artikel

Oog voor techniek: Fiat’s zuinige firefly motoren

Techniek 1442

“Geen downsizing, maar rightsizing”, zegt FCA (Fiat-Chrysler) over zijn nieuwe 1.0, 88 kW driecilinder en 1.3, 132 kW viercilinder Firefly-motoren. Dat hebben we vaker gehoord. Maar in de praktijk blijken die downsizemotortjes helemaal niet zo zuinig (en schoon) als de folders beloven. Dat zou bij deze nieuwe FCA-motoren wel eens anders kunnen zijn. Waarom? Kijk maar mee naar de techniek.

Niet verrijken!

Vroeger was downsizen eenvoudig. Een turbo geeft een klein motortje de prestaties van een grote, atmosferisch aanzuigende motor. Wel even opletten voor highspeed knock, en voor te hoog oplopende temperatuur van uitlaatkleppen, zuigers en turbo. Hoe je dat doet? Mengselverrijking bij hoger toerental en zwaardere belasting: van λ = 1 naar soms wel λ < 0,8. Dat ‘koelen door spoelen’ heeft zijn prijs: hoog verbruik en slechte emissies omdat de driewegkatalysator bij die mengselsamenstelling zijn werk niet goed kan doen.

Tot voor kort hoefden autofabrikanten niet mee te betalen aan die prijs. Tijdens de NEDC-typegoedkeuringscyclus blijft de motorbelasting beneden het gebied waar mengselverrijking nodig is. Met de invoering van de WLTP-testprocedure, en vooral de RDE-test op de weg, gaat die vlieger niet meer op. Dat zien we sinds enige tijd in de motorenontwikkeling. Ineens is er wél aandacht voor het reduceren of zelfs voorkomen van mengselverrijking.

Voorbeelden die eerder in AMT aan de orde kwamen: waterinjectie, verbrandingsstart in een voorkamer en clean-EGR. FCA claimt dat zijn Firefly-motoren over het hele belasting-toerengebied met de stochïometrische mengselverhouding (λ = 1) werken. De belangrijkste maatregelen die dat mogelijk maken: kleine boring-slagverhouding in combinatie met grote klephoeken en een uitgekiend inlaatspruitstuk, in de cilinderkop geïntegreerd en gekoeld uitlaatspruitstuk, vloeistofgekoelde intercooler en MultiAir variabele inlaatkleptiming en -lift om interne EGR en draaien volgens de Miller-cyclus mogelijk te maken.

Geïntegreerd uitlaatspruitstuk

De FireFly-motoren zien we inmiddels in de Jeep Renegade en de Fiat 500X. In die auto’s staan ze dwars voorin met de uitlaatkant aan de voorzijde. In verband met de overhang is het bij een turbomotor in zo’n opstelling van belang om alles aan de uitlaatzijde heel compact te houden. Daarmee dreigt het gevaar van heel korte uitlaatpoorten. Dat kan vooral bij de twee middelste cilinders (bij de viercilinder, de driecilinder heeft natuurlijk maar één middelste cilinder) leiden tot het achterblijven van te veel restgas.

Om toch voldoende lengte in het geïntegreerde uitlaatspruitstuk te krijgen, splitste FCA het op. Het deel voor cilinders 2 en 3 ligt boven dat van cilinders 1 en 4. Aan de turbo hebben beide delen een eigen flens. “Bijkomend voordeel is dat dit goed samengaat met een twinscroll turbo”, zegt FCA. Dat is wellicht iets voor de toekomst, want op dit moment hebben beide Fireflies een monoscroll turbo.

Beide delen van het uitlaatspruitstuk worden omhuld door drie koelwatermantels. Een aan de bovenzijde, een aan de onderzijde en een ertussenin.

Rendement

Voor een hoog thermodynamisch rendement is een kleine oppervlak-volumeverhouding van de cilinders nodig. Die bereik je met een grote verhouding tussen slag en boring. Bij de Firefly-motoren bedraagt die 86,5 mm / 70 mm = 1,24. In een motor zonder vollastverrijking is een kleine boring om nog een reden belangrijk: hoe korter de weg die het vlamfront aflegt, hoe kleiner de kans op voortijdige ontsteking.

Een lange slag brengt wel een ander nadeel met zich mee: meer wrijving op de cilinderwand. Om die te beperken, helpt een kleine kruk-drijfstangverhouding. Met een krukradius van 43,2 mm en drijfstangen van 146,3 mm blijft die met 0,295 onder de doelwaarde van 0,3. Een 10 mm cilinderdesaxatie helpt de wrijving verder te reduceren.

 

Koprolwerveling

Het risico op detoneren is te beperken door het mengsel zo homogeen mogelijk te maken. Een grote hoek tussen inlaatpoort en inlaatklep in combinatie met een uitgekiende poort- en klepvorm (inlet valve masking) zorgt voor een maximale tumble (koprolwervel). Maar voor die tumble is ook weer een bolvormige verbrandingskamer nodig, kortom een grote V tussen de kleppen. Uiteindelijk bleek 18° voor de uitlaatkleppen en 15° voor de inlaat de optimale opstelling.

De MultiAir-klepverstelling maakt een centrale injector onmogelijk. Maar om brandstofnevel op de cilinderwand te voorkomen, staat de injector zo ver mogelijk rechtop: 54°. De bougie staat onder een hoek van 4° om de centrale elektrode ideaal te positioneren én om ruimte te maken voor het MultiAir-systeem. Een zesgatsinjector voorkomt dat vloeibare brandstof op de inlaatkleppen komt.

Variabele compressieverhouding

Het MultiAir variabele inlaatklepbedieningssysteem kennen we sinds 2010. De nieuwste versie ervan past door Late Intake Valve Closure (LIVC) en Early Intake Valve Closure (EIVC) de effectieve compressieverhouding aan. LIVC vindt plaats in het blauwe, omcirkelde gebied. De inlaatkleppen sluiten daar tot wel 90 ° na ODP. Daarmee is de effectieve compressieverhouding veel lager dan de geometrische van 10,5 : 1, zodat mengselverrijking of ontstekingsverlating niet nodig is om detonatie te voorkomen. Ondertussen zorgt een verhoogde turbodruk toch voor voldoende vermogen. Al met al geeft dat een tot 20% betere brandstofefficiency bij hogere belasting.

FCA kiest in dat hoge belastinggebied voor LIVC vanwege het thermodynamisch rendement. In het groene gebied van lage belasting speelt dat een veel kleinere rol. Daar gaan de Firefly-motoren juist over op EIVC. De inlaatkleppen openen daar kort en op een kiertje. Daardoor moet de gasklep verder open en worden de pompverliezen gereduceerd.

Ten slotte maakt de nieuwste versie van MultiAir in combinatie met een aangepaste nokvorm interne EGR mogelijk door een kleine, extra vroege opening van de inlaatkleppen.

Reageer op dit artikel