Lammert's Weblog

Het vriest hier. ‘s Nachts zo’n 20 graden, maar overdag blijft het ook nog ver beneden het vriespunt. Ondanks die vrieskou zijn we geregeld op stap met onze auto en hij is prima bestand tegen deze omstandigheden. Zelfs de kachel hoeft nog niet op zijn maximale stand, wat wel wat zegt over de weersomstandigheden waar de ontwerpers rekening mee hebben gehouden.

Toch zien we hier vrij veel auto’s rondrijden waarvan de eigenaar de grille heeft dichtgeplakt met kartonnen dozen, plasticzakken of wat hij maar thuis kon vinden. Het gekke is dat het hier meestal auto’s betreft waarbij dat niet nodig is, zoals Audi’s. Het tegen de kou beschermen van de motor stamt nog uit de oude tijd. Auto’s van origineel Sovjet ontwerp hebben een dergelijke aanpassing vaak nodig, maar voor moderne automobielen is het volstrekt overbodig. Een kleine uitleg is denk ik op zijn plaats.

Een verbrandingsmotor werkt op basis van het principe dat een brandstof (benzine, gas of dieselolie) in een kleine ruimte gecontroleerd tot ontbranding wordt gebracht. De mini-explosie die hierdoor ontstaat drijft een zuiger naar boven. Tijdens deze opgaande beweging wordt een zuiger in een andere cylinder in positie gebracht zodat daar een nieuwe ontploffing kan plaatsvinden. Een serie van ontploffingen levert op- en neergaande zuigers op die via een krukas hun beweging omzetten in een draaiende beweging. Die draaiende beweging drijft vervolgens de auto aan.

Een verbrandingsmotor kan nooit met een rendement van 100% werken. Er zijn fysische wetten die dat beletten en met moderne motoren lukt het om iets meer dan veertig procent van de energie die vrijkomt om te zetten in nuttige beweging. De overige zestig procent wordt omgezet in warmte. Dit betekent, dat bij elke kilowatt aandrijfvermogen een motor ongeveer anderhalve kilowatt afvalwarmte levert. Dat is nogal wat.

Een reguliere auto heeft ongeveer 30 pk aandrijfvermogen nodig om een snelheid van 120 kilometer per uur te handhaven. Uiteraard verschilt dit afhankelijk van het model en gewicht van de auto, maar het is een goed uitgangspunt van deze rekenactie. 30 pk komt overeen met ongeveer 22 kilowatt aandrijfvermogen. Een auto die 120 kilometer per uur rijdt produceert dus in zijn motor 33 kilowatt aan warmte.

Hoeveel is 33 kW? Het lijkt een abstract getal, maar dat valt wel mee. Een elektrische bijzetverwarming levert ongeveer 2 kW. Een kleine gashaard voor bijvoorbeeld een keuken 6 kW en een gashaard voor een grote kamer 10 kW. Een centrale verwarmingsinstallatie tenslotte waarmee een compleet huis kan worden verwarmd zal rond de 20 kW kunnen genereren aan warmte.

Dus resumerend, een 120 kilometer per uur rijdende auto produceert in zijn motor meer afvalwarmte, dan een reguliere centrale verwarmingsinstallatie voor een woonhuis. Dat is nogal wat. Nu zullen de auto’s in de winter hier in Kazachstan geen 33 kW produceren aan warmte, want de snelheid ligt gezien de weggesteldheid meestal niet boven de vijftig kilometer per uur. Maar tien tot vijftien kilowatt zal er altijd wel vrijkomen en dat is nog steeds een hele hoop. Wat gebeurt er nu met al die energie die vrijkomt?

Allereerst is er natuurlijk de nuttige inzet van die energie om de ruimte te verwarmen waar de bestuurder en de passagiers zitten. Ondanks dat die ruimte rondom voorzien is van enkel glas, de rest van het omhulsel uit niet veel meer bestaat dan wat blik met een plastic binnenwerk en de koude wind langsraast met dezelfde snelheid als de auto rijdt, komt er zoveel restwarmte vrij uit de motor dat het gemakkelijk lukt om die ruimte binnen enkele minuten op temperatuur te krijgen.

De afvalwarmte die een motor genereert is zo groot, dat het restant moet worden vernietigd, dat wil zeggen dat het op onschadelijke wijze aan de omgeving wordt overgedragen. Praktisch alle verbrandingsmotoren zijn hiertoe voorzien van een waterkoeling. In het motorblok bevindt zich een doolhof van kanalen waardoor water—of liever een koelvloeistof die niet gemakkelijk bevriest—stroomt om de overtollige energie van het verbrandingsproces af te voeren. Een deel van die warme vloeistofstroom wordt naar de kachel geleidt, de weg die de overige vloeistof aflegt is afhankelijk van de complexiteit van het koelsysteem. Hier is waar de kartonnen afscherming van de radiator in beeld komt.

Bij de oude Sovjet ontwerpen—zoals onze Zil vrachtwagen of de Oeazik legerjeep van mijn schoonouders—stroomt de koelvloeistof standaard naar de radiator. Daar wordt hij gekoeld door de rijwind. Als de auto sneller rijdt zal er meer rijwind ontstaan waardoor er een automatische compensatie is voor het extra koelvermogen dat nodig is bij snel rijden. De ingenieurs zijn hierbij uitgegaan van een gemiddelde buitentemperatuur. Bij extreme omstandigheden moet de chauffeur maatregelen nemen. Eén van die extreme omstandigheden waar de ontwerpers wel altijd rekening mee hebben gehouden is stilstand. Wanneer een auto stil staat is er geen sprake van rijwind. Toch genereert een motor nog behoorlijk wat restwarmte wanneer hij op stationaire snelheid loopt. Hiertoe hebben dergelijke auto’s een ventilator die direct door de krukas, of via een V-snaar wordt aangedreven. De snelheid waarmee de ventilator draait is evenredig met de omwentelingssnelheid van de motor.

‘s Zomers moet een chauffeur alert zijn op oververhitting van de motor. Vaak rijden Zil vrachtwagens dan met de motorkap een centimeter of vijf open zodat er extra lucht wordt gehapt. De oude bussen waar de motor achterin is geplaatst hebben een zijdeur die kan worden opengezet tegen de rijwind in. Zo wordt er tijdens het rijden extra lucht geschept. ‘s Winters moet de rijwind beperkt worden om te extreme koeling via de radiator te voorkomen. In dat geval sluit men (een deel van) de radiator af met een stuk zeil, karton of wat maar voor handen is.

Moderne complexere ontwerpen van koelsystemen verschillen op twee manieren van de oude Sovjet ontwerpen. Ten eerste is de koelventilator niet vast aan de krukas bevestigd, maar wordt die aangedreven via een elektromotor. De elektromotor reageert op de temperatuur in de radiator. Overschrijdt die een kritische grens (vaak ingesteld op ongeveer negentig graden) dan schakelt de ventilator aan en genereert kunstmatige rijwind. Dit heeft twee voordelen. Ten eerste werkt de ventilator alleen wanneer dat nodig is waardoor de temperatuur van de koelvloeistof constanter blijft. Bovendien zorgt een elektrische ventilator voor minder benzineverbruik. In een artikel over het afstellen van motoren in oude Rover modellen op internet las ik laatst dat de vaste ventilator die op die Rover motoren zit maar liefst 7 pk aandrijfvermogen kost. Dat betekent dat een apparaat dat je meestal niet nodig hebt wel altijd een hoop benzine opslorpt.

Een tweede uitbreiding in moderne koelsystemen is de thermostaatklep. Zoals gezegd stroomt bij het eenvoudigste ontwerp van een koelsysteem de koelvloeistof altijd door de radiator. Bij een complexer koelsysteem is een thermostaatklep ingebouwd die de toevoer naar de radiator regelt. Bij koude koelvloeistof stroomt het direct terug het motorblok in. Alleen wanneer de koelvloeistof een bepaalde temperatuur overschrijdt wordt de thermostaatklep naar de radiator geopend. Bij de meeste verbrandingsmotoren is de thermostaatklep zo afgesteld dat bij ongeveer 80 graden alle koelvloeistof via de radiator loopt.

Wat betekent dit nu voor de kartonnen afscherming van de radiator bij moderne motoren? De ventilator zal ‘s winters sowieso niet werken, en er zal alleen koelvloeistof naar de radiator stromen als dat nodig is om overtollige warmte af te voeren. Met andere woorden, die afscherming heeft weinig tot geen effect. De watertemperatuur van onze Lada Zhiguli blijft volgens de meter constant op 80 graden, ongeacht de weersomstandigheden, en ondanks het feit dat de rijwind vrij spel heeft.

En die kartonnen dozen en zakken? Ach, een overblijfsel uit oude tijden. Echt schadelijk is het niet zolang de motortemperatuur maar niet te hoog wordt, al blijft het wel een lachwekkend gezicht wanneer je een Audi langs ziet rijden waarvan de grille is volgepropt met plastic zakken.