Motor- en voertuigprestatie (1)

Transcriptie

1 Motor- en voertuigprestatie (1) E. Gernaat, ISBN Motorkoppel en vermogen Inzicht in het verloop van het motorkoppel en motorvermogen is nodig om: de informatie die verschijnt in de autotechnische tijdschriften te kunnen begrijpen; te kunnen omgaan met vermogensbanken (rollenbanken); de gegevens van de moderne diagnosetesters juist te kunnen interpreteren. 2 Motorkoppel Het motorkoppel kan worden beschouwd als de kracht waarmee de motor ronddraait. De kracht F op de zuigerpen, veroorzaakt door de verbrandingsdruk p, wordt uiteindelijk uitgeoefend op de krukstraal r waardoor een koppel M = Ft x r ontstaat (fig. 1). Voor de begripsbepaling kunnen we onthouden dat de (verbrandings)kracht op de zuiger vermenigvuldigt met de krukstraal een koppel veroorzaakt dat bekend staat onder het motorkoppel. In werkelijkheid ligt het allemaal ingewikkelder omdat de druk op de zuiger gedurende het vierslagproces sterk variëert en dat de hoek van de krachtoverbrenging op de kruktap steeds verandert. We dienen dan met gemiddelde waarden te werken. De verbrandingsdruk p op de zuiger is een gemiddelde waarde en wordt uit het indicateurdiagram of pv-diagram gehaald (fig. 2). We kunnen dit doen door grafisch de gemiddelde hoogte te bepalen tussen de compressie- en arbeidslijn. Door de wisselende verbrandingsdruk en het kruk-drijfstangmechanisme zal ook de tangentiaalkracht geen constante grootheid zijn. We werken dan ook met de gemiddelde tangentiaalkracht. Deze kan grafisch met behulp van fig. 3 worden bepaald. Het motorkoppel hangt uitsluitend af van de kracht op de zuiger omdat de andere grootheden zoals de zuigerdiameter en de krukstraal vaste motorgegevens zijn. De kracht op de zuiger wordt veroorzaakt door de verbrandingsdruk en deze hangt weer af van de vullingsgraad van de motor (bij stoïchiometrische mengverhouding). Het is in hoofdzaak de smoring in 1

2 Figuur 1: De verbrandingsdruk p op de zuiger geeft via de zuigerpen een kracht op de drijfstang. De kracht op de drijfstang geeft op zijn beurt een kracht op de kruktap, de zgn. tangentiaalkracht (Ft). Het koppel Ft x r wat daar een gevolg van is wordt uitgedrukt in Nm. Figuur 2: Het indicateurdiagram van een vierslagmotor. Uit dit diagram kan de gemiddelde druk op de zuiger worden bepaald. 2

3 Figuur 3: De tangentiaal kracht is in werkelijkheid een kracht die voortdurend van grootte en richting verandert. We werken dan ook met de gemiddelde tangentiaalkracht Ft. het inlaatspruitstuk die de vullingsgraad van de motor bepaalt. De grootste smoring wordt veroorzaakt door de stand van de gasklep zodat we kunnen stellen dat de gasklepstand de grootste invloed heeft op het motorkoppel. En dat is ook zo. We beïnvloeden immers de motorprestatie door de gasklepstand te veranderen. Wanneer we echter het motorkoppel op een proefstand willen meten dan zijn we in de meeste gevallen geïnteresseerd in het maximum motorkoppel. De meeste testen worden dan ook uitgevoerd met de gasklep volledig open. Voor het verkrijgen van een motorkoppel is theoretisch geen toerental nodig. Immers een verbranding op de zuiger bij geblokkeerde motor geeft wel degelijk een motorkoppel. Dat het koppel bij een verbrandingsmotor niet denkbaar is zonder motortoerental wordt veroorzaakt door het feit dat voor het aanzuigen, comprimeren etc. krukasrotatie nodig is. Wanneer we onze redenering volgen dan zal -bij volledig geopende gasklepbij alle toerentallen het motorkoppel gelijk blijven. In theorie is dit ook zo. Alleen zal ten gevolge van de veranderende gassnelheden en de vaste klepopeningshoeken de vullingsgraad -ondanks het feit dat de gasklep geheel geopend is- niet gelijk blijven. Slechts in één klein toerengebied zal de vullingsgraad optimaal zijn. Hiervoor en hierna zal het motorkoppel lager zijn. Fig. 4 geeft het koppel aan bij verschillende toerentallen bij geheel geopende gasklep. We zien dat -in dit voorbeeld -bij zo n 2000 t/min. (ongeveer 30 Hz) het motorkoppel het grootst is. Dit is dan ook het toerental waarbij de het voertuig zijn grootste trekkracht ontwikkeld. Wanneer we het motorkoppel zouden gaan meten bij verschillende standen van het gaspedaal dan zouden we het verloop als fig. 5 kunnen voorstellen. Deze metingen worden echter zelden uitgevoerd. Het koppel is direct verantwoordelijk voor de trekkracht van de auto. Het motorkoppel wordt dan vermenigvuldigd met de overbrengverhouding i van versnellingsbak en eindreductie en gedeeld door de belaste straal (rb) van de 3

4 Figuur 4: Het motorkoppel gemeten bij volledig ingetrapt gaspedaal bij verschillende motortoerentallen. Het betreft hier een geïdealiseerde grafiek. Figuur 5: Het koppelverloop bij diverse toerentallen bij verschillende standen van de gasklep. 4

5 aangedreven wielen. Voorbeeld: max. motorkoppel 100 Nm bij 3000 t/min. 1e versnelling: i = 4 eindreductie: i = 3 rb= 0,3 m Gevraagd: a) trekkracht aan de aangedreven wielen b) rijsnelheid van de auto Oplossing: a) F trekkracht = (100 Nm x 4 x 3) / 0,3 m = 4000 N b) Toerental wielen = 3000 t/min / (3 x 4) = 250 t/min = 4,17 omw/s 1 omw. wiel = 2 x π x 0,3 m = 1,88 m voertuigsnelheid = 4,17 omw/s x 1,88 m = 7,84 m/s = 28,2 km/h Het motorkoppel van een motor wordt gemeten door de motor bij verschillende toerentallen af te remmen. Dit houdt in dat we de motor bij volledig geopende gasklep laten draaien op bijv. 1500, 2000, 2500, 3000 etc. tot 6000 t/min. Door de motor af te remmen wordt het gekozen toerental constant gehouden. De afremkracht van de motor vermenigvuldigt met de arm waarop de kracht werkt is dan het motorkoppel. Het afremmen van de motor geschiedt op een proefstand waarvan het afremmen op verschillende manieren kan gebeuren. Vaak wordt gebruik gemaakt van een lucht- of watergekoelde wervelstroomrem (elektromagneten wekken in een metalen schijf wervelstromen op) waarbij de afremkracht bepaald wordt door de verbuiging van torsie-element te meten. Fig. 6 geeft de opstelling van een motor op een proefstand weer. Koppel en vermogen worden via de Personal Computer weergegeven. In de tabel van fig. 7 zijn 12 verschillende automotoren met vier kleppen per cilinder opgenomen die met elkaar te vergelijkbaar zijn maar verschillende eigenschappen vertonen. Let bijv. op het toerenverschil waarbij het maximum koppel optreedt bij de Mitsubishi en de Rover. Mitsubishi: 175 Nm bij 5500 t/min. Rover: 184 Nm bij 2500 t/min. We mogen- weliswaar met enige voorzichtigheid- stellen dat een toer wagen het maximale koppel legt bij een relatief laag toerental en een sport wagen het maximale koppel op een hoger toerental. Dit verschil in motorkarakter werd tot voor kort voornamelijk verkregen door de kleptiming (het openen en sluiten van de kleppen) te wijzigen. Tegenwoordig spelen meer zaken als variabele kleptiming, drukvulling en variabele spruitstuklengte een rol. 5

6 Figuur 6: Opstelling van een losse motor op een testbed (Dynamometer (TTE). Figuur 7: Vergelijkbare motoren van verschillende merken met elkaar vergeleken. 6

7 Het maximale koppel zegt niet alles. Een snelle stijging van het koppel tussen 2000 en 5000 t/min is bijv. beter dan een hoge maximale waarde. Alleen een koppelkromme laat deze verschillen zien. Een vlakker verloop van de koppelkromme wordt verkregen door variabele kleptijden en variabele lengte / doorsnede van het inlaatspruitstuk. Deze gegevens kunnen we echter niet uit de tabel halen. Hetzelfde geldt voor het maximale vermogen. Om vermogen en koppel te kunnen beoordelen hebben we meer nodig dan alleen een paar getallen. Deze informatie wordt gegeven door middel van een koppel- en vermogensgrafiek. Bij de oudere tweeklep-motoren neemt het motorkoppel langzaam toe. Bij moderne motoren neemt het motorkoppel snel toe, vlakt dan af maar neemt door de inlaatspruitstukregelingen nog steeds toe tot zo n 5000 t/min. Het koppelverloop beïnvloedt niet alleen het rijgedrag van de auto maar ook het verbruik en de uitlaatgasemissie. De technische ontwikkelingen bewegen zich in de richting van: meerkleppen motoren; variabele kleptiming; variabele inlaatspruitstuklengte / doorsnede; in- en uitschakelbare cilinders; turbo(compressor)motoren; 3 Motorvermogen Veel bekender dan het motorkoppel is het motorvermogen. Motorvermogen is het motorkoppel vermenigvuldigt met het motortoerental. Het vermogen is eigenlijk hoeveel maal het koppel per seconde kan worden geleverd. De eenheid is dan ook de Nm/s of Watt. De officiële formule luidt: P = M x ω (Voor M wordt ook wel T gebruikt) waarin P het vermogen is in Nm/s of Watt waarin M (T) het koppel is in Nm en ω (omega) de hoeksnelheid is. Nu is de hoeksnelheid (ω) gelijk aan: 2 x π x n waarin n gelijk is aan het aantal omw/s. De vermogensformule gaat dan over in: P = M x 2π x n Voorbeeld. Gegeven: Koppel motor 80 Nm Toerental waarbij dit koppel wordt bereikt: 30 omw/sec. (1800 t/min.) Gevraagd: Het motorvermogen bij het gegeven toerental. Oplossing: Het geleverde vermogen bij 1800 t/min. bedraagt: P = 80 Nm x 2 x 3,14 x 30 Hz = Watt of 15 kw. 7

8 Het vermogensverloop wordt weergegeven door middel van een vermogenskromme. Aangezien het vermogen een afgeleide is van het koppel is het logisch dat beide grafieken samen worden weergegeven. Fig. 8 toont een tweetal koppel- vermogensgrafieken. Figuur 8: De koppel en vermogensgrafiek van de Mercedes SL500 (links) en de VW New Beetle 1.8 Turbo (rechts) (MOT) 4 Vermogensmeting Het meten van het vermogen is een indirecte meting. Bij het testen van losse motoren zijn het toerental en het koppel de gemeten grootheden. De bepaling van het vermogen vindt dan plaats door middel van berekening. De motor wordt hiervoor op een testbed geplaatst en aangesloten op een afremmechanisme. Na het bepalen van het koppel wordt het vermogen uitgerekend. Bij het gebruik van een teststraat wordt de auto geplaatst op metalen rollen die door de wielen kunnen worden aangedreven. De metalen rollen kunnen door het afremmechanismne van de bank worden afgeremd. Meestal gaat het om wervelstroomremmen (fig. 9). De trekkracht aan de aangedreven wielen wordt via de rollen gemeten alsmede de wagensnelheid en het motortoerental. Dit gebeurt meestal in de hoogste of één na hoogste versnelling met volledig 8

9 Figuur 9: Een auto geplaatst op een rollenbank volgens het wervelstroomprincipe (foto Maha). ingetrapt gaspedaal. Met de gegevens kan de computer van de vermogensbank het motorkoppel bepalen alsmede het motorvermogen. Bij deze vorm van vermogensmeting hebben we te maken met vermogensverlies in de aandrijflijn. Deze verliezen moeten niet worden onderschat. Een verlies van 30 % is voor tweewiel- aangedreven voertuigen niet ongebruikelijk. Vermogensbanken compenseren dit verlies door te meten hoeveel vermogen het kost om de vermogensbank het voertuig te laten aandrijven (uitrollen met ingetrapte koppeling). We geven een voorbeeld vraagstuk. De rollenbank meet: motortoerental 100 omw/sec. (6000 t/min.) maximale snelheid auto = 50 m/s (180 km/h) Ft = 1200 N (trekkracht aangedreven wielen) De computer van de rollenbank rekent het motorkoppel uit m.b.v. de volgende formules: snelheid (v) auto = (n motor x 2π x rb) / it trekkracht (Ft) = (motorkoppel x it) / rb it = totale overbrengverhouding rb = belaste wielstraal Wanneer we de gegevens invullen kunnen we uitrekenen dat het motor- 9

10 koppel ongeveer 100 Nm bedraagt. Fig. 10 laat het verloop van het vermogen en koppel zien zoals door een Maha vermogens-testbank is opgenomen. Het koppel wordt weergegeven door de bovenste lijn. De onderste lijn geeft het aandrijfverlies weer. Deze verliezen worden opgeteld bij de eerste vermogensmeting zodat de bovenste vermogenslijn ontstaat. Deze laatste is dan het vermogen dat de motor levert. Testgegevens opgenomen met een Maha-vermogensbank. Norm vermogen: P-norm: 145,5 kw volgens DIN Figuur 10: Weergave van het koppel en vermogen opgenomen met de Maha-bank. De aandrijfverliezen worden gemeten door de auto te laten uitrollen. Motorvermogen: P mot: 137, 5 kw Vermogen aan de wielen: P wiel: 115,5 kw Vermogensverlies: P verlies: 22,0 kw Maximaal vermogen bij 126 km/h resp omw/min. Maximaal koppel bij 83 km/h resp t/min. maximale snelheid 130 km/h Maximaal toerental 5070 t/min. Luchtdruk 941 mbar; Luchttemperatuur 11 0 C Olietemperatuur 55 0 C Tot slot een meting van een Peugeot 406 (Testgegevens Maha) 10

11 11 Figuur 11: Testgegevens van een Peugeot 406 opgenomen met de Maha-bank

12 5 Vragen en opgaven Zie boek 12