INNOVATIE: Variatie op een thema

Infiniti's variabele compressie-motor

Infiniti VC Turbo
Op de autosalon in Parijs presenteerde Infiniti vorig jaar een nieuwe motortechniek, in de wereld van techneuten zelfs een behoorlijk revolutionaire. De Japanners spreken van een VC-Turbo-motor, waarbij VC staat voor Variable Compression, oftewel een variabele compressieverhouding.

Voor menig motorontwikkelaar is het kunnen variëren van de compressieverhouding de heilige graal. Hiermee kunnen uitstoot en verbruik namelijk sterk worden teruggedrongen terwijl de prestaties juist naar een hoger niveau worden getild. Nissan (waartoe Infiniti behoort) is daar nu in geslaagd en kondigt als eerste autofabrikant voor 2018 een productiemotor aan waarbij de compressieverhouding afhankelijk van de omstandigheden varieert tussen 8:1 en 14:1.

Samenpersen
Met de compressieverhouding wordt de verhouding aangeduid tussen de ruimte boven de zuiger wanneer die in het onderste dode punt staat (maximaal) en de ruimte boven de zuiger wanneer die in het bovenste punt staat (minimaal). Deze verhouding bepaalt in hoeverre de aangezogen lucht tijdens de compressieslag wordt samengeperst. In principe is de compressieverhouding een vaste waarde die gekozen wordt bij de constructie van de motor. In theorie zorgt een hogere verhouding voor hogere prestaties (iets wat steviger wordt samengedrukt zal in principe ook weer met meer kracht uitzetten). Een hoge compressieverhouding lijkt dus ideaal, maar in de praktijk blijkt er toch een limiet aan te zitten die afhangt van een aantal factoren die we hieronder verder zullen toelichten.

Bij dieselmotoren is de verhouding groter dan bij benzinemotoren. Dat komt doordat de lucht bij een dieselmotor zodanig moet worden samengeperst dat hij heet genoeg is om de vervolgens in te spuiten dieselolie te laten ontbranden. Toch mag de compressieverhouding ook bij een dieselmotor niet te groot zijn. Er komt namelijk een moment dat de winst bij het verder verhogen van de compressie nauwelijks meer toeneemt, terwijl hele hoge drukken wel het nodige van het materiaal vergen, en dat komt de levensduur van de motor niet ten goede.

Dat we bij een benzinemotor met een iets lagere compressieverhouding werken dan bij een dieselmotor, heeft niet zozeer met de levensduur van het materiaal te maken, maar komt doordat er bij een benzinemotor geen lucht wordt samengeperst, maar een brandbaar mengsel van lucht en benzine. Zou de temperatuur als gevolg van een te grote compressieverhouding te hoog zijn, dan zou het mengsel te vroeg en ongecontroleerd ontbranden. Het gebeurt wel eens bij slecht afgestelde motoren of wanneer er (bijvoorbeeld in het buitenland) benzine met een te laag octaangetal is getankt. We hebben het dan over kloppen of pingelen, wat kan leiden tot ernstige motorschade. We willen alles dan ook kunnen regelen, ook het moment van ontbranden, en dat doen we bij een benzinemotor met de bougie. Het is voor motorontwikkelaars dus een kwestie van de grens opzoeken en er net niet overheen gaan: omwille van de prestaties de compressieverhouding zo hoog mogelijk maken, maar om kloppen tegen te gaan net niet té hoog maken. Overigens kan de grens wel iets worden verschoven door gebruik te maken van benzine die beter bestand is tegen spontane ontbranding. We kennen deze brandstof als benzine met een hoger octaangetal.

Bij turbo's nog lager
Met een turbo wordt er extra lucht in de verbrandingsruimte geperst, meer dan een atmosferische motor op natuurlijke wijze kan aanzuigen. Om te voorkomen dat de druk door deze extra naar binnen geperste lucht te hoog wordt en het benzinemengsel daardoor spontaan zou kunnen ontbranden (of bij een diesel schade aan het materiaal zou optreden), heeft een turbomotor een lagere compressieverhouding dan z'n atmosferische evenknie. Er is dankzij de pompwerking van de turbo al meer lucht aanwezig, dus kan er ook meer benzine verbranden dan in een vergelijkbare, natuurlijk aangezogen motor (vandaar dat een turbomotor meer vermogen levert bij een gelijke cilinderinhoud), maar de aanvangsdruk is in principe gelijk. De lagere compressiedruk plus de drukvulling van de turbo staat ongeveer gelijk aan de hogere compressiedruk zonder drukvulling. Kortom, er zijn diverse redenen waarom een fabrikant een bepaalde compressieverhouding kiest.

Tijd voor variatie
In principe is de compressieverhouding een vaste waarde die gekozen wordt bij de constructie van de motor. Doorgaans werken turbobenzinemotoren met een compressieverhouding van 8:1, omdat de druk in de cilinders anders te hoog kan oplopen. Bij atmosferische benzinemotoren (die geen turbo hebben om de druk op te voeren) zien we hogere compressieverhoudingen tot wel 14:1, zoals bij Mazda's Skyactiv-machines. Toch zou je onder bepaalde omstandigheden een andere compressieverhouding willen, zeker bij moderne turbomotoren. De meeste motoren worden namelijk een groot deel van de tijd slechts beperkt belast. Op dit soort momenten doet een turbo nauwelijks iets en werkt de motor eigenlijk atmosferisch. Voor het rendement zou nu een hogere compressieverhouding ideaal zijn. Maar je kunt niet zomaar switchen, althans tot nu toe. Met Infiniti's VC-T moet dat probleem vanaf 2018 worden getackeld. De compressieverhouding kan dan traploos worden gevarieerd tussen 8:1 en 14:1. Infiniti kondigt de VC-T aan als een 268 pk sterke tweeliter viercilinderlijnmotor. Volgens de Nissan-dochter zou die motor tot maar liefst 27 procent zuiniger moeten zijn dan een conventionele drieliter V6 met vergelijkbare prestaties (zoals Nissan en Infiniti die nu gebruiken).

Verschillende wegen naar Rome
Door de jaren heen hebben we tal van constructies voorbij zien komen waarmee de compressieverhouding kan worden aangepast. Saab liet destijds een constructie zien waarbij de bovenkant van het cilinderblok kon bewegen ten opzichte van de onderkant van het blok. Volkswagen kwam ooit op het idee van een variabel compressievolume in de cilinderkop, Ford en Mercedes met zuigers die kunnen uitzetten. Het Nederlandse Gomecsys bedacht een oplossing waarbij de kruktappen excentrisch verdraaid kunnen worden. En de ingenieurs van het Franse MCE-5 timmeren aan de weg met een systeem voorzien van een verstelbare hefboom op de kruktap. Hoe ingenieus sommige daarvan ook zijn bedacht, het productiestadium hebben al deze ideeën nooit gehaald. Dat moet vanaf 2018 bij Infiniti dus anders zijn. De oplossing die Infiniti laat zien, doet nog het meest denken aan het idee van MCE-5. De Japanners voegen aan de klassieke combinatie van krukas, drijfstang en zuiger een soort verstelbare jaknikker toe, de spil in het systeem.

Zo werkt het
Wanneer de compressieverhouding moet worden aangepast, verdraait een tegen de onderkant van het motorblok geschroefde stelmotor via een arm een excentrische as. Door het verdraaien van die excentrische as wordt een drijfstangachtige verbindingsstang omhoog of omlaag bewogen waardoor de hoek van de jaknikker (door Infiniti multi-link genoemd) verandert. Doordat aan de baan van de kruktap niets verandert (de krukas blijft gewoon z'n eigen rondjes draaien) gaat dus wel het punt waar de drijfstang aan de multi-link zit bevestigd omhoog of omlaag, waardoor de drijfstang en zuiger hun kunstje iets hoger of lager in de cilinder doen (met bijbehorende hogere of lagere compressieverhouding). Draait de stelmotor tegen de klok in, dan draait de excentrische as met de klok mee. Hierdoor beweegt de verbindingsstang omhoog, zodat de multi-link tegen de klok in draait. Het bevestigingspunt van de drijfstang zakt hierdoor naar beneden, net als de drijfstang en de zuiger. Hierdoor komt het bovenste dode punt lager te liggen en ontstaat een lagere compressieverhouding (de lucht of het mengsel boven de zuiger wordt iets minder stevig samengeperst). Dit is de stand wanneer de turbo flink aan het werk is en de motor stevig wordt belast. De overgang van de ene positie naar de andere verloopt dankzij de elektrische stelmotor traploos.

Al met al steekt de VC-techniek ingenieus in elkaar. Het is echter wel een oplossing die extra bewegende delen met zich meebrengt. Hier staat tegenover dat de motor volgens Infiniti zo'n mooie loop heeft dat balansassen niet nodig zijn. Wat voor invloed de toevoeging van het VC-systeem op de kosten en slijtage heeft, zal de tijd moeten leren. Infiniti voorziet de motor in elk geval van een variabele oliepomp die de oliedruk in het smeersysteem kan opvoeren wanneer het toerental van de motor stijgt en de compressieverhouding wordt verlaagd en de smeerbehoefte groter wordt.

Dit artikel is afkomstig uit AutoWeek 47 2016. Je kunt het hier nabestellen; het volledige artikel bevat meer uitleg en extra informatie.

Lezersreacties (33) (gesloten)

Maak melding van misbruik

Let op! Deze functie is niet bedoeld om zelf een commentaar toe te voegen. Optioneel kunt u er een opmerking bij plaatsen.

Er is iets mis gegaan. Probeer het later nog eens of e-mail ons.

Reactie verwijderen

Weet je het zeker dat je dit bericht wilt verwijderen?

Er is iets mis gegaan. Probeer het later nog eens

De discussie is gesloten.
Reageren is niet meer mogelijk.