artikel

Compressieverhouding 18:1 in komende benzinemotoren

Techniek 29767

Terwijl andere merken downsizen, koos Mazda voor een hoge compressieverhouding. En nu andere merken hun experimenten met Homogenious Charge Compression Injection in de la stallen, zet Mazda voor de nabije toekomst juist in op benzine ontsteken zonder bougie. “Conventies trotseren”, noemt Mazda dat. Heel mooi. Maar wat levert het op?

Compressieverhouding 18:1 in komende benzinemotoren
Een grotere slag, zodat een kleinere boring volstaat voor dezelfde cilinderinhoud. Dan een andere zuigervorm met een kommetje in de zuigerbodem. Beiden versnellen de verbranding.

“Wij doen het anders”, zegt Mazda. En dus gaf het relatief kleine automerk uit Hiroshima de rotatiemotor nooit op, kwam Mazda met de MX-5 toen geen concurrent meer brood zag in de kleine roadster en drijft de 2.0 ongeblazen SkyActiv-G-motor veel van de huidige Mazda’s aan, terwijl concurrenten gedownsizede 1.4-, 1.2-, of 1.0-turbootjes onder de kap hebben. Anders dus.

In Mazda’s Europese R&D Centre nabij Frankfurt legt senior engineer Tobias Albert uit hoe Mazda zijn auto’s in de komende jaren zuiniger en dus klimaatvriendelijker gaat maken, zonder daarbij in te boeten aan rijplezier. Dat begint met de basistechnologie: “Een goed onderstel, een lichte, stijve body, een efficiënte transmissie en een zuinige motor die toch voldoende power heeft.”

Mazda Het specifiek brandstofverbruik in gram per kWh van gedownsizede moto- ren is gunstiger dan dat van Mazda’s 2.0 SkyActiv-G. Tenminste, bij extreem lage belasting. In de dagelijkse praktijk met meer belasting in het midden en hogere gebied zijn gedownsizede motoren minder zuinig.

Meer kilometers per liter brandstof

Bovenop die basis kan Mazda extra bouwblokjes stapelen om nog meer kilometers uit de brandstof te persen: “Ons i-stop-systeem zet de motor op exact de juiste krukasstand stil. Daardoor kan het verbrandingsproces de startmotor helpen om de motor weer op gang te brengen. Zo vraagt een stop-startactie minder elektrische energie. Die hoeft de dynamo dan ook niet op te wekken. Dat scheelt brandstof. Bovendien slaat met die hulp de motor sneller aan: “Binnen 0,35 seconde. Daarmee hebben wij het snelste start-stop- systeem op de markt.”

Waarom zou Mazda wel slagen, terwijl anderen hun HCCI-projecten al in een diepe la geschoven hebben?

i-Eloop regeneratief remsysteem

Extra bouwblokje twee is Mazda’s i-Eloop regeneratief remsysteem. “Dat maakt gebruik van een EDLC, een Electric Dou- ble Layer Capacitor.” Zo’n supercondensator kan veel minder elektrische energie opnemen dan een standaard startaccu, maar dat opnemen en ook weer afgeven van die elektrische energie gaat wel veel sneller dan bij een accu. En zonder slijtage.

“We gebruiken een dynamo met variabel voltage, 12 tot 25 V, en een DC/DC-converter om de hogere spanning weer om te zetten naar het niveau van de boordspanning.” Resultaat: “Na 7 seconden afremmen op de motor bevat de condensator zoveel elektrische energie dat de dynamo 80 seconden niet hoeft te laden.”

De tweede generatie SkyActiv-G-motor komt eraan. Die springt nog weer een stuk efficiënter met brandstof om dan de huidige. Om dat te bereiken verhoogt Mazda de compressieverhouding naar 18:1 en kijken de bougies grotendeels werkloos toe. De tweede generatie SkyActiv-G-motor komt eraan. Die springt nog weer een stuk efficiënter met brandstof om dan de huidige. Om dat te bereiken verhoogt Mazda de compressieverhouding naar 18:1 en kijken de bougies grotendeels werkloos toe.

Daarbovenop kan Mazda nog het blokje van de elektrische aandrijving stapelen. Mazda kocht Toyota’s hybridesysteem en koppelde dat aan een aangepaste versie van zijn SkyActiv- G-motor. In Japan is de Mazda3 te koop met die aandrijving, in Europa niet. En ook in Japan experimenteert Mazda met een vlootje zuiver elektrische Demio’s met HV-batterij.

Terug naar de basis

Veel liever, dan op die extra bouwblokjes, concentreert Mazda zich op de basis, de verbetering van de benzine- motor. Belangrijkste reden: “Van de personenauto’s die in 2020 verkocht worden, heeft nog minstens 90% een interne verbrandingsmotor. De elektrische aandrijfsystemen die tegen die tijd op een groot deel van de auto’s zitten, werken samen met die verbrandingsmotor.”

Een combinatie van hoge compressieverhouding (beperkt uitlaat- en koelverlies) en een heel arm mengsel (beperkt pompver- lies) maakt volgens Mazda een rendement van 48 % mogelijk, extreem hoog voor een benzinemotor in een auto. De huidige SkyActiv-G scoort onder de meest gunstige belasting 38%. Een combinatie van hoge
compressieverhouding (beperkt uitlaat- en koelverlies) en een heel arm mengsel (beperkt pompverlies) maakt volgens Mazda een rendement van 48 % mogelijk, extreem hoog voor een benzinemotor in een auto. De huidige SkyActiv-G scoort onder de meest gunstige belasting 38%.

In plaats van te kiezen voor een kleinere cilinderinhoud met turbo, hield Mazda bij de ontwikkeling van die motor vast aan een atmosferische 2.0. Wel verhoogde Mazda de compressieverhouding naar 14: 1, een record voor in serie geproduceerde benzineauto’s.

Wat is nodig voor compressie 14:1?

Die stap klinkt eenvoudiger dan hij is. Zo’n hoge compressieverhouding leidt namelijk tot kloppen, ongecontroleerde verbranding. De eenvoudigste manier om dat tegen te gaan is de ontsteking later zetten. Nadeel daarvan: minder motorkoppel en in plaats daarvan meer uitlaatgaswarmte.

Om de compressieverhouding te kunnen verhogen zonder de ontsteking te verlaten zijn andere maatregelen nodig. De temperatuur vóór de verbranding moet omlaag en de verbranding zelf moet sneller verlopen. Hoe Mazda dat realiseerde? Dat beschreven we uitgebreid in AMT 9 van 2011. Voor nu sommen we de maatregelen nog eens kort op.

Grotere slag

Allereerst een grotere slag, zodat een kleinere boring volstaat voor dezelfde cilinderinhoud. Dan een andere zuigervorm met een kommetje in de zuigerbodem. Beiden versnellen de verbranding. Direct inspuiten onder hogere druk door zesgatsinjectoren zorgt voor een homogener mengsel en een lagere aanvangstemperatuur. Het spaghetti-uitlaatsysteem zorgt voor minder restgas in de verbrandingskamer en verlaagt daarmee de aanvangstemperatuur.

Dat de katalysator daarmee op afstand komt te staan is een probleem bij de koude start. Mazda loste het op door dan de ontsteking naar laat te zetten en te werken met een gelaagde verbranding. Het werkt want de SkyActiv-G-motor voldoet aan Euro 6.

De huidige SkyActiv-G-motor scoort een 15% lager specifiek brandstofverbruik dan zijn indirect ingespoten voorganger. De HCCI generatie 2-motor doet daar in de onderste helft van de motorbelasting, als er daad- werkelijk zonder bougievonkje wordt verbrand, een flinke schep bovenop. De generatie 3 motor voert minder warmte af en is daarmee over het hele belas- tinggebied nog efficiënter. De huidige SkyActiv-G-motor
scoort een 15% lager specifiek brandstofverbruik dan zijn indirect ingespoten voorganger. De HCCI generatie 2-motor doet daar in de onderste helft van de motorbelasting, als er daad- werkelijk zonder bougievonkje wordt verbrand, een flinke schep bovenop. De generatie 3 motor voert minder warmte af en is daarmee over het hele belas- tinggebied nog efficiënter.

De inlaatkleppen sluiten laat

De pompverliezen bij lage belasting pakte Mazda aan door onder die omstandigheden de inlaatkleppen laat te sluiten. Zo kan de gasklep wijd open blijven staan, terwijl de zuiger aan het begin van de compressieslag de overtollige lucht terug duwt het inlaatspruitstuk in.

Er zit een grens aan dit zogenoemde Atkinson-principe. Immers sluiten de inlaatkleppen te laat dan is er onvoldoende compressie voor een stabiele verbranding. Maar dankzij zijn hoge compressieverhouding ligt die grens voor deze motor net wat verder weg. Natuurlijk construeerde Mazda de SkyActiv-G-motor ook lichter dan zijn voorganger en reduceerden de Japanse ingenieurs de inwendige wrijving van de nieuwe motor.

Geen lage bijtelling?

Dankzij al die inspanningen gaat de SkyActiv-G-motor 15% efficiënter met de kostbare brandstof om dan zijn voorganger. Toch heeft dat niet geleid tot een grote Mazda-vloot in het lagebijtellingsegment. Tobias Albert legt uit waarom niet: “Mazda is een relatief kleine fabrikant. Wij kunnen geen auto’s ontwikkelen die speciaal op de Nederlandse fiscaleregels zijn afgestemd. Wij ontwikkelen auto’s die overal ter wereld een laag praktijkverbruik geven. En dat praktijkverbruik is gunstiger dan dat van onze gedownsizede concurrenten. Daarom downsizen wij niet, wij rightsizen.”

Dat vraagt om een toelichting: “Het specifiek brandstofverbruik in gram per kWh van gedownsizede motoren is gunstiger dan dat van onze 2.0 SkyActiv-G. Tenminste, als de motor extreem laag belast wordt. En dat is de meest voorkomende belasting in de NEDC, de Europese testcyclus. Daarin trek je op van 0 naar 50 km/h in 26 seconden.

Zodra de motorbelasting ook maar ietsje toeneemt is de SkyActiv- G zuiniger dan zijn concurrenten. Om die reden scoren onze motoren beter in praktijktesten. Bovendien geeft een atmosferische motor een mooie lineaire acceleratie. En die zorgt weer voor een smile op het gezicht van de bestuurder.”

Ontsteken zonder bougie

Kortom, Mazda is op de goede weg. Alhoewel, zelfs in zo’n efficiënte SkyActiv-G-motor verdwijnt het overgrote deel van de verbrandingsenergie als warmte via de uitlaat of het koelsysteem. In komende generaties SkyActiv-motoren wil Mazda daarom meer beweging produceren en minder warmte. Anders gezegd: de thermische efficiency moet omhoog. Hoe?

Een bougie heeft moeite om hele arme homogene mengsels te ontsteken. De verbranding in het bovenste rijtje foto’s komt niet echt op gang. In een HCCI-proces met een hele hoge compressie- verhouding lukt het wel. Merk op dat de verbranding op meerdere plekken tegelijk begint. Daardoor wordt een hoge piektemperatuur vermeden. En juist bij die extreem hoge temperaturen ontstaat NO . Een bougie heeft moeite om hele arme homogene mengsels te ontsteken. De verbranding in het bovenste rijtje foto’s komt niet echt op gang. In een HCCI-proces met een hele hoge compressieverhouding lukt het wel. Merk op dat de verbranding op meerdere plekken tegelijk begint. Daardoor wordt een hoge piektemperatuur vermeden. En juist bij die extreem hoge temperaturen ontstaat NO .

Compressieverhouding van 18:1

Vooral door de compressieverhouding nog verder te verhogen. Die moet naar 18:1. Daar ongeveer ligt volgens de technici van Mazda het optimum. Daarboven neemt het rendement nauwelijks nog toe, terwijl de warmte- en wrijvingsverliezen wel doorgroeien. Tot het omslagpunt waarbij het rendement niet meer toeneemt doordat de verliezen te groot worden. Bij die hele hoge compressieverhouding moet de motor onder niet te hoge belasting met hele arme mengsels kunnen draaien. Zo arm dat een bougie ze niet meer ontstoken krijgt. Dus moet de motor onder die omstandigheden omschakelen op HCCI.

Oei, dat begrip kennen we. De afkorting staat voor Homogeneous Charge Compression Ignition. Oftewel: een homogeen mengsel ontsteken zonder bougie. Even voor de goede orde, een diesel doet dat niet. Die injecteert en ver voor het mengsel homogeen heeft kunnen worden, start de verbranding onder invloed van de hoge temperatuur en druk.

Met zijn tweede generatie SkyActiv-G-HCCI-motor denkt Mazda dezelfde well-to-wheel CO2-uitstoot te kunnen halen als een elektro-auto die gevoed wordt met stroom uit een gemiddelde elektriciteitscentrale. De ‘adiaba- tische’ derde generatie samen met lichte hybridisering moet zelfs een elektro-auto kunnen evenaren die stroom tankt die voor 37% uit duurzame bron komt.Met zijn tweede generatie SkyActiv-G-HCCI-motor denkt Mazda dezelfde well-to-wheel CO2-uitstoot te kunnen halen als een elektro-auto die gevoed wordt met stroom uit een gemiddelde elektriciteitscentrale. De ‘adiabatische’ derde generatie samen met lichte hybridisering moet zelfs een elektro-auto kunnen evenaren die stroom tankt die voor 37% uit duurzame bron komt.

Homogeen mengsel

In de afgelopen jaren hebben veel fabrikanten zich onder de naam HCCI het hoofd gebroken over hoe ze bij een diesel de tijd tussen injectie en ontsteking zodanig kunnen verlengen dat het mengsel de tijd heeft om homogeen te worden. Dat uitstellen van het moment van ontbranden lukte bij die HCCI-experimenten door een heel nauwkeurige regeling van EGR, turbodruk, kleptiming en kleplift. Maar dan alleen in een heel smal belastinggebied onder statische omstandigheden.

Mazda probeert het nu dus met benzine. De reden? “In vergelijking met de huidige motoren kan het tot wel zo’n 30% aan brandstof besparen. En je produceert geen NO ondanks dat je met een arm mengsel werkt.” Maar waarom zou Mazda wel slagen, terwijl anderen hun HCCI-projecten al in een diepe la geschoven hebben?

“Dankzij de ervaring die wij opgedaan hebben met hoge compressieverhouding bij de SkyActiv 1-generatie hebben wij een voorsprong.” Over hoe dat HCCI-proces gecontroleerd wordt, laten de Mazda-technici niet veel los. Wel geven ze prijs dat er geen variabele compressieverhouding voor nodig is: “Te complex.” En ze willen wel vertellen dat er al proefmotoren draaien. Sterker nog, dat ze in de volgende Mazda-voertuiggeneratie in serieproductie gaan. Kortom, we hoeven er niet tot 2020 op te wachten.

Geen warmte naar buiten

Tegen die tijd verwacht Mazda namelijk al aan generatie 3 van zijn SkyActiv-motoren toe te zijn. Die moeten minder warmte afstaan aan het koelsysteem. Mazda gebruikt het woord adiabatisch. Dat staat voor een proces dat geen warmte uitwisselt met zijn omgeving. “Maar let op, adiabatisch is de ontwikkelingsrichting, een perfect adiabatisch proces zou helemaal geen koelsysteem meer nodig hebben. Dat is niet realiseerbaar”, legt Albert uit.

Hoe je dat doet, het verbrandingsproces van een benzinemotor meer adiabatisch maken? “Dat begint met een kleiner koelend oppervlak, dus een kleinere boring bij een grotere slag. Die stap hebben we al genomen in onze huidige motoren. Maar je kunt ook denken aan materialen die een hogere temperatuur aankunnen, zoals keramiek, en aan betere koelvloeistof of aan koelvloeistof onder druk, zodat het een hoger kookpunt heeft.”

Een perfect adiabatisch proces zou helemaal geen koelsysteem nodig hebben. Maar dat is niet realiseerbaar

Geen dure versnellingsbak

Mazda claimt straks met een HCCI-motor te komen die tot bijna 50% van zijn maximale belasting ook daadwerkelijk volgens het HCCI-proces loopt. Pas boven die motorbelasting komen de bougies in actie. Albert wijst op de consequenties die zo’n motor heeft voor de rest van de auto: “Er is een trend naar steeds meer versnellingen. Die zijn nodig om de huidige motoren in dat hele kleine belasting-toerengebiedje te houden waar hij zuinig loopt.

“Dat maakt zo’n veel versnellingsbak overbodig”

Wil de bestuurder accelereren dan moet de bak eerst terugschakelen. Boven-dien maken die extra versnellingen de bak groter, zwaarder en duurder. Onze SkyActiv-G generatie 2- en 3-motoren hebben straks dankzij HCCI een veel groter gebied waarin ze heel brandstofefficiënt zijn. Dat maakt zo’n veel versnellingsbak overbodig.”

Ook als zo’n motor gebruikt wordt in een hybride aandrijving is er een belangrijk voordeel: “Alleen bij het allerlaagste deel van de motorbelasting gaat het specifieke brandstofverbruik (in gram per kWh) sterk omhoog. Alleen voor die range zou je elektrische ondersteuning hoeven gebruiken. Dan kan je uit met een kleiner elektromotortje en een kleine batterij die alleen door regeneratie van remenergie wordt bijgeladen.”

Met die techniek verwacht Mazda niet alleen het 95 gram CO2-doel van de EU te halen, maar ook de 50 grams-grens te kunnen slechten. We kunnen haast niet wachten.

Reageer op dit artikel