In de cilinders moeten brandstof en lucht in de juiste verhouding samengebracht worden. De zuigers persen het mengsel samen tot een druk van 15 bar, waarna de ontbranding volgt en de energie vrijkomt (De druk kan oplopen tot 50 bar voor een dieselmotor onder hoge belasting).

Voor een verbrandingsmotor is de verhouding luchtbrandstof in normale omstandigheden 14,7 : 1. Dit wil zeggen dat 1 kg brandstof 14,7 kg lucht nodig heeft voor een volledige verbranding, of nog: 513 moleculen zuurstof zijn nodig om 50 moleculen brandstof te verbranden. Pas dan is er geen overmaat van zuurstof of brandstof (De brandstof-luchtverhouding (de zogenaamde luchtfactor), gemeten door de lambdasonde in de uitlaat, is in dit geval dus gelijk aan 1).

De energie die het verbrandingsproces voortbrengt, is enigszins functie van de hoeveelheid brandstof die in de verbrandingsruimte gebracht kan worden. Wil men meer energie uit de brandstof halen en voldoen aan de emissienormen, dan zijn er een aantal mogelijkheden. De verbeteringen waar de autoindustrie momenteel aan werkt, zijn in 2 groepen te verdelen:

1. betere vulling van de verbrandingsruimte door overdrukvulling (i.p.v. atmosferische vulling);
2. betere controle van het verbrandingsproces door juiste materiaalkeuze en motormanagement.

Hierna worden de verschillende technologieën en de recente ontwikkelingen nader toegelicht.

Onderzoek en ontwikkeling in de auto-industrie
Wereldwijd besteedt de auto-industrie jaarlijks 100 miljard euro aan R&D. Dat komt neer op bijna 2.000 euro per auto, en stemt overeen met 4% van de omzet. Verwacht wordt dat tot 2015 nog eens 800 miljard euro zal besteed worden. Opvallend is dat ruim 20% van de R&D gaat naar investeringen om te voldoen aan allerhande regelgeving rond milieu en veiligheid.

A. DE VULLING VAN DE CILINDERS

1) De turbo
De turbo, geïntroduceerd in de luchtvaart rond 1910, deed in 1962 zijn intrede in voertuigen bestemd voor de Amerikaanse markt. Pas in 1973, tijdens de eerste oliecrisis, vond de turbo zijn weg naar de Europese markt.

De turbo zorgt voor een betere vulling van de cilinders: het is een pomp die de lucht net vóór de cilinder een overdruk geeft van 0,5 tot 1,5 bar naargelang het gevraagde vermogen. De pomp wordt aangedreven met restenergie die uit de stroom uitlaatgassen gehaald wordt. In plaats van gevuld te worden door onderdruk, raken de cilinders veel beter gevuld door er geperste lucht in te jagen. Dit zorgt voor een veel dichter lucht-brandstofmengsel, en komt het rendement en de kracht van de motor ten goede.

De turbo worstelt echter met het probleem van de kip en het ei: als men wil versnellen en gas geeft, draait de turbo nog niet op volle toeren. Pas wanneer de motor zelf enigszins op toeren gekomen is, worden er voldoende uitlaatgassen geproduceerd om de turbo aan te drijven. Men spreekt daarom over de turbovertraging of het turbogat. Eens de turbo op snelheid is(Daartoe moet een turbo 120.000 omwentelingen per minuut maken), zuigt hij voldoende lucht aan voor optimale verbranding en extra vermogen.

 

De turbo is geen wondermiddel: het vermogen van de motor wordt bepaald door heel wat parameters. Toch kan men stellen dat een goede vulling van de verbrandingsruimte bijdraagt tot een groter vermogen per eenheid van gewicht en dat de verbranding van de brandstof vollediger verloopt, met minder vebruik en vervuilende emissies tot gevolg.

2) De variabele turbo
De variabele turbo is een oplossing voor het beruchte turbogat. Beweegbare kleppen in het turbinehuis maken de turbo schijnbaar kleiner, wat een snelle drukopbouw in de hand werkt bij lage toerentallen. Eens de turbo op toeren is, gaan de kleppen open en vergroot het turbinehuis samen met de verplaatste luchthoeveelheid. Het turbogat-probleem was hiermee enigszins van de baan, maar het volledige turbopotentieel was (is) nog
niet bereikt.

3) De dubbele turbo
Onder invloed van de opeenvolgende Euro-normen en de vraag naar lager brandstofverbruik, wordt het idee van de variabele turbo verder verfijnd. De nieuwste motoren worden daarom uitgerust met twee turbo’s die elkaar aanvullen. Een kleine turbo komt bij lage toerentallen in actie en wordt bijgestaan door zijn grote broer bij hoog toerental. Voor dieselmotoren levert deze dubbele turbo, ook registerdrukvulling genoemd, een brandstofbesparing op van 20% bij gelijk vermogen.

Hiernaast vermelde voordelen worden opnieuw bevestigd: een goede verhouding vermogen-gewicht, minder brandstofverbruik en een hoog en vlak koppelverloop (zie grafiek). Het koppel is, meer nog dan pk’s, de bepalende factor voor aangenaam, soepel en veilig rijden.

 

 

Vaak wordt ten onrechte aangenomen dat een motor ‘krachtig’ is wanneer hij over veel pk’s beschikt. Het misverstand ontstaat door het woord paardenkracht (pk): het aantal pk’s is een maat voor vermogen (kracht maal snelheid of energie per tijdseenheid), maar drukt niet rechtstreeks uit hoeveel kracht de motor kan leveren. Nochtans is het voor een soepele rijstijl belangrijk te beschikken over voldoende kracht bij laag toerental en over een breed toerentalbereik. Het is immers de kracht of het koppel van de motor die ons zal helpen om bv. vroeg op te schakelen of tijdens een inhaalmanoeuvre te versnellen voor een plots opkomende tegenligger.

4) De compressor
De compressor is een variant van de turbo. Het is eveneens een pomp die lucht aanzuigt en in de cilinder samenperst tot een overdruk van 0,5 à 1,5 bar. De compressor wordt echter niet aangedreven door de stroom uitlaatgassen, maar in beweging gebracht door de motor zelf. De afgeleverde hoeveelheid lucht verhoudt zich tot het motortoerental en dus tot de gevraagde hoeveelheid lucht. Doorgaans is de compressor niet erg groot en wordt hij bijgestaan door een grote turbo voor het grote werk bij midden- en hogere toerentallen. Verder verschilt de compressor van de turbo door zijn relatief laag toerental van 40.000 omwentelingen per minuut en zijn lage werktemperatuur van 65°C. Net als de turbo zorgt de compressor voor 20 à 30% verbruiksreductie.

 

B. DE VERBRANDING

We kijken nu naar de verbranding in de cilinder van de motor. Via optimalisatie van het verbrandingsproces kan het vermogen dat uit eenzelfde hoeveelheid brandstof te halen is, verhoogd worden. Daarnaast staat een goede verbranding ook borg voor zuivere uitlaatgassen en een laag roetgehalte in de uitlaatgassen van dieselmotoren.

1) De hoge druk (directe) injectie
10 jaar geleden werden brandstofsystemen met een zogenoemde common-rail geïntroduceerd voor motoren met directe brandstofinjectie. Eén gemeenschappelijke buis (common rail) voorziet de injectoren van brandstof onder hoge druk, zowat 1.800 bar. De brandstof wordt in de cilinder gespoten, of beter, verneveld, waardoor het contact tussen zuurstof en brandstof aanzienlijk verbetert. Dit brengt ons opnieuw een stap dichter bij een zuivere verbranding en het behalen van de Euro-5 en Euro-6 normen: de uitstoot van deeltjes (PM) en stikstofoxiden (NOx) neemt immers af met 15 tot 20%. Bovendien blijft het motorgeluid beperkt, omdat de vernevelde brandstof een gelijkmatige en trillingsarme verbranding in de hand werkt.

2) De Piëzo-injectoren
De belangrijkste recente innovatie op het gebied van de brandstofinjectie is zonder meer de piëzo-lijnverstuiver (Een Piëzo-element is een gelaagd ceramisch materiaal dat uitzet onder invloed van elekrische stroom) in combinatie met de hogedrukinjectie. De piëzolijnverstuiver integreert en vervangt diverse onderdelen van de klassieke directe injectie (vb. bekrachtigingsspoel en tal van verbindingselementen tussen spoel en verstuivernaald, zie figuur p. 13). Nu de verstuivernaald rechtstreeks verbonden is met het piëzo-element, opent dit type injector in minder dan 0,1 milliseconde en is het daarmee dubbel zo snel als zijn tegenhanger met magneetventiel (zie figuur p. 13). Het resultaat is een flexibele regeling van de verbranding met de mogelijkheid om 5 injecties per cyclus door te voeren.

3) Elektronische (variabele) kleppensturing
Een elektronische kleppensturing vervangt de nokkenas en zijn mechanische verbinding met de krukas van de motor. Door het wegvallen van die vaste verbinding kunnen in- en uitlaatkleppen onafhankelijk van elkaar aangestuurd worden in functie van parameters als brandstofkwaliteit,
motorbelasting en atmosferische omstandigheden. Motoren met dergelijk systeem hebben een gunstiger koppelverloop, betere emissiewaarden en een lager verbruik.

Enkele voorbeelden:
Bij laag toerental opent de inlaatklep slechts kort en gedeeltelijk, waardoor de verneveling van de brandstof in de hand gewerkt wordt en de uitstoot van koolwaterstoffen (HC) afneemt. Bij hoge toerentallen echter gaat de inlaatklep volledig open voor maximale vulling met minimale stromingsverliezen. Ook bij een koude motor bewijst de elektronische kleppensturing zijn nut: de kleppen worden zodanig aangestuurd dat de motor snel opwarmt en de katalysator sneller zijn werk doet.

Wat brengt de toekomst?

Voor kleine en middelgrote wagens gaan ontwikkelingen voor de komende jaren in de richting van een compacte en lichtgewicht verbrandingsmotor.
Zo zou de doorsnee verbrandingsmotor drie cilinders hebben met een totale inhoud van 900 à 1000cc, twee turbo’s, meervoudige brandstofinjectie en een elektronische kleppensturing. Toch zou hiermee een vermogen kunnen ontwikkeld worden van iets meer dan 100pk, met voldoende koppel in diverse rijomstandigheden en een verbruiksdaling van 20% ten opzichte van de huidige generatie motoren.

Op middellange termijn zou het verbrandingsproces zo ver onder controle zijn, dat de eigenschappen van een zuinige diesel- en een schone benzinemotor verenigd worden in één enkele motor. Ter herinnering nog even het verschil tussen een diesel en benzine: De dieselmotor comprimeert de lucht in de cilinderruimte. Bij maximale druk wordt de brandstof geïnjecteerd waarbij, onder invloed van druk en temperatuur, de ontbranding onmiddellijk aanvangt.

De motor levert een grote kracht (koppel) en een goed brandstofrendement, maar ook, door de korte mengtijd, een onvolledige verbranding met stikstofoxiden (NOx) en roet (PM) als restproducten.

De benzinemotor zuigt brandstof in de cilinderruimte tijdens de neergaande slag van de zuiger; éénmaal de zuiger terug in het hoogste punt is, wordt het lucht-brandstofmengsel door de bougie tot ontploffing gebracht. In tegenstelling tot de dieselmotor, is er hier veel tijd om het lucht-brandstofmengsel homogeen te maken. Dat zorgt voor een goede verbranding zonder roetuitstoot, maar levert wel minder kracht.

Idealiter zou een directe injectie met zelfontbranding moeten kunnen optreden met een homogeen lucht-brandstofmengsel (zie figuur). Het onderzoek
hierrond is gekend onder diverse benamingen, naargelang de autoconstructeur: HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition), CAI Controlled Auto Ignition), ARC (Activated Radical Combustion), CCS (Combined Combustion System).

De derde figuur toont een direct ingespoten motor met gelijktijdige zelfontbranding op verschillende plaatsen in de cilinder. Ondanks de directe inspuiting is het mengsel toch homogeen (lamda=1), omdat de inspuiting al start vóór het bereiken van de hoogste druk. De controle van de verbranding is evenwel niet eenvoudig: de regelende werking van de ontsteking bij de benzinemotor en van de injectie bij hoogste druk van de dieselmotor valt immers weg. De oplossing zou er in bestaan dat de recirculatie van uitlaatgassen, ook wel EGR genoemd (Exhaust Gas Recirculation, zie p. 16), beide regelprocessen kan overnemen, daarin bijgestaan door een variabele kleppensturing.

Daarnaast is er voor dit motortype nog een andere aanpassing nodig. De huidige dieselbrandstof is lang niet nauwkeurig genoeg gespecificeerd om
het verbrandingsproces met de juiste vertraging van start te laten gaan. Daarom wordt momenteel een synthetische brandstof gebruikt die slechts 15 verschillende moleculen bevat in plaats van de gebruikelijke 500 moleculen in normale diesel.

Rond het verbrandingsproces, het motormanagement en de brandstofsamenstelling is er dus nog heel wat onderzoek en ontwikkeling nodig.