Fysica: wat betekend koppel en vermogen? Hoeveel invloed heeft tuning hierop?

Wil men begrijpen wat tuning inhoudelijk bevat is het belangrijk een duidelijk inzicht te hebben op de achtergrond hiervan.

Bent U leek in fysica? Klik dan hier : http://www.bull-power.be/nl/faq/1243/wat-is-nu-het-verschil-tussen-koppel-en-vermogen

Bent U meer wetenschappelijk van aanleg : hierna een "vereenvoudigde wetenschappelijke" uitleg:

Het vermogen van een verbrandingsmotor wordt uitgedrukt in kW (of nog eventueel PK : 1PK = 1kW x 1,36). Het koppel van een motor wordt uitgedrukt in Nm (of nog eventueel kgm = 1kgm = 1N x 9,81).

Vermogen (Watt) word ontwikkeld door een zekere hoeveelheid energie (=arbeid) in een bepaalde tijd te laten vrij komen. 1 Watt is het ontwikkeld vermogen wanneer de arbeid van 1 Joule wordt geleverd in 1 seconde. 1kW = 1000 Watt.

• Massa : elk stoffelijk voorwerp heeft een massa. Het gewicht ervan wordt bepaald door de aantrekkingskracht van bvb. onze welbekende blauwe planeet : de aarde. Dat gewicht wordt uitgedrukt in kilogram (kg). De aantrekkingskracht van onze aarde is thv Europa ca. 0,981m/s².
• Kracht : een kracht word ontwikkeld wanneer een massa uit haar rust- of bewegingstoestand wordt gehaald. Een kracht is dus een vectoriële grootheid. Haar eenheid wordt uitgedrukt in newton (N). 1 newton is de kracht die aan een lichaam met een massa van 1kg, een versnelling van 1 meter per secondekwadraat geeft. 1N = 1kg x 1m/s²
• Arbeid word veroorzaakt door de afgelegde weg van de kracht. De eenheid van arbeid is Joule (J). De Joule is de arbeid die wordt verricht wanneer het aangrijpingspunt van een kracht van 1 newton zich 1 meter in de richting van de kracht verplaatst : 1J = 1Nm.
• Vermogen wordt niet alleen bepaald door de arbeid maar ook van de tijd waarin deze arbeid wordt verricht. 1 watt word ontwikkeld wanneer een arbeid van 1 joule (=1Nm) wordt geleverd in 1 seconde. 1W = 1Nm/sec.

Het vermogen van een motor wordt bepaald thv het vliegwiel en dit volgens vastgelegde normen (bvb. DIN). Maar dat vermogen komt pas tot stand als er binnen een bepaalde tijd een arbeid of maw een koppel werd geleverd. Dat koppel wordt bij een motor veroorzaakt door een (verbrandings-) druk uit te oefenen op het oppervlak van de zuiger. Deze druk wordt dus via de zuiger, drijfstang en de krukas overgebracht naar het vliegwiel. Hoe groter de zuiger (en zuigerslag) en hoe groter die (gemiddelde) druk, hoe meer koppel die motor kan leveren. Het koppel wordt dus beïnvloed door de cilinderinhoud van 1 cilinder, het aantal beschikbare cilinders en de gemiddelde druk erin. Hoe sneller dat koppel werkt, hoe meer vermogen er beschikbaar zal zijn op de krukas. Het vermogen van een motor is dus rechtsreeks afhankelijk van het beschikbare koppel bij een toerental x het aantal toeren van dat beschikbare koppel binnen een bepaalde tijd.
Dit geeft dus aanleiding tot de volgende (vereenvoudigde) formules:

p =  2 x pi x m x n x 1,359623/60000         
of        
m =  (p x 60000) /(2 x 1,359623 x pi x n)

Gebruik de formules online, klik hier.

p = vermogen (uitgedrukt in de bekende PK's, moet normaal kW of Kilowatt zijn)
pi = 3,141592654 (als de motor draait beschrijft de krukas een cirkel!)
2 = 2 krukastoeren bij 1 volledige arbeidsduur (4-takt)
m = koppel in Newtonmeter (Nm)
n = krukastoerental uitgedrukt in toeren per minuut (tr/min.)
1,359623 = omzetting van kW naar PK's
60 = 60 sec. = 1 minuut (toeren per minuut) (1W=1Nm/s)
1000 = omzetting van 1000 Watt naar 1 kW.


De gemiddelde druk op een zuiger wordt beïnvloed door de "grootte" van verbranding. Een verbranding is het gevolg van een vermenging van lucht met een brandstof en dit nadat het onder de juiste voorwaarden tot ontbranding werd gebracht. De beschikbare lucht is dus van groot belang. Deze beschikbare lucht komt in de verbrandingskamer via de inlaatklep(pen). Deze kleppen worden doorgaands nog bediend dmv een nokkenas. Deze as draait aan halve snelheid van de krukas omwille we hier spreken over 4-takt motoren. Gezien de nokkenas heden ten dagen nog meestal een vast gegeven is, zal zij een profiel van de constructeur meekrijgen met een zo goed mogelijke cilindervulling over een vrij breed toerental. Door de inertie van lucht zal er een optimale cilindervulling plaats hebben bij slechts een beperkt toerentalgebied. Bij hoger of lagere toerentallen zal dus de cilindervulling geringer zijn. Door dit gegeven hebben hedendaagse motoren momenteel nog steeds een koppelcurve ipv een koppelrechte. Deze koppelcurve bereikt doorgaands haar maximum daar waar de cilindervulling optimaal is. Het maximum vermogen wordt bereikt bij een hoger toerental dat in de buurt ligt van het dubbele toerental tov daar waar het maximum koppel werd bereikt. Doordat de cilindervulling al een stuk geringer is zal dus het koppel op dat toerental een stuk lager zijn dan daar waar het zijn maximum bereikte. Indien men het motortoerental nog verder opvoert, zal de cilindervulling danig veel verslechteren dat dit geen vermogenstoename meer toelaat : de vermogencurve daalt dan.

De maximum prestaties van een auto wordt dus o.a. beïnvloed door de koppelcurve (en de daaruit af te leiden vermogencurve). Maar niet alleen dit. Ook de versnellingsbakverhoudingen, het aantal versnellingen, de eindreductie, de omtrek van de aandrijvende wielen, het gewicht en de omvang van het voertuig spelen hierbij een grote rol. Een wagen bied nu eenmaal een bepaalde weerstand bij een bepaalde snelheid. Hoe hoger die snelheid, hoe groter die weerstand wordt (neemt kwadratisch toe). Men kan dus 2 ogenschijnlijke vergelijkbare wagens niet zomaar gaan vergelijken zonder hun versnellingsbak(verhoudingen) te beoordelen. Men kan dit dus eigenlijk wel indien men dit wel doet, althans bij benadering. Moderne turbodieselmotoren beschikken bij een gelijkblijvend vermogen tov een benzinemotor doorgaands over een veel beter koppel. Maar ondanks ligt de prestaties van de turbodieselwagen net iets lager tov van zijn benzinebroer met gelijk vermogen. Hoe komt dat? De reden is vrij eenvoudig. Daar bij een turbodieselmotor zijn maximumtoerental nog steeds wat beperkter is dan zijn benzinecollega, dient men de versnellingsbak verhouding wat "langer" te maken (indien men eenzelfde topsnelheid wil behalen). Dat "langer" betekent dat de motor trager zal draaien bij een zelfde snelheid. Tot hier geen verschil want beide leveren nu hetzelfde maximum vermogen op het wegdek (hoogste versnelling, aan topsnelheid). Maar de tussenliggende versnellingen dienen "verder" uit elkaar te liggen wil men een zelfde topsnelheid blijven behouden. Dit heeft als gevolg dat het toerentalval bij de turbodieselmotor tijdens het veranderen (vergroten) van versnelling groter is in de tussenliggende versnellingen. Bovendien is een turbodieselm tor ook iets zwaarder dan zijn benzine collega. Pas nadat we deze verschillen zullen omrekenen kan men aldus een beter vergelijk maken. Als U bovenstaande tekst goed begrepen heeft zal het U dus opvallen dat de prestaties afhankelijk zijn van het beschikbare vermogen ter hoogte van het contactvlak van de aandrijvende wielen tov het wegdek, en dus niet alleen door het beschikbare vermogen aan het vliegwiel van de motor. Om beide wagens met elkaar perfect te kunnen vergelijken zou men dus alle vermogenscurves in alle versnellingen moeten kunnen vergelijken. In de praktijk is met een turbodieselmotor het doorgaands aangenamer rijden wegens reeds een vrij groot beschikbaar vermogen bij laag toerental (beter bekend als "koppel"). Hierdoor kan men toch vlot hernemen bij laag toerental en kan men in dezelfde versnelling blijven verder rijden, terwijl er met de benzinemotor er best word teruggeschakeld.