Motor- en voertuigprestatie (3) E. Gernaat, ISBN 978-90-79302-01-7 1 Brandstofverbruik 1.1 Specifiek brandstofverbruik Meestal wordt het brandstofverbruik uitgedrukt in het aantal gereden kilometers per liter bijv. 14 op 1. In rij-impressies wordt het verbruik vaak opgegeven in liters per 100 km. In deze cijfers worden de rijomstandigheden meegenomen. Voor de technicus is het echter interessant om te weten hoeveel brandstof het kost om een bepaald vermogen gedurende een zekere tijd te leveren. Dit wordt uitgedrukt in kilogram brandstof per uur (B). Bekijken we het per kw dan spreken we over het specifiek brandstofverbruik (be) uitgedrukt in g/kwh. Soms wordt ook het specifieke brandstofverbruik meegenomen in het koppelvermogensdiagram. We zien dan dat het specifiek brandstofverbruik onder vollast condities het laagste is wanneer het motorkoppel net over zijn maximum is (fig.1). Figuur 1: Het specifiek brandstofverbruik is het laagst wanneer het koppel net over zijn maximum is. 1
2 Motorrendement Bij het laagste specifieke brandstofverbruik krijgen we de meeste waar voor ons geld zodat het rendement van de motor daar het hoogste is. We kunnen dit uitrekenen door gebruik te maken van de algemene rendementsformule: rendement (η) = afgegeven vermogen / toegevoerd vermogen Het vermogen wordt uitgedrukt in Watt of Joule/s. Het toegevoerde vermogen is de warmteinhoud van de brandstof. Dit is gelijk aan het specifieke verbruik (be) x het geleverde vermogen (P) x de specifieke verbrandingswarmte (H). De verbrandingswarmte vraagt om enige toelichting: Bij het verbranden van koolwaterstoffen ontstaat kooldioxide (C0 2 ) en water (H 2 0). Het water komt in dampvorm uit de uitlaatpijp. Wanneer we waterdamp laten condenseren komt de condensatiewarmte vrij. In sommige gevallen, bijv. bij condenserende verwarmingsketels, wordt deze warmte weer effectief gebruikt. Om aan te geven of de condensatiewarmte al dan niet gebruikt wordt maakt men bij de verbranding van koolwaterstoffen gebruik van de onderste en bovenste verbrandingswaarde. Let wel: De temperatuur van het uitlaatgas aan het einde van de uitlaatpijp moet zich boven het zgn. dauwpunt (de temperatuur waarbij het water condenseert) bevinden. In de motorvoertuigentechniek houdt men altijd de onderste verbrandingswaarde aan. Voor normale benzine wordt de onderste verbrandingswaarde op 42,7 MJ per kg aangehouden en voor dieselbrandstof 42,5 Mj per kg (zie tabel fig 2). We kunnen nu de het rendement uitrekenen. We doen Figuur 2: Eigenschappen van de verschillende brandstoffen dit als voorbeeld aan de hand van het prestatiediagram van fig. 3. We nemen de 85 kw motor. Het laagste brandstofverbruik onder vollast conditie wordt hier verkregen bij een motortoerental van ongeveer 2000 t/min en bedraagt 200 g/kwh. Het geleverde vermogen bedraagt volgens de grafiek 60 kw bij 2000 t/min. zodat het afgegeven vermogen gelijk is aan 60.000 J/s. Het toegevoerde vermogen was de warmte-inhoud van de toegevoerde brandstof. Het minimale verbruik bedraagt 200 gram per kw per uur. Omgerekend naar het verbruik in grammen per seconde wordt dat: (200 g/kwh x 60 kw) / 3600 = 3,3 g/s of 0,0033 kg/s 2
Figuur 3: Het prestatie- verbruiksdiagram van twee TDI-motoren 3
0,0033 kg brandstof per seconde geeft bij verbranding: 0,0033 kg x 42,5 MJ/kg x 1000.000 = 140250 Joule aan warmte af. Het rendement wordt derhalve: 60.000 j/s / 140250 j/s = 0,42 of 42 % Het rendement hangt direct af van de compressieverhouding van de motor. Om die reden ligt het rendement van Dieselmotoren aanmerkelijk hoger dan bij benzinemotoren. Het uitgerekende rendement van over de 40 % is tamelijk hoog. Een benzinemotor komt vaak niet hoger dan 25 %. Bij turbo- Dieselmotoren kan het rendement zelfs zo hoog zijn dat in de winter er te weinig warmte overblijft voor de interieurverwarming. Extra verwarming bijv. door koelwater-verwarmingselementen is dan nodig. 3 Ei-diagrammen Wanneer we het specifieke brandstofverbruik bestuderen bij verschillende belastingen van de motor (dus niet alleen bij vollast) dan ontstaat het zgn. ei diagram. De lijnen het ei verbinden de punten waarvan het specifieke brandstofverbruik gelijk is. Het opnemen van een ei diagram is een tijdrovende en nauwkeurige meting. De meting vindt plaats door te testen op een rollenbank met constant motortoerental en variabele belasting, terwijl het verbruik wordt gemeten. De belasting wordt ingesteld door het gaspedaal stapsgewijs verder in te trappen en wel zodanig dat de motor bij elke stap bijv. 5 kw meer levert. Wanneer de plankgas-situatie is bereikt kan de test worden herhaald bij een ander toerental. Dit gaat net zolang door totdat het gehele toerengebied is doorlopen. Fig. 4 geeft het specifieke brandstofverbruik weer in de vorm van een ei diagram onder de meest uiteenlopende condities. De gemiddelde effec- Figuur 4: Een ei-diagram geeft het specifieke brandstofverbruik weer onder diverse motor- belastingen. 4
tieve druk is een maat voor het motorkoppel terwijl horizontaal het toerental is uitgezet. Dit geeft de mogelijkheid om ook vermogenslijnen in de grafiek te schrijven. In zo n vermogenslijn is duidelijk te zien dat, om hetzelfde vermogen te houden bij een afnemend toerental, het koppel (de gem. verbrandingsdruk) groter moet worden en dat het brandstofverbruik daalt. Het minimale brandstof verbruik (231 g/kwh) in fig. 4 wordt verkregen bij een toerental van 3000 t/min. bij een geleverd vermogen van ongeveer 50 kw. Fig. 5 laat het verbruiksdiagram zien van de V8 4,2 TDI motor (Audi A8). Het opgegeven verbruik van deze auto was 9,5 l/100 km. Omdat hier het verbruik wordt weergegeven als functie van het koppel en toerental kunnen in de grafiek ook de vermogenslijnen worden getekend. Fig. 6 laat het ei-diagram zien van de Opel Vectra V6 Figuur 5: Het verbruiksdiagram van een 4,2 liter TDI motor van Audi benzinemotor. Nu wordt niet het koppel maar de gem. effectieve druk in de cilinder gegeven. Het minimale verbruik vindt plaats bij ongeveer 3000 t/min en 80 % belasting. De motor heeft een cilinderinhoud van 2,5 liter. 5
Figuur 6: Ei-diagram zien van de Opel Vectra V6 benzinemotor 4 CO 2 uitstoot en relatieve zuinigheid De CO 2 uitstoot van een auto is direct gekoppeld aan het brandstofverbruik. Bij de berekening van de zuinigheidscategorie wordt uitgegaan van de CO 2 uitstoot omdat deze bij een type-goedkeuring met een hogere nauwkeurigheid wordt opgegeven. 1 liter benzine produceert gemiddeld 2,39 kg CO 2 en 1 liter Diesel gemiddeld 2,67 kg. Onder relatieve zuinigheid wordt de CO 2 uitstoot verstaan ten opzichte van een referentiewaarde van de betreffende auto. De referentiewaarde is een door de overheid gehanteerde rekengrootheid. De methode wordt gebruikt omdat het voor de automobilist eenvoudiger wordt om auto s met elkaar te vergelijken. Hier volgen enige verbruiksgegevens: Merk type cil. inhoud brandstof minimaal verbruik CO2 Renault Megane 1,6 1,6 liter benzine 5,9 l /100km 166 g/km VW polo Blue Motion 1,4 liter Diesel 3,7 l/ 100 km 102 g/km Lexus LS 430 4,3 liter Benzine 8,2 l/100 km 270 g/km Kia Picanto 1,1 liter Benzine 5,2 l/100 km 125 g/km Ferrari 612 5,8 liter benzine 11,8 l/100 km 475 g/km 6
5 Vragen en opgaven Zie boek 7