Techniek: Infiniti’s benzinemotor met variabele compressie

Auteur: , 34 Reacties

Voor het eerst zien we variabele compressieverhouding terug in een productiemotor, een bijzondere prestatie van Infiniti/Nissan!

Variabele compressie

Compressie, wat is dat ook al weer? Het is de mate waarin het lucht-brandstofmengsel wordt samengeperst in de cilinder. Je kunt de compressie uitdrukken in de absolute druk (bar), maar doorgaans geven fabrikanten de compressieratio op: het verschil in druk tussen de uiterste standen van de zuiger, uitgedrukt als x:1. Bij een compressieratio van 10:1 is de druk in de verbrandingskamer met de zuiger in de hoogste stand dus tien keer zo hoog als wanneer de zuiger op het laagste punt staat.

In theorie is een hoge compressieratio ideaal, je haalt dan het meeste rendement uit de verbranding. Het probleem is dat met de druk ook de temperatuur in de verbrandingskamer toeneemt, bij zeer hoge druk kan de brandstof dan uit zichzelf ontbranden. Dat is precies de bedoeling bij een diesel, vandaar dat diesels een heel hoge compressieratio (vaak boven de 20:1) hebben, maar bij een benzine is dit effect zeer ongewenst. We kennen dat fenomeen als pingelen of kloppen.

Bij een benzinemotor wordt doorgaans een maximale compressieverhouding van 10:1 aangehouden, al lukt het sommige fabrikanten die compressieverhouding hoger te krijgen. Denk bijvoorbeeld aan de SKYACTIV-G-motoren van Mazda, die een compressieverhouding van 14:1 (2.0) of 13:1 (2.5) hebben.

Variabele compressie

Net als Mazda, richt ook Nissan zich tot een hoge compressieverhouding, maar ze pakken het anders aan. Omdat de kans op pingelen het grootst is tijdens hoge belasting, bijvoorbeeld tijdens acceleratie, kan de motor op dat moment zijn compressieverhouding verlagen tot wel 8:1. Rijd je rustig en hoeft de motor niet hard te werken, dan wordt de compressie verhoogd tot 14:1 voor maximale efficiency. De kracht (268 pk) van een turbo-benzinemotor met de efficiëentie van een diesemotor, aldus Infiniti over hun nieuwe VC-T-motor. Maar hoe veranderen ze die compressieverhouding nu precies?

Door de zuiger minder ver op en neer te laten gaan uiteraard. Om dat te bewerkstelligen zitten de conventionele drijfstangen niet direct aan de krukas vast, maar zit daar een zogenaamde multi-link tussen. Deze multilink verbindt niet alleen de drijfstang met de zuigers, maar zit middels een extra arm ook aan een elektrisch bediende controle-as vast.

Infiniti Variabele compressie

Door deze controle-as te verdraaien, verandert de stand van de multilink, waardoor de afstand tussen zuiger en krukas veranderd. Je zou dus kunnen spreken van een variabele lengte van de drijfstang, al is dit technisch gezien niet helemaal juist omdat de drijfstang in deze krachtbron uit twee delen bestaat, anders dan in Porsches patent bijvoorbeeld. Het resultaat is echter dat de zuiger juist verder of minder ver op en neer kan bewegen.

Hoewel de motor het zeker tot het productiestadium gaat schoppen, aldus Infiniti, moeten we nog wel heel even geduld hebben voor we modellen met dit blok ook daadwerkelijk in de showroom zien staan. In 2018 is het zover, na een ontwikkelingstraject van zo’n 20 jaar. Is dit de verbrandingsmotor die de massale elektrificatie van ons wagenpark nog even kan uitstellen?

Saab Monohead

‘Ho Ho’, riep @willeme gelijk op de redactie toen het over deze Infiniti-krachtbron ging, ‘Saab had zoiets al veel eerder!’. En dat klopt, al haalde Saab’s Monohead het productiestadium niet. In 2000 lieten ze tijdens de autoshow in Genève een krachtbron zien waarbij de compressieverhouding kon variëren van 14:1 tot 8:1. Precies zoals bij Infiniti’s motorblok dus. Het grote verschil zit hem in de manier waarop ze dit bereikten. Daar waar Infiniti de lengte van de drijfstang aanpast, bedacht Saab een systeem waarmee de cilinderkop een stukje omhoog gelift kan worden middels een extra krukas. Daardoor kon de verbrandingskamer groter en kleiner worden gemaakt. Een ingenieus maar evenzo gecompliceerd systeem, waarvan GM uiteindelijk besliste dat het te duur was om productieklaar te maken.



34 reacties

Hoe betrouwbaar is dit op lange termijn, geniaal is het wel!
@autodrome: Dat vraag ik me ook af. Veel draaiende delen die erbij komen! Maar ik ben positief! Efficiëntie van de ottomotor stijgt weer.

Overigens is dat systeem van Saab veel gevoeliger en kostbaarder, vandaar hervatten van het verder uitontwikkelen.
@granlusso: elk bewegend onderdeel in een verbrandingsmotor is weer ren point of faillure, zeker als het een mechanisch deel is waar veel jracht en torsie op wordt losgelaten. Dan vraag ik me serieus af wat dat voor gevolgen heeft voor de betrouwbaarheid op de lange duur ..
Mooie techniek, hoop dat we dit veelvuldig mogen gaan zien in de toekomst..
Dit gaat de elektrificatie echt niet uitstellen. Als je al die complexe mechanica vergelijkt met een accu plus controller plus elektromotor is dit eigenlijk al hopeloos ouderwets.
@mobieler: niks ouderwetser als een elektromotor….in 1832 werd de 1e die in staat was een werktuig aan te drijven gemaakt.
@406_v6:
Ja duh. Maar de enorme complexiteit van zoveel mechanica versus de eenvoud van elektro. Dat is alles.
@mobieler: Bij elektrisch is de technische uitdaging de energieopslag (accu), niet de motor. Bij verbranding is de technische uitdaging de motor, niet de energieopslag (brandstof). Een direct vergelijk tussen de motoren en energiebronnen van beide mist het punt.
@mobieler: Bij elektrisch is de technische uitdaging de energieopslag (accu), niet de motor. Bij verbranding is de technische uitdaging de motor, niet de energieopslag (brandstof). Een direct vergelijk tussen de motoren en energiebronnen van beide mist het punt.
@jelmer: maar wel een mooie argument tegen waterstofmotoren, die zijn complex en komen gecombineerd met lastige energieopslag, dat gaat em niet worden.
@mashell: daarentegen is waterstof icm met een brandstofcel wél weer een mooie combo
@406_v6: Misschien mooi, maar zeker niet efficient
Dan verliest hij bij zware belasting toch aan vermogen? Of zie ik dit verkeerd?
@gillesvda: vermogen kan je heel makkelijk forceren met de turbo. Wel zal dit ding dus zuipen als een tempelier als je het vermogen aanspreekt. Dat doet mazda beter met die constante hoge compressie. Dan heb je ook bij vermogen de efficiëntie.
Eigenlijk een heel simpel systeem, als je zo de animatie ziet. Wel heb je gelijk dubbel zoveel lagers die weerstand bieden, en dat kan ook allemaal stuk. Ook is de motor een heel stuk hoger op deze manier. Lijkt me niet bevorderlijk voor het uiterlijk van de auto’s. Een interessante keuze is het zeker en ik ben benieuwd hoe het in de praktijk uitpakt wat verbruik betreft.
Aan de ene kant een prachtige vinding. Aan de andere kant heel veel extra kwetsbare techniek voor slechts een stukje beter rendement. Maar laten we niet doemdenken. Dit icm V-tech, turbo’s en hybride techniek zorgt misschien wel voor een nog lange periode van fossiele brandstof.
@dutchdriftking: aan de andere kant: de opgefokte 3-cilinder turboblokjes van tegenwoordig bevatten anders ook wel erg veel kwetsbare techniek…
En dat is waarom Saab eruit moest, ze hadden TE dure plannen
stuk over druk klopt niet, compressieverhouding gaat over verhouding van volumes, niet van druk. stop maar eens water in de cylinder ipv lucht, de druk wordt dan ietsje meer dan 10x zoveel (bij compressie verhouding van 1:10). maw de compressibiliteit is ook bepalend voor de druk, niet alleen verhouding van volumes.
Toyota past al sinds de tweede generatie prius een motor toe volgens het Atkinson principe. Daarbij word ook met een tussenas bereikt dat er verschil zit tussen de compressie verhoudingen van de uitlaatslag en de compressie slag: http://www.animatedengines.com/atkinson.html
@gijzert: de prius gebruikt toch gewoon kleptiming dacht ik, een stuk makkelijker dan dit.
@gijzert: Klopt maar het vvt-i systeem hebben ze gewoon toegepast op de Atkinson motor.
Variabele compressie om de luchtdruk boven de cilinder te kunnen regelen. Is dat ook niet te realiseren door de inlaatkleppen korter te openen en/of de uitlaatkleppen langer open te laten staan?
@steventure: inderdaad, wou net hetzelfde zeggen. Met een goede variabele kleppensturing kan je eenvoudigweg de inlaatklep wat later dicht doen, waardoor de compressie wat later in de fysieke slag begint en dus effectief lager is. Wel krijg je dan een terugslag van je mengsel dus dit doe je best enkel bij directe injectie waar de brandstof pas na het sluiten van de inlaat in de verbrandingskamer wordt ingespoten.

Dus ik vraag me af wat het eigenlijke voordeel hier is… Terwijl de nadelen al erg duidelijk zijn, complexiteit, kost en wss betrouwbaarheid…
@onehp: Bedoel je niet dat die inlaatklep dan juist wat eerder dicht zou moeten gaan, om de compressie eropvolgend wat te verlagen?
@steventure: nee later. Dan duwt de zuiger lucht weg via de de inlaat klep. En bouwt dus later druk op.
@steventure: als de inlaatklep eerder dicht gaat voordat de zuiger beneden is krijg je wat onderdruk, gaat ie later dicht een beetje terugslag.

Het voordeel van echt variabele compressie is dan ook waarschijnlijk dat er steeds een volledige cylinderverplaatsing lucht in de cylinder zit ook al halveer je de compressie, ipv dat je of de helft van je aanzuiglucht laat ontsnappen met de cylinder halfweg omhoog voordat je begint te comprimeren. Meer lucht = meer vermogen en zoals @super al aanmerkte: volume =/= druk
@onehp: Interessant allemaal! Zou het ook niet gewoon mogelijk zijn om de toevoer van de aanzuiglucht te regelen/beperken, voordat het bij de inlaatkleppen komt? Dan kun je de cilinderkop gewoon eenvoudig houden.
@steventure: intressant, had er zelf niet zolang bij stilgestaan.

Dat wat je zoekt dat heet de gasklep ;) maar dat werkt dus niet, je krijgt dan gewoon lagere toeren/vermogen…
De truuk met de kleppen werkt eigenlijk enkel bij een turbo waar je in de beperktere compressieslag door middel van hogere turbodruk nog steeds dezelfde hoeveelheid lucht in de cylinder krijgt, anders krijg je vermogensverlies en dat is net wanneer je meer vermogen vraagt dat de compressie naar beneden mag. Maar de kleppentruuk werkt dus enkel om de compressie van pakweg 1:12 naar 1:10 terug te brengen (~20%), bij een groter verschil krijg je waarschijnlijk teveel problemen met de terugslag in de inlaat en bijhorende verliezen. Dus bij nader inzien valt er toch behoorlijk veel te winnen als je variabele compressie echt goed kan uitvoeren met een groot verschil tussen hoge en lage compressie. De winst zit dan dat je én een mooi vermogen kan opbrengen en zodra die niet aangesproken wordt, je een heel zuinige versie van dezelfde motor kan rijden.
Benieuwd naar de uitwerking…
@onehp: Haha, ja inderdaad, de “gasklep”, dat zal dus niet werken. :-)

In het filmpje zie je trouwens dat het hart van de krukas niet midden onder de cilinders is gepositioneerd. De drijfstang staat bij de arbeidsslag verticaal onder de zuiger. Kan me voorstellen dat dit meer koppel op de krukas oplevert en het kantelen van de zuigers bij koude motor beperkt. Zou dit ook niet mogelijk kunnen zijn bij conventionele motoren?
@steventure: de krukas wat asymmetrisch onder de zuigers wordt reeds toegepast op ‘gewone’ motoren, was zo op men 1.0 ecoboost in ieder geval. Inderdaad minder schuine belasting op de zuigers tijdens de belastende arbeidsslag waardoor de zuiger minder hoog kan zijn, lichter en minder frictie heeft. Daarom misschien ook wat meer koppel. Of er geometrische meer koppel uit komt ben ik onzeker, hangt er ook van af hoe de verbrandingsdruk zich onplooit tijdens de neerwaartse slag…
Alleen wordt hiervoor doorgaans geen reclame gemaakt, dus ik weet ook niet op juist welke motoren dat allemaal zo is maar vermoed dat de meeste nieuwe ontwerpen van de laatste jaren deze feature hebben?? @willeme
Ik ben wel benieuwd hoe zuinig (of eerder; rendabel) een ottomotor kan worden als je alle innovaties van verschillende fabrikanten bij elkaar gooit. Variabele compressie, multi-air (vind het systeem van elektronische kleppen ipv nokkenas echt wel netjes bedacht), elektrische variabele turbo’s, noem maar op.
Pardon? en Toyota dan met hun 1.5 liter met Atkinson-principe? Das toch ook variabele compressie!?
Meer bewegende delen, dus zwaarder, meer weerstand, grotere kans op gebreken en nog steeds lang niet zo efficiënt als een elektromotor. Ze kunnen hun energie beter steken in verbetering accutechnologie.

Geef een reactie:

Je moet ingelogd zijn om reacties te posten, registreren kan HIER (ook via Facebook).