Download hier de PDF van dit artikel

TECHNIEK
COMPRESSIEVERHOUDING 18:1 IN KOMENDE BENZINEMOTOREN
Mazda doet het anders
‘DE STERK OP DE
NEDC GEBASEERDE
NEDERLANDSE
FISCALE REGELS
ZIJN EEN WORST
CASE SCENARIO’
2009
DOOR ERWIN DEN HOED / FOTO’S MAZDA
“Wij doen het anders”, zegt Mazda. En dus gaf het relatief
kleine automerk uit Hiroshima de rotatiemotor nooit op,
kwam Mazda met de MX-5 toen geen concurrent meer
brood zag in de kleine roadster en drijft de 2.0 ongeblazen
SkyActiv-G-motor veel van de huidige Mazda’s aan, terwijl
concurrenten gedownsizede 1.4-, 1.2-, of 1.0-turbootjes
onder de kap hebben. Anders dus.
In Mazda’s Europese R&D Centre nabij Frankfurt legt senior
engineer Tobias Albert uit hoe Mazda zijn auto’s in de
komende jaren zuiniger en dus klimaatvriendelijker gaat
maken, zonder daarbij in te boeten aan rijplezier. Dat begint
met de basistechnologie: “Een goed onderstel, een lichte,
stijve body, een eﬃciënte transmissie en een zuinige motor
die toch voldoende power heeft.”
Bovenop die basis kan Mazda extra bouwblokjes stapelen
om nog meer kilometers uit de brandstof te persen: “Ons
i-stop-systeem zet de motor op exact de juiste krukasstand
stil. Daardoor kan het verbrandingsproces de startmotor
helpen om de motor weer op gang te brengen. Zo vraagt
een stop-startactie minder elektrische energie. Die hoeft de
dynamo dan ook niet op te wekken. Dat scheelt brandstof.
Bovendien slaat met die hulp de motor sneller aan: “Binnen
0,35 seconde. Daarmee hebben wij het snelste start-stopsysteem op de markt.”
Extra bouwblokje twee is Mazda’s i-Eloop regeneratief remsysteem. “Dat maakt gebruik van een EDLC, een Electric Double Layer Capacitor.” Zo’n supercondensator kan veel minder
elektrische energie opnemen dan een standaard startaccu,
maar dat opnemen en ook weer afgeven van die elektrische
energie gaat wel veel sneller dan bij een accu. En zonder
slijtage. “We gebruiken een dynamo met variabel voltage,
12 tot 25 V, en een DC/DC-converter om de hogere spanning
2015
HEV
Start-stop
Speciﬁek brandstofverbruik (g/kWh)
Terwijl andere merken downsizen, koos Mazda voor een
hoge compressieverhouding.
En nu andere merken hun
experimenten met Homogenious Charge Compression
Injection in de la stallen, zet
Mazda voor de nabije toekomst juist in op benzine
ontsteken zonder bougie.
“Conventies trotseren”, noemt
Mazda dat. Heel mooi. Maar
wat levert het op?
2020
EV
HEV / PHEV
Regeneratie
remenergie
Start-stop
EV
HEV / PHEV
Regeneratie
remenergie
Verbrandingsmotor
Verbrandingsmotor
Verbrandingsmotor
54 | AMT | 23 mei 2014
1
AMT | 2014
Veel liever, dan op die extra bouwblokjes, concentreert
Mazda zich op de basis, de verbetering van de benzinemotor. Belangrijkste reden: “Van de personenauto’s die in
2020 verkocht worden, heeft nog minstens 90% een interne
verbrandingsmotor. De elektrische aandrijfsystemen die
tegen die tijd op een groot deel van de auto’s zitten, werken
samen met die verbrandingsmotor.”
In AMT 9 van 2011 gingen we uitgebreid in op de techniek
van de huidige SkyActiv-G-benzinemotor. (Zie kadertje
‘Meer weten’ op pagina ...). In plaats van te kiezen voor een
kleinere cilinderinhoud met turbo, hield Mazda bij de ontwikkeling van die motor vast aan een atmosferische 2.0. Wel
verhoogde Mazda de compressieverhouding naar 14: 1, een
record voor in serie geproduceerde benzineauto’s.
Wat is nodig voor compressie 14:1?
Die stap klinkt eenvoudiger dan hij is. Zo’n hoge compressieverhouding leidt namelijk tot kloppen, ongecontroleerde
verbranding. De eenvoudigste manier om dat tegen te
gaan is de ontsteking later zetten. Nadeel daarvan: minder
motorkoppel en in plaats daarvan meer uitlaatgaswarmte.
Om de compressieverhouding te kunnen verhogen zonder
30% Downsizing
20% Down-speeding
Verbetering speciﬁek verbruik door
hoge compressieverhouding
SkyActiv-G 2.0
0
“Zeker, in een steeds groter deel van de auto’s spelen elektrische aandrijfcomponenten een rol”, zegt Mazda. “Maar ook in 2020 heeft nog zeker 90%
een verbrandingsmotor. En die kan nog een stuk efficiënter.”
Terug naar de basis
50% Gedownsizede motor
Goed
Start-stop
weer om te zetten naar het niveau van de boordspanning.”
Resultaat: “Na 7 seconden afremmen op de motor bevat de
condensator zoveel elektrische energie dat de dynamo 80
seconden niet hoeft te laden.”
Daarbovenop kan Mazda nog het blokje van de elektrische
aandrijving stapelen. Mazda kocht Toyota’s hybridesysteem
en koppelde dat aan een aangepaste versie van zijn SkyActivG-motor. In Japan is de Mazda3 te koop met die aandrijving,
in Europa niet. En ook in Japan experimenteert Mazda met
een vlootje zuiver elektrische Demio’s met HV-batterij.
100
50
Gemiddelde eﬀectieve druk (kPa)
150
Hoog
200
Het specifiek brandstofverbruik in gram per kWh van gedownsizede motoren is gunstiger dan dat van Mazda’s 2.0 SkyActiv-G. Tenminste, bij extreem
lage belasting. In de dagelijkse praktijk met meer belasting in het midden
en hogere gebied zijn gedownsizede motoren minder zuinig.
www.amt.nl
TECHNIEK
De tweede generatie SkyActivG-motor komt eraan. Die springt
nog weer een stuk efficiënter met
brandstof om dan de huidige. Om
dat te bereiken verhoogt Mazda de
compressieverhouding naar 18:1
en kijken de bougies grotendeels
werkloos toe.
‘BOVEN DE 18:1 NEEMT HET
RENDEMENT NAUWELIJKS
NOG TOE, TERWIJL DE WARMTEEN WRIJVINGS-VERLIEZEN
WEL DOORGROEIEN’
NEDC
WLTP
200
Koppel (Nm)
Koppel (Nm)
200
0
0
1000
Toerental (t/min)
3200
1000
Toerental (t/min)
3200
Links de motorbelasting in de NEDC (New European Driving Cycle). Let op
de grote bollen, ze staan allemaal dicht bij 0 Nm motorbelasting. De WLTP
(Worlwide harmonized Light vehicles test Procedure), die naar verwachting
de NEDC gaat vervangen als typegoedkeuringscyclus, belast de motor veel
zwaarder, niet alleen door veel vlottere acceleraties, maar ook doordat de
airco en de interieurventilator gewoon aanstaan. De sterk op de NEDC gebaseerde Nederlandse fiscale regels noemt Mazda: “A worst case scenario.”
De NEDC heeft een zeer sterke (en niet altijd positieve) invloed gehad op
de ontwikkeling van automotoren. De WLTP moet dat gaan veranderen.
Daarop vooruitlopend geeft de EU CO2-credits voor ECO-innovations die
een bijdrage leveren aan verlaging van de CO2-uitstoot, maar geen voordeel
bieden in de NEDC. Een voorbeeld is de isolatie van het motorcompartiment
van de Mercedes S300 Bluetec Hybrid. Die zorgt ervoor dat de motor zijn
temperatuur na afzetten langer vasthoudt. Een volgende start is daarmee
minder koud, wat minder wrijving oplevert. Volgens Mercedes spaart dat
gemiddeld 1,5 liter per volle tank.
www.amt.nl
23 mei 2014 | AMT | 55
AMT | 2014
2
TECHNIEK
Bougie ontsteking
λ>2,0 (Lucht/Brandstof=29.4)
ADAC ECO Test (l/100 km)
7
6
5
Bougie ontsteking lukt niet bij λ>2
Atmosferisch
Geblazen gedownsized
4
4
5
6
7
HCCI
λ>2,5 (Lucht/Brandstof=36.8)
NEDC (l/100 km)
*Bron: ADAC EcoTest Nieuw (dd 05/2013)
Het verbruik volgens NEDC uitgezet tegen het verbruik volgens de ADAC
Ecotest. Die Ecotest is een combinatie van NEDC, WLTP en de ADAC Motorway Cycle. Die laatste speelt zich grotendeels bij een snelheid van 130 km/u
af. Resultaat: veel gedownsizede turbomotoren vallen door de mand.
Controle factoren
100
Verlies door straling en misﬁres
Warmte-energiebalans (%)
Uitlaatverlies
Koelverlies
Pompverlies
0
20
40
60
Belasting
0
Wrijvingsverlies
Eﬀectieve arbeid
80
100
Compressieverhouding
Speciﬁeke warmteverhouding
Verbrandingsduur
Verbrandingstiming
Warmteoverdracht aan
cilinderwand
Drukverschil tussen inen uitlaat
Een bougie heeft moeite om hele
arme homogene mengsels te
ontsteken. De verbranding in het
bovenste rijtje foto’s komt niet
echt op gang. In een HCCI-proces
met een hele hoge compressieverhouding lukt het wel. Merk op
dat de verbranding op meerdere
plekken tegelijk begint. Daardoor
wordt een hoge piektemperatuur
vermeden. En juist bij die extreem
hoge temperaturen ontstaat NOx.
Mechanische wrijving
Ook een verbrandingsmotor die heel zuinig met brandstof omgaat, laat nog altijd het overgrote deel van de verbrandingsenergie verloren gaan. Een relatief klein deel van die verliezen zit in mechanische wrijving en in pompverliezen. Downsizen is een goede manier om die verliezen terug te brengen. Mazda concentreert zich vooral op de
twee grootste verliesposten: warmteverlies via de uitlaat en via het koelsysteem. Hoe? Hoge compressieverhouding
met HCCI en ‘adiabatische’ verbranding.
WAAROM ZOU
MAZDA WEL
SLAGEN, TERWIJL
ANDEREN HUN
HCCI-PROJECTEN
AL IN EEN DIEPE
LA GESCHOVEN
HEBBEN?
56 | AMT | 23 mei 2014
3
AMT | 2014
de ontsteking te verlaten zijn andere maatregelen nodig.
De temperatuur vóór de verbranding moet omlaag en de
verbranding zelf moet sneller verlopen. Hoe Mazda dat realiseerde? Dat beschreven we uitgebreid in AMT 9 van 2011.
Voor nu sommen we de maatregelen nog eens kort op.
Allereerst een grotere slag, zodat een kleinere boring volstaat voor dezelfde cilinderinhoud. Dan een andere zuigervorm met een kommetje in de zuigerbodem. Beiden versnellen de verbranding. Direct inspuiten onder hogere druk
door zesgatsinjectoren zorgt voor een homogener mengsel
en een lagere aanvangstemperatuur. Het spaghetti-uitlaatsysteem zorgt voor minder restgas in de verbrandingskamer en verlaagt daarmee de aanvangstemperatuur. Dat
de katalysator daarmee op afstand komt te staan is een
probleem bij de koude start. Mazda loste het op door dan
de ontsteking naar laat te zetten en te werken met een gelaagde verbranding. Het werkt want de SkyActiv-G-motor
voldoet aan Euro 6.
De pompverliezen bij lage belasting pakte Mazda aan
www.amt.nl
door onder die omstandigheden de inlaatkleppen laat te
sluiten. Zo kan de gasklep wijd open blijven staan, terwijl de
zuiger aan het begin van de compressieslag de overtollige
lucht terug duwt het inlaatspruitstuk in. Er zit een grens
aan dit zogenoemde Atkinson-principe. Immers sluiten de
inlaatkleppen te laat dan is er onvoldoende compressie voor
een stabiele verbranding. Maar dankzij zijn hoge compressieverhouding ligt die grens voor deze motor net wat verder
weg. Natuurlijk construeerde Mazda de SkyActiv-G-motor
ook lichter dan zijn voorganger en reduceerden de Japanse
ingenieurs de inwendige wrijving van de nieuwe motor.
Geen lage bijtelling?
Dankzij al die inspanningen gaat de SkyActiv-G-motor 15%
eﬃciënter met de kostbare brandstof om dan zijn voorganger. Toch heeft dat niet geleid tot een grote Mazda-vloot in
het lagebijtellingsegment. Tobias Albert legt uit waarom
niet: “Mazda is een relatief kleine fabrikant. Wij kunnen geen
auto’s ontwikkelen die speciaal op de Nederlandse ﬁscale
TECHNIEK
2000 t/min
200kPa
7
6
48%
5
48%
46%
4
3
44%
Ontsteken zonder bougie
2
46%
42%
44%
42%
1
10:1
14:1
18:1
22:1
Compressieverhouding
100g/kWh
De huidige SkyActiv-G-motor
scoort een 15% lager specifiek
brandstofverbruik dan zijn
indirect ingespoten voorganger.
De HCCI generatie 2-motor doet
daar in de onderste helft van de
motorbelasting, als er daadwerkelijk zonder bougievonkje
wordt verbrand, een flinke schep
bovenop. De generatie 3 motor
voert minder warmte af en is
daarmee over het hele belastinggebied nog efficiënter.
Mazda 2L PFI
Speciﬁek brandstofverbruik (g/kWh)
Kortom, Mazda is op de goede weg. Alhoewel, zelfs in zo’n
eﬃciënte SkyActiv-G-motor verdwijnt het overgrote deel
van de verbrandingsenergie als warmte via de uitlaat of
het koelsysteem. In komende generaties SkyActiv-motoren
wil Mazda daarom meer beweging produceren en minder
warmte. Anders gezegd: de thermische eﬃciency moet
omhoog. Hoe? Vooral door de compressieverhouding nog
verder te verhogen. Die moet naar 18:1. Daar ongeveer
ligt volgens de technici van Mazda het optimum. Daarboven neemt het rendement nauwelijks nog toe, terwijl de
warmte- en wrijvingsverliezen wel doorgroeien. Bij die hele
hoge compressieverhouding moet de motor onder niet te
hoge belasting met hele arme mengsels kunnen draaien.
Zo arm dat een bougie ze niet meer ontstoken krijgt. Dus
moet de motor onder die omstandigheden omschakelen
op HCCI.
Oei, dat begrip kennen we. De afkorting staat voor Homogeneous Charge Compression Ignition. Oftewel: een
homogeen mengsel ontsteken zonder bougie. Even voor de
goede orde, een diesel doet dat niet. Die injecteert en ver
voor het mengsel homogeen heeft kunnen worden, start
de verbranding onder invloed van de hoge temperatuur
en druk. In de afgelopen jaren hebben veel fabrikanten
zich onder de naam HCCI het hoofd gebroken over hoe ze
bij een diesel de tijd tussen injectie en ontsteking zodanig
kunnen verlengen dat het mengsel de tijd heeft om
homogeen te worden. Dat uitstellen van het moment van
ontbranden lukte bij die HCCI-experimenten door een heel
nauwkeurige regeling van EGR, turbodruk, kleptiming en
kleplift. Maar dan alleen in een heel smal belastinggebied
onder statische omstandigheden.
Mazda probeert het nu dus met benzine. De reden? “In
vergelijking met de huidige motoren kan het tot wel zo’n
30% aan brandstof besparen. En je produceert geen NOx
ondanks dat je met een arm mengsel werkt.” Maar waarom
zou Mazda wel slagen, terwijl anderen hun HCCI-projecten
al in een diepe la geschoven hebben? “Dankzij de ervaring
die wij opgedaan hebben met hoge compressieverhouding
bij de SkyActiv 1-generatie hebben wij een voorsprong.”
Over hoe dat HCCI-proces gecontroleerd wordt, laten de
Mazda-technici niet veel los. Wel geven ze prijs dat er
geen variabele compressieverhouding voor nodig is: “Te
complex.” En ze willen wel vertellen dat er al proefmotoren
Een combinatie van hoge
compressieverhouding (beperkt
uitlaat- en koelverlies) en een heel
arm mengsel (beperkt pompverlies) maakt volgens Mazda een
rendement van 48 % mogelijk,
extreem hoog voor een benzinemotor in een auto. De huidige
SkyActiv-G scoort onder de meest
gunstige belasting 38%.
8
Lucht-brandstofverhouding λ
regels zijn afgestemd. Wij ontwikkelen auto’s die overal ter
wereld een laag praktijkverbruik geven. En dat praktijkverbruik is gunstiger dan dat van onze gedownsizede concurrenten. Daarom downsizen wij niet, wij rightsizen.”
Dat vraagt om een toelichting: “Het speciﬁek brandstofverbruik in gram per kWh van gedownsizede motoren is
gunstiger dan dat van onze 2.0 SkyActiv-G. Tenminste, als
de motor extreem laag belast wordt. En dat is de meest
voorkomende belasting in de NEDC, de Europese testcyclus.
Daarin trek je op van 0 naar 50 km/h in 26 seconden. Zodra
de motorbelasting ook maar ietsje toeneemt is de SkyActivG zuiniger dan zijn concurrenten. Om die reden scoren onze
motoren beter in praktijktesten. Bovendien geeft een atmosferische motor een mooie lineaire acceleratie. En die zorgt
weer voor een smile op het gezicht van de bestuurder.”
SkyActiv-G
SkyActiv-G generatie 2
SkyActiv-G generatie 3
0
200
400
600
800
Gemiddelde eﬀectieve druk (kPa)
1000
1200
draaien. Sterker nog, dat ze in de volgende Mazda-voertuiggeneratie in serieproductie gaan. Kortom, we hoeven er niet
tot 2020 op te wachten.
Geen warmte naar buiten
Tegen die tijd verwacht Mazda namelijk al aan generatie 3
van zijn SkyActiv-motoren toe te zijn. Die moeten minder
warmte afstaan aan het koelsysteem. Mazda gebruikt het
woord adiabatisch. Dat staat voor een proces dat geen
warmte uitwisselt met zijn omgeving. “Maar let op, adiabatisch is de ontwikkelingsrichting, een perfect adiabatisch
proces zou helemaal geen koelsysteem meer nodig hebben.
Dat is niet realiseerbaar”, legt Albert uit.
Hoe je dat doet, het verbrandingsproces van een benzinemotor meer adiabatisch maken? “Dat begint met een kleiner
koelend oppervlak, dus een kleinere boring bij een grotere
slag. Die stap hebben we al genomen in onze huidige motoren. Maar je kunt ook denken aan materialen die een hogere
www.amt.nl
‘EEN PERFECT
ADIABATISCH
PROCES ZOU
HELEMAAL GEEN
KOELSYSTEEM
NODIG HEBBEN.
MAAR DAT IS NIET
REALISEERBAAR’
23 mei 2014 | AMT | 57
AMT | 2014
4
TECHNIEK
<< Elektromotor >>
8 versnelling
e
7e versnelling
6e versnelling
5e versnelling
Regeneratie
remenergie
Elektrisch vermogen opgewekt
door verbrandingsmotor
Speciﬁek
bran
Speciﬁek
brandstofverbruik
Gemiddelde eﬀectieve druk (kPa)
CVT
Huidige verbrandingsmotor
Vergelijkbaar speciﬁek brandstofverbruik voor hybride
10kW
1000
2000
3000
4000
5000
SkyActiv-G generatie 2 en 3
6000
Motortoerental (t/min)
Gemiddelde eﬀectieve druk
De benzinemotor is op zijn efficiëntst in een klein eivormig gebied in de
belasting-toerentalgrafiek. Complexe automatische veelversnellingsbakken
houden de motor in dat gebied. Nadeel: er is nauwelijks koppel beschikbaar
voor acceleratie. Dus moet de bak eerst terugschakelen. “Dat is niet nodig
als je het efficiënte gebied uitbreidt”, zegt Mazda. Met HCCI denkt Mazda het
hele blauwe deel in deze grafiek efficiënt te kunnen maken.
Ook bij toekomstige hybridisering biedt Mazda’s motortechniek voordeel:
“Alleen bij het allerlaagste deel van de motorbelasting gaat het specifieke
brandstofverbruik (in gram per kWh) sterk omhoog. Alleen voor die range
zou je elektrische ondersteuning hoeven gebruiken. Dan kun je uit met een
kleiner elektromotortje en een kleine batterij die alleen door regeneratie
van remenergie wordt bijgeladen.”
temperatuur aankunnen, zoals keramiek, en aan betere
koelvloeistof of aan koelvloeistof onder druk, zodat het een
hoger kookpunt heeft.”
Geen dure versnellingsbak
?
meer weten
Mazda claimt straks met een HCCI-motor te komen die tot
bijna 50% van zijn maximale belasting ook daadwerkelijk
volgens het HCCI-proces loopt. Pas boven die motorbelasting komen de bougies in actie. Albert wijst op de consequenties die zo’n motor heeft voor de rest van de auto: “Er
is een trend naar steeds meer versnellingen. Die zijn nodig
om de huidige motoren in dat hele kleine belasting-toerengebiedje te houden waar hij zuinig loopt. Wil de bestuurder
accelereren dan moet de bak eerst terugschakelen. Bovendien maken die extra versnellingen de bak groter, zwaarder
SkyActiv-G generatie 1
in detail
5
AMT | 2014
ICE
150
Well-to-wheel CO2 - g/km
In AMT 9 van 2011 gingen we
uitgebreid in op de techniek
van de huidige SkyActiv-G-benzinemotor. Waarom maakt een
hoge compressieverhouding
een spaghetti-uitlaatspruitstuk
noodzakelijk? En hoe komt de
katalysator dan op tijd op temperatuur? Lees dat en meer
over Mazda’s SkyActiv-G-motor
terug op www.amt.nl/5-2014.
58 | AMT | 23 mei 2014
<< Verbrandingsmotor >>
100
50
Vorig
model
Sky
Activ-G
HEV
en duurder. Onze SkyActiv-G generatie 2- en 3-motoren
hebben straks dankzij HCCI een veel groter gebied waarin
ze heel brandstofeﬃciënt zijn. Dat maakt zo’n veelversnellingsbak overbodig.”
Ook als zo’n motor gebruikt wordt in een hybride aandrijving is er een belangrijk voordeel: “Alleen bij het allerlaagste
deel van de motorbelasting gaat het speciﬁeke brandstofverbruik (in gram per kWh) sterk omhoog. Alleen voor die
range zou je elektrische ondersteuning hoeven gebruiken.
Dan kan je uit met een kleiner elektromotortje en een kleine
batterij die alleen door regeneratie van remenergie wordt
bijgeladen.”
Met die techniek verwacht Mazda niet alleen het 95 gram
CO2-doel van de EU te halen, maar ook de 50 grams-grens te
kunnen slechten. We kunnen haast niet wachten.
EV
Inclusief voertuigverbetering
Van generatie 1 naar 2
Van generatie
2 naar 3
Hybridisering
generatie 3
0
www.amt.nl
Mazda 2.0 l (118g)
100Wh/km
0%
37%
Niet fossiele
elektriciteitsopwekking
Bovengrens
elektriciteitsopwekking
Naar stand
2010
Onderste
grens
elektriciteitsopwekking
Met zijn tweede generatie
SkyActiv-G-HCCI-motor denkt
Mazda dezelfde well-to-wheel
CO2-uitstoot te kunnen halen als
een elektro-auto die gevoed wordt
met stroom uit een gemiddelde
elektriciteitscentrale. De ‘adiabatische’ derde generatie samen met
lichte hybridisering moet zelfs een
elektro-auto kunnen evenaren
die stroom tankt die voor 37% uit
duurzame bron komt.

Download Report