door Weizengelb » 10 okt 2010, 10:06
Vanwege de vele vragen en legenden betreffende brandstoffen voor onze geliefde modellen, probeer ik eens alle relevante factoren op een rijtje te zetten.
Kleppen
De kleppen in een verbrandingsmotor hebben geen makkelijk bestaan. Afhankelijk van het type auto en de snelheid openen en sluiten ze tot wel zo’n 50 keer per seconde. Ze worden blootgesteld aan de hoge temperatuur in de cylinder en daarbij komt nog dat de uitlaatklep in geopende toestand bijna volledig omringd wordt door met hoge snelheid langsstromende gloeiend hete verbrandingsgassen. Voornamelijk de uitlaatklep dus bereikt zeer hoge temperaturen en zal dus warmte moeten afvoeren om niet te verbranden. Door zijn constructie heeft een klep practisch maar 2 manieren om zijn warmte af te voeren; via de klepsteel naar de klepgeleider of via de klepschotel naar de klepzitting. De belangrijkste afvoer is naar de klepzitting maar deze wordt helaas elke keer dat de klep opent onderbroken. De afvoer via de lange en dunne klepsteel is beperkt maar constant (*1).
Er zijn 2 belangrijke factoren waar wij zelf invloed op kunnen uitoefenen die de uiteindelijke kleptemperatuur kunnen beïnvloeden; De mate waarin de motor belast wordt en daarmee de energie die in de motor vrijkomt (*2), en de afstelling van de klepspeling. De klepspeling zorgt er op de eerste plaats voor dat de klep vrijloopt van de nokkenas zodat hij altijd geheel kan sluiten. Verder zorgt deze speling ervoor dat er altijd olie tussen de klepstoter en de nok kan komen en tenslotte heeft de mate van de speling ook nog wat invloed op de tijdsduur dat de klep gesloten blijft per omwenteling.
Door het voortdurende openen en sluiten van de klep zal deze altijd enigszins inslijten op de klepzitting, daardoor dieper in de zitting vallen waardoor de klepspeling langzaam minder wordt. Een kleinere speling zorgt ervoor dat de verhoging (de nok) van de nokkenas eerder contact maakt met de klepstoter en zo ook iets eerder de klep zal openen (én iets later zal sluiten). Dit verkort de afkoeltijd van de klep naar de klepzitting (en vergroot de opwarmtijd van langsstromend heet gas). Wanneer de klepspeling nog verder afneemt zal deze op een gegeven moment nul zijn en de klep komt niet meer los van de nokkenas 3. De smering van de nok en de stoter is dan onvoldoende waardoor ze op elkaar kunnen invreten en de klep zal niet goed meer sluiten op de zitting waardoor de warmte-afvoer drastisch afneemt. De klep zal binnen korte tijd verbranden.
Wanneer een of meerdere kleppen verbrand zijn lekken gassen voortdurend naar de uitlaat, de betreffende cylinders bouwen niet meer voldoende compressie op en de motor zal zeer onregelmatig lopen en slecht starten. Helaas treden deze symptomen pas duidelijk op als het kwaad is geschied. Zaak is dus om de klepspeling nauwlettend in de gaten te houden, Op LPG én op benzine! Een benzinemotor verbrand bij een te kleine klepspeling ook zijn kleppen, wat hier wél een verschil uitmaakt daar komen we zo nog op terug.
Benzine
Benzine is een mengsel van zeer veel verschillende koolwaterstoffen met verschillende eigenschappen die samen de eigenschappen van de benzine bepalen. Gemiddeld hebben de koolwaterstoffen in de benzine 5 tot 12 C-atomen, de vorm en de volgorde van deze C-atomen hebben een grote invloed op de eigenschappen van de koolwaterstof en daarmee de benzine. Vroeger werd benzine gebruikt die direct uit de ruwe aardolie werd gedestilleerd, zogenaamde “straight run†benzine. Deze straight run benzine bestaat vooral uit rechte onvertakte koolwaterstofketens en heeft een relatief laag octaan gehalte van 40 RON 4. Nu was dat destijds geen groot probleem daar deze oude motoren een lage compressieverhouding hadden en relatief langzaam draaiden, daardoor traden er weinig problemen op met voorontsteking, het zogenaamde “kloppenâ€.
Onder kloppen verstaat met het verschijnsel dat een brandstofmengsel onder bepaalde omstandigheden zichzelf ontsteekt in de cylinder. Dit is ongewenst vanwege verschillende redenen. De ontsteking wordt normaal geïnitieerd door de bougie die daarvoor op precies het juiste moment een vonk afgeeft. Een zelfontsteking is in het algemeen te vroeg doordat het mengsel onder de toenemende druk door de compressieslag en de hoge temperatuur (en evt. achtergebleven gloeiende koolstofdeeltjes 5) spontaan ontsteekt. Doordat de ontsteking niet op één punt (bij de bougie) begint, maar op meerdere plaatsen als een explosie plaatsvindt, en omdat daarmee de zuiger al met grote kracht neerwaarts wordt gedrukt wanneer hij nog omhoog gaat, worden er grote krachten uitgeoefend op met name de zuiger en drijfstang/krukaslagers. Verder wordt er door de explosiedruk een grotere warmte overdracht veroorzaakt op alle delen in de verbrandingsruimte wat bijdraagt aan een toegenomen kans op een materiaaldefect. Kloppen bij lage snelheden is vaak nog wel hoorbaar als een soort hamerslag, bij hoge snelheden valt het geluid echter weg tegen alle achtergrond geluiden en dit maakt het extra gevaarlijk daar juist bij hoge snelheden (en dus hoge motorbelasting) de eisen aan de klopvastheid van de brandstof 6 het hoogst zijn.
Om het rendement en geleverd vermogen van verbrandingsmotoren te verhogen werden de compressieverhoudingen en de toerentallen van de motoren steeds verder verhoogd en ontstond er dus de behoefte aan klopvastere benzine. Een manier om de klopvastheid van benzine te vergroten is om de rechte koolwaterstofketens kunstmatig om te vormen in kortere, vertakte en/of cyclische koolwaterstoffen met een veel hogere klopvastheid 7. Dit is een ingewikkeld synthetisch proces wat de benzine natuurlijk duurder maakt (superbenzine).
Een verdere verhoging van de klopvastheid werd bereikt door het toevoegen van de loodverbindingen TML (Tetra Methyl Lood) en TEL (Tetra Ethyl Lood). Een bijkomend voordeel bleek dat bij de verbranding van deze toevoeging een gedeelte van het vrijkomende lood zich afzette op het oppervlak van o.a. de klepschotel en klepzitting en zo een smerend en beschermend laagje vormt dat slijtage verminderd.
Met het toenemende milieubewustzijn werd de loodtoevoeging aan benzine steeds minder gewenst. Er werd dus gezocht naar alternatieve toevoegingen, maar ook werd de concentratie aan gesynthetiseerde koolwaterstoffen verder verhoogd. De nieuwe loodvrije benzines bevatten dus een duidelijk verhoogd gehalte aan synthetische componenten die in veel gevallen zeker ook niet onschuldig zijn 8. Deze vaak meer complexe stoffen kunnen in sommige gevallen kunststof en rubber componenten in het brandstofsysteem sneller doen verouderen of aantasten waardoor ze sneller aan vervanging toe kunnen zijn. De oude loodhoudende benzine bevat echter ook veel agressieve componenten maar wellicht in lagere concentraties 9. Het zelf toevoegen van allerhande loodvervangende middeltjes zal hier echter geen enkel positief effect op hebben (eerder nog negatief door het verder verhogen van synthetische componenten).
De cylinderkoppen van de W114 en W115 (geen diesel) zijn alle van aluminium met af-fabriek gehard stalen klepzittingen waarvan door Mercedes-Benz zelf is verklaard dat zij geen loodtoevoegingen in de brandstof behoeven. Wel werd nogmaals op het belang gewezen van een immer correct ingestelde klepspeling.
Indien nu werkelijk de stelmogelijkheid van de klepspeling beëindigd is doordat de stelschroef op het eindpunt van de draad is gearriveerd (en evt. de verkrijgbare dunnere drukstukjes onder de klepstoter zijn gemonteerd), dan is pas de tijd aangebroken om de cylinderkop te laten reviseren. In de laatste 30 jaar is er best nog het een en ander verbeterd in de metallurgie en de materiaalprijzen waardoor nieuwe klepzittingen nog harder en daardoor slijtvaster kunnen zijn dan de originele. Ik zou me hierop echter niet blindstaren en vooral wanneer er geen verdere aanleiding toe is de cylinderkop niet zomaar preventief laten reviseren.
Alle /8 motoren zijn ontworpen op benzine met een octaangehalte van minimaal 98 RON 10. Een benzine met een lager octaangehalte zoals loodvrij 95 RON hoeft niet direct schadelijk te zijn, met name wanneer niet het volle vermogen van de auto wordt aangesproken (hoge snelheden/acceleratie, zware last, bergop rijden), maar in het algemeen is het beter geen risico’s te nemen en toch de voorgeschreven benzine met een octaangehalte van 98 RON te tanken; Super plus 98. Vooral wanneer toch voornamelijk op LPG gereden wordt spelen de kosten hierbij bijkant geen rol.
LPG
Om verschillende redenen gebruiken velen van ons LPG als brandstof. Een van de belangrijkste redenen is dat de prijs per liter LPG lager is dan voor een liter benzine. Verder is de brandstof in het algemeen schoner en beter voor “het milieu†en de motor, hiervoor worden dan concessies gedaan aan de originaliteit van de auto, de kofferruimte en vaak de bedrijfszekerheid op benzine.
LPG (Liquified Petrol Gas) is een mengsel van Propaan en Butaan 11, dat onder normale omstandigheden gasvormig zou zijn maar dat in de LPG tank onder een druk van ongeveer 8 bar vloeibaar is. Van nature heeft LPG een relatief hoog octaangehalte van 104-106 RON waardoor het geen verdere toevoegingen of aanpassing benodigd om te dienen als motorbrandstof. Een verder voordeel is dat LPG relatief schoon verbrandt omdat het als gas direct een zeer homogeen gas/lucht mengsel vormt en het weinig/geen zware fracties (lange ketens) bevat die slecht of onvolledig verbranden. Daarbij komt dat LPG relatief meer waterstof bevat dan koolstof waardoor er in verhouding minder CO² de uitlaat verlaat, wat vaak ook als een voordeel wordt beschouwd 12.
Een belangrijk voordeel van LPG is dat het niet meer zal condenseren in een koude motor. Benzine heeft de eigenschap om bij een koude start voor een niet onaanzienlijk gedeelte weer te condenseren in het inlaatspruitstuk en op de koude cylinderwand. Omdat deze benzine verloren gaat uit het brandstofmengsel én om het zwaarder lopen van de koude motor met koude dikke olie te compenseren moet extra benzine toegevoerd worden door middel van een choke of extra koude start injector. De benzine die op de cylinderwand condenseert spoelt de smerende oliefilm weg en stroomt langs de zuiger heen weg in het oliecarter. Door de verminderde smering wordt de slijtage van de cylinderwand duidelijk verhoogd en bovendien wordt de motorolie met benzine verdund waardoor de algehele smerende werking wordt verminderd 13.
Nadelen van LPG zijn er natuurlijk ook. Een liter LPG heeft t.o.v. benzine ongeveer (afhankelijk van de LPG samenstelling) een 15-20% lagere energie-inhoud 14 waardoor het verbruik zal toenemen en het maximale vermogen van de motor zal afnemen.
Het meest besproken nadeel van LPG is echter dat het een drogere verbranding heeft waardoor de temperatuur van kleppen en cylinderkop toeneemt. Benzine is een vloeistof maar brandstof moet gasvormig zijn om te verbranden. Een benzinemotor heeft daarvoor een carburateur of een injectiesysteem welke de brandstof in de lucht verneveld. LPG is onder normale omstandigheden een gas, en zal dus zodra het van druk gelaten wordt weer geheel gasvormig worden. Hierbij is warmte nodig die wordt toegevoerd door het ‘koelwater’ in de verdamper. De door LPG opgenomen verdampingswarmte is echter veel kleiner dan die van benzine en wordt bovendien geheel buiten de verbrandingsruimte onttrokken aan de omgeving. De benzine neemt veel warmte op wanneer het in de cylinder verder verdampt tijdens de verbranding 15. Een 2e effect is dat LPG langzamer verbrandt dan benzine(damp) en dat daardoor de verbranding nog door kan gaan wanneer de uitlaatklep geopend wordt. Hierdoor wordt de uitlaatklep (en klepzitting) zwaarder thermisch belast en zal sneller slijten.
Verder moeten bij de meeste carburatiemotors met automatische choke de chokekleppen verwijderd of doorboord worden om een koude start op LPG mogelijk te maken. Dit is omdat motors op LPG geen baat hebben bij een vermindering van de luchttoevoer om het mengsel te verrijken. De LPG wordt namelijk al met de lucht vermengd vóór de carburateur. Bovendien heeft LPG geen last van eerdergenoemde condensatieverliezen bij koude motor en behoefd dus minder tot niet verrijkt te worden. De (elektronische) injectiesystemen in onze auto’s hebben dit probleem niet, deze worden gewoon uitgeschakeld door de massa te onderbreken.
Bij voornamelijk gebruik op LPG ontstaan vaak problemen met het incidenteel rijden op benzine. Doordat de motor draait en er normale hoeveelheden lucht (met gas) door de (warme) carburateur stromen, maar geen benzine, droogt deze geheel op. Alle zware fracties opgelost in de benzine, samen met vuiltjes etc. zullen, opgedroogd als een soort bruine lak, achterblijven in de carburateur. Op den duur kan dit natuurlijk veroorzaken dat de fijne kanaaltjes en sproeiers verstopt raken waardoor de carburateur niet goed meer werkt. Wederom hebben injectiesystemen hier feitelijk geen last van (op een enkele vastklevende injector na).
Conclusie
Al met al hebben dus alle verschillende brandstoffen voor en nadelen waarvan ik er hopelijk de belangrijkste enigszins heb kunnen toelichten. Belangrijk is dat er een inschatting gemaakt kan worden wat mogelijk is en wat niet zonder schade of zeer versnelde slijtage aan de motor te veroorzaken. De koelwatertemperatuur zegt niet veel over de temperatuur van de kleppen, dit moet aangevoeld worden met overweging van de motorbelasting en met name de tijdsduur hiervan (kort stevig accelereren is geen bezwaar zo wel een kwartier lang topsnelheid rijden), en natuurlijk de al dan niet correct ingestelde (oftewel recent gecontroleerde) klepspeling. Een correct (niet te laat) ingestelde ontsteking maakt het verhaal af.
Het is sowiezo raadzaam en keer oude benzine slangen te vervangen door nieuwe exemplaren, is het niet vanwege mogelijk agressievere benzine, dan wel omdat ze van ouderdom verrot zijn.
Ik wens iedereen nog veel rijplezier toe op Benzine, LPG, (bio?)Diesel of welke brandstof dan ook!
VOETNOTEN
(*1)Om de warmteafvoer via de lange en smalle klepsteel te vergroten is de uitlaatklepsteel van onze auto’s hol en gevuld met natrium, dit metaal heeft een bijna 3x zo hoge warmtegeleiding als staal en smelt bovendien bij 644 °C waardoor het ook met warmtestroming warmte uit de klep kan afvoeren, bovendien is het 8x lichter in gewicht waardoor de klep minder last heeft van massa-traagheid.
(*2)In de motor wordt slechts ongeveer 25% van de energie uit de brandstof gebruikt voor aandrijfvermogen, de rest wordt voornamelijk omgezet in warmte.
(3)Een veel te kleine klepspeling is vaak direct te herkennen wanneer de ronde onderzijde van een nok een glanzend gepolijst oppervlak heeft.
(4)Research Octane Number; dit is de relatieve klopvastheid van een brandstof t.o.v. de koolwaterstof Octaan (100 RON).
Door voornamelijk korte ritjes waarbij door de choke op een vet (rijk) mengsel wordt gereden kunnen onverbrande roetdeeltjes achterblijven in de verbrandingsruimte en aankoeken.
Een dieselmotor heeft juist geen behoefte aan een lage klopvastheid daar de ontsteking niet door een bougie geïnitieerd wordt maar juist door de op het juiste tijdsstip ingespoten brandstof die dan spontaan ontbrandt.
Als voorbeeld; de rechte C10 keten octaan heeft een zelfontbrandingstemperatuur van 210 °C tegenover de vertakte C10 keten Iso-octaan met 418 °C.
Naast het klopvaste Tolueen is ook vaak het gehalte aan kankerverwekkende Benzeen toegenomen tot max. 5%.
Van TML en TEL is bekend dat zij agressief en aantastend werken op rubber.
Behalve auto’s geleverd voor landen met een slechte kwaliteit benzine waarbij de compressie is verlaagd.
De mengverhouding is gemiddeld 50/50 met in de winter een voorkeur voor wat meer propaan omdat dit een hogere dampspanning heeft waardoor de (koude) motor beter start.
CO², koolstofdioxide is een broeikasgas en komt vrij bij de verbranding van alle organische stoffen. De gevolgen zijn niet lokaal en het gas is verder onschuldig, dit in tegenstelling tot het giftige CO, koolstofmono-oxide, dat ontstaat bij onvolledige verbranding van bv. een te rijk mengsel.
Bij langere ritten zal de benzine weer uit de olie verdampen, bij overwegend korte afstanden kan de hoeveelheid benzine in de olie echter gevaarlijk toenemen met het risico op lagerschades of zuigervreters. Een hoog of normaal oliepeil is dus geen garantie of reden geen olie te verversen! (…Deze auto gebruikt geen olie…)
Afhankelijk van het gehalte Butaan levert de LPG meer energie.
Met name ook de overmaat aan benzine die het mengsel ‘rijk’ maakt, bij een arm mengsel stijgt de temperatuur aanzienlijk en kan ook schade optreden aan kleppen en bougie etc.
Das Beste oder Nichts!
Wclubs.nl clubs: | W123 | W124 | W126 | W201 | W202 | W210 | OldtimerForum | MB Klassieker | Bus en Camper
SitemapIndex