Van constructeurs in de autosport tot tuners: ze gebruiken vrijwel allemaal diffusers om uiteenlopende redenen. Het gaat bij deze dingen dus niet om louter esthetische overwegingen, maar waarom dan wel? Autoblog legt het uit.
Een woordje vooraf
In de autosport worden diffusers al decennialang gebruikt, maar ook autofabrikanten en tuners vinden het maar wat interessant om modellen (al dan niet achteraf) met zo’n gapend gat aan de achterzijde uit te rusten. Je ziet de term ‘diffuser’ dan ook in menig artikel voorbijfietsen, wat voor schrijver dezes aanleiding was om er eens in te duiken en toe te lichten waar die dingen precies voor dienen.
Let wel: ik heb geen graad in de natuur- of wiskunde. Aerodynamica is echter bijzonder complexe materie en het is bijna onmogelijk om alle relevante zaken in één artikel uiteen te zetten. De uitleg zal dan ook een basale weergave van de werkelijkheid worden, maar daar kunnen we een heel eind mee komen. Let maar eens op.
De Wet van Bernoulli
Voor een begrip van de werking van diffusers is het bittere noodzaak om er toch wat natuurkunde bij te betrekken. U wordt nog steeds zwetend wakker dankzij die formules in het artikel over CW-waardes? Heb geen vrees, we laten ze ditmaal achterwege.
Deze wet van Bernoulli komt op het volgende neer: hoe sneller een stromend medium stroomt, hoe lager de druk is. Bij natuurkundigen springen de tranen in de ogen van deze uitleg, maar dat vergeten we nu voor het gemak even. Dit verschijnsel wordt ook wel uitgedrukt als het Venturi Effect.
Onderstaande schematische weergave verduidelijkt dit effect. In het dikke gedeelte is de stroomsnelheid lager en de druk hoger (zie het gevulde buisje). In het dunne gedeelte is de stroomsnelheid hoger en de druk lager (zie het iets minder gevulde buisje).
Die lage druk is precies waar fabrikanten naar op zoek zijn, als ze gebruik maken van diffusers. Tijd om uit te leggen waarom dat precies zo is.
Vlakke bodems
Lage druk onder de auto, betekent dat deze als het ware naar het wegdek toe wordt gezogen. Volgens de Wet van Bernoulli moet de stroomsnelheid van de lucht onder de auto dus ook omhoog.
Het vlak maken van de bodem is wat dat betreft al een mooie start. Wielophangingen, transmissie, oliecarter en andere zaken die aan de onderkant van de auto uit kunnen steken verstoren de luchtstroom. Daarom worden steeds meer auto’s uitgerust met een vlakke bodem, die de lucht onder de auto geen strobreed in de weg legt. Da’s niet alleen goed voor het creëren van neerwaartse druk, maar natuurlijk ook voor de luchtweerstand. Check hieronder de onderzijde van een Gumpert Apollo. Da’s inderdaad plat.
De lucht onder deze Apollo ondervindt geen obstakels op weg naar de achterzijde van de auto en stroomt alleen daardoor al sneller, wat weer resulteert in lagere druk. Bovendien kan de lucht niet ontsnappen door gaten en kieren in de onderzijde van de auto.
Diffusers
De vlakke bodem hebben we gecoverd, door naar waar het allemaal om draait in deze special. De diffuser is dusdanig vormgegeven dat de lucht onder de auto nog verder wordt versneld. Hoe doen die dingen dat? Kijk hieronder eerst even naar een schematische weergave van de diffuser en de bijbehorende luchtsnelheid. Voor de goede orde: de achterzijde van de auto bevindt zich rechts op het plaatje.
Zoals je kunt zien is de diffuser een schuin oplopend vlak onder de achterzijde van de auto, die als het ware een leemte creëert. Deze leemte wordt opgevuld door de luchtstroom die onder de auto doorloopt, waardoor diezelfde luchtstroom nog verder wordt versneld. Pakken we de Wet van Bernoulli erbij, dan betekent dit dat de druk onder de auto dus lager wordt.
Dit ‘vacuüm’ zuigt de auto naar het wegdek die daardoor bijvoorbeeld harder door een bocht kan, et voilà: da’s het grote nut van diffusers. Lang verhaal kort: de diffuser heeft een aanzuigende werking op de luchtstroom onder de auto. Deze wordt daardoor versneld, waardoor de druk onder de auto wordt verlaagd en deze naar het wegdek wordt gezogen. Dit resulteert in grip, waardoor wagens hogere g-krachten aankunnen. Bovendien geldt (tot op zekere hoogte, zie comments): hoe groter de diffuser, hoe groter de aanzuigende werking.
Een groot voordeel van het opwekken van downforce middels diffusers is dat de luchtweerstand er niet onder te lijden heeft. Grote vleugels zoals op Formule 1-auto’s resulteren in CW-waardes waar zelfs een Hummer H2 nog niet bij in de buurt komt, maar diffusers kennen dit nadeel niet. Overigens genereert een F1-auto zo’n 50% van z’n downforce met behulp van de aerodynamica ónder de auto, dus de diffuser en de vlakke bodem.
Pakken we er nog een plaatje bij, dan zien we dat er verschillende verticale schotten zijn geplaatst in de diffuser van deze Formule 1-racert. Die schotten dienen eigenlijk maar één doel en dat is het in de juiste richting dirigeren van lucht, zodat deze geen vrij spel heeft en de aanzuigende werking weer wordt vergroot. Zonder deze schotten zou er mogelijk turbulentie kunnen ontstaan, wat de werking van de diffuser niet ten goede komt.
Excessen in de autosport.
Eén en ander kan mooi worden geïllustreerd aan de hand van een paar fraaie voorbeelden uit het verleden. De Brabham BT46 hieronder had een enorme ventilator aan de staart van de auto zitten die zogenaamd was bedoeld om hete lucht uit de motorruimte te zuigen.
Dat was een fopje van ontwerper Gordon Murray om de concurrentie en de FIA met een kluitje het riet in te sturen, want het bestaansrecht van dit wanstaltige gedrocht had alles te maken met de lucht onder de auto. De draaisnelheid van deze fan was afhankelijk van het toerental en zoog de lucht daardoor nog harder onder de auto weg.
Gevolg: lagere druk onder de auto, die nog harder naar het asfalt werd gezogen en veel hogere G-krachten trok dan de rest van het veld. De techniek werkte als een zonnetje en werd dus ook meteen verboden. Zo gaat het dan wel weer, in de Formule 1. Ter illustratie: dat de fansnelheid afhankelijk was van het toerental, betekende dus dat de auto zelfs stilstaand naar beneden dook zodra het gas werd ingetrapt.
Nog een voorbeeld is de ronduit bizarre Chaparral 2J. Deze CanAm-auto werkte volgens hetzelfde principe als de Brabham en reed eveneens de concurrentie op een hoopje. Helaas gooide de gebrekkige mechaniek regelmatig roet in het eten, waardoor deze aparte maar vooruitstrevende creatie geen échte winnaar werd.
Recentere voorbeelden
Als we het over diffusers hebben, mogen de creaties van Brawn en Red Bull in de Formule 1 natuurlijk niet worden vergeten. In de hoogste (kapot gereguleerde) klasse van de autosport is het zaak om juist de mazen in het reglement te vinden, die ruimte bieden voor vindingrijke oplossingen.
Zodoende kwam Brawn GP in 2009 met een ‘dubbele diffuser’ op de proppen, die een aanmerkelijk voordeel bood. Jenson Button werd er zelfs kampioen mee. Red Bull domineerde enkele jaren later de racerij met hun geblazen diffuser, die middels het gebruik van uitlaatgassen de aanzuigende werking vergrootte.
Splitters
We hebben het nu vooral over diffusers die aan de achterzijde van auto’s worden gemonteerd, maar aan de voorkant gebeurt ook het nodige op aerodynamisch vlak. Zogeheten splitters zijn horizontale platen die de lucht als het ware splitsen (hence the name…). Het gaat wat ver om de werking van deze onderdelen nu ook gedetailleerd te beschrijven, maar het komt neer op het volgende.
De lucht wordt zoals gezegd gesplitst in twee stromen. De druk in de ene stroom is hoger (want lagere stroomsnelheid) en in de andere weer lager (want hogere stroomsnelheid). Zodoende werkt een splitter dus op vergelijkbare wijze als een diffuser. Check voor een mooi voorbeeld deze Audi RS6 DTM, die ooit toebehoorde aan Jon Olsson.
Tot slot
Wellicht ten overvloede, maar dit verhaal is slechts een zeer beknopte uitleg om de werking van diffusers te verduidelijken. Compleet? Nog niet een beetje. Wetenschappelijk verantwoord? Ook al niet. We hopen louter en alleen dat het begrip ‘diffuser’ in het vervolg geen holle term meer is, voor zover daar al sprake van was natuurlijk.
Graag meer van dit
Prima artikel, duidelijk uitgelegd waardoor het zelfs voor mij duidelijk is!!
Heb ik een biertje verdient?
@henkhupelschoten: Wat mij betreft wel, maar dan niet voor je spelling ?
@escort77: Oeps….
Naast de diffuser die zorgt voor meer downforce of een lagere CW waarde, zorgt platte bodemplaat iet alleen voor betere wegligging. Maar ook voor grote energie besparing.
Op veel A & B segmenters is er bespaard op die platte onderplaat, en valt er zeker als je veel kilometers veel winst te halen om die alsnog een onderplaat te monteren.
Besparingen kunnen namenlijk oplopen tot 15%!
De jongens van http://corellian.nl/ zijn bezig met aluminium of carbon aftermarket platen, die ze verwachten te verkopen aan leasemaatschappijen of grote wagenparkbeheerders.
De Aerodynamica onder onze auto’s heeft dus veel meer invloed op ons verbruik, dan we in eerste instantie zouden denken.
@martinus: Ik denk dat er een grote aftermarket ecotuning scene gaat ontstaan. Dus die gasten van Corellian zitten in een groeiende markt. Wellicht een idee om daarin te investeren i.p.v. je spaarrekening. *En nee, ik ben niet verbonden met Corellian.*
@AutomotiveDesigner: Ik ben bang dat als deze aftermarket eco-kits voor kleine modellen populair worden, dat ze dan gewoon als optie zullen verschijnen op de optielijst
van grote fabrikanten.
Verkoop en assemblage door de autofabrikant biedt gewoon gigantische schaalvoordelen die correlian niet heeft.
Tenzij correllian het schopt tot leverancier van de grote autobedrijven, heb je dan gewoon veel risico dat je concurrentiekracht of afzetmarkt instort..
@martinus: Autofabrikanten zijn bijna verkapte montagebedrijven.
Leuk artikel, maar wat ik niet begrijp is de mededeling dat de lucht door de diffuser wordt versneld. De lucht krijgt daar meer ruimte en zal dus vertragen ipv versnellen. De bulk van de neerwaartse kracht zit hem volgens mij in het feit dat de lucht omhoog getrokken wordt. Hierbij geldt actie = -reactie, waardoor de auto omlaag getrokken wordt. Het is wel zo dat je op deze manier een lagedrukgebied creeert onder de diffuser, wat meer lucht onder de auto door trekt en zo de stroomsnelheid onder de auto vergroot. Dit geeft inderdaad extra downforce.
Het vlak maken van de bodem zorgt voor lage luchtweerstand onder de auto wat leidt tot hogere luchtsnelheid aldaar, dit an sich leidt ook al tot meer downforce/minder opwaartse kracht.
@100pk: de lucht in de diffuser wordt inderdaad vertraagd (= hogere druk) en door de aanzuigende werking wordt de luchtstroom onder de auto versneld.
@mauritsh: om de ruimte in de diffuser te vullen met lucht wird er nóg sneller lucht getrokken door de vlakke bodemplaat wat resulteert in een nog lagere druk onder de auto toch ?
@mauricerma: Precies! Duidelijker kon ik het zelf niet verwoorden, zo blijkt ;)
@100pk: P1*V1=P2*V2
Prima artikel, met juiste abstractie niveau. Het prikkelt wel om verder in deze materie te duiken. Volgende keer een artikel over actieve aërodynamica. Lijkt mij wel leuk.
@AutomotiveDesigner: Actieve aerodynamica, wel interessant. Maar vrij simpel uit te leggen ten zij je een specifiek model pakt die daar gebruikt van maakt. Het principe is simpel, meer downforce in bochten en bij het remmen en minder downforce bij vol gas recht door.
Goed geschreven verhaal. Thanks, @mauritsh
Wat een top verhaal! Weer wat geleerd!
Mooi verhaal en simpel genoeg voor de zaterdag middag
Leuk artikel, complimenten. Zou wel nog willen weten hoe effectief de diffusers op normale auto’s zijn. Heeft het echt nut achter op een clio of is het meer show? Weet iemand hier daar meer over?
@stijnn: bij hoge snelheden vast wel, maar in de file werkt het maar beperkt.
@stijnn: wat denkje zelf? Zware show op zo een clio
@mab: zouden ze dat ook zeggen van het spoilertje op de oude tt?
@stijnn: bij de meeste auto’s zijn de diffusers nep. Om ground effect te bekomen moet de auto ook zo laag mogelijk tegen de baan hangen (snelle lucht) en zijschorten die de lucht niet laten ontsnappen langs de zijkant van de auto. Je begrijkt dat dit op de openbare weg ( verkeersdrempels en slecht wegdek) niet mogelijk is.
Zoals altijd geldt bij artikelen als deze en zoals hierboven al terecht is opgemerkt: heel graag meer van dit. Altijd leuk om te lezen.
Diffusers hebben mijns inziens wel een nadeel en dat is dat ze het design van een auto wel eens kunnen verpesten. Zeker bij de steeds sneller wordende supercars.
Prima verhaal ?
‘Bij natuurkundigen springen de tranen in de ogen van deze uitleg’. Haha zelfspot is altijd goed. Leuk artikel!
Op een normale auto dus ongewenste plastic troep.
@norge: waarom?
Het heeft geen nadeel voor de luchtweerstand volgens dit artikel. Als ze dus een klein beetje extra stabiliteit kunnen creëren door een diffuser op een normale auto is dat altijd fijn. Zulke details maken immers het verschil tussen een auto en een fijne auto.
@lekbak: de auto wordt tegen het wegdek aangezogen dus verbruikt de auto meer..
@norge: de luchtstroom wordt gestabiliseerd, daar win je wat. Ook hoef je minder downforce uit de rest van het model te halen. Weer winst want een diffuser is efficient. Bovendien kan je een auto creatiever vormgeven omdat je aan de bovenkant minder downforce hoeft te creëren. Ook leuk meegenomen dus.
@lekbak: downforce is leuk op een snelle sport auto…Niet op een 3 cilinder Tokkie lease auto…
@norge: ik blijf toch liever aan de grond als ik een beetje gas geef. Auto’s produceren van nature lift, dat zal je toch tegen moeten gaan. Je kunt bij aerodynamica veel winst halen uit de details. Een goed uitgevoerde onderkant van een auto kan dus minder weerstand geven maar wel meer downforce voor wat extra stabiliteit op de autobahn.
@norge: de achterbumper van veel wagens is gewoon open en hol vanbinnen, wat zorgt voor een gigantisch parachute-effect op hogere snelheid (90-120-…km/u). Een diffuser zorgt er ook voor dat deze volledig onderkapt wordt, en er dus geen lucht vast blijft zitten in die bumper. Dus zakt het verbruik.
Duidelijk!
Leuk verhaal! Meer van dit soort artiekelen!
Maar één fundamenteel onderdeel in dit verhaal wordt een beetje onderbelicht, behoud van massa. Dat wil zeggen rho*A*V = constant. Dichtheid rho is bij deze snelheden constant, dus als A groter word, wordt V kleiner. Aangezien de auto een deel van de flow blokkeert versneld de lucht overal er om heen, net als de airfoil (vleugelprofiel). Dit is dus behandeld. Daarna versneld de lucht onder de auto verder door dat onder de auto de dwarsdoorsnede voor de lucht kleiner is dan achter de auto door de diffuser.
Waarom dan niet de diffuser area achter de auto verder vergroten? Omdat er dan loslating van de stroming ontstaat, de lucht kan de vorm van de diffuser niet volgen (drukgradient voor gedesinteresseerde). De hoek van de bodemplaat ten opzichte van de grond is gelimiteerd. Dat was de kracht van de dubbele diffuser, door meerdere kanalen volgt de lucht de vorm beter.
BTW, een diffuser in combinatie met een spoiler zorgt voor meer effectiviteit van beide! Een diffuser zonder effectieve aero onder de auto is overigens het tegenovergestelde, namelijk drama. Bij een gemiddelde A/B/C segmenter kun je het nut van een diffuser dus vooral in esthetische waarde vinden.
@mrB: steeds meer auto’s, en vooral de ‘niet goedkoopste’, hebben vlakke onderkanten. Dan zal het vast effect hebben denk ik zo
@lekbak: Yup, maar dat gaat wel top down, zitten een hoop nadelen aan zo’n plaat
@lekbak: ja, maar op straatauto’s is dit om de luchtweerstand te verminderen wat resulteert in een lager verbruik en minder CO2 uitstoot…
Leuk om een keer te lezen
Erg leuk artikel. Voor de volgende keer misschien leuk om ook de geschiedenis te bespreken, wie heeft het ontwikkeld? Wat zijn de duidelijkste successen en ontwikkelingen geweest?
Normaal gesproken zie ik dit soort artikelen graag, maar het is erg jammer dat niet alle informatie in dit artikel volledig is. Ik verwacht niet dat alles wordt uitgelegd, maar sommige dingen moeten wel uitgebreider wat mij betreft. Ook heb ik een paar kleine fouten gevonden.
Met deze reactie hoop ik een vollediger beeld te schetsen van de principes achter diffusers, vleugels en dergelijke.
“Eén en ander kan nog beter worden geïllustreerd aan de hand van de vliegtuigvleugel. Dit ding is zodanig vormgegeven dat de lucht die boven de vleugel langs gaat sneller stroomt dan de lucht die onderdoor stroomt. Het gevolg daarvan is lift en dus kan het vliegtuig in de lucht blijven zweven, mits de relatieve snelheid ten opzichte van de lucht groot genoeg is.”
Dit klopt niet helemaal. Een vleugel is niet alleen ontworpen om de lucht aan de ene kant sneller te laten stromen dan aan de andere kant. Dit is één van de meest voorkomende misverstanden.
Een vleugel is ook (en misschien wel vooral) ontworpen om de stroomrichting van het medium (in dit geval lucht) te veranderen. Door simpele krachtenbalans of behoud van impuls (3e wet Newton) kan er vervolgens uitgelegd worden hoe lift ontstaat.
Bernoulli speelt ook een rol, maar het is niet het hele verhaal.
Deze video legt simpel uit hoe vleugels werken:
https://www.youtube.com/watch?v=aFO4PBolwFg
Bij diffusers is Bernoulli trouwens wél verreweg het belangrijkst.
“Bovenstaand plaatje geeft een dwarsdoorsnede van een vliegtuigvleugel. De lucht die bovenlangs gaat moet een langere weg afleggen en stroomt daardoor sneller dan de lucht die onderdoor gaat.”
Zoals uitgelegd was in de video is deze uitspraak onzin. Er wordt namelijk aangenomen dat de luchtdeeltjes die gelijktijdig bij de voorkant van de vleugel aankomen ook gelijktijdig de achterkant van de vleugel bereiken. Er bestaat echter geen principe die deze deeltjes op een dergelijke manier zou verbinden.
“Daarom worden steeds meer auto’s uitgerust met een vlakke bodem, die de lucht onder de auto geen strobreed in de weg legt. Da’s niet alleen goed voor het creëren van neerwaartse druk, maar natuurlijk ook voor de luchtweerstand.”
Ik mis hier uitleg. Waarom helpt een vlakke boedemplaat met het creëren van neerwaartse druk? Er is alleen uitgelegd dat het helpt de weerstand te verlagen.
Het antwoord op mijn eigen vraag is dat er geen lagere druk kan worden opgebouwd onder de auto als de lucht nog via allerlei hoeken en gaten weg kan. Een bodemplaat dicht deze gaten.
“Bovendien geldt: hoe groter de diffuser, hoe groter de aanzuigende werking.”
Er zijn zeker grenzen hieraan. Het wordt te ingewikkeld om het hier uit te leggen, maar het is dan denk ik beter om deze zin weg te laten uit het artikel.
Verder gewoon een leuk artikel :)
@Tesla-fan: Zoals aangegeven in de tekst ben ik niet overal even goed van op de hoogte. Comments als de jouwe juich ik dan ook toe, kan de tekst alleen maar beter van worden :) Ik heb e.e.a. aangepast, nogmaals dank! :)
@mauritsh: Graag gedaan. Zelf weet ik ook zeker niet alles, maar als er ooit nog een artikel komt over koeling bij raceauto’s wil ik daar ook wel bij helpen. Dat was namelijk mijn taak toen ik bij het raceteam van mijn universiteit zat.
Mooi artikel erg interessant.
Het beeld met de vleugel van een vliegtuig kan ik nog niet goed plaatsen. Deze is bol aan de bovenkant en vlak aan de onderkant. Een beetje het zelfde als een auto maar dan heeft de vleugel een liftende werking en de auto wordt naar beneden gezogen.
Iemand die dit kan toelichten voor me?
@autoporn: Dat stuk was niet correct uitgelegd. Het artikel is inmiddels aangepast en in de video waar ik naar verwees in mijn vorige reactie wordt er (in het Engels) goed uitgelegd hoe vleugels wél werken.
En die schotten over de lengterichting van de auto, die schotten die erin zitten. Leg dat ook even uit. Qua stabiliteit door stromingsrichting.
@postzegel: Stond al iets over in, maar heb geprobeerd het nog iets te verduidelijken. Dank! :)
Volgens mij wordt hier toch de werking van de diffuser niet helemaal correct uitgelegd. (let wel, het is alweer 6 jaar geleden dat ik een poging deed om door de Aerodynamica colleges heen te komen en uiteindelijk faalde…)
De luchtstroom die onder de auto door stroomt heeft een hogere snelheid als de luchtstroom om de auto heen, dat is correct. Als de luchtstroom onder de auto vandaan komt heeft deze echter te maken met lucht die niet zo snel beweegt, hierdoor ontstaat turbulentie en extra onderdruk die als het ware aan de auto trekt wat dus veel weerstand tot gevolg heeft. Door de luchtstroom onder de auto door in de diffuser te vertragen wordt deze gelijkmatiger gemengd met de luchtstroom achter de auto waardoor de turbulentie niet ontstaan. Tevens wordt voorkomen dat de luchtstroom onder de auto nog voordat deze onder de bodemplaat vandaan is al gaat wervelen wat nog meer verliezen geeft.
Een stukje over skirts op f1 wagens, bedacht door genie Colin Chapman geloof ik, had er prima bij gekund.