AutoRai

GM brengt nieuwe verbrandingstechnologie van het laboratorium naar de weg

(8/24/2007)
Motorspecialisten hebben erover gedroomd, gepraat en lezingen gegeven, en nu â voor het eerst â demonstreert General Motors Corp. de âmeest verwachte geavanceerde verbrandingstechnologieâ van de afgelopen 30 jaar.

GM demonstreerde het verbrandingsprocédé, dat officieel bekend staat als "homogeneous charge compression ignition" ofwel HCCI, voor het eerst in twee rijklare concept cars, een Saturn Aura 2007 en een Opel Vectra. In combinatie met actief meewerkende geavanceerde technologieën, directe injectie, elektrische klepbediening, variabele kleplichthoogte en cilinderdrukdetectie levert HCCI een brandstofbesparing van maar liefst 15 procent op en beantwoordt het aan de toekomstige emissienormen.

âIk herinner me een debat over deze verbrandingscapaciteit toen ik op de universiteit zat," zegt Tom Stephens, group vice president, GM Powertrain and Quality. âHet was toen alleen maar een droombeeld. Tegenwoordig beginnen we aan de hand van op wiskunde gebaseerde voorspellende analyse en andere hulpmiddelen in te zien hoe we deze technologie kunnen verwezenlijken. Door HCCI met andere vooruitstrevende technologieën voor benzinemotoren en regeltechnieken te combineren, kunnen we de klanten heel wat brandstof laten besparen."

In een geïntegreerd motorconcept benadert HCCI samen met andere actieve geavanceerde technologieën het voordelige motorrendement van een diesel, zonder de noodzaak van dure nabehandelingssystemen voor het beperken van de NO -uitstoot. Het rendement wordt verhoogd doordat de brandstof bij lagere temperaturen wordt verbrand en er bij het verbrandingsproces dus minder energie in de vorm van warmte verloren gaat. Hierdoor wordt minder koolstofdioxide (CO2) vrijgegeven, aangezien een auto met HCCI efficiënter rijdt.

De conceptauto's met HCCI-aandrijving â een op het seriemodel gebaseerde Saturn Aura en een Opel Vectra, allebei met een aangepaste Ecotec viercilindermotor van 2,2 liter â rijden als een auto met een conventionele motor, maar met een tot 15 procent lager verbruik dan een vergelijkbare motor met benzine-injectie (dit hogere brandstofrendement kan verschillen naar gelang het gebruik van de auto en de rijcyclus van de klant). De rijklare concept cars vormden één van de eerste tastbare demonstraties van de HCCI-technologie buiten het laboratorium.

âIk ben tevreden met de vorderingen van ons technisch team,â zegt Stephens. âHet is alweer een initiatief in de strategie van GM op het gebied van geavanceerde aandrijftechnologieën om onze afhankelijkheid van olie te verminderen. HCCI, directe injectie, variabele kleptiming en kleplichthoogte, en Active Fuel Management dragen allemaal bij tot een lager brandstofverbruik en betere prestaties van onze motoren met interne verbranding. Ik heb er alle vertrouwen in dat HCCI op een dag een plaats zal hebben in onze reeks brandstofbesparende technologieën van de toekomst.â

Voordelen van de HCCI-technologie zijn onder meer:
* Motorrendement als van een diesel met aanzienlijk goedkopere nabehandeling

* Gebaseerd op de beproefde directe benzine-injectie en variabele klepbedieningstechnologieën

* Aanpasbaar aan de structuur van conventionele benzinemotoren
* Vereist alleen een conventionele nabehandeling van de uitlaatgassen

* Bruikbaar voor alle benzines en E85 ethanolbrandstoffen die in de handel verkrijgbaar zijn

Hoe werkt HCCI

Een HCCI-motor ontsteekt een mengsel van brandstof en lucht door het in de cilinder samen te drukken. In tegenstelling tot een benzine- of dieselmotor met vonkontsteking zorgt HCCI voor een vlamloze vrijgave van energie bij lagere temperatuur in de hele verbrandingskamer. Alle brandstof in de kamer wordt gelijktijdig verbrand. Dit procédé levert hetzelfde vermogen als de conventionele benzinemotoren van vandaag, maar heeft daar minder brandstof voor nodig.

Hitte is een belangrijke activator voor het HCCI-procédé en dus wordt de koude motor gestart met een vonkontsteking om de cilinders inwendig te verhitten, de uitlaatkatalysator snel op te warmen en de HCCI-werking mogelijk te maken. Tijdens de HCCI-werking is het mengsel relatief arm, wat betekent dat het een hoog percentage lucht bevat. De werking van HCCI met arm mengsel helpt de motor het rendement van een diesel te benaderen, maar vereist alleen een conventionele nabehandeling van de uitlaatgassen. Bij dieselmotoren is een complexere en duurdere nabehandeling nodig om de uitstoot van schadelijke stoffen te verminderen.

HCCI is gebaseerd op de integratie van andere geavanceerde motortechnologieën waarvan sommige nu al in productie zijn en aan de bestaande benzinemotoren kunnen worden aangepast. De compressieverhouding in de cilinders is vergelijkbaar met een conventionele benzinemotor met directe injectie en is bruikbaar voor alle benzines en E85-brandstoffen die in de handel verkrijgbaar zijn.

De prototypes

GM demonstreerde de adaptatie van de HCCI-technologie in rijklare concept cars op basis van conventionele, op seriemodellen gebaseerde producten zoals de Saturn Aura en de Opel Vectra. De Aura is met een automatische versnellingsbak uitgerust, terwijl de Vectra, die voor de Europese markt is bedoeld, over een manuele versnellingsbak beschikt.

De beide auto's worden aangedreven door een Ecotec-motor van 2,2 liter (180 pk en een koppel van 230 Nm) met een centraal direct-injectiesysteem, variabele kleplichthoogte zowel van de inlaat- als van de uitlaatkleppen, dubbele elektrische nokkenas-phasers en individuele cilinderdruksensoren om de verbranding te controleren en voor een soepele overgang tussen de verbrandingsmodi te zorgen.

Een geavanceerde regeleenheid, die gebruik maakt van cilinderdruksensoren en door GM ontwikkelde regelalgoritmen, regelt het HCCI-verbrandingsproces en de overgang tussen HCCI-verbranding en conventionele verbranding met vonkontsteking. In de demoprototypes is de overgang tussen de verbrandingsprocessen voelbaar, maar voor de productieversies wordt ernaar gestreefd de overgang tijdens het rijden onmerkbaar te laten verlopen, vergelijkbaar met de uitschakeling van het Active Fuel Management System van GM.

Op dit ogenblik kunnen de prototypes van GM tot ongeveer 90 km/u op HCCI rijden en schakelen ze bij een hogere snelheid en bij zware motorbelasting naar vonkontsteking over. Naarmate het controlesysteem en de hardware van de motor verder worden verfijnd, wordt een ruimer bereik voor de HCCI-werking verwacht.

âMisschien is het controleren van het verbrandingsproces wel de grootste uitdaging van HCCI,â zegt Prof. Dr. Uwe Grebe, executive director van GM Powertrain Advanced Engineering. "Met vonkontsteking kunnen de timing en de intensiteit van de vonk worden afgesteld, maar met de vlamloze verbranding van HCCI moeten de samenstelling en de temperatuur van het mengsel op een complexe wijze en exact getimed worden aangepast om vergelijkbare prestaties te halen."

Het mondiale HCCI-team van GM blijft de technologie verder verfijnen in de uiteenlopende rijomstandigheden over de hele wereld, van extreme hitte en koude tot de effecten van ijle lucht bij rijden op grote hoogte.

âHoewel de ontwikkelingskosten voor HCCI aanzienlijk zijn geweest, hebben we een enorme stap gezet door de meest verwachte verbrandingstechnologie uit het laboratorium te halen en met de Saturn Aura en Opel Vectra conceptauto's op de testbaan te brengen. Nog meer ontwikkelingskosten voor bijvoorbeeld onderzoek en testprogramma's zijn nodig om deze technologie klaar te maken voor de vele verschillende omstandigheden waarin onze klanten rijden,â zegt Prof. Grebe.