EG-Blog: Autofabrikanten tonen interesse in ongewoon motorontwerp

In de transportsector is er op technologisch vlak heel veel aan het veranderen. Dit doordat er steeds meer aandacht besteed wordt aan het beperken of voorkomen van de uitstoot van broeikasgassen door de motoren van de wagens. De personenwagens zijn de grote koplopers in deze transitie. De CO2-uitstoot en het brandstofverbruik wordt steeds meer en meer een belangrijk eigenschap van de wagen. Daardoor gaan de autofabrikanten op zoek naar nieuwe technologieën die ze kunnen gebruiken in hun wagens om de CO2-uitstoot en het brandstofverbruik te verlagen. Zo hebben ze de hybride wagens ingevoerd die deels op elektriciteit en deels op fossiele brandstof rijden. Daarnaast komen de elektrische wagens ook sterk op. En daarnaast zijn er ook nog de wagens die op waterstofgas of op biobrandstoffen kunnen rijden. Maar toch blijven de verbrandingsmotoren in de running gehouden door de autofabrikanten. Namelijk wordt het ontwerp van wagens met een verbrandingsmotor ook nog steeds verder aangepast om deze zo efficiënt mogelijk te laten werken. Dit komt doordat elke 'nieuwe' technologie voor de aandrijving van personenwagens ook bepaalde eigenschappen kent. En dus doordat er nog geen enkel volkomen alternatief bestaat voor een verbrandingsmotor blijft men deze ook nog verder ontwikkelen. Dus de verbrandingsmotor is dus niet ten dode opgeschreven door de komst van de nieuwe technologieën. In tegendeel zelfs een aantal van deze nieuwe technologieën maken zelfs nog gebruik van een verbrandingsmotor.

De oorzaak die zorgt voor de veranderingen in de transportsector ligt dan namelijk ook niet bij de verbrandingsmotor, maar wel bij de fossiele brandstoffen die verbruikt worden in een verbrandingsmotor. Deze fossiele brandstoffen zorgen ervoor dat de concentratie aan broeikasgassen in de atmosfeer toeneemt met alle problematische gevolgen van doen. Het is dus van belang om technologieën te gaan ontwikkelen en in te voeren die ervoor kunnen zorgen dat de wagens geen, of toch heel wat minder, CO2 meer gaan uitstoten. Bij de ontwikkeling van deze technologieën zijn er in het algemeen drie verschillende strategieën om het probleem aan te pakken. Ofwel zorgt men ervoor dat het brandstofverbruik per kilometer sterk verbeterd wordt. Of anders gezegd, dat het rendement van een wagen per gereden kilometer veel beter wordt. Er moet hierbij ook wel duidelijk bij vermeld worden dat kleine verbeteringen eigenlijk geen invloed zullen hebben op de totale uitstoot van broeikasgassen door de transportsector. Een kleine verbetering wordt erg snel tenietgedaan doordat er steeds meer wagens rondrijden op de aarde. Om een verschil te maken moet de verbetering van het rendement van een wagen relatief groot zijn.

Een tweede mogelijkheid is om de brandstof voor de transportsector te gaan 'decarbonizeren'. Wat zoveel wil zeggen dat men overschakelt op brandstoffen die er niet meer voor zorgen dat de concentratie aan broeikasgassen in de atmosfeer verder gaat toenemen. Bijvoorbeeld de elektrische wagens voldoen, en hybride wagens tot op zekere hoogte ook, deels aan deze technologie. Namelijk doordat de batterijen van deze wagens kunnen opgeladen worden met de elektriciteit uit het stopcontact, is het veelal zo dat er dan minder gebruik gemaakt wordt van fossiele brandstoffen voor het aandrijven van de wagen. Dit omdat bij elektriciteitsproductie er niet in alle gevallen fossiele brandstoffen gebruikt worden maar bijvoorbeeld van kernenergie, of van de energie van waterkrachtcentrales. In België is dit zeker en vast het geval aangezien 60% van de elektriciteit er geproduceerd wordt door de kerncentrales. En er kan gezegd worden dat de CO2-uitstoot van kerncentrales verwaarloosbaar is ten opzichte van die van een steenkoolcentrale.

Een ander voorbeeld van het 'decarbonizeren' van de brandstof is wanneer men gebruik maakt van biobrandstoffen in plaats van fossiele brandstoffen. Alhoewel dit toch met enige voorzichtigheid moet gezegd worden want niet in alle gevallen in de productie van biobrandstoffen een hernieuwbare energieproductie. Om de productie van biobrandstoffen op een duurzame manier te gaan uitvoeren moet er toch wel wat aandacht besteed worden aan zaken zoals het reproduceren van de biomassa, de concurrentie met de voedingsgewassen, het transport van biomassa, en nog andere zaken. Indien de biobrandstoffen op een hernieuwbare manier geproduceerd worden dan kan zorgt het gebruik ervan er niet voor dat de concentratie aan broeikasgassen in de atmosfeer toeneemt.

Een derde en laatste strategie in de transportsector is om transport veeleer als een service te gaan bekijken in plaats van een product. Nader uitgelegd is het uiteraard steeds zo dat men niet een auto koopt om een auto te bezitten, maar wanneer men een auto koopt is dit in eerste plaats steeds om zich te kunnen verplaatsen en om mobiel te zijn. Bij deze strategie is het dus de bedoeling om ervoor te gaan zorgen dat mensen steeds meer van andere transportservices gebruik gaan maken in plaats van met personenwagens te blijven rondrijden. Concreet betekent dit dus dat men zich zou gaan verplaatsen met het openbaar vervoer in plaats van met een eigen wagen. Wanneer men zich met het openbaar vervoer of dus in groep verplaatst, is de uitstoot per kilometer en per persoon meerdere malen kleiner dan wanneer men zich verplaatst in een wagen. Er zijn de verschillen strategieën om ervoor te zorgen dat de uitstoot van broeikasgassen door de transportsector kleiner wordt en dus dat de concentratie aan deze broeikasgassen in de atmosfeer niet verder gaat toenemen.

Deze drie strategieën worden uiteraard nooit echt strik gevolgd waardoor men vaak een soort van combinatie van twee of van alle drie gebruikt. En bij dergelijke combinaties kan het resultaat soms vele malen groter zijn dan de som van de twee afzonderlijk. Het is wel opmerkelijk dat er in de afgelopen 130 jaar dat de auto bestaat, zoals hij nu is, er nog maar heel weinig verandert is op het gebied van de gebruikte technologie. Namelijk berust de werking van de verbrandingsmotoren nog steeds op dezelfde thermodynamische cyclussen als zovele jaren geleden. Maar nu heeft een Amerikaanse uitvinder hier een aantal jaren terug verandering in gebracht. Namelijk gaat het hier over Carmelo J. Scuderi (1925 - 2002), en hij heeft een ontwerp voor een verbrandingsmotor bedacht waarbij er een andere thermodynamische cyclus gebruikt gemaakt wordt. Hun ontwerp is één van de 'Split cycle engines' waarbij de vier slagen van een viertaktmotor, verdeeld worden over twee verschillende zuigers. In een normale viertaktmotor bestaat de cyclus uit vier afzonderlijke slagen, namelijk de inlaatslag, compressieslag, de arbeidsslag en de uitlaatslag. Al deze vier slagen worden afzonderlijk uitgevoerd door elke cilinder en zuiger in de motor. En dus levert een zuiger maar tijdens één op de twee omwentelingen arbeid aan de krukas.

In een split cycle engine zijn er twee zuiger die als een paar samen werken om deze vier slagen te gaan uitvoeren. De ene cilinder voert de inlaat- en de compressieslag uit en de andere voert de arbeids- en de uitlaatslag uit. Om dit mogelijk te maken kan er, via een bepaald kleppensysteem, perslucht van eerste cilinder naar de tweede. Éénmaal in de tweede cilinder wordt er brandstof geïnjecteerd in de perslucht en vindt de ontsteking van het mengsel plaats. Met dit ontwerp wordt er dus elke omwenteling arbeid geleverd aan de krukas, in plaats van om één op de twee omwentelingen. Maar een Scuderi motor heeft dus uiteraard steeds minimum twee cilinders.

Door de taken van de zuiger te verdelen over twee verschillende zuigers hebben de ontwerpers heel wat vrijheden in het ontwerp van de motor en op de controle van de motor. In het geval van de Scuderi motor zijn er twee verschillende zaken die sterk veranderen, namelijk ten eerste is het moment wanneer de verbranding in de cilinder plaatsvindt anders. In het algemeen, zal de verbranding in een benzinemotor plaatsvinden wanneer de zuiger helemaal bovenaan in de cilinder is. Maar bij de Scuderi motor vindt de ontsteking van het brandstofmengsel plaats wanneer de zuiger al terug aan het zakken is in de cilinder. Dit is voordeliger omdat deze positie zorgt voor een andere krachtenwerking tussen de zuiger en de krukas. Door de hefboomwerking tussen deze twee elementen - de zuiger en krukas - is het koppel die overgebracht wordt veel groter wanneer de ontsteking plaatsvindt als de zuiger al aan het zakken is. Een grote koppel aan de krukas betekent dat het gemakkelijker is om de versnellen en dus dat er daarbij minder brandstof verbruikt wordt.

Maar wanneer men in een gewone motor de ontsteking zou laten plaatsvinden wanneer de zuiger al aan het zakken is, dan zou het volume in de verbrandingskamer veel te snel gaan toenemen. En doordat het volume te snel toeneemt, kan er geen voldoende hoge druk opgebouwd worden. En uiteindelijk zal het koppel te klein zijn om de auto vooruit te duwen. En dit is de reden waarom men in een gewone conventionele benzinemotor de ontsteking laat plaatsvinden wanneer de zuiger helemaal bovenaan de cilinder staat. Maar in een type motor van het 'split cycle engine' design is de zaak anders dan in een conventionele benzinemotor. In deze motoren kan de verbranding van het lucht-brandstofmengsel veel - zo'n 3 tot 4 maal - sneller plaatsvinden. Door deze snelle verbranding kan er toch een voldoende grote druk opgebouwd worden, ondanks dat het volume toeneemt aangezien de zuiger al aan het zakken is.

Een tweede zaak die verschillend is, is dat het nu mogelijk is om een extra element aan de motor toe te voegen. Namelijk gaat het hier over een tank waarin er perslucht opgeslagen kan worden. Dit wordt mogelijk aangezien de compressie en de arbeidsslag in afzonderlijke cilinders gebeuren. En een dergelijke tank heeft op zijn beurt weer een heleboel voordelen. Namelijk kan men nu een groot nadeel van de benzinemotor gaan aanpakken. Een benzinemotor heeft een slechte werking bij een lage belasting van de motor. Een lage belasting van de motor treedt onder andere op wanneer je aan het cruisen bent met de wagen tegen een constante snelheid. Bij dergelijke omstandigheden is de hoeveelheid lucht die aangezogen wordt tijdens de inlaatslag vrij dicht bij de minimale hoeveelheid lucht die nodig. Dit omdat de snelheid van een wagen met een benzinemotor geregeld wordt door de hoeveelheid aangezogen lucht te regelen. En bij een constante cruisesnelheid zorgt dit ervoor dat motor harder moet 'werken' om de wagen vooruit te duwen en dus meer brandstof gaat verbruiken.

Maar bij een Scuderi motor wordt de snelheid van de wagen niet geregeld door de hoeveelheid lucht die naar de motor stroomt te regelen. Dus blijft de inlaatklep voor de lucht steeds wagenwijd open staan. En de overtollige lucht die in dit geval gecomprimeerd zal worden kan nu opgeslagen worden in de persluchttank. Eens deze tank 'vol' zit met perslucht, dan stopt de eerste cilinder met lucht te comprimeren en wordt de lucht in de persluchttank gebruikt door de tweede cilinder. Een tweede voordeel van de persluchttank is dat er energie kan gerecupereerd worden tijdens het remmen. Wanneer men de rem van de wagen indruk, dan drijven de wielen van de wagen de eerste cilinder van de motor aan. Deze cilinder gaat nu dus lucht blijven comprimeren en deze perslucht wordt dan opgeslagen in de persluchttank. Daarna kan er later dan gebruik gemaakt worden van deze perslucht.

Een paar jaar terug heeft men bij Scuderi Group een prototype gebouwd van hun ontwerp om de technologie te demonstreren aan het grote publiek. Dit prototype toonde aan dat de verbeteringen met deze technologie van een andere orde zijn dan gewoonlijk. Sinds de autobouwers voor het eerste kennis maakten nieuwe type motoren met een betere werking dan de huidige is de verbeteringen meestal rond de 20%. Maar met de Scuderi motor is het brandstofrendement zo'n 50% groter dan bij een gewone verbrandingsmotor. Maar toch blijven er nog onzekerheid of de Scuderi motor het zal halen bij de grote autofabrikanten aangezien deze nog niet getest geweest is in een echte wagen. Op een simulatiemodel zag alles er al veelbelovend uit maar er blijven steeds onzekerheden over de werkelijke werking van de motor wanneer deze in een wagen gemonteerd is. Maar indien de Scuderi motor geen succes wordt in de transportsector, dan is er nog een kans dat hij in andere sectoren en dus voor andere toepassingen gebruikt zal worden. Autofabrikanten zijn in het algemeen niet zo happig om een licentie voor een motor te kopen. Men ontwikkeld namelijk veel liever een eigen ontwerp voor hun motoren. Maar momenteel hebben al 9 grote autofabrikanten interesse getoond in het ontwerp van de Scuderi Group. Dus is er wel grote hoop dan één van de negen wel bereid zal zijn om een licentie voor het ontwerp van Scuderi Group te gaan kopen.