Wetenschappers en motorontwikkelaars onderzoeken continu hoe moderne voertuigaandrijvingen nog efficiënter kunnen worden. Volgens een recent voltooid project van het Karlsruher Institut für Technologie (KIT) is er nog een aanzienlijk aantal mogelijkheden. In de toekomst moet de laaddruk nog aanzienlijk stijgen, zonder afbreuk te doen aan de duurzaamheid van de motor.
Moderne benzinemotoren zouden tot 30% efficiënter kunnen werken als de brandstof bij hoge belastingen niet ongecontroleerd tot zelfontbranding overgaat vóór de ontsteking door de bougies. Dit fenomeen, ook bekend als voorontsteking, is gevaarlijk voor de motor.
Onder extreme omstandigheden stijgen de druk en de temperatuur daardoor in de cilinder zo ver, dat voor het einde van de verbranding een sterk detonerende ontsteking met hoge piekdrukken ontstaat, waardoor de motor wordt beschadigd. Deze zelfontbranding is vooral gevaarlijk bij de high-tech benzinemotoren, die dankzij drukvulling en directe inspuiting hoge vermogens uit kleine cilinderinhoud halen.
Dergelijke situaties treden maar zelden op, maar om ze veilig te kunnen uitsluiten moet de maximale vuldruk bij seriemotoren relatief lager worden gehouden dan voor een optimale verbranding noodzakelijk zou zijn.
Onderzoek
Wetenschappers van het KIT hebben in opdracht van de Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) onderzocht, onder welke omstandigheden de benzine tot zelfontbranding overgaat in de motor.
Tussen de meerdere honderden miljoenen verbrandingsprocessen werden enkele voorontstekingen (de brandhaarden) vastgesteld en onderzocht. Het verbrandingsverloop in de proefmotor kon met behulp van glasvezel in een bougie en een speciale glasvezel endoscoop door een hoge snelheidscamera worden bekeken. Zo kon precies worden gevolgd hoe de zelfontbrandingen optraden.
Het nu voltooide onderzoeksproject toonde aan, dat de zelfontbranding meestal in de buurt van de zuigerbodem of de cilinderwand optrad. Dit bevestigde de al bestaande verdenking, dat de zelfontbranding hoofdzakelijk is terug te leiden tot de interactie van direct ingespoten brandstofdruppels met de cilinderwand en de daarop aanwezige smeerfilm.
Tegenmaatregelen
De onderzoeken bij het KIT tonen ook aan, dat er een flink aantal mogelijkheden is om de frequentie van het aantal zelfontstekingen belangrijk te verminderen. Een gerichte versnelling van de instromende lucht in de motor, via elektrisch verstelbare kleppen in de inlaatbuis, zou kunnen zorgen voor een betere menging van de lucht met de brandstof in de cilinder. De frequentie, waarmee de zelfontstekingen optraden, werden met een dergelijk systeem belangrijk verminderd.
Het injectiesysteem zelf speelt daarbij een cruciale rol. Door het vervangen van ééngats inspuitverstuivers door verstuivers met zes gaten ging het aantal zelfontstekingen omlaag. Met dergelijke verstuivers kan de brandstof namelijk gelijkmatiger in de cilinder worden verdeeld, zodat een kleiner aandeel van de brandstof de cilinderwand raakt. Ook als de brandstof niet in één keer, maar in meerdere porties wordt ingespoten, heeft dat een positief effect. In het algemeen moet de brandstof niet in vloeibare vorm bij de cilinderwand terechtkomen.
Ook de eigenschappen van de gebruikte brandstof en de motorolie hebben invloed op de frequentie van het aantal zelfontbrandingen. Als de volledige verdamping van de brandstof pas bij hogere temperaturen plaatsvindt, kan de ingespoten straal dieper indringen in de verbrandingsruimte en daarbij hoogstwaarschijnlijk ook nat tegen de cilinderwand komen. De additieven in de olie schijnen eveneens van invloed te zijn op de kans op een zelfontsteking.
Toekomst
Met de resultaten, verkregen in het FVV-project, moeten ontwikkelaars in de toekomst motoren zodanig vorm kunnen geven, dat de gemiddelde effectieve druk (op dit moment tussen de 20 bar en 24 bar) ligt, zou kunnen stijgen tot 30 bar. De gemiddelde effectieve druk is een maat voor het uit een bepaald slagvolume verkregen vermogen, dat beschikbaar is voor de aandrijving van het voertuig.
Dit is vooral interessant, wanneer men bij de lage toerentallen versneld. Toekomstige motoren zouden meer koppel en zodoende een betere acceleratie kunnen bieden en toch minder verbruiken.
