Ondanks de hypes over elektrische auto's of brandstofcellen is er nog steeds potentieel in de verbrandingsmotor. In het motorlaboratorium van Empa (ETH Zürich) werd het rendement van een gasmotor voor personenauto's en kleine bestelwagens verhoogd tot maar liefst 45%.
Naast elektrische en waterstofaandrijvingen spelen gasmotoren ook een belangrijke rol in de SCCER Mobility (Swiss Competence Center for Energy Research) van ETH Zürich. Voertuigen die worden aangedreven door opgewaardeerd biogas of synthetisch methaan ("e-gas") hebben een zeer lage CO2-uitstoot. Synthetisch methaan kan worden geproduceerd uit tijdelijk overschot aan hernieuwbare elektriciteit en CO2. Behandeld biogas en synthetisch methaan kunnen naar believen worden gemengd en bereiken met een octaangehalte tot 130 octaan een aanzienlijk hogere klopvastheid dan benzine, waardoor ze zeer geschikt zijn als brandstof voor verbrandingsmotoren. Om deze reden bereiken voertuigen op gas nu al een hoger rendement dan benzinemotoren bij hoge belastingen, bijvoorbeeld op de snelweg.
Door de hoge klopvastheid van methaan heeft deze efficiëntie echter nog steeds een aanzienlijk potentieel voor verbetering, aangezien de huidige gasmotoren in personenauto's doorgaans slechts licht aangepaste benzinemotoren zijn. Ze zijn daarom nog niet geoptimaliseerd voor gebruik met methaan. Om dit potentieel te onderzoeken, werd in 2015 het EU GasOn-project gelanceerd. Onderzoekers van ETH Zürich en Empa werken samen met Volkswagen Group Research.
Gedemonteerde voorkamer. Foto: Empa.
Voor een gasmotor met een cilinderinhoud van 2 liter is een zeer efficiënt verbrandingsproces ontwikkeld. Een mager gasmengsel wordt ontstoken door middel van een voorkamer ter grootte van een vingerhoedje, die de stroming rustig houdt. In het ETH-laboratorium voor aerothermochemie en verbrandingssystemen werden tests uitgevoerd op het ontstekingsgedrag in de voorkamer en de overloop van hete gassen naar de hoofdverbrandingskamer. Met behulp van deze gegevens zijn instrumenten ontwikkeld om de processen te kunnen berekenen met behulp van computersimulaties.
De resultaten hebben Volkswagen Group Research in staat gesteld om het ontwerp van de voorkamer en de belangrijkste verbrandingskamer te optimaliseren. Vervolgens werd bij Empa een goed uitgeruste motor geplaatst en werden verbrandingsprocessen getest. Er werd gebruik gemaakt van een door het Instituut voor Dynamische Systemen en Besturingstechniek van ETH Zürich ontwikkeld motorbesturingssysteem, dat enerzijds het complexe totaalsysteem coördineert en anderzijds een goede aanpassing aan nieuwe bevindingen mogelijk maakt.
Doorsnede van de cilinderkop: In het midden de voorkamer met bougie en gastoevoer. Foto: Empa.
Rendementsrecord voor motoren van personenauto's
In vergelijking met de huidige stand van de techniek is het verbruik van de nieuwe gasmotor met voorkamerverbranding met ongeveer 20 % gedaald (op basis van het WLTP-standaardverbruik van een middelgrote personenauto). Het maximale rendement van de motor bedroeg meer dan 45 %, met een rendement van meer dan 40 % over een breed werkbereik. Dergelijke waarden worden momenteel alleen bereikt door aanzienlijk grotere motoren, zoals in bedrijfsvoertuigen, stationaire of scheepvaarttoepassingen. Dit is een nieuw record voor personenautomotoren. Ter vergelijking: benzinemotoren hebben een maximaal rendement van 35 tot 40 % in het optimale werkbereik. In het GasOn-project is nog niet gewerkt aan de nabehandeling van de uitlaatgassen van de motor; er is nog steeds behoefte aan onderzoek vanwege het magere verbrandingsproces.
