Maserati Nettuno - zo werkt nieuwe V6 met voorkamerinjectie

Of het een achterhoedegevecht is voor een stel verstokte petrol heads of niet, in de eeuwige spagaat tussen prestaties enerzijds en regelgeving anderzijds is het dit keer Maserati dat aan een nieuw hoofdstuk begint. De ingenieurs uit Modena laten de compleet nieuwe drieliter V6 achterin de Maserati MC20 met behulp van Formule 1-techniek presteren als een vierliter V8, terwijl uitstoot en verbruik juist verder teruggedrongen worden. Met zijn blokhoek van 90°, dry-sump smeersysteem, dubbele turbo’s en per cilinder zowel directe als indirecte inspuiting is de Nettuno gedoopte motor al best een bijzondere machine. Maar waar het hier echt om gaat, is de voorkamerontsteking, state of the art techniek die bijvoorbeeld Ferrari gebruikt in zijn Formule 1-motoren en waarmee het fenomeen verbrandingsmotor nog lang niet bij het oud ijzer gezet hoeft te worden, maar juist next level gaat.

Comprimeren

De beoogde vermogenssprong begint bij het samenpersen van het mengsel. We hebben het dan voor een belangrijk deel over de compressieverhouding van de motor. Dit is de vaste verhouding tussen de ruimte boven de zuiger wanneer die zuiger helemaal beneden staat (in het onderste dode punt) en de ruimte boven de zuiger wanneer de zuiger helemaal boven is (in het bovenste dode punt). Deze verhouding geeft de mate aan waarin de aangezogen lucht of het aangezogen mengsel wordt samengeperst. Hoe meer een gas wordt samengeperst, hoe sterker het vervolgens ook weer wil uitzetten. Oftewel: hoe hoger de compressieverhouding, hoe mooier het is. Bij Maserati’s Nettuno is de compressieverhouding ruim 15 procent hoger dan wat we doorgaans zien. Direct afhankelijk van de compressieverhouding is het thermisch rendement; een hogere compressieverhouding levert namelijk een beter rendement op, oftewel meer prestaties uit dezelfde druppel benzine of gelijke prestaties met minder benzine. Waarom is de compressieverhouding dan niet al veel eerder een flink eind vergroot?

In de praktijk blijkt dat je de compressieverhouding niet onbeperkt kunt vergroten. Wanneer de druk te hoog wordt, ontstaat de kans op ‘kloppen’, dat is de spontane zelfontbranding van het mengsel. En dat is ongewenst. Als constructeur wil je dat het mengsel volledig ontbrandt als gevolg van de vonk van de bougie: het eerste beetje mengsel wordt ontstoken door de bougie, waarna het hierbij ontstane vlamfront door de cilinder trekt om de rest van het mengsel te ontsteken. Dat levert het hoogste rendement op, is het comfortabelst en zorgt voor een langere levensduur van de motor. Wanneer de eerste brandstofdeeltjes beginnen te branden, neemt de druk in de cilinder toe. Dat is ook de bedoeling, want de zuiger moet naar beneden gedrukt worden. Zou de compressieverhouding te hoog zijn, dan zorgt de toegenomen druk van die als eerste verbrande brandstofdeeltjes voor hoge drukpieken, waardoor elders in de cilinder al delen van het mengsel spontaan beginnen te ontbranden als gevolg van die drukgolven - dus nog voordat het vlamfront in de buurt is. Deze ongecontroleerde verbranding noemen we detoneren, kloppen of pingelen (vernoemd naar het geluid waarmee het gepaard gaat) en kan voor extreme piekdrukken zorgen, waarbij schade kan optreden aan de zuigerbodem en de cilinderwand en ook aan het drijfwerk, inclusief de lagers.

Vuurstralen

Om de prestaties te verhogen met behulp van een hogere compressieverhouding, moet er een list gevonden worden om te voorkomen dat de motor gaat pingelen. De beperkende factor is de te trage verbranding of het te veel op één plek geconcentreerde begin van de ontbranding van het mengsel. Maserati heeft het daarom gezocht in een beter verspreid vlamfront, dat sneller door de verbrandingsruimte trekt en het mengsel geen kans geeft om te detoneren. Dit doen ze met behulp van een extra ruimte in de cilinderkop, een voorkamer. Simpel voorgesteld draait het bij die voorkamerontsteking om een kleine ruimte (ongeveer 1 cc) tussen de kleppen in de cilinderkop met daarin de bougie. Die voorkamer staat via zes kleine kanaaltjes met een diameter van amper een millimeter in verbinding met de hoofdverbrandingsruimte. De opstelling van de kleine kanaaltjes doet denken aan die in een verstuiver. Wanneer de zuiger tijdens de compressieslag omhoog gaat, wordt via die kanaaltjes een klein deel van het mengsel uit de cilinder de voorkamer ingeperst. Vervolgens wordt de kleine hoeveelheid mengsel in de voorkamer door de bougie ontstoken, waarna het als plasmastralen via de kanaaltjes met hoge snelheid tot in alle hoeken van de hoofdverbrandingsruimte spuit. Die vuurstralen zorgen er op hun beurt voor dat het mengsel in de hoofdverbrandingsruimte veel sneller wordt ontstoken dan met een conventionele bougie ooit zou kunnen. Hierdoor wordt het dus mogelijk om een sterker gecomprimeerd mengsel te ontsteken zonder dat er sprake is van pingelen. Waar met het vonkje van de conventionele bougie-ontsteking zich een uitdijend vlamfront door de cilinder moet ontwikkelen, schieten de vuurstralen direct tot aan de cilinderwand, waarbij het mengsel vrijwel geheel ontstoken wordt, zodat het geen kans krijgt om door een eventuele drukgolf vroegtijdig te worden ontstoken. De vuurstralen leiden tevens tot turbulentie, wat de efficiëntie nog verder vergroot. In het Engels wordt dit principe ook aangeduid als Turbulent Jet Ignition (TJI). Al met al is het met de voorkamerontsteking dus mogelijk om de compressieverhouding te verhogen en daarmee zowel de prestaties als het rendement; in zijn patentaanvraag spreekt Maserati over een reductie van het brandstofverbruik tot 30 procent. Als gezegd aan het begin van dit verhaal: vlak de verbrandingsmotor nog niet uit!

Dit artikel verscheen eerder in GTO 2, 2021.