De ongelooflijke krimpende motor

Het volgende artikel verschijnt in het maart/april 2007 nummer van: Technologie recensie.

In het Sloan Automotive Laboratory van MIT staat Daniel Cohn (hierboven afgebeeld) achter een motor die is uitgerust met testinstrumenten (in geel) en een injectiesysteem dat brandstof rechtstreeks in de verbrandingskamers van de motor spuit.

Voor Daniel Cohn, senior research scientist bij MIT's Plasma Science and Fusion Center, is de eeuwenoude verbrandingsmotor nog steeds een bron van inspiratie. Terwijl hij langs de machines en testapparatuur in het MIT Sloan Automotive Laboratory loopt, valt zijn gewoonlijk gereserveerde houding weg. Een motor van dit formaat, zegt hij, wijzend op een normaal ogende 2,4-liter middelgrote benzinemotor, zou een raket zijn met onze technologie.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van maart 2007

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

Om die technologie uit te leggen, pronkt hij met een turbocompressor die aan de 2,4-liter motor zou kunnen worden vastgeschroefd; de motor, voegt hij eraan toe, gebruikt directe brandstofinjectie in plaats van de poortinjectie die momenteel in de meeste auto's wordt aangetroffen. Zowel turbocompressor als directe injectie zijn reeds bestaande technologieën, en geen van beide ziet er bijzonder indrukwekkend uit. Als ze afzonderlijk worden gebruikt, zouden ze inderdaad slechts tot marginale verbeteringen in de prestaties van een verbrandingsmotor leiden. Maar door ze te combineren en uit te breiden met een nieuwe manier om een ​​kleine hoeveelheid ethanol te gebruiken, hebben Cohn en zijn collega's een ontwerp gemaakt dat volgens hen het vermogen van een testmotor zou kunnen verdrievoudigen, een vooruitgang waarmee autofabrikanten kleine motoren kunnen ombouwen ontworpen voor zuinige auto's tot gespierde motoren met meer dan genoeg vermogen voor SUV's of sportwagens. Door betere prestaties te halen uit kleinere, efficiëntere motoren, zou de technologie kunnen leiden tot voertuigen waarvan het brandstofverbruik vergelijkbaar is met dat van hybrides, die zowel een elektromotor als een benzinemotor gebruiken. En dat brandstofverbruik zou een fractie van de kosten kunnen kosten.

Cohn zegt dat zijn collega's – Leslie Bromberg, hoofdonderzoeker bij het Plasma Science and Fusion Center, en John Heywood, hoogleraar werktuigbouwkunde en directeur van het Sloan Auto Lab – vele manieren hebben overwogen om verbrandingsmotoren efficiënter te maken. En toen, na veel discussie, drong het op een dag tot ons door, herinnert Cohn zich. De sleutel tot het systeem van de MIT-onderzoekers, legt hij uit, was het overwinnen van een probleem dat klop wordt genoemd en dat de inspanningen om het motorkoppel en het motorvermogen te verhogen ernstig heeft beperkt.

Multimedia

• Bekijk een demo van het nieuwe motorontwerp gebouwd door Daniel Cohn.

In gasmotoren beweegt een zuiger in een cilinder, waarbij een mengsel van lucht en brandstof wordt samengeperst dat vervolgens wordt ontstoken door een vonk. De explosie dwingt de zuiger weer naar buiten. Een manier om meer vermogen uit een motor te halen, is door de zuiger zo te ontwerpen dat hij bij elke slag verder kan reizen. Hoe verder het reist, hoe meer het het lucht-brandstofmengsel comprimeert en hoe meer mechanische energie het uit de explosie haalt als het zich terugtrekt. Over het algemeen zal een hogere compressie leiden tot een efficiëntere motor en meer vermogen per slag. Maar als de druk te veel wordt verhoogd, wordt de brandstof warm en explodeert onafhankelijk van de vonk, wat leidt tot een slecht getimede ontsteking. Dat is kloppen, en het kan de motor beschadigen.

Om kloppen te voorkomen, moeten motorontwerpers de mate waarin de zuiger de brandstof en lucht in de cilinder comprimeert, beperken. Ze moeten ook het gebruik van turbocompressor beperken, waarbij een door uitlaatgassen aangedreven turbine de lucht comprimeert voordat deze de verbrandingskamer binnenkomt, waardoor de hoeveelheid zuurstof in de kamer toeneemt, zodat meer brandstof per slag kan worden verbrand. Het inschakelen van de turbocompressor van een auto zorgt voor een extra boost wanneer de auto accelereert of heuvels oprijdt. Maar te veel turbolading, zoals te veel compressie, leidt tot kloppen.

Een alternatieve manier om kloppen te voorkomen is om een ​​andere brandstof dan benzine te gebruiken; hoewel benzine een grote hoeveelheid energie in een klein volume verpakt, zijn andere brandstoffen, zoals ethanol, veel beter bestand tegen kloppen. Maar een voertuig dat ethanol gebruikt, haalt minder kilometers per gallon dan een voertuig dat benzine gebruikt, omdat zijn brandstof een lagere energiedichtheid heeft. Cohn en zijn collega's zeggen dat ze een manier hebben gevonden om beide brandstoffen te gebruiken die voordeel halen uit ieders sterke punten en tegelijkertijd de zwakke punten vermijdt.

De MIT-onderzoekers concentreerden zich op een belangrijke eigenschap van ethanol: wanneer het verdampt, heeft het een uitgesproken verkoelend effect, vergelijkbaar met ontsmettingsalcohol die uit de huid verdampt. Verhoogde turbodruk en cilindercompressie verhogen de temperatuur in de cilinder, en daarom leiden ze tot kloppen. Maar Cohn en zijn collega's ontdekten dat als ethanol op het juiste moment in de verbrandingskamer wordt gebracht door de relatief nieuwe technologie van directe injectie, het de temperatuur laag houdt en zelfontbranding voorkomt. Soortgelijke benaderingen, waarvan sommige water gebruikten om de cilinder te koelen, waren al eerder geprobeerd. Maar de combinatie van directe injectie en ethanol, zegt Cohn, had veel meer dramatische resultaten.

De onderzoekers bedachten een systeem waarbij benzine op conventionele wijze in de verbrandingskamer zou worden geïnjecteerd. Ethanol zou worden opgeslagen in zijn eigen tank of compartiment en zou worden ingevoerd door een afzonderlijk systeem met directe injectie. De ethanol zou slechts eens in de paar maanden moeten worden bijgevuld, ongeveer net zo vaak als de olie wordt ververst. Een voertuig met deze aanpak zou ongeveer 25 procent efficiënter werken dan een voertuig met een conventionele motor.

Een turbolader en een systeem met directe injectie zouden de kosten van een motor verhogen, evenals het versterken van de wanden om een ​​hoger niveau van turbolader mogelijk te maken. De extra uitrustingskosten zouden echter gedeeltelijk worden gecompenseerd door de lagere productiekosten van een kleinere motor. In totaal zou een motor die is uitgerust met de nieuwe technologie ongeveer $ 1.000 tot $ 1.500 meer kosten dan een conventionele motor. Hybride systemen, die duur zijn omdat ze zowel een verbrandingsmotor als een door batterijen aangedreven elektrische motor nodig hebben, voegen $ 3.000 tot $ 5.000 toe aan de kosten van een klein tot middelgroot voertuig - en zelfs meer aan de kosten van een groter voertuig.

Toen de MIT-groep voor het eerst met zijn idee kwam, creëerde Bromberg een gedetailleerd computermodel om het effect te schatten van het gebruik van ethanol om meer turbolader en cilindercompressie mogelijk te maken. Het model toonde aan dat de techniek het koppel en het aantal pk's van de klopvrije motor aanzienlijk kon verhogen. Daaropvolgende tests door Ford hebben resultaten opgeleverd die consistent zijn met de voorspellingen van het MIT-computermodel. En aangezien het nieuwe systeem relatief kleine aanpassingen aan bestaande technologieën zou vereisen, zou het binnenkort klaar kunnen zijn. Ethanol Boosting Systems, een bedrijf dat de onderzoekers zijn gestart in Cambridge, MA, werkt aan het commercialiseren van de technologie. Cohn zegt dat met een agressief ontwikkelingsprogramma het ontwerp al in 2011 in productievoertuigen zou kunnen zijn.

Hoewel Cohn de voordelen van hybrides toejuicht en zegt dat zijn technologie ook kan worden gebruikt om ze te verbeteren, merkt hij op dat de populariteit van hybridetechnologie nog steeds wordt beperkt door de kosten ervan. Goedkopere technologie zal sneller worden toegepast, stelt hij, en zal dus het benzineverbruik sneller verminderen. Het is veel nuttiger, zegt hij, om een ​​motor te hebben die veel mensen zullen kopen.

zich verstoppen