Brandstofverbruik

Onderwerpen:

  • Specifiek brandstofverbruik
  • Motorrendement
  • Vermogensdiagram / ei-diagram
  • Vermogensdiagram bij downsizing

Specifiek brandstofverbruik:
Het brandstofverbruik van een voertuig drukken we meestal uit in het aantal gereden kilometers per liter, bijv: 1:15. In de voertuigdocumentatie worden vaak het liters per 100 km gegeven. Hierbij is rekening gehouden met de rijomstandigheden. Voor technici is het interessant om te weten hoeveel brandstof het kost om een bepaald vermogen over een tijdsbestek te leveren. Dit verbruik wordt uitgedrukt in kilogram brandstof per uur (B). Wanneer we het per kiloWatt bekijken spreken we over het specifiek brandstofverbruik (be), uitgedrukt in g/kWh.

Het specifieke brandstofverbruik kan worden meegenomen in het koppel- vermogensdiagram van het voertuig. In dit diagram is te zien dat het specifiek brandstofverbruik onder vollast condities het laatste is op het moment dat het motorkoppel net over zijn maximum is.

Koppel- vermogensdiagram met specifiek brandstofverbruik (be)

Motorrendement:
Het laagste specifieke brandstofverbruik verkrijgen we in de omstandigheden waarbij het motorrendement het hoogste is. Het vermogen wordt uitgedrukt in Watt of Joule / s. Het toegevoerde vermogen is de warmteinhoud van de brandstof, welke gelijk is aan het specifieke brandstofverbruik (be) * het geleverde vermogen (P) * de specifieke verbrandingswarmte (H).

Vermogensdiagram / ei-diagram:
In de testfase van iedere (nieuwe) motor vindt een meting voor het specifieke brandstofverbruik plaats. In deze meting wordt het brandstofverbruik op een motorproefstand of vermogenstestbank onder verschillende toerentallen bij variabele motorbelastingen uitgevoerd. De belasting wordt ingesteld door het gaspedaal trapsgewijs dieper in te drukken, zodat de motor bij elke stap een aantal kW meer vermogen levert. Op die manier wordt het gehele toerengebied doorlopen. 

De onderstaande afbeelding toont het brandstofverbruiksdiagram, ook wel het “ei-diagram” genoemd, afgebeeld. De eilandjes geven het brandstofverbruik aan in g/kWh. Deze lijnen (ei-vormig) verbinden de punten waarvan het specifieke brandstofverbruik gelijk is. Het kleinste eilandje geeft bij een toerental van rond de 3000 omw/min. het laagste brandstofverbruik aan, namelijk 240 g/kWh. Dit noemen we de “sweet spot”. Bij dergelijke toerental en belasting is de motor het zuinigst. 

Vermogens- / Ei-diagram van een BMW 3 liter 6-cilinder motor

Verklaring van de lijnen in het Ei-diagram:

  • Verticale as: het koppel in Nm;
  • Horizontale as: krukastoerental;
  • Blauwe lijn: de koppelkromme van de motor;
  • Groene lijnen: vermogenslijnen in kW;
  • Zwarte eilandjes: de verbruiksgebieden

In de (groene) vermogenslijnen is duidelijk te zien dat bij een afnemend toerental, het koppel (en dus de gemiddelde verbrandingsdruk) groter moet worden om hetzelfde vermogen te behouden. Daarbij zien we ook een daling van het brandstofverbruik. Het minimale brandstofverbruik van 240 gram per kWh wordt verkregen bij een toerental van rond de 3000 omw/ min. bij een geleverd vermogen van ongeveer 85 kW. Het brandstofverbruik van deze auto is gemiddeld 9 l/100 km.

Dit betekent dat de motor het zuinigst is wanneer hij ongeveer 88% van het totale vermogen moet leveren. Bij lagere vermogens is de motor inefficiënt: er wordt vrijwel geen vermogen afgegeven, maar alle interne wrijvingsverliezen moeten worden opgebracht. In de praktijk kan dit betekenen dat het voertuig tijdens het rijden van 120 km/h in de 6e versnelling zuiniger kan zijn dan wanneer er 90 km/h in de 4e versnelling wordt gereden.

Vermogensdiagram bij downsizing:
Tot voorkort pasten fabrikanten motoren toe met grote cilinderinhoud. Bij de VAG-groep was de 6.0 (W-) 12-cilinder motor het paradepaartje in o.a. de Audi A8 en bood de BMW M5 (E60) verbluffende prestaties met de atmosferische 5 liter V10 motor. Ook de middenklassers waren van een relatief grote cilinderinhoud voorzien, bijv. een ongeblazen 2.0 liter. Tegenwoordig zoeken fabrikanten naar alle mogelijke manieren om de uitstoot drastisch te verminderen, zonder de prestaties eronder te laten lijden. Van steeds meer motoren zien we de cilinderinhoud steeds kleiner worden en zorgt een uitlaatgasturbo voor goede prestaties. Een voorbeeld hiervan zien we bij de VW Golf, waar de 1.0 liter motor mét turbo beter presteert en zuiniger is dan een (oudere) 1.4 liter motor zónder turbo:

  • VW Golf V uit 2005, cilinderinhoud: 1,4 liter, vermogen: 59 kW, verbruik: 6,9 l/100 km (1:14.5);
  • VW Golf VII uit 2015, cilinderinhoud: 1.0 liter, vermogen: 85 kW, verbruik: 4,5 l/100 km (1:22,2).

De onderstaande ei-diagrammen zijn van een atmosferische motor met een cilinderinhoud van 2,5 liter en een drukgevulde 1,6 liter motor. Beide motoren leveren een maximaal koppel van 240 Nm. De koppelkromme van de atmosferische motor is een stuk vlakker dan bij de motor met turbo rond 3000 omw./min. Bij beide motoren wordt het maximale koppel bij ongeveer 3000 toeren behaald, alleen zien we dat de gemiddeld effectieve zuigerdruk (BMEP) bij de turbomotor bij het koppeltoerental 7 bar hoger is. Een hogere BMEP leidt tot minder stromingsverliezen tijdens de gaswisseling en een hoger rendement.

Ei-diagram atmosferische motor (2,5 liter)
Ei-diagram motor met drukvulling 1,6 liter)