Koppel en vermogen

De Theorie

Onderaan dit artikel een uitleg “koppel en vermogen voor dummies”

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 kan worden aangezogen. In de animatie hieronder is dat perfect te zien. We spreken hier van een 4-takt motor. Dit omdat het verbrandingsproces in 4 stappen plaatsvindt.

1) 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 gebeurt dit simultaan. Bij geavanceerdere systemen sequentieel.

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

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

4) 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 inlaatkleppen openstaan noemt men de klepoverlap.

LUCHT

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 die de doorstroming belemmert (zoals 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. Met dit 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 naar 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 stoichriometrisch 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 onderdrukprincipe die de brandstof als het ware mee de cilinder inzoog. Deze onderdruk werd gegenereerd door de venturi van de carburateur. Later bedacht men mechanische injectie en tegenwoordig gaat het met elektromagnetische injectoren, die 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 die 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 die 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 bruikbaar 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 toerentalgebied. Dus de kracht van de explosie, dus de kracht op de zuiger varieert over het toerengebied.

Koppel en vermogen

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”.

Het verloop van de vullingsgraad: koppelkromme
Vermenigvuldigt met het toerental: 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.

Stelling: Iedere verbrandingsmotor is gelijk. Daarmee wordt bedoeld dat alle motoren eigenlijk hetzelfde vermogen leveren wanneer je dit terug gaat rekenen per liter per 1000 toeren.

Een paar voorbeelden bewijzen dit:

145 1.4 16v: 1370 cc: 103 pk bij 6300 toeren/min =
75.18 pk//liter bij 6300 omw/min =
11.93 pk/liter per 1000 omw/min = 81 Nm/liter

164 3.0 24v: 2959 cc, 230 pk bij 6300 toeren/min =
76.67 pk/liter bij 6300 toeren/liter =
12.17 pk/liter per 1000 omw/min = 85 Nm/liter

156 2.0 16v, 1995 cc, 155 pk bij 6400 toeren/min =
77.69 pk/liter bij 6400 omw/min =
12.13 pk/liter per 1000 omw/min = 85 Nm/liter

Formule 1 Ferrari, 3 liter, 800 pk bij 18000 toeren/min =
266 pk/liter bij 18000 toeren/liter =
14.81 pk/liter per 1000 omw/min = 100 Nm/liter

De eerste verbrandingsmotor van Lenoir uit 1884, 1230 cc, 1.5 pk bij 100 toeren, =
1.22 pk/liter bij 100 toeren =
12.2 pk/liter bij 1000 omw/min = 86 Nm/liter

Het specifieke vermogen (pk/liter) is van de Ferrari Formule 1 motor waarschijnlijk hoger omdat deze met een koelwatertemperatuur van zo’n 130 graden rijdt en een zeer vrije luchtaanzuiging heeft. Dit betekent meer rendement uit de verbranding. Probeer dit niet thuis met uw eigen motor!

Men hoeft dus maar een paar getallen te onthouden om het maximum vermogen en koppel van een motor te bepalen. Vermogen: 12 pk per liter motorinhoud per 1000 toeren. Het koppel is gemiddeld zo’n 85 Nm per liter motorinhoud.

Voor de liefhebbers een natuurkundige formule voor het vermogen van een motor.
1 Kw = 1.36 pk
1 pk = 0.74 Kw

P = M x 2 x 3.14 x n

Waarin: P = motorvermogen in watt (= 0.001 kW)
M = motorkoppel in Nm
n = motortoerental in omw/seconde (!)
Zo zie je maar aan het laatste voorbeeld van de allereerste verbrandingsmotor dat er eigenlijk niks veranderd is in bijna 120 jaar autotechniek.

Ons merk heeft altijd (al 90 jaar) voorop gelopen in het bedenken van constructies om zo veel mogelijk lucht in de cilinders te krijgen. Sinds jaar en dag kent Alfa Romeo de nokkenasversteller op de inlaat nokkenas. Deze slaat eigenlijk twee vliegen in een klap. Stationair staat de versteller in de ruststand, men krijgt daardoor een rustig lopende motor. Zodra er een bepaalde belasting wordt gevraagd vanaf een bepaald toerental versteld de nokkenas 30 hoekgraden vooruit. De inlaatkleppen gaan dus eerder open wat zorgt voor een beter vulling bij hogere toeren. Daarnaast heeft Alfa Romeo op z’n laatste generatie Twin Spark motoren het zogenaamde variabele inlaatlengte systeem. Ook hier een soortgelijk principe als de nokkenasversteller. Bij lagere toeren een lang inlaatkanaal voor meer vulling. Vanaf een bepaalde belasting en toerental een verstelling waardoor de lengte van de inlaat kanalen korter worden. Betere vulling bij hogere toeren.

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 turbinewiel 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 turbo motor 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 en een Jaguar. 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. Op productie auto’s is dat dacht ik nooit gedaan. Op rally auto’s wel. De Lancia Delta HF Intergraal is hier het bekendste voorbeeld van. 600 pk uit een krappe 2 liter was dan haalbaar.

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. Ons eigen merk (Fiat Auto) is druk aan de ontwikkeling bezig van een motor met een nokkenas waarbij de klepstoters met behulp van oliedruk dikker en dunner gemaakt kunnen worden. 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 die via elektronische weg bepaald wordt. Een paradijs voor chiptuners……………


VOOR DE MENSEN DIE HET NIET HELEMAAL MEER KUNNEN VOLGEN.

Wat moet je je nou precies voorstellen bij koppel en vermogen? Iedereen heeft wel eens gefietst. En iedereen weet nog wat voor kracht men moest zetten op de trappers om te kunnen fietsen. En bijna iedereen heeft een fiets met versnellingen gehad. Wel, dat gevoel van kracht in de benen en de snelheid waarmee met trapt geeft een perfect beeld van wat koppel en vermogen nu precies is.

Stel men fietst lekker rustig in de hoogste versnelling. Plots wil men zo snel mogelijk versnellen. Het gemak waarmee dit gaat staat gelijk aan het hoeveelheid geleverde koppel. Wanneer men in staat is vlot te accelereren beschikt men over veel koppel in z’n benen. Wanneer dit niet lukt omdat men bijvoorbeeld een helling op moet fietsten schakelt men terug naar een lagere versnelling

Stel men fietst weer in de hoogste versnelling maar heel erg langzaam en gaat weer maximaal versnellen. In het begin gaat dat heel moeizaam. Men moet op de trappers gaan staan om te kunnen versnellen. Op een gegeven moment gaat het makkelijker en krijg je plots het gevoel dat je maximaal aan het versnellen bent. Dat moment, dat toerental kan men voorstellen als het toerental waarbij men het maximale koppel kan leveren. Wanneer men zo lekker aan het versnelt gaat de fiets steeds harder, harder en harder. Op een gegeven moment is er zo veel snelheid dat men niet meer in staat is nog harder te trappen. De luchtweerstand en de rolweerstand zijn gelijk aan de kracht die de benen kunnen leveren. Terugschakelen naar een lagere versnelling heeft geen zin want dan wordt de snelheid lager. Opschakelen naar een hogere versnelling geeft geen extra snelheid maar wel een lager traptoerental. Het traptoerental waarbij men de hoogste snelheid bereikt is het toerental waarbij maximaal vermogen wordt geleverd. Dit gevoel kan men dus vergelijken met het leveren van maximaal vermogen.

Nog een stapje verder. Benzine motoren halen het vermogen uit het ontstekingsmoment en de hoeveelheid ingespoten brandstof. De hoeveelheid brandstof kan men vergelijken met de hoeveelheid beschikbare energie of kracht in de benen. Het ontstekingsmoment kan men zich op de volgende manier voorstellen. Namelijk wanneer men op de fiets zit en bij zichzelf nagaat op welk moment van de omwenteling men kracht zet op de trappers. Wanneer men op het verkeerde moment kracht zet wordt men of onnodig moe (te vroeg kracht zetten) of de krachtsinspanning heeft geen zin (te laat kracht zetten). Zo zit dat met ontsteking ook. Bij dieselmotoren geldt dit principe ook. Maar dan met het inspuitmoment als moment van kracht zetten en de hoeveelheid ingespoten brandstof als hoeveelheid energie of kracht in de benen.

Het is veel simpeler dan men denkt….

Laatst gewijzigd: 2009