Benzine en rendement verbrandingsmotor
Het is moeilijk voor te stellen dat de zwarte teerachtige massa, zoals die uit de aarde omhoog wordt gepompt na destillatie hoogbrandbare benzine oplevert. En die benzine zet op zijn beurt onze motorfiets in beweging. Het vervelende daarbij is echter dat ongeveer 75% van die peperdure benzine ongebruikt blijft en via onder meer het koelwater en het uitlaatgas verdwijnt; slechts 25% wordt daadwerkelijk omgezet in de voortbeweging!
Wie heeft er nog nooit gedroomd van een eigen olie-boortoren in de achtertuin? Zo’n onuitputbare voorraad van fossiele brandstoffen, die je gratis van energierijke benzine voorziet. Maar de cowboy die gierend van het lachen een aardoliedouche neemt zien we helaas alleen maar in goedkope films; wij zullen ons zuurverdiend geld gewoon naar de pomp moeten brengen, in ruil voor het steeds kostbaardere sap. De weg van taaie, klonterige aardolie naar hoogwaardige benzine is een vrij ingewikkeld proces. Het begint natuurlijk met de aardolie zelf. Miljoenen jaren voor onze tijdrekening heeft zich plankton op de bodem van de toenmalige zeeën afgezet en dat heeft zich ondertussen duizenden meters onder het aardoppervlak in de kostbare fossiele brandstoffen omgezet. Het plankton is in de zogenoemde moederbodem opgeslagen, afgeschermd van de inwerking van zuurstof en tezamen met de extreem hoge drukken zijn er chemische processen in gang gezet, die de organische stoffen in aardolie hebben veranderd.
Veelgevraagde grondstof
Door het zogenoemde ‘cracken’ (het openbreken van de moleculaire structuren door hoge druk en temperatuur) veranderde die aardolie bij meer dan 150 graden Celsius in aardgas. Met de industrialisering begon ook de zoektocht naar de veelgevraagde grondstof. Vanwege het ongeveer 85% hoge koolstofaandeel, 13% waterstof, tot 7% zwavel en het lage zuurstofaandeel bleek de ruwe aardolie een ideale energiedrager met een hoge energiewaarde. In de eerste processen in de raffinaderijen wordt die aardolie gedestilleerd, waarbij er naast andere mineraalolieproducten ook lichtverdampende koolwaterstofverbindingen als benzine worden overgehouden. De restproducten van deze destillatie worden door het kunstmatige ‘cracken’ in talloze verschillende chemische substanties omgevormd en gebruikt als basis voor uiteenlopende materialen als kunststoffen, medicamenten en motorolie. Daarmee zijn we er wat de benzine betreft nog niet, want elke benzineproducenten mengt de van de raffinaderij afkomstige basisbenzine volgens hun eigen geheime recept met verschillende additieven en dopes ter verhoging van het octaangehalte, het tegengaan van een bevriezend inlaattraject en het schoonmaken van injectoren en verbrandingsruimtes. Bovendien krijgt de benzine, afhankelijk van merk en soort, een geheel eigen kleurtje. De benzine is letterlijk en figuurlijk de brandstof voor onze motorhobby.
Lucht-benzine-verhouding
Door de benzine te laten ontploffen in onze ‘verbrandingsmotor’ wordt de energie omgezet in voortbeweging. En door dat dus tot wel 10.000 keer per minuut te doen, gaan we ook stevig vooruit met de hedendaagse motorblokken! Wie op school heeft opgelet weet dat elk verbrandingsproces een bepaald aandeel zuurstof nodig heeft. Daarbij maakt het trouwens niet uit of er benzine wordt verstookt in een motorblok of dat er koolhydraten in de spieren van ons lichaam worden omgezet in bewegingsenergie. Naast brandstof is er altijd lucht nodig. De theoretisch optimale verhouding van lucht en benzine ligt bij ongeveer 14,7 aandelen lucht op één deel brandstof. Deze verhouding wordt ook wel Lambda = 1 genoemd. Met andere woorden: als de motor 1 kilogram benzine wil verbranden, heeft hij 14,7 kilogram lucht nodig. De luchtdichtheid bei 20º Celsius bedraagt 1,204 kg/m³ en dat betekent dat een motor dus 12 kubieke meter lucht nodig heeft om één liter benzine te kunnen verbranden. Om je een idee te geven: dat is ongeveer de inhoud van de laadruimte van een bestelbus…
Het probleem van motorfietsblokken – met relatief kleine cilinderinhouden – is dat er tijdens stationair toerental of bij lage belastingen ook extreem kleine hoeveelheden benzine verdeeld moeten worden in de aangezogen lucht. Terwijl dit bij motoren met carburateurs geen problemen oplevert, moeten de injectoren van de hedendaagse elektronische injecties in ongelofelijk korte stuurtijden minimale hoeveelheden benzine inspuiten. De benzine moet daarbij superfijn verneveld worden, zodat een zo homogeen mogelijk mengsel van brandstof en lucht ontstaat, dat goed kan worden ontstoken door de bougie. De huidige injectiesystemen zijn daarbij uitgerust met een Lambda-sonde in de uitlaat: die meet het zuurstofgehalte in het uitlaatgas en geeft deze waarde vervolgens door naar het motormanagement, dat op haar beurt zo nodig de hoeveelheden in te spuiten benzine bijregelt. Als de Lambda-waarde stijgt naar bijvoorbeeld 1,35 betekent dit dat er een extreem arm mengsel aangemaakt wordt, zodat de bougie moeite heeft om het zaakje aan het branden te krijgen. Maar als de waarde zakt naar 0,75 is het mengsel juist weer veel te rijk en kan de vonk het mengsel ook niet meer geheel verbranden. In dat geval komen er ook giftige koolwaterstoffen of onverbrande benzine in de uitlaat terecht. Voorbeeld hiervan is de koude start, waarbij er soms brandstofdeeltjes op het koude metaal van de inlaatkanalen en cilinderwanden blijven plakken, in plaats van zich keurig en homogeen te mengen met de aangezogen lucht.
Om ondanks die neerslaande deeltjes toch een voldoende goed brandbaar mengsel over te houden, moeten we dus in feite teveel benzine inspuiten; de motor krijgt dus een rijker mengsel toegediend. Tegenwoordig gaat dat vrijwel altijd volautomatisch; het verrijken van het mengsel tot ongeveer Lambda = 0,85 heeft bovendien een positief effect op het vermogen en het aanspreken van het koude blok, maar verhoogd uiteraard ook het verbruik. Het rendement daarvan is dus hoger, maar het verbruik ook. Op weg naar de verbrandingskamer bereikt de gasstroom bij de kleinste diameter van het inlaattraject, dus rond de inlaatklep, de snelheid van het geluid, dus 1.188 km/uur oftewel 330 meter per seconde! Bij 12.000 tpm is er dus maar ongeveer 3/1000 van een seconde de tijd voor dit proces, waarbij een motor met hoog vermogen tussen de 90 en 105 % van de cilinderinhoud aan verse lucht naar binnen krijgt. Bij een 1.000 cc viercilinder (per cilinder dus 250 cc) viertakt gaat er 6.000 keer per minuut (100 keer per seconde) bij vollast tussen de 225 en 263 cc mengsel naar binnen. Dan heb je even een idee van de wervelstorm in het inlaatkanaal. Vanuit deze zogenaamde vulwaarde resulteert uiteindelijk de daadwerkelijke compressie van het blok: de zuiger komt omhoog en perst het verse mengsel samen: dat is dus het comprimeren. Een hoge compressie van het verse mengsel is de basis voor een efficiënte verbranding van de brandstof, maar de compressieverhouding kent echter grenzen, omdat het lastig is om bij een hoge compressie de verbranding goed gecontroleerd te laten verlopen. Er kan dan snel het ongecontroleerde pingelen of kloppen optreden en dat wil je absoluut voorkomen, omdat het de motor thermisch zwaar belast en het een negatieve invloed heeft op de levensduur van zuigers en krukas(lagers). Zorg er daarom altijd voor dat de arbeid die de motor levert ook altijd nuttige arbeid is.
Klopvastheid benzine
En om het helemaal ingewikkeld te maken kan het pingelen ook ontstaan bij een te arm mengsel en een te vroeg ontstekingstijdstip of een te laag octaangehalte van de brandstof. Wat die brandstof betreft: daar zien we tegenwoordig steeds duurdere soorten ontstaan, zoals bijvoorbeeld Shell V-Power of Aral Ultimate. Zij hebben een hoger octaangetal (ook wel: hoger klopvastheid), maar het wil dus niet zeggen dat het gebruik van zo’n dure benzine ook direct meetbare meetbare vermogenswinst oplevert. Enkel als compressieverhouding en de motorelektronica volledig op een hoog topvermogen zijn afgestemd, kan de betere klopvastheid van deze duurdere brandstoffen voordelen bieden op het gebied van vermogen en koppel. Ook al omdat de pingelgrens iets verder weg ligt. De pure verbrandingswaarde, de in de brandstof voorkomende energie, is met 43 Megajoule (12,1 kW/u per kilogram) bij nagenoeg alle brandstofsoorten gelijk. We gaan dus in de verbrandingskamer van een motor voor een ‘gecontroleerde zachte verbranding’ van het gecomprimeerde verse mengsel. Bij zo’n verbranding verspreidt zich vanaf de bougie (die de zaak ontsteekt met zijn vonkje) een gelijkmatige vlammenfront over de totale verbrandingsruimte. Bij die ‘explosie’ loopt de druk op tot een indrukwekkende 90 tot 110 bar, als de motor tenminste lekker vrijuit mag lopen. Dan presteert hij eigenlijk optimaal, als je een motor ‘knijpt’ ontstaat er sowieso al een behoorlijk vermogensverlies. Dat doe je bijvoorbeeld door half-gas te rijden. Als de gasklep wordt gebruikt om de motor te smoren (niet voor niets heet zo’n gasklep in technische kringen ook wel smoorklep) wordt er in het inlaatkanaal een hoge aanzuigweerstand veroorzaakt. De motor moet veel meer moeite doen om mengsel binnen te krijgen (hoe je hand maar eens voor de stofzuigerslang: dat zelfde effect treedt op in het inlaatkanaal bij rustig rijden) en de effectieve druk van de verbranding keldert naar beneden. En daarmee ook het rendement van een motor.
Om dit theoretische verhaal tastbaar te maken, deden we een test met de nieuwe Honda Transalp. Om 130 km/uur constant te rijden, blijkt er ongeveer 23 pk nodig te zijn. In de hoogste versnelling (bij 5.600 tpm) verbruikte de Honda 4,6 liter benzine op 100 kilometer (1 op 21,74 dus). Daarna herhaalden wij deze test nog een keer in de derde versnelling. Vanwege het hoge toerental moet je de motor op dat moment meer knijpen: het gashendel ging dus niet zo ver open en het toerental lag met 7.600 tpm 40% hoger. In deze modus verbruikte de Honda onder dezelfde omstandigheid maar liefst 3 liter brandstof meer per 100 km (1 op 13,16)! Een verbrandingsmotor werkt effectief als hij op ongeveer 90% wordt belast. Dan is de druk na een verbranding het hoogste en wordt de zuiger dus ook met de meeste kracht weer naar beneden geduwd. Die neergaande beweging (de arbeidsslag!) wordt via de drijfstang op de krukas overgedragen, die op zijn beurt via de transmissie het achterwiel aandrijft. Dat is dus ook de reden waarom verbrandingsmotoren over het algemeen het beste (lees: lage) verbruik realiseren rond het toerental van het maximum vermogen. En dat is doorgaans vrij simpel af te lezen in de technische gegevens of de vermogensgrafieken van MotoPlus.
Rendement benzinemotoren
Maar helaas wordt niet alle energie die vrijkomt bij de verbranding 1 op 1 omgezet in voortbeweging: ook alle wrijvingen in het motorblok moeten overwonnen worden en daarnaast gaat een belangrijk deel van de beschikbare energie verloren als warmte, die ontstaat bij de verbranding en die we middels grote radiateurs en oliekoelers in toom moeten houden om enige levensduur te garanderen. Het begint al bij de zuiger die langs de cilinderwand heen en weer beweegt. Dat gaat niet vanzelf, zeker niet als er van bovenaf zo’n enorme druk op de zuiger staat en de zuiger door de schuine stand van de drijfstang extra hard tegen de wand geperst wordt. In combinatie met de wrijving van de drijfstanglagers en de krukas ontstaat hierdoor een hoog verlies, wat zich manifesteert in de opgewarmde smeerolie. Een behoorlijk deel van de toegevoerde energie verdwijnt dus gewoon als wrijvingswarmte in de motorolie.
Meer wrijvingsverlies wordt veroorzaakt door de dynamo en olie- en waterpomp. Een deel van de toegevoerde energie wordt bovendien door de kleppen en nokkenassen opgeslokt. Niet alleen de nokkenasketting slurpt energie op: wat te denken van de klepveren die ook tot wel 100 keer per seconde ingeduwd moeten worden. En ook de hele transmissielijn tot aan het achterwiel vreet kracht! Het allergrootste deel van de dure benzine belandt echter als bijna 800º heet uitlaatgas in de uitlaat: dit is wel 35%! En ook in de motorkoeling ‘vernietigen’ we veel energie, tot ongeveer 25% aan toe! Daadwerkelijk kunnen tijdens de vier ‘takten’ (aanzuigen, comprimeren, verbranden+ arbeiden en uitstoten) maximaal 33 tot 38% van de toegevoerde brandstof in aandrijfenergie worden omgezet.Voordat die aandrijfkracht echter bij het achterwiel belandt, vreten de tandwielen van de primaire aandrijving en de versnellingsbak ongeveer 2% van het geleverde motorvermogen op. En ook de secundaire aandrijving in de vorm van ketting of cardan vernietigen nog een keer rond de 3 % van het vermogen. Als laatste energievernieler in deze opsomming moeten de banden worden gezien, die afhankelijk van de snelheid nog een keer 1 tot 2 % van de energie door wrijving en slip verloren laten gaan! Al met al blijft er dus maar een kwart van een liter brandstof over dat voor de daadwerkelijke voorwaartse beweging wordt gebruikt! Of in geld uitgedrukt: van de huidige anderhalve euro die een litertje euro-loodvrij kost, gaat maar 38 eurocent naar de voortbeweging, de overige € 1,12 verdampt als sneeuw voor de zon!
