artikel

Vraag van de maand: Rijdt de downsizemotor zuiniger op superbenzine?

Techniek 9652

Minimotortjes moeten zuinige auto’s opleveren, leve de driecilinder! Maar levert die trend bij autobouwers in de praktijk wat op? In een post op de AMT Autotechniek Facebookpagina stond een link naar Engineering Explained met uitleg waarom downsizemotoren vaak helemaal niet zo zuinig zijn. Dat zou liggen aan het detonatiegevaar. In reactie hierop vraagt Jeroen Haeck of we dan met downsizemotoren niet beter, zuiniger op 98 octaan benzine zouden rijden.

Vraag van de maand: Rijdt de downsizemotor zuiniger op superbenzine?
Niet alleen bij diesels is EGR een al lang gebruikte techniek voor schoner uitlaatgas door lagere cilindertemperatuur. Bij benzinemotoren komt daar bovendien gekoelde EGR bij. In AMT 6 van 2018 presenteerde Tenneco zijn clean EGR-systeem. Principe van dat systeem: door het EGR-gas te reinigen, kun je het veel verder terugkoelen zonder dat de motor intern vervuilt. En dat koele, inerte gas drukt de verbrandingstemperatuur en daarmee de klopneiging.

Interessante vraag, nu vrijwel alle benzineauto’s geoptimaliseerd zijn op Euro 95, en superbenzine bij de meeste tankstations alleen als dure ‘premium-brandstof’ te vinden is. Zou de overheid niet voor goedkopere superbenzine moeten zorgen, als dat zuiniger auto’s oplevert? Dat zou dan alvast een klein stukje CO2-besparing opleveren.

Engineering Explained

Het verhaal bij het YouTube-filmpje van Engineering Explained is dat kleine motortjes allemaal een turbo hebben om genoeg kracht te bieden. Maar zodra je wat meer van die kracht benut lopen (turbo)druk en temperatuur in de cilinders op. Zo komt de klopgrens snel in zicht. En dus, gaat het verder, moet de cilinder gekoeld worden.

Dat doen motorontwerpers door extra benzine (direct) in te spuiten. De opgenomen verdampingswarmte zorgt dan voor cilinderkoeling. Dat ‘koelen door spoelen’ werkt prima. Kleppen, zuigers en turbo’s worden effectief beschermd tegen te hoge temperaturen. Maar natuurlijk is benzine wel een erg duur koelmiddel. En verbruik en CO₂-uitstoot gaan zo wel omhoog.

Praktijk vs laboratorium

Bij downsizen kiezen motorenontwikkelaars vaak voor driecilinders. Dat voorkomt een te klein cilinderformaat met te veel warmteverlies en slechte cilinderspoeling door kleine klepdiameters.

Ook in de VS, waar deze verklaring vandaan komt, bestaat de klacht dat de beloofde zuinigheid van advertenties en officiële cijfers in de praktijk niet haalbaar zijn. Alleen bij lage motorbelasting, zoals in de officiële verbruikstest. In de VS speelt verder mee dat de ‘regular’ benzine daar een octaangetal van 87 heeft, dus eerder klopneiging geeft dan onze Euro 95.

Kleine motortjes zijn niet altijd zo zuinig als wordt voorgespiegeld. Maar ze kunnen wel heel zuinig zijn, doordat ze bij een rustige rijstijl al hoger belast draaien. Dat werkt efficiënter (in g/kWh brandstof) dan heel lage belasting. Bij een agressievere rijstijl wordt de downsizemotor heel hoog belast, en dat is niet zuinig meer. Door de hoge temperatuur tegen het eind van de compressieslag treedt dan klopneiging op.

Gaan we dan met brandstof koelen?

Hoeft niet, als de sensor het klopgevaar herkent kan ook even de ontsteking worden verlaat. Zo lang als nodig. De turbodruk tijdelijk terugregelen kan ook, al reageert dat minder snel. Of even wat meer EGR helpt ook. Het probleem van die maatregelen is wel dat ze ook het beschikbare koppel verlagen. En dat terwijl de bestuurder nou juist het gaspedaal dieper intrapte.

Groot probleem?

De vraag is: hoe ver komt de motor met die alternatieve maatregelen en wanneer moet hij echt gaan verrijken? De AFR-tabel (Air-Fuel Ratio) op de volgende pagina komt uit het Back to Basics-artikel over ‘fuel trims’ in AMT 7/8 van 2018. Hij toont de afhankelijkheid van de lucht-brandstofverhouding van belasting en toerental. De waardes in de tabel geven het aantal kg lucht op 1 kg brandstof. 14,7 staat voor λ = 1. Een kleiner getal betekent: rijk mengsel.

Kijk eens vanaf welke motorbelasting de verrijking begint. Bij laag toerental vanaf 55 procent motorbelasting. In het middengebied zit een stukje waarbij het pas bij 65 procent begint, maar bij hoog toerental wordt er al vanaf 35 procent extra ingespoten. Dat is al snel, maar wel ver boven het belasting-toerentalgebied waarin de NEDC-toelatingscyclus in het laboratorium zich afspeelt. Daar gaat deze motor nooit verrijken. Op straat gebeurt het wel. Afhankelijk van de rijstijl komt het vaak of minder vaak voor.

Alle waarden kleiner dan 14,7 in de tabel wijzen op verrijking. En let op, dit is een VW 1.8 20-klepper van voor het downsizetijdperk.

Oude techniek

Oh ja, en dit zijn de waarden van een VW 1.8 20-kleppenmotor. Die dateert nog van voor het downsizetijdperk. De downsizemotortjes beginnen bij nog lagere belasting al met verrijken. Toch blijven ook zij in de NEDC onder de verrijkingsgrens. Zou dat niet zo zijn, dan schiet hun officiële verbruik omhoog en zouden hun emissies te vuil zijn voor de Euro-emissienormen. De driewegkatalysator kan immers niet uit de voeten met zo’n rijk mengsel.

Nieuwe toelatingstest

Sinds 1 september is de NEDC-toelatingscyclus vervangen door de WLTP en de RDE. Vooral die RDE heeft de wereld voor motorenontwikkelaars op zijn kop gezet. De Real Driving Emissions-test speelt zich namelijk af op straat en vergt veel grotere motorbelastingen. Heel vroeg verrijken gaat nu dus niet meer alleen ten koste van de emissies en de portemonnee van de autobezitter. Nu gaat het ook ten koste van de autofabrikant. Die zakt ermee voor de typegoedkeuringstest.

 

‘In ongunstige gevallen kan superbenzine op die manier brandstof sparen’

Ontwikkeling voor RDE

Het is dan ook geen toeval dat we juist in de afgelopen tijd tal van motorische technieken zien die de motor beschermen tegen kloppen zonder zo snel al te hoeven verrijken. Voorbeelden? Bosch ontwikkelde een waterinjectiesysteem. Niet alleen omdat water een veel goedkoper én beter koelmiddel is dan benzine, maar ook omdat het geen schadelijke emissies veroorzaakt. Tenneco ontwikkelde een zogenoemd ‘Clean EGR’-systeem dat verrijken vermijdt met koel inert gas (Zie AMT05 Oog voor Techniek). En ook de nieuwe Firefly-motoren van Fiat-Chrysler vormen een sprekend voorbeeld.

FCA claimt dat die motoren over hun gehele belasting-toerengebied met de stoichiometrische mengselverhouding (λ=1) werken. Enkele maatregelen die dat mogelijk maken: kleine boring-slagverhouding in combinatie met grote klephoeken, een vloeistofgekoelde intercooler, een in de cilinderkop geïntegreerd inlaatspruitstuk en een gekoeld uitlaatspruitstuk.

Late Intake Valve Closing

Maar misschien wel de belangrijkste maatregel die Fiat nam is de LIVC (Late Intake Valve Closing), mogelijk gemaakt door het MultiAir variabele inlaatklepbedieningssysteem. Bij hoge motorbelasting sluiten de inlaatkleppen tot 90 ° na ODP. Daarmee is de effectieve compressieverhouding veel lager dan de geometrische. Dat komt erop neer dat de motor werkt met een variabele compressieverhouding zonder dat daar een complexe constructie à la Infiniti voor nodig is. Ondertussen zorgt een verhoogde turbodruk toch voor voldoende vermogen.

Kenveld en klopsensor

Terug naar zo’n eerder voor de NEDC ontwikkelde downsizemotor. Zijn ECU werkt volgens een belasting-toerenkenveld, eventueel aangepast door signalen van een of meer klopsensoren. Daarmee verrijkt zo’n motortje nog eerder dan de VW-motor van het kenveld hiernaast. Maar pas als het bedwingen van de klopneiging geregeld wordt door een klopsensor, grijpt die met klopvastere benzine later in. Alleen dan springt de motor dus zuiniger om met Euro 98 dan met 95.

Maar hoe vaak gebeurt dat? En bovendien: zo groot is het verschil tussen 98 en 95 octaan niet. Het verschil in brandstofverbruik zal per auto verschillen, en per rijstijl. Maar groot zal het niet zijn. Niet merkbaar aan de pomp.

Het nieuwe rijden

Door WLTP en vooral RDE komen motorenontwikkelaars niet meer weg met heel vroeg verrijken om kloppen te voorkomen. FCA claimt dat zijn nieuwe FireFly-motoren helemaal niet meer verrijken.

Er is wel een ander voordeel aan het rijden op 98 octaan benzine: direct ingespoten motoren blijven er schoner mee. Hans de Kam van Diesel Büchli (dat zich ook bezig houdt met brandstofsystemen voor benzine) legt uit: “Vooral als veel korte ritten gemaakt worden, raden we aan op superbenzine te rijden. Dat gaat inwendige motorvervuiling tegen.”

Hoe zit dat dan? “Bij directe injectie vormt zich roet als de motor niet warm genoeg wordt. Net als bij een diesel. Roetvervuiling vergroot de kans op detonatie. Gloeiende roetaanslag kan werken als een aansteker van ongewenste verbrandingen.”

Reinigende additieven

Hier helpt klopvastere benzine, die minder makkelijk ontsteekt door nagloeiende cilindervervuiling. “We raden aan om merkbenzine te tanken. Er zitten vergeleken met ‘eigen merk’ brandstof meer en betere reinigingstoevoegingen in”.  Dat is ook een verschil bij premium brandstoffen, werd ons bij Shell uitgelegd toen ze (98 octaan) V-Power hadden uitgebracht. Dat reinigt actief. Shells Fuel Save Euro 95 voorkomt alleen nieuwe vervuiling.

“Een schone motor loopt minder kans op onhoorbare, maar wel schadelijke detonatie. Terwijl de ongecontroleerde verbranding bij detonatie juist roetvervuiling geeft. Daarom raden we aan bij vervuiling en onregelmatige motorloop superbenzine te gaan tanken”, zegt Diesel Büchli.

Dus in ongunstige gevallen kan superbenzine op die manier brandstof sparen. Een schonere motor die geen detonatie kent is zuiniger, en leeft langer.

Reageer op dit artikel