Het nieuws klinkt als een logische keuze: Ford levert zijn 1-litermotor binnenkort met cilinderuitschakeling. Een volgende stap in de ontwikkeling van een toch al geavanceerde krachtbron, bedoeld om de CO2-uitstoot verder terug te dringen. Maar roept dat bij een driecilinder geen enorme NVH-dilemma’s op?
Ook de nieuwe 1.5 TSI evo die VW toepast krijgt ACT-cilinderuitschakeling, zoals hier op de 1.4. In zijn Bluemotion-versie komt er bovendien een ‘uitrollen met motoruitschakeling’-techniek.
In de zoektocht naar steeds lagere verbruikscijfers en de bijpassend dalende CO2-uitstoot worden in R&D-afdelingen zo langzamerhand álle beschikbare ‘wapens’ aangewend. Met name omdat dieselmotoren in compacte auto’s letterlijk en figuurlijk steeds moeilijker te verkopen zijn.
Het idee van cilinderuitschakeling is allesbehalve nieuw, het wordt al zowat een eeuw toegepast. Soms zelfs met een handbediende hevel om het systeem in en uit te schakelen. Google maar eens op de 1916 Enger TwinUnit twaalfcilinder.Telkens nieuwe technologische mogelijkheden zorgden voor steeds verfijndere oplossingen en die verdwenen niet zelden al snel weer uit beeld door praktijkproblemen.
Misschien wel het meest tot de verbeelding sprekende voorbeeld is de Cadillac 8-6-4 uit het begin van de 80-er jaren.In samenwerking met Eaton ontwikkeld en voor toen al verrassend geavanceerd, met brandstofinspuiting, een elektronisch management en een legertje sensoren. Samen bepaalden ze of de motor in deellast twee of vier cilinders kon uitschakelen via een verschuifmechanisme op de tuimelaars.
Mazda brengt later dit jaar in de nieuwe CX-5 een 2,5-litermotor met cilinderuitschakeling.
Volgens Amerikaanse media leverde het besparingen op tot 15 procent, maar dan moest het wél werken. En dat bleek nu net de crux. Saillant detail: de betreffende microprocessor, zo meldden dezelfde media, kon toen 300 duizend beslissingen per seconde nemen.Vandaag moet je bijvoorbeeld in de infotainmenttechniek eerder denken aan tien tot de achttiende macht van die zogenaamde flops.
Dit om te illustreren dat de tijd niet heeft stilgestaan. “En die vooruitgang is nodig ook”, zegt Carsten Weber. Hij is op de R&D-afdeling van Ford verantwoordelijk voor de ontwikkeling van de 1.0 EcoBoost die binnenkort met cilinderuitschakeling leverbaar wordt. Met recht bijzonder omdat het nu dus om een driecilinder gaat.
Speciale eisen
Cilinderuitschakeling is aantrekkelijk om voor de hand liggende redenen. Ook bij een constante snelheid van pakweg 100 km/u heb je aan een klein deel van het maximale vermogen genoeg, denk aan 20 tot 25 kW. En dan is het onder de streep beter om minder cilinders het werk te laten doen en de nog actieve in een gunstiger werkgebied te dwingen.
Delphi maakt gebruik van een cilinder de-activerende tuimelaar met roller.
Het vraagt weinig fantasie om te zien hoe het uitschakelen van cilinders in een zo kleine driecilinder lijnmotor de NVH van een auto (Noise Vibration and Harshness) danig kan verslechteren.
Met de mogelijkheden van een steeds snellere regeling per afzonderlijke cilinder blijken daar echter oplossingen voor te bestaan. Laten we die voor het bredere plaatje eerst maar eens bekijken, waarbij vier- en driecilinder oplossingen in beeld komen.
Om met de eerste te beginnen: tijdens het Wiener Motorensymposium in april presenteerde Delphi met Tula als vervolg op eerdere cilinderuitschakelingtechnologie bijvoorbeeld een prototype met hun DSF-techniek, voluit: Dynamic Skip Fire. Noem het dynamische cilinderuitschakeling. Delphi spreekt zelf van ‘bijna productierijp’. Binnenkort in de showrooms dus?
€40,- per procent CO2
De klepbediening kan daarbij per cilinder, feitelijk per klep zelfs, op een van drie beschikbare nokken op de nokkenas lopen. Zoals de naam al aangeeft wordt dat benut door niet steeds dezelfde cilinder uit te schakelen, maar wordt wisselend volgens een strategisch bepaald algoritme steeds een andere cilinder uitgeschakeld.
Bijzonder, want bij bijvoorbeeld de VW 1,4-litermotor wordt steeds hetzelfde vaste paar van de vier cilinders uitgeschakeld. Als we de meetwaarden mogen geloven, worden door die DSF-techniek trillingen teruggedrongen.
“De haalbare winst ligt tussen de 8 en 15 procent in de CO2-uitstoot, afhankelijk van het type motor”, claimt Delphi. In een autowereld waar grammen winst met enorme investeringen gepaard gaan, lijkt dit een relatief goedkope optie.
“Bij een efficiënte viercilinder turbomotor gaat het om naar schatting €40,- per procent winst. Dynamic Skip Fire is de eerste volledig variabele cilinder de-activatie, en staat nieuwe benaderingen toe van de verfijning, verbranding en hybridisering.”
Bevoorderlijk voor de gasreactie
Samenwerking tussen Delphi en Tula rond selectieve, slimme cilinderuitschakeling (DSF) dringt trillingen enorm terug, getuige hun grafieken.
Volgens de R&D-mensen kun je door de ‘verbrandingsgebeurtenissen’, afhankelijk van de belasting, dynamisch te kiezen, de motor dicht bij zijn maximale rendement laten werken en pompverliezen vrijwel elimineren.
En: “Je kunt de reactie op gasgeven veel sneller maken, waarbij een systeembepaalde hoge druk in het uitlaatspruitstuk ook de stabiliteit van de verbranding bij lagere toerentallen verbetert”.
Het systeem staat ook toe, zegt Delphi in een bericht over DSF, om alle cilinders te deactiveren bij het afremmen van de auto. “DCCO (Deceleration Cylinder Cut-Off) geeft in vergelijking met meer klassieke uitschakeling minder belasting van de katalysator en staat langer uitrollen toe door lagere pompverliezen.”
Schaeffler rollende uitschakeling
Mazda gebruikt eind dit jaar een variant op zijn 2,5-litermotor met cilinderuitschakeling uit de CX-9 uit Japan. Ook andere motoren zullen volgen, kun je tussen de regels horen.
Dat het concept van variabele klepbediening én cilindervariatie in de autowereld aan draagkracht wint, blijkt ook wel als je ziet dat toeleveranciers zich nadrukkelijk in de ‘strijd’ mengen.
Zo heeft Rheinmetall Automotive aangekondigd een ‘volledig variabele klepbediening met elektrische regeling voor een viercilindermotor’ te gaan leveren aan een ‘Aziatisch merk’. In modeljaar 2019 zouden we dat te zien krijgen. Wordt vervolgd…
Rollend of vast?
Ook Ford overwoog bij zijn samenwerking met Schaeffler al de oplossing van zogeheten rollende cilinderuitschakeling, waarbij het stilleggen van de cilinders, zoals de naam zegt, wisselend bij een van de drie cilinders gebeurt. Uiteindelijk viel de keuze er niet op, maar koos men voor een vaste cilinder: de eerste.
Hydraulisch in- en uitschakelbare stoter zoals Schaeffler die ontwikkelde.
Carsten Weber legt uit waarom: “Het is beslist een mooie oplossing en wellicht ook iets voor de toekomst, maar nu is er geen businesscase voor. Je wint misschien nog een gram, in een testsituatie noteerden we 1,3 gram, maar met de oplossing voor de 1.0 EcoBoost, met een enkele cilinder, heb je verreweg de meeste winst al binnen. Terwijl je met de meer geavanceerde rollende oplossing drie keer zoveel kosten moet maken. Dan is de discussie met de marketingafdeling kort, kan ik melden”.
In een technisch whitepaper van Schaeffler valt meer over de achtergronden van hun rollende uitschakeling te lezen. De werking berust op het uitschakelen van achtereenvolgens cilinders 3, 2 en 1 terwijl de beide andere cilinders wel werken.
Telkens een andere cilinder houdt de kleppen gesloten. Dat de driecilinder daarmee gelijkmatiger kan lopen, is makkelijk voor te stellen. Volgens een andere technicus bij Ford is het zelfs vrijwel onmerkbaar dat de motor in deze stand schakelt. En weer terug.
Bekijk het per slag
Met de UniAir presenteerde Schaeffler al eerder een elektrisch geregelde zeer variabele klepbediening, die zelfs in staat is om de klep in een slag meerdere keren te schakelen.
Het is interessant om te zien dat daarbij ook technische discussie woedt over de vraag of je dan uitlaatgas insluit of lucht. Uitlaatgas gebruiken als ‘gasveer’ kent als voordeel dat de cilinder rustiger afkoelt. Maar kan voor een zwaardere motorbelasting zorgen. Bij de eerste compressieslag na het sluiten kunnen drukken optreden die zelfs hoger zijn dan bij de verbrandingsslag.
Dat levert grote krachten op zuiger en cilinder op en kan ongelijkmatig lopen opwekken. Door afkoeling van het gas en blow-by (lekverlies langs de zuiger) verkrijg je na ongeveer tien omwentelingen van de krukas een situatie die vergelijkbaar is met het insluiten van aangezogen lucht.
De werking is gelijkmatiger, maar heeft ook zijn nadeel. De lucht in de cilinder verliest na een aantal omwentelingen de normaal optredende draai- en tuimelbewegingen van het inlaatgas. Bij een juist gekozen vorm van verbrandingsruimte is het echter toch goed mogelijk de verbranding weer op te starten, zij het met aangepast ontstekingstijdstip. Dat gaat wel kortstondig ten koste van het rendement. Het is hoe dan ook belangrijk om te zorgen dat er geen onderdruk in de cilinder ontstaat, om het langs de zuiger aanzuigen van motorolie te voorkomen.
Voordeel van een rollende uitschakeling
Overigens gaat dat verhaal op voor zowel de rollende uitschakeling als de ‘eencilinder oplossing.’ Kennelijk is het ook een belangrijk detail, want Carsten Weber vertelt ons veel over de toekomstige motor, maar wil niet kwijt welke oplossing is gekozen: uitlaatgas of inlaatlucht. Dat horen we eind dit jaar wel, wanneer de motor in een workshop wordt voorgesteld.
De zeer variabele UniAir zoals getoond tijdens een technisch symposium.
Hoe dan ook: “Door de strategisch gekozen rollende uitschakeling”, zegt Schaeffler, “Verkrijg je bij een driecilinder niet alleen gelijkmatiger verbrandingsafstanden, maar ook een onderling meer gelijke temperatuur in de drie verbrandingsruimtes.”
Het gaat zelfs nog verder: “Als bijzonder gunstige oplossing kun je een exact afgemeten hoeveelheid verbrandingsgas insluiten. Zodanig gekozen dat net geen onderdruk in de cilinder ontstaat en dus geen motorolie omhoog wordt gezogen. Het grote voordeel is dat de cilinder op het moment dat hij zijn werk weer oppakt wel goed lucht aan kan zuigen. Vanaf de eerste verbrandingsslag.”
Regelen in 12 milliseconden
We nemen aan dat de snelheid van de regelstappen daarvoor enorm moet zijn om dat alles mogelijk te maken. Als de motor 4.000 t/min maakt, duurt een nokkenasomwenteling 30 milliseconden. We hebben ergens een waarde van 12 ms opgevangen, waarbinnen het systeem moet kunnen schakelen. Ford R&D-motorenspecialist Carsten Weber reageert met: “Laat ik zeggen dat die waarde wel ongeveer kan kloppen. In elk geval zal het veel sneller moeten gaan dan één omwenteling van de nokkenas, aan de in- en aan de uitlaatzijde”.
Ford komt binnenkort met de primeur van cilinderuitschakeling op één van drie cilinders in de 1.0 EcoBoost.
Het waarom van cilinderuitschakeling ligt voor de hand, erkent Weber. “De CO2-uitstoot is de sleutel en dat mag je combineren met het gegeven dat dieselmotoren voor kleinere auto’s steeds minder haalbaar zijn. Daarom komt er dus steeds geavanceerder techniek op de benzinemotoren.” Daarbij komt meer kijken dan je als buitenstaander kunt denken. “Je spreekt om te beginnen over vier schakelelementen op de klepbediening, twee in en twee uit, en die zijn dus iets zwaarder en lastiger te bedienen.
Dat vraagt ook om aangepaste klepveren. Om alles optimaal te laten werken kwam er een veranderde cilinderkop met bijpassend klepdeksel. Bovendien was er tweede hydraulisch circuit nodig om het betrouwbaar en snel te laten werken. Een extra oliegalerij dus. Onder de streep heb je het met alle nieuwe systemen over zowat een nieuwe motor. Maar in een Fiesta- of Focus-klasse auto win je dan ook wel een procent of zes CO2. We waren vooral verrast hoeveel het in onze real world test oplevert.
En bijvoorbeeld op een drukke Autobahnrit van Aachen naar Keulen bleken we tot 60 procent op twee cilinders door het verkeer te gaan.”
NVH?
De hamvraag is dan natuurlijk of de keuze voor een ‘enkele’ uitschakeling de NVH niet zeer nadelig beïnvloedt? “Vanzelfsprekend voeren we wel wat mechanische dempende maatregelen door, onder andere aan de motorophanging en motorbalancering. Maar in de praktijk blijkt het alleen een echt merkbaar probleem als je het overdrijft. Je moet uitzoeken in welke range van belasting het zinvol is en als je dat slim uitkient, speelt dat NVH-probleem van verminderd raffinement verrassend weinig mee.”
Volkswagen past de ‘ZAS’ techniek voor vier- naar tweecilinderomschakeling al jaren toe op zijn 1,4-litermotor. In een verbruiksgrafiek laat VW zien hoeveel winst er in de snelheidsgebieden en bijpassende versnellingen te halen valt.
Dat betekent? “Niet stationair of bij echt lage snelheden gebruiken en niet bij hogere snelheden, maar daartussenin zit een opmerkelijk breed gebied, hebben we gemerkt. Zo tussen 30 en 60 km/u kan het doorgaans sowieso op twee cilinders. Voor het omschakelmoment is een weloverwogen verandering van nokkenasinstelling, ontsteking en injectie ontwikkeld.
Misschien is het illustratief om een waar gebeurd verhaal te vertellen. Een van onze grote bazen had ook zijn bedenkingen en is ermee naar een testcircuit gereden. Na aankomst daar zei hij: ‘Schakel het nu maar in’. Dat kon niet, hij had er de hele weg mee gereden… Zelfs voor ons valt het soms niet mee om het te onderscheiden.”
Tot slot: Is een volgende stap, met twee uitgeschakelde en dus maar een werkende cilinder een optie? Weber: “In theorie wel, maar dan zou je wel een heel lichte auto moeten hebben om dat zinvol te maken. Dat zie ik dus niet snel gebeuren”.
