Uitleg koppel en vermogen:

Met bovenstaande in het achterhoofd gaan we naar het volgende.

Zoals reeds vermeld zorgt een juiste ontsteking en een hoeveelheid brandstof er voor dat de motor kan draaien. Vroeger keek men niet zo nauw 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 stoichiometrisch mengsel; 14.7 kilogram lucht op 1 kilogram benzine. Dit is echter niet de verhouding waarbij de krachtigste verbranding kan plaatsvinden, er is iets meer brandstof nodig. Maar dit terzijde, het gaat hier om het principe. Het is dus belangrijk te weten hoeveel lucht er zich in de cilinder bevindt 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 onderdruk principe 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 constructies voor bedacht welke gebruik maakten 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".

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.

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 turbine wiel 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 turbomotor 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, Jaguar en meerdere andere automerken. 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. Een voorbeeld hiervan is de VW Tiguan 1.4. Hierbij werkt de compressor tot 3500 rpm, waarna alleen de turbo in actie komt. Er is uiteraard een overgangsfase waar de bijdrage van de compressor afneemt en de bijdrage van de turbo toeneemt. Bij 3500 rpm wordt de compressor middels een magnetische koppeling uitgeschakeld.

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, lifthoogte 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. 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.