee omwentelingen van de krukas. De timing wordt tot op de graad afgesteld: gaat de inlaat een fractie eerder open, dan ademt de motor beter bij hoge toeren; sluit de uitlaat een fractie later, dan spoelt hij beter uit. Zit je er een paar graden naast, dan hapert de motor — zo gevoelig ligt het, en daarom praten tuners met ontzag over 'nokkenprofielen'.