Uitleg koppel en vermogen

Om maar gelijk met de deur in huis te vallen, het hele verhaal draait om lucht. Om niets dus eigenlijk. Waar het bij een benzinemotor om draait is de hoeveelheid lucht die er onder bepaalde omstandigheden aan kan worden gezogen. Nu heeft lucht ook een vervelende eigenschap. Geloof het of niet maar lucht is zwaar. Er is dus moeite voor nodig om dit in beweging te krijgen. Je kunt je dit het beste voorstellen wanneer je door een klein gaatje een ruimte moet vullen met lucht en vervolgens weer leeg moet pompen. Denk aan een fietspomp. Hoe sneller dit moet gebeuren hoe meer de lucht gaat tegenwerken. Nu is deze fietspomp niet eens voorzien van een mechanisme welke de doorstroming belemmert (bij een motor de kleppen). Omdat het moeite kost de lucht via de inlaatkleppen aan te zuigen en de inlaatkleppen niet de hele tijd openstaan kan de cilinder niet onder alle omstandigheden volledig gevuld worden. Deze vulling, die men de vullingsgraad noemt, hangt af van het toerental. Kortom over het verloop van het toerenbereik varieert de vullingsgraad.

Als voorbeeld nemen we de 4 takt motor

We spreken over een 4 takt motor omdat het verbrandingsproces in 4 stappen plaatsvindt.

• Het openen en sluiten van de inlaatkleppen die worden bediend door de nokkenas, het aanzuigen van de lucht. Tijdens het openstaan van de inlaatkleppen wordt er brandstof ingespoten. Let op dit gebeurt in de aanzuigbuizen en niet direct in de cilinder. Bij betrekkelijk eenvoudige injectiesystemen gebeurd dit simultaan. Bij geavanceerdere systemen sequentieel.

• Wanneer er zich eenmaal lucht en brandstof in de cilinder bevindt dan moet dit zo goed mogelijk vermengd worden. Tegelijkertijd wordt het mengsel gecomprimeerd.

• Vervolgens is het een kwestie om het mengsel op het goede moment te ontsteken en er een explosie plaatsvindt die de zuiger naar beneden (of opzij, bij een boxer) doet bewegen, die op zijn beurt de krukas doet bewegen waardoor er een ronddraaiende beweging plaats vindt.

• Tenslotte komt de zuiger weer omhoog. De uitlaatkleppen gaan open en het verbrande mengsel wordt weer naar buiten gedrukt. Tegelijkertijd gaan de inlaatkleppen al weer open om een vers mengsel binnen te laten. De tijd dat de uitlaat- en inlaat kleppen open staan noemt men de klepoverlap.

Met bovenstaande in het achterhoofd gaan we naar het volgende

Zoals reeds vermeld zorgt een juiste ontsteking en een hoeveelheid brandstof er voor dat de motor kan draaien. Vroeger keek men niet zo nauw met die hoeveelheid brandstof. Later is men er achter gekomen dat er een ideale verhouding bestaat tussen de hoeveelheid brandstof en de hoeveelheid lucht om tot een zo goed en een zo schoon mogelijke verbranding te komen. Dit noemt men het stoichiometrisch mengsel; 14.7 kilogram lucht op 1 kilogram benzine. Dit is echter niet de verhouding waarbij de krachtigste verbranding kan plaatsvinden, er is iets meer brandstof nodig. Maar dit terzijde, het gaat hier om het principe. Het is dus belangrijk te weten hoeveel lucht er zich in de cilinder bevindt wanneer er brandstof bij moet. Vroeger in de tijd van de carburateurs waren de ingenieurs die de carburateur ontwierpen ware kunstenaars. Met behulp van diverse soorten en maten sproeiers wisten ze onder de meeste omstandigheden voldoende brandstof toe te voegen. Dit werkte vanuit het onderdruk principe die de brandstof als het ware mee zoog de cilinder in. Deze onderdruk werd gegenereerd door de venturi van de carburateur. Later bedacht men mechanische injectie en tegenwoordig gaat het met elektromagnetische injectoren, welke elektronisch worden aangestuurd, een stuk eenvoudiger. Kortom er zijn allerlei methoden bedacht om brandstof te doseren.

Wanneer er uiteindelijk voldoende brandstof in verhouding tot de lucht in de cilinder is aangezogen gaat de inlaatklep dicht. De zuiger komt omhoog en comprimeert zo het mengsel. Nu is het de kunst om op het juiste moment het mengsel te ontsteken, zodat de kracht van de explosie de zuiger een zo goed mogelijke beweging terug kan geven. Je kunt je voorstellen dat dit moment afhankelijk is van de hoeveelheid mengsel en de snelheid van de zuiger. In het verleden heeft men hier constructies voor bedacht welke gebruik maakten van het toerental (centrifugaal vervroeging) van de motor en de onderdruk in het inlaatsysteem. Dit wordt eigenlijk in grote lijnen nog steeds gedaan. Echter wederom elektronisch.

En nu komt het. Een hoeveelheid lucht samen met een hoeveelheid brandstof welke wordt ontstoken zorgt voor een hoeveelheid energie. Slechts een percentage van deze energie wordt omgezet in een beweging van de zuiger/drijfstang/krukas, de rest van de energie wordt omgezet in warmte en wrijving. De energie die uiteindelijk nuttig voor de beweging overblijft noemt men het rendement. Dit rendement blijkt voor alle benzinemotoren vrijwel gelijk te zijn. We zagen net al dat de vullingsgraad over het toerental varieert. Dus de maximaal vrij te komen energie varieert over het toerental gebied. Dus de kracht van de explosie, dus de kracht op de zuiger varieert over het toerengebied.

De kracht die vrijkomt bij de verbranding en omgezet wordt via de zuiger/drijfstang in een beweging van de krukas noemt men het koppel (denk aan kracht maal arm). En zie hier, het ontstaan van de koppelkromme. Kortom, de koppelkromme geeft niets anders aan dan het verloop van de vullingsgraad. Echter dit koppel wordt slechts 1 maal per twee omwentelingen (4-takt) per cilinder geleverd. Hoe vaker je per tijdseenheid (bijvoorbeeld per minuut) over dit koppel kan beschikken hoe krachtiger de motor. Dus hoe hoger de toeren hoe vaker het koppel per tijdseenheid. We noemen dit het vermogen van de motor; koppel per tijdseenheid. Kortom als je de vullingsgraad van de motor vermenigvuldigt met het toerental dan krijg je “het vermogen”.

Als we ervan uitgaan dat alle motorfabrikanten de sturing van de hoeveelheid brandstof en timing van de ontsteking volledig onder controle hebben dan is de enige variabele in dit verhaal nog de nokkenas. Denk aan het verhaal van de fietspomp. Maar dan met kleppen die periodiek openen en sluiten. In het profiel van de nokkenas zit het karakter van de motor verborgen. Met het profiel wordt bedoeld het moment waarop de inlaat- en uitlaatkleppen open gaan en hoe ver ze open gaan. De nokkenas bepaald voor het grootste deel de hoeveelheid lucht die onder bepaalde omstandigheden in de motor wordt toegelaten. Met het feit in het achterhoofd dat het moeite kost om lucht in beweging te krijgen, kan men zich voorstellen dat er in een motor een bepaalde cadans kan ontstaan tussen de beweging van de lucht en het openen en sluiten van de kleppen. Er bestaat hierin een optimaal toerental. Het toerental waarbij de vulling van de cilinder maximaal is, is het toerental waarbij het grootste koppel wordt bereikt. Een maximale hoeveelheid lucht betekent een maximale hoeveelheid brandstof en dus maximale energie uit de verbranding.

Het koppel (vulling van de cilinders) heeft zoals gezegd een bepaald verloop afhankelijk van het toerental. Het vermogen komt voort uit de vermenigvuldiging van het koppel en het toerental. Op een gegeven moment wordt de vulling (koppel) van de cilinders slechter, maar omdat het toerental toeneemt blijft de vermenigvuldiging oplopen. De waarde waarbij deze het hoogst is is het maximum vermogen bij een bepaald toerental. De beste motoren zijn die waarbij het maximum koppel bij een relatief hoog toerental ligt. Neem de 3 liter 24 klepper;280 Nm bij 5000 omw/min en 230 pk bij 6300 omw/min.

De kunst van een motorbouwer zit dus in het feit om zoveel mogelijk lucht over het hele toerengebied in de motor te krijgen. Een van de beste methodes om dat te bereiken is het monteren van een turbo. Wanneer er voldoende uitlaatgassen zijn wordt een turbine wiel aangedreven, die op zijn beurt via een vaste as het compressorwiel aandrijft. Deze is zo geconstrueerd dat deze lucht kan verpompen. Kortom de lucht wordt onder druk in de motor gepompt. Normale productie auto’s halen een druk van maximaal 2.5 bar (= 1.5 bar overdruk). Er is dan een vermogen haalbaar van 150 pk per liter motorinhoud bij zo’n 6500 toeren. Dit is natuurlijk sterk afhankelijk van de grote van de turbo. Kleinere turbo’s komen sneller op gang maar kunnen minder lucht verpompen. Er zijn daarom ook autofabrikanten die twee turbo’s op hun motoren zetten. De Toyota Supra heeft een kleine en een grote turbo die elkaar dus als het ware aflossen of aanvullen. De bekende BMW 1.5 liter formule 1 turbomotor haalde een druk van 6.4 bar en daarmee 1200 (!) pk bij zo’n 9000 toeren. Kortom, mogelijkheden genoeg.

Een ander vorm van drukvulling is de compressor; een mechanisch aangedreven luchtpomp. Deze techniek is al bijna zo oud als de benzine auto zelf. Vroeger werd deze veelvuldig toegepast op onder andere de Alfa Romeo Tipo 159 uit 1951. 400 pk uit een 8 cilinder 1.5 liter was toen al niet abnormaal. Vandaag de dag komen we de compressor tegen op een Mercedes, een Lexus, Jaguar en meerdere andere automerken. Een compressor heeft de eigenschap om al vanaf lage toeren druk te leveren. Echter op hoge toeren is de opbrengst te gering om echt vermogen te leveren. Om dat dan weer op te vangen kun je een mix monteren van een compressor en een turbo. Een voorbeeld hiervan is de VW Tiguan 1.4. Hierbij werkt de compressor tot 3500 rpm, waarna alleen de turbo in actie komt. Er is uiteraard een overgangsfase waar de bijdrage van de compressor afneemt en de bijdrage van de turbo toeneemt. Bij 3500 rpm wordt de compressor middels een magnetische koppeling uitgeschakeld.

Maar weer even terug naar de normale zelfaanzuigende motoren. Natuurlijk is de werkelijkheid niet zo simpel als nu wordt voorgesteld. De vorm van het inlaatspruitstuk, de lengte van inlaatkanalen, de diameter van inlaatkanalen, vorm van uitlaat, de compressieverhouding, vorm van zuigerbodems, klepdiameter, lifthoogte enz enz. hebben allemaal invloed op de vulling van de cilinder. Maar hier lijkt toch verandering in te gaan komen. Binnen enkele jaren komen er motoren op de markt waarbij de kleptiming en lichthoogte onder alle bedrijfsomstandigheden te sturen zijn. Wat men hiermee maximaal kan bereiken is een optimale vulling over het hele toerenbereik. Oftewel een maximaal koppel over het hele toerengebied. Echter zijn gedachten met betrekking tot emissies een belangrijke reden geweest om deze motoren te gaan ontwikkelen. Maar in ieder geval wordt de vrijheid gegeven om iedere motor een ander karakter te geven, waardoor er in de toekomst toch nog kan worden gesproken van een eigen karakter. Echter een karakter welke via elektronische weg bepaald wordt. Een paradijs voor chiptuners.

Onderwerp gerelateerde artikelen

JTD Turbo's: De turbocompressor is al jarenlang gemeengoed op een dieselmotor. Goed beschouwd is het de enige mogelijkheid om een dieselmotor voldoende prestaties mee te geven. De reden hiervoor is dat een dieselmotor een relatief langzaam draaiende motor is. Dit heeft alles te maken met het feit dat het verbrandingsproces van een diesel veel langzamer Lees hier meer over JTD Turbo's.

Verbranding motor: De automotoren van tegenwoordig lopen op benzine, elektriciteit, diesel of gas (LPG). De meest gebruikte brandstof op dit moment is benzine, maar er worden steeds meer auto’s met een dieselmotor verkocht. In andere landen, zoals Frankrijk en Italië is het marktaandeel diesels vele malen groter dan in Nederland. Daar heeft 80% van alle verkochte Lees hier meer over verbranding motor.

Zuiger zuigerveren en/of cilinder vervangen: Het komt tegenwoordig veel minder voor dat zuigerveren zuigers of zelf cilinders van het motorblok vervangen moeten worden, dit natuurlijk omdat de motoren veel sterker zijn geworden en dan ook veel minder aan slijtage onderhevig zijn. Toch komt het nog steeds voor dat er zuigers zuigerveren of zelf cilinders vervangen moeten Lees hier meer over zuigerveren en cilinders.

Auto op waterstof: Maar hoe werkt dat rijden op waterstof precies? in de auto zit een brandstofcel. Die kun je wel een beetje vergelijken met een elektriciteitscentrale. Brandstofcellen zetten waterstof en zuurstof uit de lucht om in water. Dat proces levert elektrische stroom. En met die elektriciteit wordt deze elektromotor aangedreven. Een brandstofcel levert Lees hier meer over auto en waterstof.

Werking dieselmotor: In dieselmotoren, die ook wel compressie ontsteking motoren worden genoemd, ontbrand de brandstof niet door een bougie maar gaat dat automatisch. Dit gebeurd omdat de lucht die is samengedrukt door de zuiger heel heet wordt en zo de diesel vanzelf laat ontbranden. Bij het opstarten van de dieselmotor is de lucht natuurlijk Lees hier meer over Werking dieselmotor..

Auto's hoe worden ze gemaakt: De onderkant van een auto bestaat uit losse delen. De voorkant bestaat uit de ophanging voor de radiator, twee zijbalken, en vooraan twee beugels waar de bumper in komt. De voorkant wordt op de geautomatiseerde lopende band gezet. Dat is dat. Intussen lassen robots het zogenaamde 'ladderchassis' in elkaar. Op dit chassis rusten Lees hier meer over hoe een auto gemaakt wordt.

Elektrische auto: De autowereld is al langer op zoek naar aandrijf bronnen die geen of nauwelijks vervuiling uitstoten. Elektrische auto's lijken goede kansen te hebben. Deze types kampen echter technisch gezien met een niet onaanzienlijk probleem: de actieradius is klein en het prestatieniveau laag. Bovendien moet een dergelijke auto altijd een keer 'aan de stekker', waar Lees hier meer over de elektrische auto.