De meeste mensen weten dat de Ford Model T de eerste echt betaalbare auto was. Maar weet je wat voor motor hij had? Het originele Model T, uitgebracht in 1908, had een 2,9-liter viercilindermotor met slechts 22 pk.
Dat is een kleine output voor zijn grootte in vergelijking met de motoren van vandaag, maar het versloeg zeker de motor in wat wordt beschouwd als de eerste auto - de 1885 Benz Patent Motorwagen. Die auto had een motor met één zuiger en genereerde slechts tweederde van een enkele pk.
Zoals u kunt zien, zijn automotoren sinds het allereerste begin van het autorijden voortdurend in ontwikkeling geweest. Tegenwoordig zijn ze krachtiger, stiller, duurzamer, minder vervuilend en zuiniger dan ooit tevoren, dankzij constante vooruitgang in motorontwerp en technologie.
Automotive-ingenieurs werken voortdurend aan manieren om de verbrandingsmotor te verbeteren en naar de toekomst te dragen. Hoeveel andere uitvindingen ken je die al meer dan 150 jaar onafgebroken zijn verfijnd?
In dit artikel bekijken we 10 van de grootste en belangrijkste motorverbeteringen aller tijden. Van brandstofinjectie tot hybride motoren, we zullen kijken waar motoren zijn geweest en hopelijk enig inzicht krijgen in waar ze naartoe gaan.
InhoudVoordelen: Zuiniger, minder vervuilend
Nadelen: Ingewikkelder, duurder om te vervaardigen
Weet je nog die Benz Patent Motorwagen waar we het over hadden? Behalve dat het een enkele zuiger of cilinder had, was het een tweetaktmotor, zoals veel vroege motoren. Beroerte verwijst naar de beweging van de zuiger in de motor.
Viertaktmotoren waren een van de eerste verbeteringen aan verbrandingsmotoren aan het eind van de 19e eeuw. Op een viertaktmotor zijn er vier stappen die de motor neemt bij het verbranden van benzine:inlaat, compressie, vermogen en uitlaat [bron:CompGoParts.com]. Deze stappen vinden allemaal plaats wanneer de piston twee keer op en neer beweegt.
Eerdere, eenvoudigere tweetaktmotoren volbrachten dezelfde taak - benzine verbranden om mechanische beweging te creëren - maar ze doen het in twee stappen. Tegenwoordig zijn tweetaktmotoren te vinden op kleine apparatuur zoals grasmaaiers, kleine motorfietsen en grote industriële motoren. Bijna alle auto's gebruiken de viertaktcyclus.
Viertaktmotoren hebben verschillende voordelen, waaronder een lager brandstofverbruik, meer duurzaamheid, meer vermogen en koppel en schonere emissies. Vergeleken met tweetaktmotoren zijn ze echter ingewikkelder en duurder om te maken en vereisen ze het gebruik van kleppen voor de in- en uitlaat van gassen.
Desondanks zijn viertaktmotoren de industriestandaard voor auto's geworden en zullen ze waarschijnlijk niet snel verdwijnen. We zullen later in dit artikel meer leren over de rol van kleppen en hoe ze zijn verbeterd.
Vervolgens leren we over geforceerde inductie en hoe het zijn weg vond van vliegtuigen naar alledaagse auto's.
Voordelen: Meer vermogen zonder grotere motor
Nadelen: Brandstofverbruik, turbovertraging
Een motor heeft drie dingen nodig om beweging te genereren:brandstof, lucht en ontsteking. Door meer lucht in een motor te proppen, zal het vermogen dat door de zuigers van de motor wordt gegenereerd, toenemen. Een al lang bestaande manier om dat te doen, en een die de laatste tijd steeds populairder wordt, is het gebruik van geforceerde inductie. U kent dit proces misschien beter door de onderdelen die het mogelijk maken -- turbochargers en superchargers.
In een geforceerde inductiemotor wordt lucht met een hogere druk dan normaal in de verbrandingskamer geperst, waardoor een hogere compressie en meer vermogen ontstaat bij elke slag van de motor [bron:Bowman]. Turbochargers en superchargers zijn in wezen luchtcompressoren die meer lucht in de motor duwen.
Geforceerde inductiesystemen werden gebruikt op vliegtuigmotoren lang voordat ze in de jaren twintig werden toegevoegd aan automotoren. Ze zijn vooral gunstig voor kleine motoren, omdat ze veel extra vermogen kunnen genereren zonder de motor groter te maken of een dramatische daling van het brandstofverbruik te veroorzaken.
Een goed voorbeeld is de Mini Cooper S met turbocompressor, die slechts een 1,6-liter motor heeft maar in sommige toepassingen meer dan 200 pk levert. Bovendien gebruiken high-performance auto's zoals de Porsche 911 Turbo of Corvette ZR-1 geforceerde inductie om enorme vermogenswinsten te behalen.
De nadelen? Auto's met turboladers hebben vaak premium benzine nodig. Dan is er nog het probleem van turbolag , waarbij de vermogenswinst niet wordt gevoeld totdat de turbocompressor met hogere omwentelingen per minuut (RPM) opspoelt. Ingenieurs hebben de afgelopen jaren beide nadelen helpen verminderen.
En nu de normen voor brandstofverbruik en emissie strenger worden, wenden veel autofabrikanten zich tot gedwongen inductie van kleinere motoren in plaats van grotere motoren te bouwen. Op de nieuwste Hyundai Sonata is bijvoorbeeld de topmotor die je kunt kopen niet langer een V6, maar een turbo-viercilinder.
Vervolgens bespreken we waarom carburateurs praktisch tot het verleden behoren dankzij brandstofinjectie.
Voordelen: Betere gasrespons, hoger brandstofverbruik, meer vermogen, gemakkelijker starten
Nadelen: Meer complexiteit en mogelijk dure reparaties
Decennialang was de carburateur de voorkeursmethode om brandstof en lucht te mengen en in de verbrandingskamer van de motor te brengen. Trap het gaspedaal in tot vol gas, en de carburateur laat meer lucht en brandstof in de motor toe.
Sinds het einde van de jaren tachtig zijn carburateurs bijna volledig vervangen door brandstofinjectie, een veel geavanceerder en effectiever systeem voor het mengen van brandstof en lucht. Brandstofinjectoren spuiten benzine in het luchtinlaatspruitstuk, waar brandstof en lucht zich vermengen tot een fijne nevel. Dat mengsel wordt tijdens het inlaatproces door kleppen op elke cilinder in de verbrandingskamer gebracht. De boordcomputer van de motor regelt het brandstofinjectieproces.
Dus waarom heeft brandstofinjectie de carburateur vervangen? Simpel gezegd, brandstofinjectie werkt gewoon beter in elk aspect. Computergestuurde motoren met brandstofinjectie zijn gemakkelijker te starten, vooral op koude dagen, wanneer carburateurs het lastig kunnen maken. Motoren met brandstofinjectie zijn ook efficiënter en reageren beter op veranderingen in het gaspedaal [bron:Automedia].
Ze hebben wel nadelen in termen van hun toegenomen complexiteit. Brandstofinjectiesystemen zijn ook duurder om te repareren dan carburateurs. Ze zijn echter de industriestandaard geworden voor brandstoftoevoer en het ziet er niet naar uit dat carburateurs snel een comeback zullen maken.
In dit volgende gedeelte bespreken we de volgende stap in brandstofinjectietechnologie die bekend staat als directe injectie.
Voordelen: Meer vermogen, lager brandstofverbruik
Nadelen: Duurder om te maken, relatief nieuwe technologie
Directe injectie is een verdere verfijning van de verbeteringen die door brandstofinjectie zijn aangebracht. Zoals je misschien al geraden hebt aan de hand van de naam, kan brandstofinjectie "een stap overslaan", wat de motor efficiënter maakt, en als gevolg meer vermogen en een lager brandstofverbruik.
Bij een motor met directe injectie wordt brandstof rechtstreeks in de verbrandingskamer gespoten, niet in het luchtinlaatspruitstuk. Motorcomputers zorgen er vervolgens voor dat de brandstof precies wordt verbrand waar en wanneer het nodig is, waardoor er minder afval ontstaat. Directe injectie zorgt voor een slankere brandstofmix, die efficiënter verbrandt. In sommige opzichten maakt het benzinemotoren meer vergelijkbaar met dieselmotoren, die altijd een vorm van directe injectie hebben gebruikt.
Zoals we eerder hebben geleerd, hebben motoren met directe injectie een hoger vermogen en een lager brandstofverbruik dan standaard brandstofinjectiesystemen. Maar ze hebben ook hun nadelen. Ten eerste is de technologie relatief nieuw en is deze pas in de afgelopen tien jaar op de markt gekomen. Steeds meer bedrijven beginnen meer gebruik te maken van directe injectie, maar het moet nog de standaard worden.
Soms kunnen motoren met directe injectie de opbouw van koolstofafzettingen op de inlaatkleppen vertonen, wat betrouwbaarheidsproblemen kan veroorzaken. Sommige autotuners hebben ook moeite met het aanpassen van motoren met directe injectie. Ondanks deze problemen is directe injectie momenteel de nieuwste technologie in de autowereld. Verwacht het in de loop van de tijd op steeds meer auto's te zien.
Laten we vervolgens eens kijken naar het gebruik van aluminium motorblokken versus ouderwetse ijzeren blokken.
Voordelen: Lichter gewicht leidt tot meer efficiëntie en betere handling
Nadelen: Kan kromtrekken bij hoge temperaturen
In de afgelopen jaren zijn auto's in veel opzichten in de richting van lichter geworden. Autofabrikanten zoeken naar manieren om het gewicht van een voertuig te verminderen om een lager brandstofverbruik en betere prestaties te genereren. Een van de manieren waarop ze dat hebben gedaan, is grotendeels door motoren van ijzer te vervangen door die van aluminium.
Jarenlang waren ijzeren motorblokken de industriestandaard. Tegenwoordig gebruiken de meeste nieuwe kleine motoren aluminium, hoewel veel grote V8-motoren nog steeds ijzeren blokken gebruiken. Aluminium weegt veel minder dan ijzer -- normaal gesproken weegt een aluminium motor de helft van wat een ijzeren motor weegt. Dat vertaalt zich in een algeheel lager gewicht voor de auto, wat een betere wegligging en een lager brandstofverbruik betekent [bron:Murphy].
Aluminium heeft echter enkele nadelen. Als metaal is het niet zo sterk als ijzer en kan het ook niet tegen hoge temperaturen. Veel vroege aluminium blokmotoren hadden problemen met kromtrekken van cilinders, wat leidde tot bezorgdheid over de duurzaamheid. Die problemen zijn echter grotendeels opgelost en aluminium heeft zich duidelijk laten gelden als de toekomst van motoren vanwege zijn gewichtsbesparende eigenschappen.
In dit volgende gedeelte zullen we het hebben over hoe nokkenassen een revolutie teweeg hebben gebracht in het motorontwerp.
Voordelen: Betere prestaties
Nadelen: Verhoogde complexiteit
U hebt waarschijnlijk de term "DOHC" of "dubbele bovenliggende nokkenassen" gehoord als iemand het over een motor heeft. De meeste mensen herkennen het als een wenselijke eigenschap om te hebben, maar wat betekent het? De term verwijst naar het aantal bovenliggende nokkenassen boven elke cilinder in de motor.
Nokkenassen maken deel uit van de kleppentrein . van uw auto , een systeem dat de stroom van brandstof en lucht naar de cilinders regelt. Gedurende vele decennia hadden auto's voornamelijk OHV-motoren, dat wil zeggen kopkleppen, ook wel "duwstangen" genoemd. De stoterstangen worden aangedreven door nokkenassen in het motorblok. Deze opstelling voegt massa toe aan de motor en kan de algehele snelheid beperken.
Bij een bovenliggende nokkenasopstelling is de nokkenas veel kleiner en wordt deze boven de cilinderkop zelf gestoken in plaats van in het motorblok. Er is er een op een SOHC-motor (enkele bovenliggende nokkenas), terwijl een DOHC-motor er twee heeft. Het voordeel van de opstelling met bovenliggende nokkenas is dat er meer in- en uitlaatkleppen zijn, wat betekent dat brandstof, lucht en uitlaatgassen vrijer door de motor kunnen bewegen, wat meer vermogen oplevert.
Hoewel veel autofabrikanten de pushrod-motoren hebben afgeschaft, hebben DOHC en SOHC ze nog niet helemaal verdrongen. Chrysler gebruikt nog steeds stoterstangen om veel vermogen te genereren voor hun Hemi V8-motoren; General Motors gebruikt ook pushrods op sommige van hun hightech, moderne V8's. Maar DOHC- en SOHC-motoren zijn sinds de jaren tachtig prominent aanwezig op motoren, vooral kleinere.
Het nadeel van bovenliggende nokkenassen is dat ze de complexiteit en de kosten verhogen. Merk je hier al een trend?
Vervolgens zullen we nog meer leren over hoe kleppen de prestaties beïnvloeden als we het hebben over variabele kleptiming.
Voordelen: Brandstofverbruik, flexibelere vermogensafgifte
Nadelen: Hogere productiekosten
Als je al bekend bent met Honda-motoren, heb je vrijwel zeker gehoord van de term VTEC. Mensen die hun Honda's afstemmen op prestaties, spreken vaak van "VTEC kicking-in". Maar wat houdt dat precies in?
VTEC verwijst naar variabele kleptiming en elektronische besturing van de lift, een vorm van variabele kleptiming. Er zijn momenten waarop een motor meer luchtstroom nodig heeft, zoals bij hard accelereren, maar een traditionele motor laat vaak niet genoeg lucht stromen, wat resulteert in lagere prestaties. Variabele kleptiming betekent dat de luchtstroom in en uit de kleppen wordt vertraagd of versneld indien nodig [bron:Autropolis].
Honda is niet het enige autobedrijf dat een dergelijk systeem aanbiedt. Toyota heeft er een die ze VVT-i noemen, voor variabele kleptiming met intelligentie, en BMW heeft een systeem genaamd Valvetronic of VANOS, wat staat voor variabele Nockenwellensteuerung, wat variabele nokkenasregeling betekent. Hoewel ze allemaal een beetje anders werken, vervullen ze allemaal dezelfde taak:meer lucht en brandstof in de kleppen laten met verschillende snelheden. Dit maakt een motor flexibeler en stelt hem in staat om onder verschillende omstandigheden topprestaties te leveren. Het verhoogt ook het brandstofverbruik.
Veel motoren hebben nu een of andere vorm van variabele kleptiming, vaak geregeld door de boordcomputer van de motor. We zullen in dit volgende gedeelte bespreken hoe motorcomputers een revolutie teweeg hebben gebracht in het ontwerp.
Voordelen: Brandstofverbruik, betere diagnose van problemen
Nadelen: Kosten, complexiteit
Een motor is een ongelooflijk geavanceerd apparaat. Het heeft tientallen bewegende delen en er vinden tal van verschillende processen tegelijk plaats. Daarom hebben moderne auto's alles geregeld door een boordcomputer die een motorregeleenheid of ECU wordt genoemd.
De ECU zorgt ervoor dat processen zoals ontstekingstijdstip, het lucht/brandstofmengsel, brandstofinjectie, stationair toerental en andere werken zoals het hoort. Het bewaakt wat er in de motor gebeurt met behulp van een reeks sensoren en voert elke seconde miljoenen berekeningen uit om ervoor te zorgen dat alles correct blijft werken. Andere computers in de auto regelen zaken als elektrische systemen, airbags, interieurtemperatuur, tractiecontrole, antiblokkeerremmen en de automatische transmissie.
Auto's zijn steeds meer gecomputeriseerd sinds de eerste diagnostische boordcomputers (OBD) in de jaren tachtig werden toegevoegd. Dat is de computer die verantwoordelijk is voor het "check engine"-lampje op uw dashboard. Een monteur kan een computer aansluiten op de OBD-poort en een idee krijgen van de probleemgebieden van uw auto. Ze kunnen OBD niet gebruiken om meteen te weten wat er mis is met je auto, maar het geeft ze een goed startpunt.
Door de motor efficiënter te laten draaien, kunnen motorcomputers resulteren in een lager brandstofverbruik en een eenvoudigere diagnose van problemen. Maar ze maken motoren ook veel gecompliceerder en kunnen ze lastig maken voor weekendmonteurs om aan te werken.
Volgende:Laten we eens kijken waarom dieselmotoren niet de rokerige, luidruchtige, energiezuinige oliebranders uit het verleden zijn.
Voordelen: Koppel, brandstofverbruik, schonere emissies
Nadelen: Brandstofkosten, lage RPM's, hogere initiële kosten
We hebben tot nu toe veel gesproken over benzinemotoren, maar hoe zit het met dieselmotoren? Diesels zijn nooit grote verkopers geweest in de Verenigde Staten. Ondanks hun superieure brandstofverbruik ten opzichte van vergelijkbare gasmotoren, denken veel Amerikanen nog steeds aan diesels als de luidruchtige, roetende, stinkende, onbetrouwbare motoren van de jaren zeventig en tachtig.
Dat is niet meer het geval. De moderne dieselmotor is krachtig, schoon en uiterst zuinig. De motoren van tegenwoordig gebruiken een laagzwavelige vorm van dieselbrandstof, en systemen in de auto helpen deeltjes en overmatige vervuiling te elimineren.
De diesels gemaakt door bedrijven zoals Volkswagen, Mercedes-Benz, BMW, Volvo en anderen hebben motorverbeteringen zoals turbolader, geavanceerde brandstofinjectie en computerbesturing om een rijervaring te bieden die zowel efficiënt is als een hoog koppel [bron:Bosch].
Dieselmotoren hebben enkele nadelen, voornamelijk hun lage toerental en de hogere kosten van dieselbrandstof. Maar aangezien velen van hen op de snelweg meer dan 17 kilometer per liter kunnen halen, hoeft de bestuurder veel minder vaak voor die brandstof te betalen. En als je je afvraagt of moderne diesels goede prestaties leveren, kijk dan niet verder dan de laatste paar races van de 24 uur van Le Mans, waar Audi domineerde met een dieselraceauto.
Ten slotte zullen we kijken naar de huidige leider in 'groene' auto's:de hybride motor.
Voordelen: Brandstofverbruik
Nadelen: Hogere initiële kosten, complexiteit
Een combinatie van hoge benzineprijzen, een groter milieubewustzijn bij chauffeurs en overheidsvoorschriften die het brandstofverbruik en de emissienormen verhogen, hebben ertoe geleid dat motoren meer dan ooit "groen" moeten worden. Een van de grootste motorverbeteringen die de afgelopen jaren zijn gebruikt om de efficiëntie te verhogen, is de hybride motor.
Hybriden waren tien jaar geleden een obscuur, maar nu weet iedereen hoe ze werken -- een elektromotor wordt gecombineerd met een traditionele benzinemotor om een hoog brandstofverbruik te bereiken, maar zonder de "bereikangst" van een elektrische motor, waarbij de chauffeur vraagt zich altijd af wat er zal gebeuren als een lading op is.
De Toyota Prius blijft de best verkopende hybride auto in Amerika. Het beschikt over een 1,8-liter viercilindermotor in combinatie met een elektromotor die 134 pk produceert. Bij lage snelheden werkt de elektromotor alleen, wat betekent dat de auto helemaal geen gas verbruikt. Op andere momenten ondersteunt het de benzinemotor. Het hele pakket krijgt ongeveer 50 mijl per gallon (21,3 kilometer per liter) in zowel de stad als de snelweg [bron:AOL Autos].
Hybriden zoals de Prius vertegenwoordigen de nieuwste evolutie op het gebied van interne verbrandingstechnologie. Hoewel hun voordelen in de vorm van brandstofefficiëntie komen, zijn er ook enkele nadelen. Hybriden hebben hogere initiële kosten dan hun niet-hybride tegenhangers, en sommigen hebben beweerd dat gas veel duurder moet zijn dan het nu is (hoe ongelooflijk dat ook mag klinken) voordat de bestuurder de extra kosten van de hybride auto terugverdient.
Het is echter duidelijk dat motoren neigen naar lagere emissies en een lager brandstofverbruik. Hoewel alleen elektrische auto's steeds gebruikelijker worden, is het duidelijk dat de verbrandingsmotor nog nergens heen gaat. Het zal gewoon blijven evolueren om steeds beter te worden, net zoals het is sinds de dagen van het Model T.
