De politiek maakt zich sterk voor elektrisch vervoer, maar de auto-industrie stopt nog veel energie in de ontwikkeling van verbrandingsmotoren. Op het internationale motorensymposium van Wenen was de toekomst van de verbrandingsmotor een hot item. Wat komt er op ons af?

Door Peter Aansorgh © copyright Peter Aansorgh Producties

Beeld, Fabrikanten, ÖVK/Doris Kucera.

In 2030 moet de CO2-uitstoot gehalveerd. Politici willen de verbrandingsmotor in 2035 helemaal uitbannen. Waarom zou je als fabrikant dan nog geld stoppen in de ontwikkeling van verbrandingsmotoren? “Het doel van politici is niet CO2 beperking, maar het invoeren van elektrisch rijden. Het gaat om symboolpolitiek”, aldus Frank Welsch van VW. “Het is de bedoeling dat we in 2050 alle energie uit hernieuwbare bronnen halen. Maar of batterijen voor alle toepassingen de beste energiedrager is, is de vraag. Je kunt met elektriciteit ook vloeibare brandstoffen maken, die de verbrandingsmotor duurzaam maken, met van “well to wheel” wellicht een beter rendement. Zeker omdat verbrandingsmotoren nog veel zuiniger kunnen, rendementen van 55% zijn mogelijk, zeker met elektrificatie en hybridisatie.” Ook Günter Fraidl van AVL List is kritisch over de politiek: “Een verbod op verbrandingsmotoren is een beslissing op basis van emotie, maar er zijn geen redelijke argumenten voor. Het gevaar is dat individuele mobiliteit duur of onmogelijk wordt. De wetgeving meet ook met twee maten. Het verwaarloost de CO2 die bij het genereren van elektriciteit vrijkomt. Dat is erop gericht de BEV (Battery Electrical Vehicle) in de markt te drukken, of het nu zinvol is of niet.”

Strengere normen

Inmiddels is het duidelijk dat het fabriceren van lithium-accu’s veel CO2 oplevert, en dat ook het rijden op “fossiele elektriciteit” extra CO2-uitstoot geeft. “Het opwekken van “fossiele” elektriciteit stoot immers ook 340 g CO2 per kWh uit, met transport erbij 428, aldus Günter Fraidl. “Zolang onze elektriciteit niet uit duurzame bronnen komt, zorgt elektrisch rijden tot een verhoging van de CO2-uitstoot. Op de korte termijn zal CO2-reductie dus moeten komen van zuinigere verbrandingsmotoren.” Daarnaast is er een economische factor: elektrische auto’s zijn (nog) duurder en niet iedereen kan zich een nieuwe auto veroorloven. Auto’s met verbrandingsmotor zullen er dus nog lang zijn: “In 2030 rijdt 25% elektrisch, 75% heeft dus nog een auto met verbrandingsmotor”, stelt Volkmar Denner van Robert Bosch GmbH. “Die moeten dus zo schoon en zuinig mogelijk zijn.”

Real Driving Emissions

Nog schonere motoren stellen de auto-industrie wel voor een probleem. Er gaan geruchten dat er rond 2024 strengere emissienormen komen, maar hoe deze Euro 7-normen eruit gaan zien weet nog niemand. Dat komt ook omdat de manier waarop emissies gemeten worden gaat veranderen. Voorheen werden emissies gemeten tijdens een korte rit op een rollentestbank, in de toekomst tijdens een lange rit op de openbare weg. Hoe deze “Real Driving Emissions” zich verhouden met de ouderwetse testcycli wordt onderzocht. Daarna is het de vraag wat voor vooruitgang je redelijkerwijs van fabrikanten mag verwachten.  

Schonere diesel

De heksenjacht tegen diesels heeft geleid tot een daling van de dieselverkoop en daarmee tot een merkbaar hogere CO2-uitstoot. “Diesels zijn zuinig en onmisbaar”, aldus Volkmar Denner van Robert Bosch GmbH. “De antipathie van politici is gebaseerd op oude feiten. De huidige diesels zijn bijna net zo schoon als benzinemotoren en ze kunnen nog schoner.” Dat heeft Bosch getest met een uitlaatsysteem waarbij een tweede SCR (stikstof-oxide-katalysator) in het uitlaatsysteem is gezet. Er zit een oxidatiekatalysator achter de turbo, een SCR voor het partikelfilter en een tweede SCR voor een extra “clean up”-katalysator. Dat beperkt de uitstoot van NOx – een agressief gas met een groot broeikaseffect – tot nagenoeg nul. Daarmee is de diesel exact zo schoon als een benzinemotor. Maar er zijn meer mogelijkheden. Zo heeft Aramco getest met een soort zeer licht ontvlambare benzine in een dieselmotor, zodat het lage verbruik van de diesel wordt gecombineerd met de schone verbranding van benzine. De benzine heeft een octaangetal van 80, iets wat in een benzinemotor tot pingelen zou leiden. Het cetaangetal is 35 (van normale diesel 53 en van benzine 19). Van tank-to-wheel was deze auto 13,5% zuiniger.

Schonere Benzinemotoren

Bij roetuitstoot denken mensen gelijk aan diesels, maar moderne, direct ingespoten benzinemotoren stoten ook roet uit. De directe inspuiting zorgt voor een daling van de NOx-uitstoot, maar zorgt ook dat benzine minder tijd krijgt om te verdampen. Daardoor verbrandt ze niet volledig. Autofabrikanten lieten in Wenen zien dat ze allemaal bezig zijn met benzine-partikelfilters. Daarnaast wordt er nog steeds gewerkt aan de verbetering van het verbrandingsproces, met onder andere hogere inspuitdrukken – van 200 bar naar 350 bar – en met betere injectoren. De universiteit Wenen probeert de koudstartemissies te verminderen door de brandstof niet meer op de koude cilinderwanden te spuiten, zodat ze daar niet condenseert. Daarnaast experimenteert deze universiteit met het voorverwarmen van benzine, zodat deze sneller verdampt. De universiteit gebruikt daarbij – net als Porsche op de nieuwe 911 turbo – een ander soort injectoren. Die hebben geen kleine gaatjes meer, maar een omgekeerde conus aan de injectornaald, zodat de brandstof op een andere manier wordt verspreid en met een hogere snelheid in de langsstromende lucht wordt geblazen, zodat ze beter verdampt. De Porsche 911 krijgt daarbij tevens piezo-injectoren, die tot vijfmaal per verbrandingsslag kunnen injecteren. Ook krijgt hij een partikelfilter.

Donut

Andere instituten experimenteren met waterinjectie. Door het verdampen van water daalt de temperatuur, waardoor schadelijke emissies dalen. De verdampende waterdruppels zorgen ook voor een extra drukopbouw in de cilinder, wat vermogenswinst oplevert. Ook wordt er gewerkt aan nog betere bougies. Denso werkt aan een low-resistance bougie die een langere en 14% hetere vonk maakt, waardoor er geen brandstofverrijking nodig is voor een goede verbranding. Bij Continental zoeken ze het vooral in een verbetering van de katalysator. Door deze te integreren met het turbinehuis van de turbo, zit deze nog dichter bij de motor, zodat deze sneller opwarmt. Opmerkelijk is de vormgeving, in de vorm van een donut. De gassen, die uit de turbo komen, stromen eerst door het gat, moeten in de behuizing omkeren en stromen dan door de cirkelvormige katalysator. Het voordeel daarvan is dat de stroming heel gelijkmatig is en alle delen van de katalysator optimaal worden gebruikt. Om diezelfde reden heeft deze turbo ook geen aftakking voor de waste gate, maar een cirkelvormige spleet rond de omtrek. Dat verstoort de stroming van de gassen niet en zorgt zo voor een betere werking van de katalysator.

e-fuels

Het probleem met wind- en zonne-energie is, dat het vaak wordt opgewekt op plaatsen waar je het niet nodig hebt of op momenten die niet uitkomen. Je moet die energie dus kunnen opslaan en transporteren. Opslaan kan in grote warenhuizen vol accu’s, het kan in woonwijken met storage-units, maar je kunt het ook doen in brandstof. Je kunt met behulp van elektriciteit namelijk water ontleden in waterstof en zuurstof. Met waterstof en elektriciteit kun je vervolgens CO2 uit de lucht afbreken en weer een koolwaterstof bouwen, zoals methaan, propaan of vloeibare koolwaterstoffen. Dat heeft de bekende voordelen, zoals snel tanken en een groot actieradius vanwege de grote energiedichtheid. Veel fabrikanten zijn daarmee bezig, zoals Audi en Ford. Ulrich Kramer van Ford Keulen heeft uitgerekend wat het beste is. Volgens hem winnen e-fuels het van batterijen. Ook Toyota is overtuigd van de potentie van e-fuels: “Het is belachelijk dat e-fuels geen rol spelen bij het beleid van de politiek”, aldus Keiji Kaita, Field General Manager Powertrain van Toyota. Ook Günter Fraidel van AVL onderstreept de voordelen van e-fuels: Een BEV (Batterij Elektrisch Voertuig) is efficiënter dan een waterstofauto of auto met een pure verbrandingsmotor op e-fuel. Maar dat verandert als je de verbrandingsmotor uitrust met een hybridesysteem. Dan wint de hybride het dubbel en dwars van de elektrische auto. De politiek moet dus niet puur op de BEV gokken, maar op een mix.”

48 Volt

Hybridisering is dus noodzaak. Regeneratief remmen is alleen al nodig om de fijnstof in de steden te beperken: 80% van de partikels is afkomstig van de remmen en de banden. Als je overwegend op een elektromotor afremt en slechts af en toe op de remblokken, komt er 95% minder remstof in de lucht. Nu zijn hybrides er al lang, in soorten en maten, bij bijna alle merken. De nieuwste stap daarin is dat fabrikanten gebruik gaan maken van een 48 volt hybridesysteem. De reden daarachter is dat er bij een 12 Volt boordsysteem te hoge stromen moeten lopen, met warmte-ontwikkeling en energieverlies tot gevolg. Ook kunnen 12V-accu’s niet snel genoeg remenergie opslaan. Met hun inwendige weerstand zijn er bij 12V accu’s dus geen hoge laadstromen mogelijk, volgens de wet van Ohm (R=V/I). Bij 48V gaat dat veel beter. Daarom krijgt de nieuw Golf bijvoorbeeld naast een klein 12V net ook een 48V net, met een lithium-ion accu en een riem-aangedreven dynamo, die ook als startmotor dienstdoet. Deze dynamo kan ook acceleratie ondersteunen, waardoor het maximum koppel 25% eerder wordt bereikt. Daarnaast kan het voor een lichte aandrijving zorgen als er met constante snelheid wordt gereden. Bij gas loslaten kan de motor uitgezet worden. Hierbij wordt de koppeling opengezet, waardoor er geen sleepverliezen optreden. Zodra er gas wordt gegeven komt de koppeling weer tot stand en wordt de motor gestart. Dat gaat veel soepeler dan bij een conventionele starter. Ook Audi gaat bij de nieuwe 3.0l V6 TDI-motor op een 48 V-systeem. Dat heeft dan te maken met de toepassing van een elektrische inlaatluchtcompressor. Deze staat in serie met de uitlaatgasturbo en zorgt ervoor dat de laaddruk bij lage toerentallen met een factor 1,4 wordt vergroot. Dat levert een sterke koppelvergroting vanaf 500 tpm. In de toekomst zullen we ook vaak zien dat uitlaatgasturbo’s worden vervangen door een uitlaatgas-aangedreven generator, in combinatie met elektrische drukvulling.

Variabele compressie

De heilige graal op het gebied van motorefficiëntie is variabele compressie. Hoe hoger de compressieverhouding, hoe zuiniger de motor. Maar als de compressie te hoog wordt, gaat de motor pingelen en gaat hij kapot. Pingelen doen motoren voornamelijk bij volgas. Daarom wordt de compressieverhouding van een motor bepaald door de pingelneiging bij volgas. Daardoor rijden alle motoren bij deellast met een te lage compressie. Tenzij je die compressie variabel kunt maken. Dat hebben velen geprobeerd, maar de ideale oplossing is nooit gevonden. Tot nu toe, als het aan AVL ligt. Zij hebben samen met IWIS een telescopische drijfstang ontwikkeld, die langer en korter kan worden. Dat gaat maar om een paar millimeter, maar toch. De bediening ervan loopt eigenlijk via de massatraagheid van de zuiger, waarbij de zuigerpen in de uiterste standen wordt vastgezet met behulp van oliedruk. De testmotor, die in een Audi ligt, draait bij deellast op een compressie van 12,5 : 1, bij vollast wordt deze met 8% verlaagd. Het levert een brandstofbesparing van 4% op, tot onder de 200 g per kilowattuur. De testauto loopt, de productie van drijfstangen wordt inmiddels opgestart.

De toekomst?

Het grootste struikelblok bij het terugdringen van de CO2-uitstoot zijn de politici, die meer geven om het imago van hun maatregelen dan van de daadwerkelijke gevolgen ervan. Elektrisch rijden is op lange termijn een goede deeloplossing, maar niet voor alle situaties. De verbrandingsmotor kan in combinatie met elektrificatie (als hybride dus) en E-fuels zowel ecologisch als economisch een belangrijke bijdrage leveren, zowel nu als in de verre toekomst. Nieuwe, zuinige verbrandingsmotoren bieden voor de komende tien tot vijftien jaar de belangrijkste en misschien wel enige mogelijkheid om de uitstoot van broeikasgas terug te dringen. Die mogen dus niet te duur zijn, want dan blijven mensen doorrijden in oude auto’s met een hoge uitstoot. Pas als we over voldoende elektriciteit uit hernieuwbare bronnen beschikken wordt elektrisch rijden zinvol. Dan nog moet de politiek de voordelen van de verbrandingsmotor serieus blijven nemen. Ook in een volledig duurzame toekomst.