Conventioneel (benzine, diesel, LPG)

Benzine

Voertuigfabrikanten werken onder andere aan de volgende CO₂-reducerende technologieën voor benzinemotoren:

• “Homogeneous Charge Compression Ignition”;
• “Jet Ignition System”;
• “Variabel compressie motoren”.

Homogeneous Charge Compression Ignition

Bij Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) motoren wordt een mengsel van lucht en brandstof gecomprimeerd voordat het in de brandstofkamer wordt geïnjecteerd. De verbranding is hierdoor homogener en effectiever. Nadeel is dat het werkgebied (range van toerental en motorlast) kleiner is. Recentelijk heeft Mazda een variant van de HCCI-motor op de markt gebracht genaamd SkyActiv-X. De motor heeft een bougie om het verbrandingsproces te sturen, wanneer deze niet in het werkgebied zit, zoals bijvoorbeeld tijdens een koude start.

Jet Iginition system / Prechamber combustion

Een benzinemotor valt onder de categorie spark iginition (SI) motoren. Wanneer de bougie een vonk afgeeft ontsteekt als eerste de brandstof rond de bougie, waarna de ontsteking als een "golf” door de verbrandingskamer loopt. Dit vereist een rijk mengsel om ervoor te zorgen dat het ontstekingsproces niet vroegtijdig stopt. Jet ignition heeft naast de verbrandingskamer een voorkamer (pre-chamber) met eigen brandstoftoevoer (zie onderstaande figuur).

Figuur 6: Jet Ignition System [Michigan State University, 2015]

In deze kamer wordt een rijk mengsel ontstoken. Het ontstoken mengsel stroomt door “nozzles” in de verbrandingskamer, waar het zorgt voor een snelle ontbranding van een “arm” mengsel (lees hoge verhouding zuurstof ten opzichte van brandstof). Een motor met “jet ignition” heeft een 10 tot 20% lager verbruik ten opzichte van een conventionele motor. De technologie wordt al sinds 2014 toepast in Formule 1-wagens. De technologie wordt zover bekend nog niet in productievoertuigen toegepast. Bedrijven, waaronder het Duitse Mahle, zijn wel actief bezig om de technologie te promoten voor bredere toepassing.

Variabele compressiemotoren

Variabele compressiemotoren (VCMs) kunnen afhankelijk van een hoge of lage belasting de compressieverhouding in de cilinders veranderen. Bij lage of deelbelasting van de motor is een hoge compressie gewenst om een hoge efficiency en laag verbruik te realiseren. Bij een hoge belasting van de motor is een lage(re) compressieverhouding nodig (in combinatie met een turbo) om een hoog vermogen te realiseren. Door deze techniek is de motor efficiënter en zuiniger zonder in te boeten op vermogen. Nissan heeft in 2019 een productiemotor met dit concept geïntroduceerd in een aantal modellen van Nissan en Infinity. Nissan claimt dat het brandstofverbruik van deze benzinemotor vergelijkbaar is met dat van een dieselmotor.

Diesel

Dieselmotoren hebben een lange historie die teruggaat tot de uitvinding van Rudolf Diesel in 1893. In de afgelopen eeuw zijn dieselmotoren in zeer veel verschillende sectoren toegepast; de meest bekende is de dieselmotor als aandrijfmiddel in transport en mobiliteit. Hoewel diverse innovatieve energiedragers steeds meer aan belang winnen, is de verwachting dat dieselmotoren de komende tientallen jaren nog een belangrijke rol zullen blijven houden, vooral voor het zware (weg)vervoer over lange afstanden.

De afgelopen twee decennia zijn er grote stappen gezet op het gebied van NO_x- en PM-emissies (met onder andere doorontwikkeling van “after-treatment systemen” en geavanceerde verbrandingstechnologieën). Onder druk van steeds striktere Europese emissie- en CO₂-wetgeving vinden nog steeds ontwikkelingen plaats om dieselmotoren schoner en zuiniger te maken, onder andere op het gebied van geavanceerde verbrandingstechnologieën en restwarmte-terugwinning. Tot op heden blijken deze concepten echter vooral bij deellasten voordelen te behalen en bij lage of hoge last minder goed te presteren. Een snelle introductie van deze technologieën in voertuigen wordt dan ook niet verwacht.

Geavanceerde verbrandingstechnologieën

Afgelopen decennia heeft veel onderzoek plaatsgevonden naar geavanceerde verbrandingstechnologieën, al dan niet met diesel als brandstof. Onder andere HCCI, PPC (Partly Premixed Combustion) en RCCI (Reactivity Controlled Compression Ignition) vallen binnen deze groep. Deze technieken hebben een homogenere verbranding, zodat in potentie een lager verbruik en minder uitstoot gerealiseerd kan worden. Deze technieken worden nog nauwelijks in productiemotoren toegepast.

Waste heat recovery

Er wordt door verschillende fabrikanten gewerkt aan warmteterugwinning (ofwel WHR: Waste Heat Recovery). WHR draagt bij aan een lager brandstofverbruik door het rendement van de motor (efficiency) te verhogen. Hierbij wordt de warmte van de uitlaat of de nabehandelingsunit (met name de EGR: exhaust gas recirculation) gebruikt om weer elektrische of mechanisch energie op te weken. Deze energie kan weer worden gebruikt om subsystemen aan te drijven, zoals elektrische turbo stuurpompen etc. Een specifieke ontwikkelweg van WHR is de Organic Rankine Cycle (ORC). Deze technologie werkt goed bij lage/middelhoge temperaturen van de verbrandingsmotor en maakt een efficiencyverbeteringen tot 10% procent in proefopstellingen mogelijk. Onder andere in de maritieme sector wordt ORC al toegepast. Voor wegtransport (met name voor vrachtwagens) is er interesse om de systemen door te ontwikkelen voor marktintroductie.

LPG

De toepassing van LPG kan grofweg in de volgende categorieën worden ingedeeld:

• Mono-fuel LPG (LPG in SI motor);
• Bi-fuel LPG (benzine, LPG in SI motor) – vooral in het lichte segment (personen- en bestelauto’s);
• Bi-fuel LPG (diesel, LPG in DI motor) – vooral in het zware segment (bussen en trucks).

De meeste auto's die op LPG rijden zijn ombouwauto’s. Dit zijn benzineauto’s, die middels een ombouwkit worden omgebouwd tot LPG-auto. Sommige OEMs (Original Equipment Manufacturer) bieden bi-fuel voertuigen aan. Dit zijn voertuigen, die met beide brandstoffen kunnen rijden: LPG en benzine (lichte segment) of LPG met diesel (zware segment).

Mono-fuel LPG

LPG kan toegepast worden in benzinemotoren door aanpassingen aan componenten en de ontstekingsconfiguratie, onder andere met behulp van ombouwkits. Het beperken van vermogensverlies blijft een uitdaging met het toepassen van LPG. Het grote volumeverschil tussen de vloeibare fase en de gasfase van LPG vermindert de toevoer van verse lucht in het inlaatspruitstuk. Hierdoor vermindert het volumetrische rendement. Dit resulteert in een lager vermogen.

De meest recente kits voor voertuigen op LPG maken gebruik van “Liquid Phase Direct Injection” (LPDI). Hierbij wordt de LPG direct vanuit de tank als vloeistof naar de injector gepompt. Een van de uitdagingen van LPDI is het creëren van een injector met voldoende vermogen om de hoge dynamische temperaturen te weerstaan. Een andere uitdaging van hoge druk injectie is de korte injectieduur. Dit vergt een betrouwbaar en geavanceerd elektronisch systeem om de motor bij hoge toerentallen te besturen.

Bi-fuel LPG (benzine of diesel, LPG)

Een bi-fuel LPG-voertuig heeft een hoger gewicht als gevolg van de aanwezigheid van een LPG-tank (naast de bestaande benzine- of diesel-tank). In dit kader wordt er gewerkt aan lichtere maar sterkere composiettanks om het totaalgewicht te reduceren. Daarnaast zijn enkele motorontwikkelingen gaande wat betreft motorpingelen en de verminderde prestatie onder deelbelasting. Om deze uitdagingen op te lossen worden geavanceerde regelstrategieën ontwikkeld, met variaties in de hoeveelheid brandstof per injectie, de brandstofverhoudingen en het ontstekings- en het injectietijdstip.