Het proces van verbranding in een motor lijkt op het bereiden van een gerecht. Voeg de juiste ingrediënten in de juiste volgorde samen en je krijgt een goed resultaat: een motor die soepel draait, net zoals een goed gebakken taart. Maar als je te veel afwijkt van de juiste samenstelling of volgorde, mislukt het resultaat. Het gerecht wordt onherkenbaar: de motor presteert minder goed, of valt zelfs stil.
Net als bij koken kan tussentijds ‘proeven’ aangeven of de mengselsamenstelling juist is, of dat er iets moet worden bijgestuurd. In een verbrandingsmotor gebeurt dit continu. Eigenlijk kunnen we stellen dat het motormanagementsysteem als een soort chef-kok functioneert, die op basis van verschillende informatiebronnen probeert een perfect resultaat samen te stellen. Zolang de informatie juist is, zal de motor goed presteren. Zodra de gegevens incorrect zijn, ‘mislukt’ het proces en ontstaan er problemen.
De ‘chef-kok’ kan wel aangeven of het mengsel te rijk of te arm is – vergelijkbaar met een te sterke of een te flauwe smaak – maar kan niet zelf vaststellen wat er precies fout is gegaan.
Complex proces
Waar gaat het mis met de mengselregeling? Hier komt de expertise van de technicus in de werkplaats om de hoek kijken. Het proces van diagnose stellen en een goede afstemming is vaak complex. In dit artikel nemen we de basisprincipes nog eens onder de loep. Dit geeft je opnieuw inzicht in de mengselsamenstelling (de ‘ingrediënten’), de viergaswaarden (de ‘smaak en geur’) en de fuel trims (de aanpassingen van de ‘chef-kok’ om het resultaat bij te sturen).
Juiste verhouding
Iedereen houdt wel van een vuurtje stoken. Of dat nu de barbecue, het kampvuur of met carbid schieten is. Voor elk soort vuur zijn dezelfde elementen nodig. Zuurstof, brandstof en de juiste temperatuur.
Als deze in de juiste verhouding samenkomen, gaat de barbecue aan, kun je genieten bij het kampvuur of kan je de melkbus laten knallen. Bij de verbranding van benzine spreken we over een verhouding van 14,7:1. Dit betekent dat er 14,7 kg lucht nodig is om 1 kg benzine volledig te verbranden. Deze verhouding noemen we de stoichiometrische mengverhouding.
Hoeveelheden en timing
De motorregeleenheid (ECU) heeft specifieke informatie nodig om te berekenen hoeveel brandstof er moet worden ingespoten. In de eerste plaats is de hoeveelheid lucht essentieel. Zodra de luchthoeveelheid bekend is, kan de ECU de benodigde hoeveelheid brandstof berekenen. Daarnaast is het signaal van de krukas (motortoerental) nodig om te bepalen of en wanneer er brandstof moet worden ingespoten.
Mengsel optimaliseren
Zodra al deze waarden bekend zijn, heeft de ECU voldoende informatie om de juiste basishoeveelheid benzine aan de lucht toe te voegen. De luchtmassameter (MAF) en/of de inlaatdruksensor (MAP) meet de binnenkomende luchthoeveelheid. Om het mengsel te optimaliseren, zijn er extra sensoren geplaatst die de basishoeveelheid brandstof kunnen corrigeren. Denk hierbij aan de inlaatluchttemperatuursensor (koudere lucht bevat meer zuurstofdeeltjes dan warme lucht) en de koelvloeistoftemperatuursensor (bij een koude motor is er meer brandstof nodig omdat de brandstof neerslaat).
Perfecte verbranding
Nadat de ECU de juiste brandstofhoeveelheid heeft bepaald en ingespoten, is het mengsel gevormd. Dit mengsel kan echter alleen goed verbranden als:
- de ECU de juiste sensorinformatie ontvangt
- er geen lekkages zijn, zoals gescheurde slangen, pakkingen, afdichtingen, enzovoorts
- de actuatoren goed functioneren, zoals injectoren, EGR-systeem, wervelkleppen, EVAP, nokkenasverstelling, enzovoorts
- de kleptiming correct is
- de motor mechanisch in goede staat verkeert, met goed werkende zuigers en zuigerveren, schone en in goede staat verkerende kleppen, enzovoorts
Als aan al deze voorwaarden is voldaan, ontstaat de perfecte verbranding. Alle benzine is goed met lucht vermengd en verbrandt volledig. Na de verbranding is er geen benzine of zuurstof meer over. Het verbrande mengsel verlaat de motor via de uitlaat.
Meten is weten
De uitlaat is een goede locatie om te meten of de verbranding is geslaagd. De lambdasonde vóór de katalysator meet de hoeveelheid zuurstof in de uitlaat. Aan de hand van deze informatie kan de motor-ECU bepalen hoe de verbranding is verlopen. Bij een correcte verbranding is er namelijk geen zuurstof meer over. De uitlaatgassen zouden dus geen zuurstof meer moeten bevatten. Hoewel de ECU ook via het krukassignaal problemen met de verbranding kan detecteren, gebeurt dit meestal alleen als de verbranding zo slecht is dat er vertraging in het krukasritme wordt waargenomen. Wanneer de motor wel soepel draait, maar niet met het juiste mengsel, wordt dit niet door de krukassensor geregistreerd.
Lambdagetal
In de autotechniek verwijst ‘Lambda’ naar de verhouding tussen lucht en brandstof die in de verbrandingskamer van de motor wordt gebruikt. Het Lambda-getal geeft aan of de motor op de juiste mengverhouding werkt voor een efficiënte en schone verbranding. Er zijn drie Lambda-waarden mogelijk: Lambda 1, Lambda >1 en Lambda <1.
Lambda 1 (optimaal mengsel) is de stoïchiometrische mengverhouding waarbij de lucht/brandstofverhouding precies 14,7:1 is. Dit is de ideale verhouding voor een volledig verbrandingsproces. Hierbij worden alle brandstof en zuurstof volledig omgezet in verbrandingsgassen zonder overschot aan brandstof of zuurstof.
Lambda > 1 (te arm mengsel) betekent dat er een luchtoverschot is. Er is meer lucht dan nodig is voor de hoeveelheid brandstof. Er blijft zuurstof over na de verbranding. Dit kan leiden tot een inefficiënte verbranding, hogere verbrandingstemperaturen en een verhoogde uitstoot van stikstofoxiden (NOx).
Lambda < 1 (te rijk mengsel) betekent dat er teveel brandstof is voor de hoeveelheid lucht. Er blijft onverbrande brandstof over na de verbranding, wat leidt tot een hoger brandstofverbruik, lagere motorprestaties en een toename van schadelijke uitstoot zoals koolwaterstoffen (HC) en koolmonoxide (CO).
Mengselaanpassing
Een verbrandingsmotor bestaat uit veel mechanische onderdelen die na verloop van tijd slijten. Hierdoor wordt het moeilijk om een optimale verbranding op lange termijn te garanderen. Om gedurende de hele levensduur van de motor een correct brandstof-luchtmengsel te behouden, past het motormanagementsysteem de hoeveelheid ingespoten brandstof aan op basis van signalen van de lambdasonde. Wanneer de lambdasonde geen zuurstof detecteert, betekent dit dat de lucht-brandstofverhouding op Lambda 1 of lager zit (rijk mengsel). Het motormanagement reageert hierop door minder brandstof in te spuiten totdat de lambdasonde weer zuurstof meet. Op dat moment zal het motormanagement de brandstoftoevoer weer vergroten. Deze continue aanpassing compenseert slijtage zodat het ideale mengsel zo nauwkeurig mogelijk wordt benaderd. Dit proces van aanpassing in de brandstoftoevoer wordt ook wel mengselaanpassing genoemd.
Katalysator
Ook de katalysator speelt een rol. De katalysator zet schadelijke uitlaatgassen, zoals koolstofmonoxide (CO) en stikstofoxiden (NOx), om in minder schadelijke stoffen.
- Door het brandstofmengsel te verarmen (minder brandstof) kan CO en HC worden geneutraliseerd, omdat er na de verbranding zuurstof overblijft die door de katalysator stroomt.
- Bij het verrijken van het mengsel (meer brandstof) komen CO en onverbrande koolwaterstoffen (HC) in de katalysator terecht. Dit kan NOx onschadelijk maken.
Het motormanagement verrijkt en verarmt het mengsel continu om de katalysator optimaal te laten werken. Wanneer deze aanpassingen niet plaatsvinden, kan de katalysator niet werken.
Beoordelen van de mengselregeling
Het aanpassen van het brandstof-luchtmengsel kan worden gemonitord met een diagnosetester. Via de OBD-meetwaarden is het mogelijk om uit te lezen hoe het motormanagement het mengsel aanpast. Dit kan met behulp van het uitlezen van de kortstondige mengselaanpassing (Short Term Fuel Trim) en de langdurige mengselaanpassing (Long Term Fuel Trim)
Kortstondige mengselaanpassing (STFT)
De kortstondige mengselaanpassing, ook wel Short Term Fuel Trim (STFT) of lambda-integrator genoemd, is een directe aanpassing van de brandstofhoeveelheid op basis van de metingen van de lambdasonde. Wanneer de lambdasonde zuurstof meet, reageert het motormanagement door het mengsel onmiddellijk te verrijken. Zodra de lambdasonde geen zuurstof meer detecteert, verarmt het motormanagement het mengsel weer. Dit proces verloopt snel, met een constante afwisseling tussen rijk en arm mengsel. Vandaar de naam ‘kortstondige’ mengselaanpassing.
Langdurige mengselaanpassing (LTFT)
De langdurige mengselaanpassing, ook bekend als Long Term Fuel Trim (LTFT) of L-aanpassing, werkt op de lange termijn. Dit is om slijtage en veroudering te compenseren. Stel dat een injector enigszins versleten is, waardoor er net iets te weinig brandstof in een cilinder wordt ingespoten. Dit leidt tot een overmaat aan zuurstof in de uitlaat, wat door de lambdasonde wordt gemeten. Het motormanagement reageert hierop door het mengsel te verrijken. Na verloop van tijd herkent het motormanagement dat deze aanpassing consistent nodig is, en schrijft deze bijstelling weg naar de langdurige mengselaanpassing. Hiermee wordt de basiswaarde verlegd. Het motormanagement past nu standaard de aanstuurtijd van de injector aan, zodat de juiste hoeveelheid brandstof wordt ingespoten.
Liegen
Wanneer het motormanagement het mengsel niet goed krijgt, zal uiteindelijk een foutcode worden geschreven, bijvoorbeeld P0171 mengsel te arm. Deze foutcode ontstaat wanneer het motormanagement het mengsel te extreem moet verrijken. Dit kan verschillende oorzaken hebben die moeten worden onderzocht. Met de gegevens van de lambdasonde kan worden bepaald welke mengselsamenstelling het motormanagament ziet. De fuel trims laten zien wat het motormanagement probeert te doen. Helaas kan een lambdasonde liegen of het systeem door externe factoren (scheurtje in het spruitstuk, misfire) verkeerd beïnvloeden. Een viergasmeter maakt inzichtelijk wat de daadwerkelijke uitlaatgassamenstelling is.
Perfecte situatie
Zoals gezegd blijft er bij een goede verbranding en een goed werkende katalysator geen CO, geen HC en geen O2 meer over. De viergasmeter zal in de perfecte situatie de volgende waarden weergeven:
CO2: 15,3%
CO: 0%
O2: 0%
HC: 0 ppm
Lambda: 1
In sommige gevallen kan de viergasmeter de juiste waarden tonen, zelfs wanneer foutcode P0171 is opgeslagen. Dit kan worden verklaard door de fuel trims. Wanneer deze sterk positief zijn (+20%), kan het motormanagement bij stationair toerental mogelijk nog Lambda 1 bereiken. Door de meting te herhalen bij een verhoogd toerental (ongeveer 2.500 min-1), wordt dan zichtbaar hoe het mengsel zich onder belasting gedraagt.
Praktijktips voor diagnose
Een motormanagementsysteem past het mengsel kortstondig (LTFT) aan op basis van de gegevens van de lambdasonde. Dit gebeurt zodat de katalysator goed kan werken. Wanneer de langdurige mengselaanpassing (LTFT) te sterk afwijkt van het normale (>10%) dan gaat er iets fout. Voer bij controle van de mengselregeling altijd een viergasmeting uit. Doe dit zowel stationair als met een verhoogd toerental. Bekijk daarbij, onder OBD, zowel de meetwaarden van de lambdasonde als de fueltrims. Op deze manier kun je beoordelen wat het motormanagement 'ziet’ en hoe het daarop reageert. Dit geeft inzicht bij het oplossen van de storing. De ‘chef-kok’ kan namelijk wel aangeven of het mengsel te rijk of te arm is, maar niet zelf vaststellen wat er precies fout is gegaan. De technicus denkt mee, analyseert en voert aanpassingen uit, zodat de ‘chef-kok’ verder kan met ‘koken’.
Auteur: Glenn Bronckers
Senior Technisch Trainer AutoNiveau
Deel deze pagina met je netwerk!