Hoe Werkt Het: Zuinige Motoren

Door Peter Aansorgh © copyright Peter Aansorgh Producties

Motorfabrikanten doen hun best om motoren zuiniger of sneller te maken. In veel gevallen komt dat op hetzelfde neer: meer energie nuttig gebruiken, minder energie verspillen. Maar hoe doen ze dat?

Een motor zet chemische energie van brandstof om in bewegingsenergie. Hoe efficiënter hij dit doet, hoe meer vermogen hij uit de brandstof haalt. En als je dan niet meer vermogen vraagt, betekent het dat hij minder brandstof nodig heeft. Bij die efficiency spelen twee zaken een rol: hoe efficiënt het verbrandingsproces verloopt en hoeveel energie er verloren gaat aan wrijving en aandrijving van de benodigde motorcomponenten.

Compressie

Hoe hoger de compressieverhouding, hoe hoger het rendement van het “thermodynamisch kringproces”. Je kunt een motor dus zuiniger maken door de compressieverhouding op te voeren. Maar als de compressie te hoog wordt, loop je het risico dat de brandstof spontaan ontbrandt, op het verkeerde moment. Dit “pingelen” kan een motor verwoesten. Hoge temperaturen versterken de pingelneiging. Oftewel, hoe beter je de temperatuur kunt beheersen, hoe hoger je de compressie kunt opvoeren. Dat is een van de redenen dat moderne, aluminium motorblokken vaak geen stalen cilinderbussen meer hebben. Met plasmatechniek is er een slijtvaste coating direct op het aluminium geplaatst. Dit geeft een betere warmtegeleiding en spaart bovendien gewicht, tot wel 2 kg bij een viercilindermotor.

Ook zijn de ouderwetse koppakkingen van isolerend vezelmateriaal tegenwoordig vervangen door koppakkingen van verenstaal, die de warmte van de cilinderkop veel beter naar het motorblok en de koelwatermantel geleiden. Honda gaat daar bij de SH125i nog een stap verder mee: daar is de “buitenkant” van de cilinder expres wat ruwer gegoten, zodat er een groter contactvlak met het koelwater is en de warmte nog beter wordt afgegeven. Al met al leiden deze maatregelen er toe dat de “top deck” temperatuur wel 40° lager kan liggen.

Variabele kleptiming

Als een motor efficiënt werkt, produceert hij veel trekkracht. Het is dan ook niet zo vreemd dat een motor bij vol gas het zuinigst is bij het toerental van het maximum koppel. Bij deellast verschuift dit optimum naar lagere toerentallen, maar daal je te ver in toeren dan stijgt het verbruik weer. Wil je een motor lekker veel vermogen meegeven, dan wil je het maximum koppel bij een hoog toerental hebben, maar voor “cruisen” kan het beter bij een laag toerental liggen. Nu is het toerental van het maximum koppel grotendeels afhankelijk van de kleptiming. En die kun je veranderen door de timing van de nokkenas te veranderen. Er wordt dan ook steeds vaker variabele kleptiming toegepast, waarbij er een verstelunit tussen de nokkenas en het nokkenastandwiel is aangebracht. Die kan de nokkenas “vroeger” of “later” zetten. De meeste verstelunits worden hydraulisch bediend, maar in de autotechniek zien we ook al elektrische verstelunits. Die hebben als voordeel dat minder energie vragen, sneller reageren en bovendien een groter stelbereik met meer variatiemogelijkheden bij verschillende belastingen bieden.

Wrijving

Wrijving kost energie en dus is ook de beperking van wrijvingsverliezen belangrijk voor het terugdringen van het verbruik. Wrijvingskracht is afhankelijk van twee factoren: de kracht waarmee twee voorwerpen tegen elkaar worden gedrukt en de “gladheid” van de materialen, oftewel de wrijvingscoëfficiënt. Door andere materialen te kiezen kun je dus wrijving verlagen. Zo zie je dat zuigerhemden vaak zijn voorzien van een speciale, wrijvingsverlagende coating. Daarnaast wordt er vaak minder viskeuze motorolie gebruikt, waarvan de moleculen minder hard langs elkaar “wrijven”. Maar er zijn ook speciale constructies. Zo worden de krukassen tegenwoordig vaak niet meer midden onder de cilinders gezet, maar ietwat opzij of “offset”. Bij de Yamaha YZF-R3 staat de krukas bijvoorbeeld 7 mm “offset”, bij Renault automotoren kan de offset zelfs 10 mm bedragen. De drijfstangen komen door de “offset” tijdens de verbrandingsslag minder schuin te staan. Daardoor oefenen ze minder zijdelingse kracht op de zuiger uit. Die wordt dus minder hard tegen de cilinderwand gedrukt, waardoor de wrijvingsverliezen sterk afnemen. Een vergelijkbare idee is de toepassing van een klepbediening met tuimelaars, die de nokkenas met een rol volgen. Dat geeft minder verlies dan een slepende tuimelaar of een nokkenas die over “buckets” sleept.

In plaats van het beperken van de wrijving kun je natuurlijk ook proberen het aantal wrijvende delen te beperken. Bijvoorbeeld door minder overbrengingen toe te passen. Dat kan door functies samen te voegen: een waterpomp op het einde van de nokkenas, een oliepomp op het uiteinde van de balansas, een dynamo die direct op de krukas is gemonteerd. Honda heeft dit bij de SH125 tot in het extreme doorgevoerd: daar zit niet alleen de dynamo, maar ook de koelventilator direct op de krukas. De koelcapaciteit van de radiator is dan weer met een factor 1,5 verhoogd, waardoor de ventilator verkleind kon en minder lucht hoeft te verpompen, wat weer energie spaart. In de autotechniek wordt op die manier naar de efficiëntie van pompen gekeken: er worden waterpompen en oliepompen met variabele opbrengst toegepast, die niet meer vloeistof verpompen dan strikt noodzakelijk.

Transmissies

Motoren zijn bij vollast vaak het zuinigst bij toerentallen net onder dat van het maximum koppel, bij lagere gasklepstanden verschuift dat optimum vaak naar lagere toerentallen. Dat betekent dat je een motor zuiniger kunt laten lopen als je beter kunt zorgen dat hij het zuinigste toerental draait. Dat houdt weer in dat je meer mogelijkheden moet hebben om het toerental aan te passen, dus meer versnellingen, en het liefst een automaat, aangezien je die beter kunt programmeren dan het menselijk brein. In de autotechniek zie je dat er al negentraps automaten worden toegepast! Nog mooier is een traploze transmissie, zoals de CVT van een scooter. Dat werkt zo goed, dat zo’n CVT ondanks de hoge verliezen die een rubberen CVT-aandrijfriem heeft toch heel zuinig functioneert.

In autotransmissies worden veel verbeteringen doorgevoerd. Met holle assen wordt gewicht bespaard. Tandwielen worden al van diepgetrokken blik gemaakt, in plaats van smeedstaal. Zelfs het olieniveau in de bak wordt geoptimaliseerd: als er maar één tandwiel in de olie draait kost dat minder energie dan wanneer ze allemaal in de olie draaien, terwijl ze door het gespetter toch allemaal genoeg smering krijgen. Dit soort optimalisering gaat ver. Bij DTC-transmissies – die in feite twee koppelingspakketten hebben – wordt al gekeken hoever de smeerolietoevoer naar de koppeling zonder koelproblemen kan worden beperkt in de kleine tijdspanne waarin de volgende versnelling is klaargezet, maar het koppelingspakket nog niet is geactiveerd. De koppelings- en drukplaten hebben dan een verschillende snelheid en dat levert slipverliezen, die met minder olie kleiner zijn. Alle beetjes helpen… De vraag is of de die optimaliseringen ook in motorfietsen gaan tegenkomen.

Stop-Start

Om nog meer brandstof te besparen worden er al sporadisch stop-start-systemen toegepast. Die schakelen de motor uit wanneer je voor een stoplicht stilstaat, zodat deze geen brandstof verbruikt en veel emissies bespaart. Bij stationairloop gaat er namelijk zo weinig mengsel de motor in, dat die het moeilijker vindt om al het mengsel aan te steken. Om de brandbaarheid van het mengsel te verbeteren, wordt daarom iets meer benzine aan de lucht toegevoegd. Bij stationairloop krijgen motoren dus een iets rijker mengsel en stoten zij meer onverbrande koolwaterstoffen en koolmonoxide uit dan tijdens het rijden. Er is dus veel voor te zeggen om dat niet te doen, zeker omdat het helemaal niet nodig is. Je kunt de motor gewoon uitzetten met een stop-start-systeem. Nu heeft dat wel gevolgen voor de constructie van de motor. De conventionele startmotor zou te snel verslijten wanneer je ineens veel vaker opnieuw moet starten. Nu is het bekend dat je – met de juiste wikkelingen en elektrische schakelingen – een koolborstelloze dynamo als elektromotor kunt gebruiken. Dit soort dynamo/elektromotoren is door het ontbreken van slepende en dus slijtende koolborstels duurzamer dan “gewone” startmotoren. Veel hybride voertuigen gebruiken daarom een dynamo als startmotor. Honda doet dat ook bij de SH125i.

Donatie

Vond u dit een goed artikel? Dan zou ik het op prijs stellen als u me op een kop koffie trakteert! U kunt een kleine bijdrage storten via de “donatie” knop in de menubalk. Bij voorbaat dank!