De toekomst van de verbrandingsmotor

Precies zestig jaar gelden bracht FIAT een conceptauto met gasturbine uit. Naast FIAT experimenteerden ook Rover (zie foto), General Motors en Chrysler met de “aandrijving van de toekomst”. Omdat de auto-industrie een aantal ontwikkelingen in de vliegtuigbouw scherp volgde (toen design en aandrijving, nu composietgebruik) en omdat meer en meer gedacht werd dat de conventionele verbrandingsmotor aan het eind van zijn ontwikkeling was, werd een “motoren-transitie” voor mogelijk gehouden.

Deze transitiegedachte werd nog versterkt door de grote problemen die de verbrandingsmotor veroorzaakte; in de jaren vijftig zagen sommige Amerikaanse industriesteden er hetzelfde uit als het door luchtvervuiling geteisterde Shanghai. Emissie-eisen werden daarom ingesteld (allereerst positieve carter ventilatie). Het “auto-probleem” werd versterkt door de hardnekkige misvatting dat de olievoorraden op korte termijn eindig waren, o.a. gepropageerd door de “Club van Rome”. Deze club van wetenschappers kende het begrip “the cure for high prices is high prices” niet en ging uit van statische (conventionele) olievoorraden. Maar ook de forse olieprijsverhoging in 1973 vormde voor de auto-industrie een uitdaging.

Omdat in die periode de aandacht voor emissieverlaging hand in hand ging met de vraag naar zuinige motoren, was de voorgestelde emissieverlaging een groot probleem. Verlaging van HC - en CO - emissies was alleen mogelijk door een efficiëntere verbranding en door een armer mengsel (relatief veel lucht ten opzichte van benzine). Bij een iets armer mengsel neemt echter de NOx-uitstoot toe, hetgeen weer bijdraagt aan smog en zure regen. De oplossing werd uiteindelijk gevonden in het opschorten van de NOx-emissie-eisen met 18 jaar.

De ontwikkeling van het aantal pk’s per liter cilinderinhoud groeide gestaag van het begin van de auto tot aan de oliecrisis. In 1910 lag de verhouding (zonder loodhoudende benzine) op circa 10 pk/liter, in 1940 op 25 pk/liter voor Amerikaanse auto’s en voor de oliecrisis op 50 pk/liter. Na de oliecrisis werd sterk op emissie-verlaging ingezet, onder aanvoering van Californië. Om de NOx-uitstoot te verlagen, moest de verbrandingstemperatuur omlaag en dat deed men in de VS o.a. door de compressieverhouding te verlagen en een late ontsteking. Het gevolg was een luie motor die veel brandstof verbruikte. In Europa waren motoren beter doorontwikkeld met veel hogere specifieke vermogens. De afgelopen veertig jaar is er een enorme sprong voorwaarts gemaakt in brandstofverbruik (deels ook door een lagere luchtweerstand). De BMW 3.0 Si verbruikte tijdens een Autovisie-test in 1972 gemiddeld één liter benzine op 5,9 kilometer. In 2012 werd de BMW Active Hybrid 5 met vergelijkbare afmetingen en ook met een drie liter, zes cilinder motor door Autovisie getest op 14,3 kilometer op één liter benzine. De trend van een lager verbruik zet zich de komende 20 jaar door. Door autofabrikanten en motoren-ontwikkelaars zoals FEV en Ricardo is in beeld gebracht welke technische innovaties toegepast kunnen worden, tegen welke kosten en daarmee ook de kosten per vermeden ton CO2-uitstoot, want dat is voor een groot deel het criterium, naast o.a. lagere PM (Particle Mass), PN (Particle Number) en NOx. In 2021 moet de gehele Europese vloot per merk voldoen aan gemiddeld 95 gram uitstoot CO2 per kilometer. Daarnaast is er een wegingsfactor voor zwaardere auto’s. Deze is echter onvoldoende voor fabrikanten die relatief veel zware auto’s verkopen, zoals Mercedes. Technische innovaties zullen dan ook vooral in het hogere segment toegepast moeten worden om boetes voor het overschrijden van de norm te voorkomen. Een alternatief is het verkopen van een deel elektrische auto’s die officieel nul CO2-uitstoot hebben, ongeacht waar de energie vandaan komt. De kosten om een auto van 130 gram per kilometer terug te brengen naar 95 gram bedragen circa 1200 euro. Dit is de goedkoopste vorm om CO2 te vermijden en dus de favoriete weg van autofabrikanten om aan de eisen te volden. Innovaties die de komende jaren veelal toegepast zullen worden zijn: thermo-management, downsizing, downspeeding (hoog koppel bij lager toerental), variabele turbogeometrie, distributieriem i.p.v. ketting, gecoate zuigerveren, variabele kleptiming en – hoogte, directe benzine injectie, elektrische waterpomp en brandstofpomp, hybridisering, intelligente dynamo, verminderde wrijvingsverliezen in lagers, etc. etc. Daarnaast ligt er nog een uitdaging om energie terug te winnen uit uitlaatgassen.

Motoren worden in rap tempo schoner; de DAF Euro 6 vrachtauto wordt als stofzuiger aangeduid vanwege het verbranden van vuile deeltjes uit de omgevingslucht. En het Duitse ‘Verband der Automobilindustrie (VDA)’ verwacht, gezien de huidige ontwikkelingen op motortechnisch gebied, dat in Duitsland in 2022 de totale motoremissies zelfs lager zijn dan de totale jaarlijkse uitstoot van sigarettenrook.