© WWW.AMT.NL - Dé internetsite voor de Automotive Professional

MOTOREN Mechatronische klep verhoogt rendement ottomotor

De afgelopen jaren zijn er diverse projectengestart om vrachtauto’s en bussen te laten rij-den op aardgas. Al die projecten zijn een stilledood gestorven, de techniek was niet voldoendeuitgekristalliseerd om de voertuigen betrouw-baar te laten functioneren. Daarnaast moestieder voertuig opnieuw ontwikkeld worden,wat hoge kosten met zich mee bracht. Uiteraardheeft ook het succes van de diesel de opkomstvan alternatieve brandstoffen afgeremd.Maar de diesel is wat het milieu betreft nietzaligmakend. Problematisch blijft de uitstootvan partikels en NOx. En daar scoren de alterna-tieve brandstoffen wel goed. De diesel heeftdaarentegen weer een groot voordeel: het ont-breken van een gasklep. Dat onderdeel vormtletterlijk en figuurlijk een behoorlijke belem-mering om vrij te ademen. Vooral bij deellast,wanneer de gasklep grotendeels is gesloten tre-den grote smoorverliezen op. U kunt dit verge-lijken met het drinken door een rietje, hoe dun-ner het rietje des te meer energie het kost omiets binnen te krijgen. Een diesel heeft geengasklep in de aanzuigleiding en dus ook geensmoorverliezen.

Die smoorverliezen kosten energie, en gaan dusten koste van het rendement van de motor metals gevolg een hoog brandstofverbruik en eenrelatief hoge CO2-uitstoot. Is men in staat omvoor de gasklep iets anders te bedenken danstijgt het rendement en wordt op dat gebied dekloof met de diesel kleiner.

Afscheid van gasklepHet lijkt erop dat de auto-industrie zijn kaartenheeft gezet op de elektromagnetische klepbe-diening. Hiermee zou het mogelijk moeten wor-den de timing en de lichthoogte vanuit hetmotormanagement te regelen en dus zo de ver-mogensbehoefte te sturen. Voorlopig is dezehightech klepbediening echter nog toekomst-muziek, er wordt mee geëxperimenteerd maartot dusver is gebleken dat deze manier van ver-mogensregeling nog te onbetrouwbaar en teduur is.Een tussenoplossing is het Valvetronic-systeemvan BMW, dat in 2001 zijn intrede deed. Hierbijbedient de nok niet rechtstreeks de sleper, er isnog een hefboom tussen geplaatst. Deze draagtzijn beweging over op de sleper. De hefboomkan worden verplaatst door een excenter diedoor een elektromotor wordt aangedreven. Delichthoogte van de klep wordt hierdoor variabelvan 0 tot 9,7 mm. Deze techniek, in combinatiemet het Vanos systeem, maakt het mogelijk deinlaatkleppen voor wat betreft het openingsmo-ment, -duur en lichthoogte volledig variabel te

De huidige Nonox motor is een omgebouwde zescilinder Deutz-diesel. De motor kreeg hardereklepzittingen, andere zuigers en uiteraard eengemodificeerd inlaatsysteem. Hij levert maximaal300 kW, hetzelfde vermogen dat hij als dieselmo-tor leverde.

Nonox blaast aardgasmotor nieuw leven in

Ongesmoord ademAardgas: de voorraden zijn bijna onuitputtelijk, de ver-

branding relatief schoon, de infrastructuur ligt er en

toch breekt aardgas niet door als motorbrandstof. Maar

dat kan veranderen. Onlangs introduceerde een

Limburgs ingenieursbureau een aardgasmotor die het

rendement van een diesel weet te benaderen. Het

geheim: de Nonox motor ontbeert de smorende wer-

king van de traditionele gasklep.

1 © WWW.AMT.NL - Dé internetsite voor de Automotive Professional

Electronicmagnetic Operated Control Valve(EOCV) systeem in 1996. Als eerste werd het opeen ééncilinder onder laboratoriumomstandig-heden toegepast, waarbij werd onderzocht ofEOCV praktijkwaarde zou hebben. Dat bleek hetgeval, inmiddels heeft men het systeem toege-past op het long block van een 12 liter 300 kWDeutz V6 dieselmotor. Deze krachtbron is aan-gepast op aardgasgebruik, met hardere klepzit-tingen en andere zuigers. Door die laatstemodificatie kreeg de motor een compressiever-houding van 13,5:1. Het koppel van de 300 kW(1700-1900 t/min) uitvoering bedraagt maximaal1780 Nm dat al bij 900 t/min beschikbaar is.Daarnaast verschijnt er ook een 230 en 270 kWuitvoering.Groot voordeel ten opzichte van de BMW oplos-sing is dat dit systeem stand-alone werkt. Hetheeft geen ingewikkelde mechanische aandrij-ving van de krukas en de regeling wordt dooreen eigen brein gedirigeerd. Uiteraard moet er

regelen waardoor een gasklep overbodig is.Deze gaskleploze motor laat een verbruikswinstzien van tien procent en reageert veel adequa-ter op de vermogensvraag van de chauffeur.Technisch gezien is dit absoluut een hoogstand-je, het vraagt echter nogal wat geheugen van deregelapparatuur, de cilinderkop wordt er nieteenvoudiger op en het systeem moet uiterstkleine toleranties bezitten.

Mechatronische klepIngenieursbureau Nonox uit Hoensbroek heefteen veel simpeler oplossing bedacht. Zij voor-zien het inlaatsysteem van een extra klep dietwee standen kent: volledig open en volledigdicht. Deze klep wordt elektromagnetischbediend (EOCV= Electronicmagnetic OperatedControl Valve). De hoeveelheid mengsel die decilinder binnenstroomt wordt niet langerbepaald door de stand van de gasklep, maardoor de openingsduur (in graden krukhoek)van de EOCV. Aan het begin van de inlaatslagstaat de EOCV geheel open. Het mengselstroomt ongehinderd (ongesmoord) de cilinder

binnen. Is er voldoende mengsel de cilinderingestroomd om aan de vermogensvraag van dechauffeur te voldoen, dan sluit de EOCV binnen1 ms. De onderdruk die tijdens het vervolg vande inlaatslag ontstaat, ‘trekt de zuiger als hetware door het ODP heen weer omhoog’.Hierdoor worden (smoor)verliezen vermeden.Het vermogen wordt dus geregeld door de ope-ningsduur van de mechatronische klep te varië-ren. Bij veel vermogensvraag sluit de klep laat,bij weinig vroeg. Omdat deze kleppen software-matig worden aangestuurd heeft dit systeemeen bijna oneindige flexibiliteit. Zo kunnen bij-voorbeeld de beide EOCV’s zo worden gepro-grammeerd dat ze niet gelijktijdig sluitenwaardoor een swirlbeweging wordt gegeven aanhet gas dat de cilinder binnenstroomt. Ook kanmoeiteloos de optimale Miller-timing wordeningesteld door de EOCV’s wat vroeger te latensluiten dan de inlaatklep in de cilinderkop.Nonox is gestart met de ontwikkeling van dit

De Nonox motor presteert nu nog onder laborato-riumcondities. De motor is inmiddels zo ver uitont-wikkeld dat deze kan worden beproefd in de prak-tijk. Een grote openbaar vervoerder en een aantaldistributiebedrijven hebben in principe hun mede-werking toegezegd.

Grote winst van de aardgasmotor is de geringe NOx-uitstoot, met gemak haalt de huidige Nonox motorde Euro 5-norm die in 2008 van kracht wordt.

Het compleet gemodificeerde inlaatsysteem bevatper cilinder twee mechatronische kleppen die defunctie van de gasklep overnemen. Het rendementvan de gasmotor benadert hiermee dat van eendiesel.

halen

Foto’s: Nonox Gas Engines

Schoner dan Euro 5 De huidige Nonox motor betreft een lean burn uitvoering met een NOx-uitstoot lager dan eenEuro 5 diesel, de NOx is verder te reduceren door een λ=1 uitvoering in combinatie met EGR.

NO

x ui

tsto

ot (g

/kW

h)

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 5 NONOX NONOX L1-egr

© WWW.AMT.NL - Dé internetsite voor de Automotive Professional 2

MOTOREN Mechatronische klep verhoogt rendement ottomotor

Aardgas: een uitstekend alternatiefAardgas als brandstof blijkt eenschoon alternatief te zijn: schonerdan LPG, schoner dan benzine enschoner dan diesel. Dit vraagt omeen kleine nuancering, om tevoorkomen dat we appels metperen gaan vergelijken. Kijken

we naar de bijdrage aan hetbroeikaseffect dan blijkt deaardgasmotor aanzienlijk gunsti-ger uit de bus te komen. Diestoot minder CO2 uit. Dat wordtniet veroorzaakt doordat eenaardgasmotor zuiniger is, maardoordat aardgas (voornamelijkmethaan, CH4) in vergelijkingmet andere brandstoffen weinigkoolstof bevat. Zelfs LPG, datbestaat uit een mengsel van pro-paan (C3H8) en butaan (C4H10),bevat relatief meer koolstof.Vergelijken we de overige emis-

siebestanddelen van de aardgas-motor met die van een benzine-krachtbron, dan blijkt de CO-emissie op een lager niveau teliggen en de CH’s en NOx op eenongeveer gelijk niveau.Nu zult u zeggen: prima, die lageemissies maar wat levert het meop, wat zijn de prestaties? Danblijkt ook vanuit dat aspect aard-gas prima te presteren. Het heefteen octaangetal van 120 á 130 endat geeft de constructeur de mo-gelijkheid de compressieverhou-ding te verhogen naar 12,5:1waardoor rendement, koppel envermogen, ondanks de grotereruimte die de gasvormige brand-stof in het mengsel inneemt, nietminder zijn. Voorwaarde is weldat de motor geprepareerd moetzijn voor deze brandstof.Ontsteking, klop- en stationairre-geling moeten worden aangepastevenals de kleppen en de klepzit-tingen die bestand moeten zijntegen de fors hogere ontste-kingstemperatuur.

Aardgas versus dieselMaken we de vergelijking meteen dieselmotor dan zijn het deNOx en de roetdeeltjes die ervoorzorgen dat de weegschaal rich-ting aardgas doorslaat. De Nonoxleanburnmotor heeft een NOx-emissie van maximaal 1,5 g/kWh(in een aantal bedrijfspunten iszelfs al 0,3 g/kWh gemeten), daaris zelfs nog winst te behalen dooreen λ=1 regeling in combinatiemet EGR. De Euro 4-norm voorzware dieselmotoren, die in okto-ber 2005 van kracht wordt, staatnog steeds een uitstoot toe van3,5 g/kWh, voor Euro 5 bedraagtdie 2,0 g/kWh.Nu staat de dieselmotor bekendvanwege zijn grote rendement(42%). Conventionele gasmoto-ren scoren 30-35% en eindigendaarmee onderaan de lijst. DeNonox motor heeft door het ont-breken van de gasklep met dedaaraan gekoppelde smoorverlie-zen, een rendement van circa

40,5% en benadert daarmee dusde dieselvariant. Ander grootvoordeel is de geluidsproductie,deze is voor de Nonox motor 3-5dB lager dan een vergelijkbarediesel. Even voor de goede orde:een vermindering van 3 dB bete-kent een halvering van hetgeluid!

OpslagproblematiekMede gezien de ruime beschik-baarheid van aardgas zou eenmassale keuze voor aardgas alsmotorbrandstof gerechtvaardigdzijn. Maar het grote nadeel vanaardgas is de geringe energie-dichtheid: één normaal-kubiekemeter aardgas bevat ongeveerevenveel energie als 1 liter diesel(35,6 MJ versus 36,1 MJ). Datbetekent dat je met één Nm3

aardgas met een Nonox motoreven ver kunt rijden als met éénliter diesel, met een conventione-le gasmotor zou de actieradiusslechts 60 à 70% van die afstandbedragen.Voertuigen die maximaal 400 kmper dag rijden, zoals bussen, heb-ben een cilinderset van 650 literaan boord, waarin het gas onder

De infrastructuur voor aardgas ligter al, het tanken gaat op dezelfdewijze als LPG en neemt ongeveereven veel tijd in beslag. (CNG wordtgasvormig in de tank gebracht, LPGvloeibaar) De druk is met 200 barechter wel aanzienlijk hoger.

Ook in Azië is aardgas als motor-brandstof ontdekt. Op tankstationsis vloeibaar aardgas (LNG) verkrijg-baar. De infrastuctuur voor LNG lijktveel op die van LPG. Het wordt pertankauto aangevoerd en in geïso-leerde tanks opgeslagen.

Aardgasvoertuigen zijn uitermate geschikt voor (inter) stedelijk vervoer. Zeproduceren minder partikels, NOx, CO2 (-25% bij toepassing Nonox-technolo-gie) én geluid. Dat komt de leefomgeving ten goede.Foto: MAN

3 © WWW.AMT.NL - Dé internetsite voor de Automotive Professional

wel een intensieve communicatie zijn met hetmotormanagement, dit geschiedt via een CANJ1939 interface.

De boer opInmiddels is de Nonox motor zodanig uitont-wikkeld dat de praktijktest kan beginnen. Hetlijkt erop dat de Hermes groep (bussen) belang-stelling heeft om er een aantal bussen voorregionaal vervoer mee uit te rusten. Ook eenaantal trucks zal worden voorzien van eenNonox aardgasmotor. Vos Logistics, MCB en VanGansewinkel hebben interesse getoond en inprincipe hun medewerking toegezegd. Voordeze laatste is het dan wel de bedoeling om een9 of 10 liter dieselmotor om te bouwen tot gas-motor, mogelijk wordt dit een product van eenvrijage met DAF Trucks.Cruciaal voor de verdere ontwikkeling is desupport van onze overheid. Staatssecretaris VanGeel zal de deelnemende partijen financieelmoeten ondersteunen, zodat de Nonox motorzich in de praktijk kan gaan bewijzen. Bij eenslim accijns- en energieheffingenbeleid hoeftde aardgasmotor de overheid geen geld tekosten vanwege de extra aardgasbaten. Ook demogelijke verkoop van CO2-emissierechtenmaakt dit project interessant. Voor onze over-heid is het in ieder geval een prachtige kans omte laten zien dat men werkelijk oog heeft voorons milieu. En het lijkt ons een prima begin om

de fijne stof problema-tiek in de Randstadaan te pakken.Nonox doet al goedezaken in Azië, onlangsheeft men een jointventure gesloten metSammitr Motors inThailand en ook metpartijen in China ismen in onderhande-ling om het EOCVsysteem tegaan toepassen.Al gebiedt deeerlijkheidhierbij wel te vermelden dat naast het milieu-voordeel de belangrijkste reden om aardgas alsbrandstof te gaan gebruiken voortvloeide uit dewens om minder afhankelijk te zijn van de olie-producerende landen.Het EOCV-systeem wordt nu nog toegepast opeen aardgasmotor maar is in principe bruik-baar voor iedere Ottomotor voorzien van eengasklep. Nonox heeft het systeem ook aan groteDuitse automobielfabrikanten aangeboden,maar deze toonden (nog) weinig interesse.Wellicht kiest men liever voor complexereoplossingen… ●

Hans Doornbos

Het openen en sluiten van de mechatronische klepwordt gestuurd vanuit een eigen regeleenheid. Despecifieke software voor interactie tussen voer-tuig en motor moet nog worden geschreven.Op www.nonox-bv.com/presentation/nonox_sek.swf

ziet u een animatie van de werking van het systeem.

Het BMW-Valvetronic-systeem biedt de mogelijk-heid om de lichthoogte en openingshoek van deinlaatkleppen variabel vanuit het motormanage-ment te regelen.Tekening BMW

een druk van 200 bar (Compres-sed Natural Gas, CNG) is opgesla-gen. Voor het vervoer over langeafstanden is deze opslagmethodeniet geschikt, hiervoor biedtvloeibaar aardgas (Liquified Na-tural Gas ofwel LNG) de oplos-sing. Met één liter kun je circa 1,8km rijden. LNG wordt bij –160°Conder een druk van 4 bar opge-slagen in geïsoleerde tanks, diecommercieel verkrijgbaar zijn.Twee tanks van 400 liter geefteen respectabele actieradius van1450 km.Omdat de milieuproblematiek inde stedelijke omgeving hethardst om oplossingen roept, zouinzet van aardgasmotoren vooropenbaar vervoer en gemeente-voertuigen ideaal zijn, de beden-kers van de Nonox motor zettendaar hun kaarten op. ●

IMOS

GET Motormanagement

EOCV

Motorlastafhankelijkesturing

Aanpassing kenveld

Mechatronische klep

© WWW.AMT.NL - Dé internetsite voor de Automotive Professional 4