Motorsymposium Wenen – De toekomst van de verbrandingsmotor

Door Peter Aansorgh
Beeld, Fabrikanten, ÖVK/Doris Kucera

Klimaatdoelen

Europa moet voldoen aan klimaatdoelen. Volgend jaar al. Gaat niet lukken, maar we proberen het.. In 2030 moet de CO₂-uitstoot gehalveerd. Vanaf 2035 mogen er wellicht geen auto’s met verbrandingsmotor meer worden gemaakt. Auto’s moeten sinds september 2014 voldoen aan de Euro 6 normen. Er komen rond 2024 wellicht strengere Euro 7 normen. Motorfietsen moeten vanaf 2020-2021 voldoen aan de Euro 5 normen. Frank Welsch van VW: "Het doel van politici is niet CO₂ beperking, maar het invoeren van elektrisch rijden. Het gaat om symboolpolitiekHet lijkt er dus op dat motorfietsen een tikje achterlopen op dat gebied. Dat valt mee, Euro 5 voor tweewielers is bijna gelijk aan Euro 6 voor auto’s: CO: 1,0 gram/km (was 1,14), HC: 0,10 g/km (was 0,17), NOx: 0,06 g/km (was 0,09) en partikels (was geen eis voor) 0.045 ppm (parts per mille; deeltjes per duizend). Alleen voor roetuitstoot is Euro 6 - auto strenger met 0,005 ppm. Dan is er nog een eis voor auto’s:  dat is dat het hele wagenpark van een fabrikant vanaf 2021 gemiddeld maar 95 gram CO₂ per km mag uitstoten. Die eis geldt voor motorfietsfabrikanten niet. Daarom concentreren die zich nu nog op een tot zinloze proporties geëscaleerde wapenwedloop van pk’s, terwijl brandstofverbruik nauwelijks een speerpunt is. De vraag is hoe lang ze zich dat nog kunnen veroorloven. 

Elektrisch of niet?

Een andere vraag is of motorfietsen na 2035 nog wel een verbrandingsmotor mogen hebben. Als het aan de autofabrikanten ligt blijft de verbrandingsmotor nog lang bestaan: “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.” 

Twee maten

Ook Günter Graidl van AVL List is kritisch over de politiek: “De wetgeving meet 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. Het fabriceren van lithium-accu’s levert veel CO₂ op en het opwekken van “fossiele” elektriciteit geeft 340 g
Piaggio had in 2010 al de MP3 Hybrid, maar toen was milieu nog geen heet hangijzer voor politici

De scooter was dan ook geen lang leven beschoren, maar verwacht zoiets in de toekomst maar weer terug CO₂ per kWh uit, met transport erbij 428. 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.” 

Schonere benzinemotoren

Automotoren moeten dus schoner en zuiniger. De roetuitstoot moet omlaag, iets waar motorfietsen vanaf volgend jaar dus ook mee te maken krijgen. Nu verschillen de injectiesystemen van motoren van die bij auto’s. Bij motorfietsen wordt de benzine in het inlaatspruitstuk gespoten. Bij auto’s wordt de benzine tegenwoordig meestal vaak direct in de cilinders geïnjecteerd. De verdampende benzine koelt het mengsel, waardoor NOx-uitstoot daalt. Dat zorgt er wel voor dat benzine minder tijd krijgt om te verdampen. Daardoor verbrandt ze niet volledig. Dat geeft roetvorming. Autofabrikanten lieten in Wenen zien dat ze allemaal bezig zijn met benzine-partikelfilters. Het is niet ondenkbaar dat motorfietsen dus over een half tot anderhalf jaar (!) ook directe inspuiting en een partikelfilter krijgen. Daarbij zal er ook worden gekeken naar de manieren, waarop de auto-industrie de emissies omlaag probeert te halen. Zo probeert de universiteit Wenen de koudstartemissies te verminderen Katalysator zo dicht mogelijk bij de cilinderkop, om sneller op te warmendoor de brandstof bij directe injectie niet meer op de koude cilinderwanden te spuiten, zodat ze niet condenseert. Verder proberen fabrikanten om de katalysatoren dichtbij de cilinderkop te krijgen, zodat ze sneller opwarmen. Wellicht hebben motoren straks een katalysator pal op de cilinderkop...

eer ideeën

Niet alleen bij een koude motor, ook warm moeten de emissies omlaag. Daarvoor experimenteert de universiteit Wenen 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. Daardoor verdampt de benzine nog beter. Porsche gebruikt daarbij piezo-injectoren, die tot vijfmaal per verbrandingsslag kunnen injecteren. 

In Wenen viel het ook het woord waterinjectie meermaals. Door het verdampen van water daalt de temperatuur, waardoor schadelijke emissies dalen. De verdampende waterdruppels zorgen ook voor een extra druk op bouw in de cilinder, wat vermogenswinst oplevert. Of een lager brandstofverbruik bij gelijkblijvend vermogen. 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.   

e-Fuels

Schaalmodel van een e-Fuel fabriek

Zonne- en windenergie is schoon. Het probleem 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 naar waar je het nodig hebt. Dat kan in grote warenhuizen met accu’s, het kan ook in woonwijken met storage-units. Maar je kunt het ook doen in brandstof. Je kunt met behulp van elektriciteit water ontleden in waterstof en zuurstof. Met waterstof en elektriciteit kun je CO₂ uit de lucht afbreken en weer een koolwaterstof bouwen, zoals methaan, propaan of vloeibare kool-waterstoffen. Dat heeft de bekende voordelen, zoals snel tanken en een groot actieradius vanwege de grote energiedichtheid.
In de automotive industrie gaat 48V technologie zijn intrede krijgen. Dat biedt veel voordelen ten opzichte van de traditionele 12V accu

48V in een notendop

Zeker interessant voor motorfietsen: de elektrische turbo Veel fabrikanten zijn daarmee bezig, zoals Audi en Ford. Qua well-to-wheel rendement verliest een verbrandingsmotor op e-fuel het “solo” van een BEV (Battery Electric Vehicle), maar niet als hij wordt gekoppeld aan een hybride systeem. “Dan wint de hybride het dubbel en dwars van een BEV”, aldus Günter Fraidel van AVL List. “De politiek moet dus niet puur op de BEV gokken, maar op een mix.” 

48 Volt

Hybridisering is dus noodzaak, zeker als je kijkt naar de fijnstof in de steden: 80% van de partikels is afkomstig van de remmen en de banden. Als je op een elektromotor remt 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 automerken. Er zijn zelfs motorfietsen met hybridesysteem. Er is een Honda SH125 en SH150i met start stop. En er was een Piaggio MP3 hybrid. Daar kon je de “last miles” naar je bestemming zelfs puur elektrisch mee rijden. Verwacht hem terug in de komende jaren. Wellicht in iets andere vorm, in navolging van de auto-industrie. Die gaan namelijk gebruik maken van een 48 volt hybridesysteem. De reden daarachter is dat er bij een 12 Volt boordsysteem te hoge stromen moeten lopen, met warmteontwikkeling en energieverlies tot gevolg. Ook kunnen 12 Volt accu’s niet snel genoeg remenergie opslaan. Met hun inwendige weerstand zijn erbij 12 Volt geen hoge laadstromen mogelijk volgens de wet van Ohm (R=V/I). Bij 48 Volt gaat dat veel beter. 

Elektrische drukvulling

48 Volt is bij auto’s al realiteit. De nieuwe Golf 8 heeft bijvoorbeeld naast een 12V boordnet ook een 48V net, met een lithium-ion accu en een riem-aangedreven dynamo, die ook als startmotor dienstdoet. Deze dynamo kan (net als de elektromotor op de Piaggio) 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. Ook Audi gaat bij de nieuwe 3.0l V6 TDI-motor over op een 48 V-systeem. Dat heeft dan weer 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, al vanaf 500 tpm. In de toekomst zullen we ook vaak
Honda heeft al flink wat jaartjes een start/stop systeem 

Ook dit zal in de toekomst navolging gaan krijgen zien dat uitlaatgasturbo’s worden vervangen door een uitlaatgas-aangedreven generator, in combinatie met elektrische drukvulling. Een systeem dat ook voor motorfietsen interessant is, omdat een elektrische compressor geen turbo-lag heeft en al vanaf lage toeren maximaal kan blazen. Zo kun je een zuinige, kleine 400 cc-motor maken, die toch 100 pk levert en een beheersbare koppelkromme heeft, om maar even een voorzet te doen…

Variabele compressie

De heilige graal op het gebied van motorefficiëntie is variabele compressie. Hoe meer compressie, 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 kan 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 drijfstang ontwikkeld, die langer en korter gemaakt kan. 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 wordt inmiddels opgestart. Deze drijfstangen zijn in hun huidige vorm wat groot en zwaar voor in een hoogtoerige motorfiets, maar met een beetje doorontwikkelen…

De toekomst

325 pk is - hoewel supervet leuk - natuurlijk waanzin, maar met dezelfde techniek (of een elektrische compressor) kun je ook een 100 pk 400cc maken die 1 op 30 loopt

De uitstoot van broeikasgassen moet omlaag, motorfietsen moeten binnenkort (2020) schoner. Verbrandingsmotoren mogen straks de steden niet meer in. Verwacht dus dat de motorindustrie zich gaan richten op zuinigere motoren. Verwacht dat buitensporige vermogens tot het verleden behoren, dat motoren kleiner en efficiënter worden. Verwacht dat de hybrides terugkomen en dat we kleine motoren met elektrische compressoren krijgen. En dat we straks rijden op e-fuels. Tot 2035. Of we daarna nog een motorfiets met verbrandingsmotor kunnen kopen? Als de politici hun verborgen agenda’s laten varen en zich richten op zaken die het milieu werkelijk verder helpen wel…