Automotoren · Grondbeginselen9 min leestijd

Waarom motoren het grootste deel van hun brandstof verspillen

Vul de tank van een auto, en van elke honderd euro aan brandstof zet ruwweg zeventig euro de auto geen millimeter vooruit — ze verwarmen de straat. Dat is geen slordig ontwerp: het is een natuurwet met een getal eraan vast, en de hele geschiedenis van het motorontwerp is de strijd om daar een paar procent van terug te veroveren.

De brandstofrekening

Benzine is verbluffend spul. Eén kilogram bevat zo'n 44 MJ aan chemische energie — genoeg om een gezinsauto een kilometer recht omhoog te tillen. Een gewone automotor die die brandstof omzet in beweging, haalt op een goede dag ruwweg 30%: van elke liter die je koopt, wordt minder dan een derde omgezet in afgelegde afstand. De dieselmotor van een groot schip doet het beter, met zo'n 50%, de beste Formule 1-power units komen met hybride hulp in de buurt van datzelfde cijfer, en je eigen benen, ter vergelijking, draaien op zo'n 25%.

De voor de hand liggende vraag is waarom. Niet "waarom is mijn auto zo lui" — waarom gooit elke warmtemotor, van een grasmaaier tot een energiecentrale, het grootste deel van zijn energie weg? Het antwoord komt in twee delen: waar de energie fysiek naartoe gaat, en het plafond dat zegt dat een groot deel daarvan wel moest verdwijnen.

Waar de energie heen gaat

Brandstof verbranden in een cilinder maakt gas van ruim boven de 2.000 °C. De zuiger onttrekt daar arbeid aan terwijl dat gas uitzet en afkoelt — maar die uitzetting moet stoppen zodra de zuiger het einde van zijn slag bereikt, en op dat moment is het uitlaatgas nog altijd enkele honderden graden heet. Alle warmte die daar nog in zit, verlaat de motor onomgezet via de uitlaatpijp. Dat alleen al is zo'n derde van de brandstof.

Nog een derde lekt zijwaarts weg: cilinderwanden, cilinderkop en zuigerbodem zouden smelten als ze niet gekoeld werden, dus voeren koelvloeistof en olie de warmte af naar de radiateur en lozen die in de lucht. En het laatste stukje — minder dan een tiende — gaat op aan de motor die tegen zichzelf wrijft en lucht heen en weer pompt langs een half gesloten gasklep.

Waar 100 eenheden benzine-energie terechtkomen in een gewone automotor op kruissnelheid. Het groene stuk is het enige deel dat de auto vooruit beweegt.

Waarom 100% onmogelijk is

Hier komt het diepere punt. Een warmtemotor levert alleen arbeid zolang warmte stroomt van iets heets (het brandende gas) naar iets kouds (de buitenlucht). Arbeid wordt aan die stroom onttrokken — en een stroom moet ergens naartoe. Als het uitlaatgas de motor op omgevingstemperatuur zou verlaten, zonder nog warmte mee te voeren, zou de stroom stilvallen, en de motor met hem. Die afgevoerde warmte is geen gebrek; het is de toegangsprijs. Dit is de tweede hoofdwet van de thermodynamica in een overall.

Hoe groot die prijs is, wordt bepaald door temperaturen: hoe heter de verbranding en hoe kouder het uitlaatgas, hoe groter het deel van de stroom dat je kunt onderscheppen. Daarom gaat elk gesprek over rendement eigenlijk over temperatuur — en daarom is de compressieverhouding, die bepaalt hoeveel het gas uitzet en afkoelt voordat de uitlaatklep opengaat, het belangrijkste getal van de hele motor.

Het echte plafond: Carnot en Ottovoor ingenieurs

Het theoretische maximum voor elke warmtemotor die werkt tussen een hete bron op $T_h$ en een koude put op $T_c$ (in kelvin) is het Carnotrendement:

\eta_{\text{max}} = 1 - \frac{T_c}{T_h}

Piekverbranding bij ~2.500 K tegenover een omgeving van ~300 K geeft een plafond van 88% — de tweede hoofdwet alleen is dus niet wat een benzinemotor tot 30% beperkt. De strakkere grens ligt in de vorm van de cyclus zelf. Voor de geïdealiseerde ottocyclus hangt het rendement alleen af van de compressieverhouding $r$ en de verhouding van de soortelijke warmten van het gas $\gamma \approx 1.35$ :

\eta_{\text{Otto}} = 1 - r^{\,1-\gamma}

Dat levert 48% op bij $r = 8$ en 56% bij $r = 12$ — nog vóór aftrek van de verliezen uit de echte wereld (eindige verbrandingstijd, warmteverlies aan de wanden, wrijving, pompverlies), die een productiemotor terugbrengen tot zo'n 30–38%. De vergelijking zegt: verhoog $r$ . De brandstof zegt: verhoog hem te ver, en het mengsel detoneert vóór de vonk — motorkloppen. Benzinemotoren leven vastgeklemd tegen die grens, en precies dat kun je voelen in de ontstekings- en kloppendemo.

Hoe ingenieurs elk procentpunt najagen

Zodra je de verliezen ziet, leest elke moderne motortechniek als een aanval op één ervan. Turbo's recyclen uitlaatwarmte die toch al zou weglekken, en gebruiken die om meer lucht naar binnen te persen. Magere en dieselmotoren draaien met overtollige lucht, die kouder verbrandt maar nuttiger uitzet — het rendement piekt bij een mengsel dat magerder is dan het "perfecte", zoals de lucht-brandstofdemo laat zien. Hybrides pakken het probleem van buiten de cilinder aan, door remenergie op te vangen die anders door wrijving in warmte was veranderd. En scheepsmotoren spelen vals met schaal: enorme cilinders verliezen verhoudingsgewijs minder warmte door hun wanden, en bij 100 tpm is er tijd om het gas bijna volledig te laten uitzetten — en zo halen ze 50%.

Elektromotoren zetten, ter vergelijking, opgeslagen elektriciteit om in beweging met een rendement van 90%+ — het zijn geen warmtemotoren, dus de prijs van de tweede hoofdwet geldt voor hen nooit. De warmtemotor-vraag verschuift dan gewoon de kabel op, naar welke energiecentrale de accu ook heeft opgeladen.