Ik ben nu al 6 jaren met auto’s bezig,
en onderhand een jaar of 2 met autotechniek.

De meeste dingen leerde ik wel na een tijdje,
maar er zijn zo een paar dingen waar ik echt niets van begrijp.

Een van die dingen is : koppel, uitgedrukt in nm/rpm.  :
Wat is koppel?
Een diesel heeft het meer dan een benzinemotor,
maar da’s alles wat ik weet.
wat is nm?

Is er iemand die me dit een beetje duidelijk kan uitleggen?

nm = Newton Meter = de kracht in newton die de krukas wanner deze een bepaald toerental draait op een afstand van 1 meter van het hart van de krukas uit kan oefenen.

Neem een ringsleutel en zet op een bout die precies recht in een muur zit en maak daar een buis aan vast die zo lang is dat de afstand van het hart van de bout tot het uiteinde van de buis die het verst verwijderd is van de bout precies 1 meter is en hang hier een gewicht aan van 1 newton. DAn oefen je een kracht uit op de bout van exact 1 NewtonMeter (hierbij verwaarloos ik het gewicht van de ringsleutel + de buis).

Overigens moet je de afstand van 1 meter exact horizontaal meten, anders wordt het aantal NewtonMeter minder omdat ook de horizontaal gemeten afstand minder wordt.

Kort gezegd: het aantal nm = de ‘draaikracht’ van de krukas bij een bepaald toerental.

Ik ben niet echt een ster in uitleggen, dus aanvullingen zijn welkom.

Wat is koppel en vermogen ?

Om maar gelijk met de deur in huis te vallen, 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 aan kan worden gezogen
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 gebeurd 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 om het mengsel op het goede moment te ontsteken en er vindt een explosie plaats die de zuiger naar beneden (of opzij, bij een boxer) doet bewegen die op zijn beurt de krukas doet bewegen waardoor er een ronddraaiende beweging plaats vindt.

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.

 
Nou heeft lucht 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 welke de doorstroming belemmert (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 ik al zei zorgt een juiste ontsteking en een hoeveelheid brandstof er voor dat de motor kan draaien. Vroeger keek men niet zo nou 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. Dan is er iets meer brandstof nodig. Maar dat terzijde, het gaat hier om het principe. Het is dus belangrijk te weten hoeveel lucht er in de cilinder zal bevinden 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 zoog de cilinder in. Deze onderdruk werd gegenereerd door de venturi van de carburateur. Later bedacht men mechanische injectie en tegenwoordig gaat het met elektromagnetische injectoren. welke 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 konstrukties voor bedacht welke gebruik maakte 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 welke 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 nuttig 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 toerental gebied. Dus de kracht van de explosie, dus de kracht op de zuiger varieert over het toerengebied.

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


Vermenigvuldigd 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 bewijst 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 per1000 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, lichthoogte 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 welke via elektronische weg bepaald wordt. Een paradijs voor chiptuners…............

hoop dat het zo een beetje duidelijk is

Meer info klik hier

Van welke site heb je dat geleend ?

Votex Schreef:

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.

Komt vast van een Alfa site.

Ik heb altijd gehoord dat juist een hoog koppel bij een laag toerental goed is. Geeft de auto bij het trekken van een aanhanger de kracht om weg te komen.
Tevens kun je schakellui rijden. Bij een XM CT Turbo kun je in 5 probleemloos terug zakken tot 60 (net geen 2000 o/min) (XM CT Turbo heeft max koppel tussen 2200 en 4400 o/min)en vervolgens gas geven tot je weer op 120 zit. Ideaal bij wegwerkzaamheden of een vrachtauto die voor je neus in gaat halen.

Moet je bij een Alfa of BMW niet proberen eens in een BMW 523 gereden gebeurt helemaal niets als je gas geeft bij 70 in z’n 5, moet je eerst terug naar 3.

Heel leerrijke tekst!
ik begrijp het al wat beter, maar nog helemaal.
Ik lees em vanavond en morgen nog es,
dan moet het wel gaan lukken

Waarom zijn er 2 curves op die grafieken getekent?
de rooie van een motor en de zwarte van een andere?

rocco schreef:

Waarom zijn er 2 curves op die grafieken getekent?
de rooie van een motor en de zwarte van een andere?

nee, de 2 curven zijn van 2 verschillende voertuigen.
als je van de krukas en wielen een grafiek vergelijkt liggen de waardes compleet anders en verder uit elkaar, ivm de wrijving die er plaatsvind.

Klinkt een beetje onzinnig dat een ideale motor er 1 is waarbij het maximum koppel bij een hoog toerental ligt!!
Als je twee motoren hebt met hetzelfde koppel, is de motor die dit bij een lager toerental oppakt ‘beter’ als de andere.
Ik kan het fout hebben hoor, maar ik heb dan ook een vooroordeel Een 8-klepper heeft over het algemeen het max koppel bij een stuk lager toerental als een 16-klepper…

Vermogen: 12 pk per liter motorinhoud per 1000 toeren

ik doe wat mis…
voor een 2cv6:

ik kom 3.59pk*minuut/toeren*liter uit… 

ik deed: 12PK/0.6l/5.750toeren/minuut

Kortom als je de vullingsgraad van de motor vermenigvuldigt met het toerental dan krijg je “het vermogen”

vullingsgraad… uitgedrukt in ...?
toerental: r/m
vermogen: nm?

rocco schreef:

Kortom als je de vullingsgraad van de motor vermenigvuldigt met het toerental dan krijg je “het vermogen”

vullingsgraad… uitgedrukt in ...?
toerental: r/m
vermogen: nm?

Eh, zowieso is het vermogen in pk of kW, niet in nm

owja… ops:

Neem een ringsleutel en zet op een bout die precies recht in een muur zit en maak daar een buis aan vast die zo lang is dat de afstand van het hart van de bout tot het uiteinde van de buis die het verst verwijderd is van de bout precies 1 meter is en hang hier een gewicht aan van 1 newton. Dan oefen je een kracht uit op de bout van exact 1 NewtonMeter.

Dit nog even verduidelijken om een idee te geven hoeveel 1 Newton is, het gewicht zal 0,1kg moeten zijn. Door de zwaarte kracht oefent het gewicht een kracht uit van 1 Newton. De zwaartekracht-versnelling, is op aarde 10 m/s2 (meter per seconde kwadraat).
De zwaartekracht is gewicht x zwaartekracht versnelling (Fz=m x g); 0,1kg X 10 = 1 Newton.
Het moment is Kracht x arm (M=F x a) 1 newton x 1meter = 1 Newton-Meter.

Op de krukas gebeurt eigenlijk bijna hetzelfde, hier wordt de kracht voor een groot deel bepaalt door de druk van de verbranding op het zuigeroppervlak ipv de zwaartekracht. Immers F = P/A; Kracht = druk gedeeld door het oppervlak.

De zuigerstang brengt de beweging en kracht over op de kruk-as, waardoor er een moment op de kruk-as ontstaat (hij gaat draaien). Omdat er meerdere zuigers tegelijkertijd bewegen heb je meerdere momenten tegelijkertijd op de kruk-as, in dit geval spreken we van een koppel. Onderstaand plaatje zal het wat duidelijker maken, stel dat dit een T-sleutel is waarmee je een moer losdraait. De linkerkant duw je omhoog en de rechterkant omlaag, er onstaan 2 momenten van 10Nm op de moer, het koppel is dus 20Nm.

Ik zit net mijn aantekeningen van de MTS door te lezen, het meeste begrijp ik niet meer ops:
Er staat o.a. dat in een as naast koppel ook een buigend moment en een wringend moment zit, wat bepaald word door het Polair-traagheidsmoment (eenheid in mm tot de vierde : ) en het weerstands moment tegen wringing van het profiel/materiaal. En een hele berg enge formule die ik zelf heb opgeschreven en gebruikt

Aanvullingen/verbeteringen zijn welkom, kan zijn dat ik e.e.a. ben vergeten sinds ik van school af ben.

Ik had het mis overigens, heeft betrekking op mijn eigen post en niet op de recente reacties. Een motor met een hoger koppel bij een hoger toerental heeft inderdaad een hoger eindvermogen. Heeft me een nacht gekost om dat te bedenken.
Het is echter zo dat voor de gebruiker het waarschijnlijk handiger is als het mazimale koppel bij een lager toerental ligt omdat je over het algemeen niet al te veel toeren maakt met je motor maar toch wel het vermogen al snel tot je beschikking wil hebben.

ZX1.4i schreef:

Ik zit net mijn aantekeningen van de MTS door te lezen, het meeste begrijp ik niet meer ops:
Er staat o.a. dat in een as naast koppel ook een buigend moment en een wringend moment zit, wat bepaald word door het Polair-traagheidsmoment (eenheid in mm tot de vierde : ) en het weerstands moment tegen wringing van het profiel/materiaal. En een hele berg enge formule die ik zelf heb opgeschreven en gebruikt

Aanvullingen/verbeteringen zijn welkom, kan zijn dat ik e.e.a. ben vergeten sinds ik van school af ben.

Klopt. Het wringend moment zit hem in het feit dat de as een lengte heeft. Denk aan een dweil die je aan beide uiteinden vastpakt om het uit te wringen. Je begint aan de ene kant te draaien en houdt (voor het gemak) de andere kant stil: Ziehier je wringt de dweil uit. In feite gebeurt dat ook met de as van je motor, alleen merk je dat niet zo omdat die as vele malen stijver is dan die dweil (groter traagheidsmoment).

Het buigend moment zit hem eveneens in de afstand tussen de plekken waar de krachten aangrijpen. Je kunt je voorstellen dat als je een lineaal op de rand van de tafel vasthoudt (zodat ie uitsteekt) en je er vervolgens op het deel wat niet op de tafel ligt duwt dat deze begint te buigen. Ziehier (vereenvoudigd) het buigend moment.

Wat dat betreft kun je ervanuit gaan dat wat je bij slappe materialen ziet gebeuren als je er krachten op zet (moment is zoals eerder in dit draadje gememoreerd kracht maal afstand) ook bij “sterkere” materialen ziet gebeuren, maar dan in mindere mate. Vandaar ook dat er voor aandrijfassen metaal of keramiek gebruikt wordt (ipv bijvoorbeeld dweilen), maar deze wel geschikt zijn om duidelijk te maken wat er gebeurd (je ziet alleen een sterke uitvergroting).

Ook met vormen kun je een hoop doen. Denk bijvoorbeeld aan een kokerbalk en een staalstrip, maar nu kom je al weer in de buurt van de randen van de HTS.