Zolang er verbrandingsmotoren bestaan, is het zinvol om deze te optimaliseren op het gebied van vervuilende emissies en hernieuwbare brandstoffen. Een mooi startpunt hiervoor zijn de kleppen voor de toe- en afvoer van gassen. Motorontwerpers zijn hier nu vooral op zoek naar een hoge mate van flexibiliteit om de efficiëntie te verbeteren, de uitstoot van schadelijke stoffen te verminderen en optimaal gebruik te maken van hernieuwbare brandstoffen.

Tot nu toe werden de gaswisselkleppen van viertaktmotoren via nokkenassen aangestuurd. Ondanks de nodige complexe extra mechanica blijft de flexibiliteit van dergelijke motoren beperkt. De Zwitserse federale laboratoria voor materiaaltesten en -onderzoek (Empa) hebben nu een elektrohydraulisch bediende klepaandrijving ontwikkeld. Het voordeel: het maakt het mogelijk om de slag en de timing volledig vrij in te stellen. Tegelijkertijd is het robuust en goedkoop te implementeren, zeggen de bedenkers. De Empa-ventielaandrijving is gebaseerd op een seriemotor. Het systeem loopt nu al enkele maanden met succes in een proefopstelling. Het resultaat tot nu toe is dat de nieuwe technologie tot 20 procent brandstof bespaart in typische bedrijfsomstandigheden voor personenauto’s.

De klepaandrijving is het “ademhalingsorgaan” van verbrandingsmotoren: het regelt de toevoer van verse lucht en de afvoer van uitlaatgassen, wat een “gaswissel” wordt genoemd. Tegenwoordig worden voor dit doel alleen nog mechanisch aangedreven nokkenassen in serieproductie gebruikt. Deze zijn vaak voorzien van extra mechanica, soms vrij complex. Dit maakt het op zijn beurt alleen mogelijk om met verhoogde wrijving een klepbewegingspatroon, gespecificeerd door de nokkenas, te wijzigen. Ook de flexibiliteit wordt niet in de gewenste mate gegeven. Dit betekent dat snelle klepbewegingen nodig zijn – onder andere om zich aan te passen aan veranderende brandstofeigenschappen – zelfs bij lage snelheden, slagaanpassingen en een cilinderselectieve, breed instelbare kleptiming.

Gevorderde gasuitwisseling en minder wrijving besparen brandstof

Patrik Soltic, projectmanager bij de afdeling Vehicle Drive Systems van Empa, en zijn team hebben nu precies zo’n elektrohydraulische klepaandrijving uitgevonden, samen met hydrauliekspecialist Wolfgang Schneider. Maar wel zonder genoemde nadelen.

Andyn Omanovic, Patrik Soltic (projectleider) & Norbert Zsiga ©Empa

Het door hen ontwikkelde systeem “FlexWork” is aanzienlijk flexibeler dan de huidige technologie. De ventielen worden hydraulisch en individueel elektrisch bediend via een magneetspoel. Zodra er een stuurstroom is, opent een speciaal ontworpen hydraulisch ventiel. Hierdoor kan de hydraulische vloeistof de gaswisselklep in milliseconden met een veer openen tot de gewenste slag. Als de stroom wordt uitgeschakeld, sluit het gaswisselventiel weer met dezelfde veerkracht. Het voedt het grootste deel van de hydraulische energie die nodig is om het hydraulische systeem weer te openen. Het systeem realiseert een aanzienlijk lager energieverbruik over een groot werkbereik dan nokkenasaangedreven systemen. Vergeleken met de conventionele lastregeling met een gasklep in combinatie met klepregeling via nokkenassen is het brandstofverbruik van de testbenzinemotor in het voor personenauto’s typische lage belastingsbereik ongeveer 20 procent lager. In hun experimenten hebben de onderzoekers ook aandacht besteed aan een geoptimaliseerde gaswisseling.

Geschikt voor hernieuwbare brandstoffen

Door de keuze van de bedrijfsparameters kunnen de openings- en sluitingstijden en de kleplift voor elke cilinder volledig vrij worden ingesteld. Dit maakt het mogelijk om alle bedrijfsomstandigheden van de motor naar wens te veranderen. Dit kan worden bereikt door een intelligente belastingregeling, door de keuze van de hoeveelheid restgas die nog in de cilinder aanwezig is, door uitlaatgasrecirculatie of door het deactiveren van de niet benodigde cilinders, wat niet merkbaar is voor de bestuurder. Hierdoor is de motor ook goed aanpasbaar aan nieuwe hernieuwbare brandstoffen: zuurstofhoudende brandstoffen zoals methanol of ethanol zorgen ervoor dat er meer restgas in de cilinder achterblijft. Aardgas, biogas en synthesegas uit wind- en zonne-energie hebben een verhoogde klopvastheid. Ook de klepaandrijving kan hier flexibel op reageren. Bovendien kunnen alternatieve verbrandingsconcepten, zoals een homogene zelfontsteking, relatief eenvoudig worden toegepast. Een brandstof-luchtmengsel wordt bijvoorbeeld op het juiste moment zonder ontstekingsvonken ontstoken door de juiste omstandigheden tegen het einde van de compressie in te stellen en praktisch vrij van schadelijke stoffen te verbranden.

Cilinderkop zonder olie

Een andere specialiteit van het bij Empa opgezette systeem is de keuze van de hydraulische vloeistof: in plaats van een olie te gebruiken, zoals gebruikelijk, wordt een water-glycol mengsel, d.w.z. motorkoelwater, gebruikt. Door zijn fysische eigenschappen is dit medium geschikter voor snel schakelende hydraulische systemen, omdat het zeer stijf is en daardoor minder verliezen veroorzaakt. Hierdoor is de cilinderkop volledig olievrij, wat kan resulteren in een eenvoudiger motorolie met langere verversingsintervallen voor de rest van de motor.

Meerdere maanden proefbedrijf

De nieuwe kleppenaandrijving is getest in een op aardgas aangedreven personenautomotor die is afgeleid van een VW 1.4l TSI-motor. De benodigde onderdelen werden door Empa’s testwerkplaats geproduceerd. Het controlesysteem voor de testmotor is ontwikkeld door de Empa-onderzoekers zelf. De klepaandrijving draait sinds oktober 2018 op een Empa motortestbank en heeft al vele miljoenen bewerkingen in de gestookte motor zonder problemen doorstaan.

Een ander voordeel is dat het FlexWork ventielbesturingssysteem met goedkope componenten werkt. Er zijn geen dure schakelkleppen en geen complexe sensoren nodig. Het klepaandrijfsysteem werd half augustus in het Motor Technical Magazine (MTZ) aan deskundigen gepresenteerd. Empa is momenteel in gesprek met motorfabrikanten voor de overdracht van deze technologie. Deze technologie is overigens niet alleen geschikt voor verbrandingsmotoren, maar ook voor compressoren.