211service.com
Niet-elektrische hybride motoren
Een nieuw soort hybride voertuig zou een lager brandstofverbruik kunnen bieden aan consumenten die zich zorgen maken over de gasprijzen. Mechanische ingenieurs in het Verenigd Koninkrijk hebben een nieuw soort verbrandingsmotor ontwikkeld die kan schakelen tussen een tweetakt- en een viertaktmotor. Het systeem, zeggen ze, kan het brandstofverbruik met 27 procent verminderen.
Een nieuwe hybride: Dit prototype hybride motor, genaamd 2/4SIGHT, kan schakelen tussen vier- en tweetaktmodi, waardoor het brandstofverbruik met meer dan 25 procent wordt verminderd.
Het verbeterde brandstofverbruik komt voornamelijk van het verkleinen van de motor, zegt Neville Jackson, technologiedirecteur van Ricardo VK , een ingenieursbureau in Shoreham-on-Sea dat de nieuwe motor heeft ontwikkeld. Een kleinere motor heeft minder interne wrijving en levert een beter brandstofverbruik op, zegt hij.
Maar kleine automotoren, die meestal gebaseerd zijn op een viertaktontwerp, bieden niet veel vermogen. Ze kunnen met name problematisch zijn bij gebruik bij lage snelheden met een hoge belasting, zoals bij het accelereren op een helling. Dergelijke omstandigheden kunnen zelfs een kleine motor doen afslaan als de bestuurder niet terugschakelt.
Viertaktmotoren zijn het meest efficiënt bij volgas; met twee slagen is het het tegenovergestelde, zegt Robert Kee , een werktuigbouwkundig ingenieur die gespecialiseerd is in verbrandingsmotoren aan de Queen's University in Belfast, Noord-Ierland.
Het verschil tussen twee- en viertaktmotoren is dat de laatste de vier fasen van luchtinlaat, compressie, verbranding en uitlaat in vier slagen van een zuiger uitvoeren. Een tweetaktmotor daarentegen doet dit in slechts twee zuigerslagen.
Tweetaktmotoren zijn intrinsiek eenvoudiger van ontwerp en hebben een hogere vermogen-gewichtsverhouding bij hoge belastingen en lage snelheden, omdat ze tweemaal zoveel krachtslagen per omwenteling krijgen. Maar traditionele tweetaktmotoren hebben olie nodig die met de brandstof wordt gemengd en produceren daarom hogere emissies. Daarom worden ze meestal niet in auto's gebruikt. In plaats daarvan worden ze gebruikt voor lichtgewicht toepassingen zoals kettingzagen, grasmaaiers en sommige motorfietsen.
Maar nu hebben onderzoekers van Ricardo een zuigerkop ontwikkeld die zowel in twee- als in viertaktmodus werkt en automatisch kan schakelen tussen de twee modi, afhankelijk van de behoeften van de motor. Hierdoor kan een kleinere motor de omstandigheden met lage snelheid en hoge belasting aan zonder af te slaan.
Dit is een interessant concept, zegt Martti Larmi , hoofd van het Internal Combustion Engine Laboratory aan de Technische Universiteit van Helsinki, in Finland.
De grootste uitdaging bij het bouwen van zo'n motor is het perfectioneren van het spoelproces, zegt hij, wanneer de restgassen van de vorige verbrandingscyclus worden vervangen door verse lucht en brandstof.
Je hebt een soort druk aan de inlaatzijde nodig om de gassen die al zijn verbrand naar buiten te duwen, zegt Larmi.
In een traditionele tweetaktmotor drijft de kracht van de brandstof- en luchtinlaat de uitlaat naar buiten. Helaas zorgt dit proces ervoor dat er wat onverbrande brandstof verloren gaat als uitlaatgassen, wat resulteert in hogere emissies. Viertaktmotoren dwingen de afgewerkte dampen uit de cilinder via een nokkengestuurde klep met behulp van een opwaartse slag van de zuiger. Tijdens de volgende neerwaartse slag worden verse lucht en brandstof in de cilinder gespoten terwijl de uitlaatklep gesloten is.
Ricardo's motor, 2/4SIGHT genaamd, gebruikt kleppen zoals een viertaktmotor, maar in tweetaktmodus houdt de motor zowel de inlaat- als uitlaatkleppen tegelijkertijd open, zodat de brandstof en lucht in de cilinder elk worden aangevuld cyclus, in plaats van elke andere cyclus.
Er was veel belangstelling voor de ontwikkeling van een emissiearme tweetaktmotor. Maar het is een moeilijke configuratie om te perfectioneren omdat er weinig tijd is om de brandstof-luchtmix erin en de uitlaat eruit te krijgen, zegt Larmi. Het gevaar hierbij is dat de verse luchtinlaat direct via de uitlaat naar buiten kan gaan, zegt hij.
Ricardo gebruikt een aantal trucs om dit probleem te omzeilen. Ten eerste maakt het ontwerp van Ricardo's zuigerkop gebruik van omgekeerde tuimeling, een proces waarbij de luchtinlaat weg wordt geleid van de uitlaatklep, om de kans te verkleinen dat deze rechtstreeks uit de cilinder stroomt. Ricardo heeft ook de nokkengestuurde kleppen verwisseld voor elektrohydraulische kleppen, die samen met de brandstofinjector softwarematig kunnen worden aangestuurd.
Autofabrikanten hebben in het verleden interesse getoond in het bouwen van dit soort hybride motoren, zegt Kee. Maar er zijn veel uitdagingen, zegt hij. Inderdaad, zowel Toyota als Ricardo hebben zich eind jaren tachtig en begin jaren negentig over deze kwestie gebogen.
Maar in het verleden was de technologie er gewoon niet. Volgens Ricardo is de enige reden waarom het bedrijf nu een levensvatbaar systeem kan maken, vanwege de software die de gasuitwisseling en de motormodi regelt. Het besturingssysteem van de motor houdt de vraag van de bestuurder in de gaten, zegt Jackson. Als er meer koppel nodig is dan mogelijk zou zijn in de viertaktmodus, schakelt hij over. Het bedrijf wil echter geen details onthullen over wanneer, in de motorcyclus, de modus wordt geschakeld.
Het prototype van Ricardo, een aangepaste 2,1-liter V6-motor, is getest door onderzoekers van de Universiteit van Brighton en blijkt in staat te zijn het soort prestaties te leveren dat je normaal zou verwachten van een drie- tot vierlitermotor. Gebaseerd op de New European Driving Cycle, een standaard prestatietest die is ontworpen om het motorrendement en de emissies bij normaal autogebruik te meten, heeft het prototype een brandstofbesparing van 27 procent laten zien en de uitstoot met een vergelijkbare hoeveelheid verminderd. De volgende fase is om te proberen een prototypemotor in een werkend voertuig te integreren, zegt Jackson.