Hoofdstuk 10
Verdere ontwikkeling van de auto
Er zijn de laatste jaren goede vorderingen gemaakt met het beter benutten van de energiewaarde in de brandstof. In de komende jaren krijgen we nog meer verbeteringen te zien, want het wetenschappelijk onderzoek op dit gebied begint thans zijn vruchten af te werpen. Enerzijds tracht men het motorrendement te verhogen en anderzijds tracht men de rijweerstanden te verminderen.
Armere mengsels
Om een mengsel van benzine en lucht normaal te laten verbranden, moeten beide bestanddelen in een juiste verhouding staan.
In hoofdstuk 3 werd al vermeld dat een volledige verbranding wordt verkregen als het mengsel 15 gewichtsdelen lucht en één gewichtsdeel benzine bevat. Maar bij een dergelijke verhouding zal de motor niet op zijn zuinigst zijn. Rijdt men met een kruissnelheid van 80 à 100 km per uur op een vlakke weg, dan levert een verhouding tussen 16 en 17:1 de grootste brandstofeconomie op.
Natuurlijk heeft men het ook nog met nog armere mengsels geprobeerd. Sommige autorijders hebben zelf geëxperimenteerd met kleinre sproeiers in de carburator of met een zg. benzinebespaarder die extra lucht toevoert. Maar dit levert eerder het tegendeel van een besparing op.
Bij een zeer arm mengsel liggen de brandstofdeeltjes verder van elkaar en het duurt dan ook langer eer het gehele mengsel verbrand is. De zuiger heeft dan al weer een deel van zijn arbeidsslag afgelegd en de expansie van de gassen komt dus niet op het goede moment. De warmte van de verbranding - waarvoor dure brandstof is gebruikt - wordt in dit geval dus niet voldoende benut om de zuiger arbeid te laten leveren. In plaats daarvan wordt de warmte door de cilinderwanden opgenomen en via het koelwater en door uitstraling aan de buitenlucht afgegeven - zie fig. 161.
De motor levert dus een onvoldoende vermogen en het rendement is lager dan normaal. Vandaar dat het brandstofverbruik niet minder wordt, maar eerder toeneemt.
Thermische overbelasting
Er zit nog een nadeel aan de langere verbrandingsduur als gevolg van een arm mengsel. Het gehele temperatuurniveau van de motor wordt hoger. Nu kunnen motoronderdelen zoals zuigers en kleppen best wat warmte verdragen. Ze zijn gemaakt om thermische belasting te weerstaan, zoals de technicus dit noemt. Maar ze zijn niet opgewassen tegen voortdurende thermische overbelasting en dit is nu juist wat een te arm mengsel veroorzaakt.
Speciale verbrandingskamers
Toch hebben motorontwerpers de idee van een armer mengsel (een normaal mengsel heeft een verhouding van 15:1; bevat het mengsel meer brandstof dan is het rijker, bevat het minder brandstof dan is het armer) niet losgelaten.
In de researchafdeling van autofabrieken wordt naastig gespeurd naar een methode om van een arm mengsel toch een snelle verbranding te verkrijgen. Het antwoord daarop is: een snelle werveling van het mengsel zodra het de verbrandingsruimte binnenkomt. Maar het vereist een zeer nauwkeurige studie en veel geëxperimenteer om na te gaan wààr ze de werveling wel en niet mag optreden en wat de juiste wevelsnelheid bij bepaalde toerentallen moet zijn.
Met zo'n wervelend mengsel is het ook mogelijk een grotere compressieverhouding toe te passen, zonder dat detonatie ontstaat. De combinatie van een arm mengsel en een hoge compressieverhouding leidt tot een geringer brandstofverbruik. In sommige gevallen zijn al veelbelovende resultaten bereikt. Zo heeft men bij een 12-cilinder motor, waarvan de cilinderinhoud 5,4 liter bedraagt en die voorzien is van een speciaal ontworpen verbrandingsruimte een verbruik verkregen van 10,4 liter op 100 km bij een constante snelheid van 90 km/uur. Dit is een verbetering van meer dan 20 % en aan een toepassing op kleinere motoren wordt momenteel gewerkt.
Ook benzinebespaarders die wervelen
Ook de werking van apparaten die het oogmerk hebben om benzine te besparen, berust vaak op werveling van het mengsel. Maar in dat geval begint de werveling al bij de carburator en zet zich voort in het inlaatspruitstuk. Dit is meestal niet de juiste methode, want hier kunnen ongewenste nevenverschijnselen door ontstaan.
De juiste methode is dat de werveling pas begint als het mengsel de verbrandingsruimte binnenstroomt. Een uitgekiend proces dat zich niet laat sturen door een apparaat dat voor ieder soort motor wordt toegepast. Dit neemt niet weg dat men afhankelijk van motorconstructie en uitvoering van het inlaatspruitstuk er toch wel eens geluk mee kan hebben. Maar het is tevens de verklaring voor het feit dat bij het ene motortype besparing wordt verkregen en een ander type juist meer verbruikt.
In ieder geval blijkt werveling van het mengsel IN de verbrandingskamer een mogelijkheid te zijn om meer kilometers uit de liter benzine te verkrijgen.
Ontsteking van een arm mengsel
Als één probleem opgelost schijnt te zijn, dient zich alweer een nieuw probleem aan. Het is nu gebleken dat een motor zonder bezwaar op een armer mengsel kan draaien, mits een bepaalde werveling wordt toegepast. Maar dan blijkt dat het gebruikelijke ontstekingssysteem niet voldoende capaciteit heeft om de zeer sterke vonk op te wekken die voor het ontsteken van het arme mengsel nodig is.
Daar is wel weer een oplossing voor te vinden en bij de reeds genoemde V-12 motor wordt dan ook een elektronisch ontstekingssysteem met twee bobines gebruikt. Het maakt de ontsteking weer duurder en dat is voor een dergelijke motor geen bezwaar. Maar het toont wel aan dat wat mogelijk is voor motoren in auto's van een hoge prijsklasse, nog niet altijd geschikt is voor kleinere motoren.
Een ander probleem is het ontstekingstijdstip. Vroeger had men als enige zorg een vonkvervroeging bij toenemend toerental plus een extra vervroeging bij lichte motorbelasting omdat in die situatie (gering geopende smoorklep) de verbranding langer duurt.
Om aan deze twee eisen te voldoen was het voldoende om de onderbreker/stroomverdeler te voorzien van en centrifugaal regelaar en een vacuumregelaar. Men verkreeg hiermee een goede aanpassing aan de verschillende bedrijfstoestanden.
Vonktijdstip en samenstelling uitlaatgassen
Maar sinds men ook rekening heeft moeten houden met de samenstelling van de uitlaatgassen, is het ontstekingstijdstip onderhevig geworden aan veel meer factoren. Een geringere voorontsteking vermindert het aandeel van schadelijke stoffen in de uitlaatgassen, maar is van ongunstige invloed op de brandstofeconomie.
Wil men voor alle omstandigheden dan toch het gunstigste ontstekingstijdstip bepalen, dan is er een dermate fijne regeling nodig, dat de conventionle regelingsorganismen (centrifugaal- en vacuumvervroeging) hieraan niet kunnen voldoen.
De microprocessor
Het is de microprocessor die dit wel kan. Dit is geen toekomstmuziek want er bestaan al systemen waarbij de elektronica voor de juiste aanpassing van mengseltoevoer en ontstekingstijdstip onder alle bedrijfsomstandigheden zorgt.
Fig 163 geeft schematisch een overzicht van een dergelijks systeem. In het bovenste deel van het schema ziet u het brandstoftoevoersysteem en daaronder de luchtstroommeter. Deze geeft evenals de smoorklepschakelaar, temperatuurvoelers, toerentalvoelers en referentievoeler signalen door aan een microprocessor. Deze berekent uit de ontvangen informaties de inspuitduur en het vonktijdstip en zendt deze gegevens door naar respectievelijk de inspuitventielen en het ontstekingssysteem. In feite kan hier van een minicomputer worden gesproken, want de microprocessor heeft een ingang (signalen verkregen van de diverse voelers of gevers) en een uitgang (voor het besturen van de bezineinspuiting en ontsteking), en omvat geheugens waarin de vergelijkingswaarden liggen opgeslagen (zie blokschema fig 164)
Ook met carburator
Uit deze beschrijving hoeft niet de conclusie te worden getrokken dat de motor in de toekomst beslist een inspuitmotor zal moeten zijn. Ook een carburator is in staat de gewenste mengverhouding nauwkeurig te regelen, behalve wellicht in de warmdraaifase. Maar ook daarvoor zal men wel een oplossing kunnen vinden.
Gelaagde vulling
Een ander systeem dat armere mengsels mogelijk maakt, is dat van gelaagde vulling in de verbrandingsruimte. Dit is een methode waarbij zich in een bepaald deel van de verbrandingsruimte een zer rijk mengsel vlak bij de bougie bevindt, zodat dit mengsel gemakkelijk kan worden ontstoken. De hierdoor ontstane vlam is voldoende om een zeer arm mengsel elders in de verbrandingsruimte te ontsteken. Dit is al een oud idee, het stamt zelfs uit de jaren twintig, maar is de laatste tien jaar sterk in de belangstelling gekomen.
Er zijn in grove trekken twee systemen waarmee het principe van gelaagde vulling verwezenlijkt kan worden. De een is het inspuiten van een hoeveelheid brandstof vlak bij de beide bougies, waarbij de rest van de ingespoten brandstof zich over de rest van de verbrandingsruimte verspreidt, om daar een arm mengsel te vormen (fig 165).
De andere methode is gebaseerd op twee afzonderlijke verbrandingskamers, nl. een voorkamer en een hoofdkamer. In de voorkamer komt via een extra inlaatklep een zeer rijk mengsel binnenstromen dat door de bougie aldaar onstoken wordt. Het brandende mengsel verplaatst zich via een kanaal naar de hoofdverbrandingsruimte en ontsteekt daar het zeer arme mengsel (fig 166).
Op dit moment is nog moeilijk te beoordelen welke systemen, die met armere mengsels dan gebruikelijk werken, zullen worden toegepast. Maar het principe van werveling is inmiddels gerealiseerd bij een motor die in serie wordt vervaardigd. De verwachting is dan ook gewettigd dat motoren die in de komende jaren als nieuw ontwerp verschijnen een 20 % grotere brandstofeconomie zullen hebben.
Nog meer besparingen dankzij elektronica
De elektronica biedt nog andere mogelijkheden om brandstof te besparen. Daar is b.v. het automatisch uitschakelen van twee of vier cilinders van een achtcilindermotor wanneer deze weinig kracht hoeft te ontwikkelen.
Ook is het mogelijk om alle cilinders (ook van een viercilinder motor) uit te schakelen als de auto tot stilstand komt bij stoplichten of andere obstakels. Wil men weer wegrijden, dan is het indrukken van het gaspedaal voldoende om de motor weer tot leven te brengen.
Ook kan de elektronica benut worden voor een beter evenwicht tussen de behoefte aan stuwkracht die de auto op elk gewenst moment nodig heeft en die de motor op dat moment levert. Het gaat hier om kleine percentages winst, die bij elkaar geteld toch wel flinke besparingen kunnen opleveren.
Minder rijweerstanden
Maar een aanzienlijke winst kan geboekt worden door de rijweerstanden te verlagen. Als een auto zich op een vlakke weg verplaatst, moeten er twee soorten weerstanden worden overwonnen.
Dit is ten eerste de rolweerstand die de banden ontmoeten wanneer ze zich over het wegdek bewegen. Deze rolweerstand blijft vrij constant, ongeacht de rijsnelheid.
Ten tweede is er de luchtweerstand. Deze blijft niet constant, maar neemt toe met het kwadraat van de snelheid. Bij 100 km/uur is de luchtweerstand vier maal zo groot als bij 50 km/uur. En bij 150 km al acht maal zo groot.
Hoe groot de luchtweerstand is, hangt af van twee factoren. De eerste is de frontale oppervlakte van de auto. Deze naam is enigszins misleidend want men zou er uit kunnen afleiden dat het hier het front van de auto betreft. Maar de frontale oppervlakte wordt bepaald door de grootste hoogte en de grootste breedte van de auto. De tweede factor is bekend als de luchtweerstandcoëfficiënt. Of deze groot of klein is hangt af van de stroomlijngunstige vorm van een voertuig.
In fig. 167 vindt u vier verschillende carrosseriemodellen, die ieder een andere luchtweerstandscoëfficiënt hebben. Een lastig woord, vooral als je dit in een gesprek vaak moet gebruiken. Daarom spreekt men meestal van de CW-waarde. Dit is zoiets als een waarderingscijfer voor gunstige of ongunstige stroomlijnvormen. Het hoogste (ongunstigste) cijfer is 1.10 en het laagste (gunstigste) cijfer ligt bij 0.15. Dit komt in de buurt van de gunstigste stroomlijnvorm: de druppel. Maar dan moet de verhouding tussen de grootste doorsnede van de druppel en zijn lengte 1/6 zijn en dit houdt dan in dat de auto 7 à 8 meter lang moet worden. Dit is dus niet te verwezenlijken en bovendien willen we de binnenruimte in een auto zo goed mogelijk benutten.
Men kan echter wel trachten de ideale vorm zo goed mogelijk te benaderen, wat bij de grote auto's weer gemakkelijker is dan bij de kleinere. Bij de tegenwoordige auto moet zijn ingebouwde koplampen, verzonken deurkrukken en aflopende achterpartij licht de CW-waarde tussen 0,35 en 0,45. Als nu van een auto bekend zijn de frontale oppervlakte, de luchtweerstand en wanneer ook de gemiddelde dichtheid van de lucht bekend is, kan voor iedere snelheid de stuwdruk uitgerekend worden die nodig is om de stuwdruk te overwinnen.
Nu bestaat er een vuistregel dat 10 % vermindering van de luchtweerstand 3 tot 5 % brandstof voor de voortstuwing bespaart. Alle auto's met een CW lager dan 0,40 kunnen als stromingsgunstig worden beschouwd. Hoger dan 0,40 is minder gunstig, maar zien de ontwerpers kans om hierin een verbetering van 20 à 25 % te brengen, dat kan alleen al door een verbeterde vormgeving 6 to 12 % aan brandstof worden bespaard.
De windtunnel
De CW-waarde van een auto wordt bepaald in een windtunnel. Maar de onderzoekingen beperken zich geenszins tot de luchtstromen langs en over het voertuig, hoewel dit een belangrijk deel van het werk is.
Men onderzoekt echter ook de door de luchtstromingen veroorzaakte krachten die op de auto aangrijpen en daarmee de rij-eigenschappen beïnvloeden. Ook onderzoekt men de binnenwaartse luchtstroming om na te gaan welk de meest doelmatige plaats is voor het binnenstromen van de koellucht en de lucht voor de ventilatie en de verwarming.
Met betrekking tot de luchtstroming over het voertuig is vooral de separatie van de stroming van belang. Hieronder verstaat men het verschijnsel dat de luchtstroom niet meer de contouren van de carrosserie volgt. Dit gebeurt b.v. bij de achterkant van de wagen, maar ook bij de wielen, assen en delen van de wielophanging. Als gevolg van de vele separatiepunten ontstaan zones met drukverschillen die gezamenlijk de totale tegendruk opleveren.
Detailverbeteringen
Het grote voordeel van onderzoekingen in de windtunnel is dat men niet alleen de luchtweerstand van nieuwe ontwerpen onderzoekt, maar ook kan nagaan wat er aan bestaande modellen nog te verbeteren valt. Bij auto's die de afgelopen 6 à 7 jaar als geheel nieuw model op de markt kwamen heeft men de grondvorm wel volgens aerodynamische principes uitgevoerd. Er zijn echter nog vele modellen waarvan de grondvorm veel ouder is. In dat geval gaat het om een optimalisering van alle details en daarmee kunnen vaak zeer goede resultaten worden verkregen.
Fig. 168 geeft hiervan een voorbeeld. Het betreft in A de oorspronkelijke vorm van een model, waarbij de scherpe kant van de motorkap een sterke separatie teweegbracht. Met het aanbrengen van een sierlijst (B) liet deze separatie zich verminderen, maar kon geheel ongedaan gemaakt worden door een afronding aan de voorzijde.
De eerste greep (B) leidde tot 4 % vermindering van de luchtweerstand, de tweede ingreep (C) tot een vermindering van 15 % ten opzichte van de oorspronkelijke vorm.
Gewicht
Ook het gewicht van een auto is van invloed op het benzineverbruik. Er bestaat zelfs een vuistregel die zegt dat voor elke 100 kg aan massa die een motor over 100 km verplaatsen moet, er 1 liter benzine nodig is. Een auto van 700 kg zou dus 7 liter op 100 km gebruiken en een auto van 1400 kg zou 14 liter per 100 km nodig hebben. Deze cijfers zijn vrij onnauwkeurig, want verbruik wordt ook beïnvloed door snelheid, vormgeving, motortoerental en tal van andere factoren.
Van grote invloed is ook of met een auto bij constante snelheid kan worden gereden of dat steeds weer opnieuw vertraagd en gestopt en daarna opgetrokken wordt. Is dit laatste het geval, dan is de auto met een hoog gewicht in het nadeel, want een grote massa telkens op gang brengen kost uiteraard energie.
Daarom wordt getracht lichtere materialen te gebruiken, zoals kunststoffen en aluminium. Men heeft de laatste jaren al onderdelen uit kunststof kunnen vervaardigen die er tien jaar geleden nog niet voor in aanmerking kwamen.
Beter motorrendement, minder luchtweerstand, geringer gewicht zijn de huidige doelstellingen van de autoconstructeurs. Gemakkelijk zijn die toch niet, want men mag geen concessies doen aan de veiligheid en de betrouwbaarheid van de auto. Maar er is de laatste jaren al veel bereikt en over enkele jaren mogen we auto's verwachten die 30 % minder brandstof verbruiken dan nu het geval is.
We kunnen zelf ook besparen
Bij twee autorijders die precies hetzelfde automodel bezitten, kan het brandstofverbruik soms aanzienlijk verschillen. Het is heel goed mogelijk dat de een 8 liter op 100 km verbruikt en de ander 12 liter op 100 km. Dat is maar liefst 50 % meer! En het is bepaald geen uitzondering. Het grote verschil wordt teweeggebracht door de staat waarin beide auto's verkeren en de rijstijl.
Wat de conditie van een auto betreft is de staat van de motorafstelling van bijzonder belang. Hierbij moet vooral gedacht worden aan een correct ontstekingstijdstip, dus het moment waarop de vonk moet komen. Afwijkingen hierin kunnen gemakkelijk tot een meerverbruik tot 15 % leiden.
Eveneens grote brandstofverspillers zijn slechte bougies. Elke keer dat zij het mengsel niet tot ontbranding brengen, verdwijnt het ongebruikt via de uitlaat naar buiten. Ook de afstelling van de carburator beïnvloedt het verbruik. Te snel stationair draaien betekent extra brandstof verbruiken waarvoor we niets terugkrijgen.
Verder is de bandenspanning van belang. Een te lage spanning vergroot de rolweerstand, zodat er meer brandstof voor nodig is om deze te overwinnen.
Snelheid handhaven
Terloops werd al opgemerkt dat het veel meer energie kost om een stilstaande massa in beweging te brengen dan om de beweging van die massa te handhaven. Met die wetenschap kunnen we bij het autorijden ons voordeel doen.
Nu is het handhaven van de snelheid niet altijd mogelijk. We zijn vaak wel gedwongen om te vertragen of zelfs geheel tot stilstand te komen. Maar hoe geleidelijker dit vertragen en weer versnellen gebeurt, des te minder energie er nodig is. Snel accelereren kost extra brandstof. En snel remmen betekent dat we een groot deel van de bewegingsenergie die uit de brandstof werd verkregen weer in de vorm van warmte aan de buitenlucht kwijtraken.
In stadsverkeer kunnen we dus besparen door kalm optrekken en vooruitzien. Staat een verkeerslicht 100 meter voor ons op rood, dan heeft het geen zin om gas te blijven geven en op het laatste moment sterk te remmen. We verbruiken er alleen maar extra brandstof mee en komen toch niet sneller vooruit.
Op een niet te drukke autoweg is het niet moeilijk een eenmaal gekozen snelheid te handhaven. Het gunstigste verbruik wordt dan verkregen als u het gaspedaal niet intrapt, maar uw voet zo neerzet dat het pedaal tegen uw voet veert.
Met een economische rijstijl en een auto in goede staat van afstelling verbruiken we minder brandstof en daarmee compenseren we enigszins de hoge brandstofprijzen. Voor velen biedt dit de mogelijkheid om ondanks de prijsverhoging toch te blijven rijden!