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.
AutoRai