5-9-2001
FSI directe benzine-inspuiting: meer vermogen, minder
verbruik
Het ontwerpen van een nieuwe motor is een ingewikkeld proces. Dat
begint al bij het opstellen van de ontwerpparameters bijvoorbeeld of
het een krachtige of een zuinige motor moet worden.
Want zo lang als de benzinemotor al bestaat, zijn dit regelrechte
tegenstellingen: een krachtige motor is niet zuinig en een zuinige
motor levert altijd minder vermogen. Meer dan 100 jaar technische
ontwikkeling op motorengebied heeft daarin geen verandering kunnen
brengen. Tot nu toe
Audi introduceert een nieuwe motorengeneratie, die zich onderscheidt
door een enorme rendementsverbetering: de FSI-technologie. Deze
directe benzine-inspuiting is een revolutie op motorengebied. Een
vooruitgang die is te vergelijken met de invoering van TDI-technologie
bij dieselmotoren. Ook daar gaan meer vermogen en minder verbruik op
onvergelijkbare wijze samen.
Wat kan de FSI-motor met directe benzine-inspuiting beter dan een
conventionele benzinemotor waar de brandstof in het inlaatspruitstuk
wordt ingespoten? De FSI-motor biedt: - aanzienlijk meer dynamiek, -
een groter motorkoppel en meer vermogen - en tegelijkertijd een
reductie van het verbruik van maximaal 15 procent.
Deze vooruitgang wordt vooral mogelijk gemaakt door het gelaagde benzine-luchtmengsel bij deellast van de motor. Dat wil zeggen: alleen direct rond de bougie is een brandbaar benzine-luchtmengsel nodig, de rest van de verbrandingsruimte is gevuld met een mengsel met een aanzienlijk luchtoverschot. Daarnaast profiteert de direct ingespoten benzinemotor van een reductie van de warmteverliezen: de verschillende luchtlagen isoleren de mengselwolk van cilinderwand en cilinderkop.
Maar als de voordelen van deze technologie zo groot zijn, waarom heeft
tot nu toe dan nog niemand deze techniek consequent toegepast? De
eerste systemen van directe benzine-inspuiting dateren per slot van
rekening uit de jaren vijftig. En al enkele jaren maken ook andere
fabrikanten gebruik van deze techniek. Alleen kunnen zij het
potentieel van directe benzine-inspuiting nog niet in voldoende mate
benutten, bijvoorbeeld omdat bij hen het gebruik van een gelaagd
benzine-luchtmengsel slechts in een aanzienlijk kleiner arbeidsgebied
van de motor mogelijk is.
Nieuwe ontwikkelingen Wat is er nieuw aan de Audi FSI-motor? Om de
beoogde doelstellingen te behalen moesten de ingenieurs van Audi een
groot aantal nieuwe componenten en systemen zelf ontwikkelen.
Deze zijn onder meer:
- De Common Rail-hogedruk-inspuiting met nieuw ontwikkelde,
verbruiksafhankelijk geregelde inspuitpomp met enkele zuiger. Deze
perst slechts zoveel brandstof in het systeem, als nodig is om de
gewenste brandstofdruk te bereiken. - De nieuwe cilinderkop met vier
kleppen per cilinder en klepbediening met roltuimelaars. - Het verder
ontwikkelde, luchtgestuurde verbrandingsproces met continu geregelde
beweging van het benzine-luchtmengsel. - Het externe
uitlaatgas-recirculatiesysteem. - Het verder ontwikkelde
uitlaatgas-nabehandelingssysteem met NOx-absorptiekatalysator en
NOx-sensor.
Bovendien is inmiddels ook voldaan aan een andere voorwaarde voor een
optimaal werkende directe benzine-inspuiting: een brede
beschikbaarheid van zwavelarme benzine. Want alleen daarmee kan het
maximale verbruikspotentieel van directe benzine-inspuiting volledig
worden benut.
Beslissend voor het hoge rendement van Audis FSI-technologie is het
bijzondere verbrandingsproces van de motoren. Anders dan bij een
conventionele benzinemotor, waar de brandstof in het inlaatspruitstuk
wordt ingespoten, wordt bij FSI de brandstof direct in de
verbrandingskamer geïnjecteerd. De injector, die achtereenvolgens
wordt gevoed door een brandstofpomp met enkele zuiger en het Common
Rail-systeem, zit in de zijkant van de cilinderkop. De injector
doseert de ingespoten benzine tot op de milliseconde nauwkeurig, bij
inspuitdrukken tot 110 bar.
In de gelaagde-mengsel-fase wordt de benzine tijdens de compressieslag
ingespoten. Daarbij volgt de brandstof de beweging van de aangezogen
lucht in de verbrandingsruimte, die door een beweegbare klep in het
inlaatkanaal en de bijzondere vorm van de zuigerbodem in een gestuurde
beweging is gebracht. Dit effect wordt tumble genoemd.
Zo wordt ook het gewenste effect van het gelaagde benzine-luchtmengsel
bereikt: de wolk die voldoende brandstof bevat om brandbaar te zijn,
wordt beperkt gehouden en bevindt zich exact op het
ontstekingstijdstip bij de bougie. Omdat de inspuithoek nagenoeg vlak
is, komt de brandstofwolk nagenoeg niet in contact met de zuigerbodem:
een zogenoemd luchtgestuurd proces.
Bovendien bevindt zich na de verbranding een isolerende luchtlaag
tussen het brandende mengsel en de cilinderwand. Dat weer resulteert
in een vermindering van de warmte-afvoer naar het motorblok ook
hierdoor neemt het rendement van de motor toe.
Als de motor met het gelaagd benzine-luchtmengsel werkt, geldt
gemiddeld voor de hele verbrandingsruimte een waarde van Lambda = 4,0
de beslissende voorwaarde voor de verbruiksvermindering bij lage en
gemiddelde motortoerentallen.
Bij vollast wordt de brandstof synchroon met de inlaatfase ingespoten.
Daarbij ontstaat een homogeen mengsel in de verbrandingsruimte. Ook in
deze fase onderscheidt de FSI-motor zich nog altijd door een merkbaar
lager brandstofverbruik, in combinatie met een groter vermogen en
koppel, dan een conventionele benzinemotor.
Dat heeft bijvoorbeeld de permanent homogeen werkende V8 biturbomotor
van Audis Le Mans-winnaar op succesvolle wijze bewezen. De voordelen
in het homogeen-gebied ontstaan door de gereduceerde pingelneiging. De
voordelen zijn het gevolg van de inspuiting van de brandstof direct in
de verbrandingsruimte en de daaruit resulterende, inwendige koeling,
waardoor ook een hogere compressieverhouding kan worden gebruikt.
Nieuwe motorengeneratie De eerste exponent van de nieuwe motorengeneratie is een viercilinder met een cilinderinhoud van twee liter. Het motorblok en de afmetingen zijn gelijk aan de motor die thans in de Audis A4 en A6 wordt toegepast. De 2.0 FSI-motor beschikt over een Common Rail-injectiesysteem en een inspuitpomp met enkele zuiger. De cilinderkop heeft, in tegenstelling tot Audi-motoren met conventionele inspuiting niet vijf maar vier kleppen per cilinder. Alleen zó kon ruimte worden gecreëerd voor de injector.
Het omschakelbare inlaatspruitstuk heeft een tweetraps-constructie en
biedt daarmee twee inlaatlengtes voor hoge en lage toeren. Een continu
verstelbare inlaatnokkenas zorgt voor de gebruiksafhankelijke regeling
van de klepopeningstijden. Aan de uitlaatzijde bevindt zich een van de
centrale componenten voor de efficiënte uitlaatgasreiniging, de
uitlaatgasrecirculatie. Deze werkt efficiënter dan vroegere systemen
en voert maximaal 30 procent van alle uitlaatgassen weer terug naar de
verbrandingsruimte. Voor het reinigen van de uitlaatgassen zijn twee
katalysatoren aanwezig: direct achter het uitlaatspruitstuk en dus
dicht bij de motor zit de geregelde 3-weg katalysator. Verderop in het
uitlaatsysteem, onder de bodem van de auto, bevindt zich de
NOx-absorptiekatalysator.
De NOx-katalysator is speciaal ontworpen voor de bijzondere eisen van
een direct ingespoten benzinemotor. Aan de uitgang van de katalysator
is een NOx-sensor geïntegreerd. Zoals bekend kan in de arm-mengselfase
de conventionele 3-weg katalysator de door de motor geproduceerde
hoeveelheid stikstofoxide niet volledig afbreken; daar is immers
stoichiometrisch (Lambda = 1) uitlaatgas voor nodig. De extra
stikstofoxide moet dus worden gereduceerd tot ongevaarlijke stikstof.
Dit gebeurt op effectieve wijze in de absorptiekatalysator, waarbij
eerst de stikstofoxide wordt gebonden aan het barium-oppervlak.
De werking van de NOx-absorptiekatalysator is kenveld- en temperatuurafhankelijk geregeld. Bij verzadiging van de katalysator zorgt een kortstondige verrijking van het brandstofmengsel voor de gewenste reiniging. Door de temperatuurstijging van de uitlaatgassen wordt de stikstofoxide door de barium-moleculen vrijgegeven en in stikstof omgezet. De frequentie van de kortstondige verrijking hangt natuurlijk af van de bedrijfsomstandigheden van de motor. Gemiddeld is een verrijking van enkele seconden per minuut voldoende. Dit alles resulteert in een verbruiksreductie van 15 procent ten opzichte van een even krachtige motor met conventionele brandstofinspuiting. Een rendementsverbetering van 15 procent: dat is vooruitgang.