Oog voor Techniek: Telescopische drijfstangen

Oog voor Techniek: Telescopische drijfstangen

Variabele compressieverhouding (VCR) staat op het wensenlijstje van talloze motorenbouwers. Al decennialang bedenken slimmeriken constructies om VCR mogelijk te maken. Inmiddels levert Infiniti zo’n constructie in een productievoertuig. Nadeel van al die VCR-constructies: ze zijn complex. “Dat kan anders”, zeggen Iwis en AVL. Hoe? Ze toonden hun Dual Mode VCS op het jongste Wiener Motoren Symposium. En…, binnenkort in serie.

Waarom VCR?

Variabele compressieverhouding (VCR) staat op het wensenlijstje van talloze motorenbouwers. Al decennialang bedenken slimmeriken constructies om VCR mogelijk te maken. Inmiddels levert Infiniti zo’n constructie in een productievoertuig. Nadeel van al die VCR-constructies: ze zijn complex. “Dat kan anders”, zeggen Iwis en AVL. Hoe? Ze toonden hun Dual Mode VCS op het jongste Wiener Motoren Symposium. En…, binnenkort in serie.

Dankzij DI en turbodruk maakten autofabrikanten kleine benzinemotoren jarenlang krachtig en ook nog zuinig en schoon. Nou ja, bij de lage belastingen en toerentallen van de ouderwetse NEDC-cyclus in ieder geval. Trapt de bestuurder het gas dieper in, dan gaat zo’n motortje het mengsel verrijken.

Dat ‘koelen door spoelen’ voorkomt motorschade door kloppen en te hete uitlaatkleppen en turbo. Maar het heeft zijn prijs: het verbruik schiet omhoog, evenals het aandeel vuile stoffen in het uitlaatgas.

Dat kan niet meer

Met de WLTP-typegoedkeuringstest inclusief de RDE-ritten op straat komen autofabrikanten daar niet meer mee weg. Dus zie je uitlaatspruitstukken in de cilinderkop en gekoelde EGR. Je ziet VTG en extra intercoolercapaciteit. En je ziet het gebruik van de Miller-cyclus; bij zwaardere motorbelasting sluiten de inlaatkleppen laat om de effectieve compressieverhouding kleiner te maken dan de geometrische. Dat maakt motoren met relatief bescheiden specifieke vermogens veel zuiniger, maar werkt minder goed bij motoren met hoge specifieke vermogens.\

VCR maakt 180 kW/l mogelijk zonder mengselverrijking’

Hoog litervermogen

“Als je de Miller-strategie aanvult met onze tweetraps VCR, maak je productiemotoren mogelijk die over hun hele kenveld op een stoichiometrisch mengsel (λ=1) draaien en toch een hoog specifiek vermogen kunnen leveren”, zei Dr. Kai Arens van Iwis Motorsysteme op het jongste Wiener Motoren Symposium.

Hij maakte het concreet: “Bij de hoge compressieverhouding van 12 tot 14:1 kan zo’n motor 65 tot 80 kW per liter leveren bij een verbruik van nog geen 200 g/kWh. En bij de lage compressieverhouding van 8 à 9:1 zijn litervermogens van 110 tot 180 kW mogelijk zonder mengselverrijking.”

Hoe werkt Dual Mode VCS?
Bij zware motorbelasting of hoge toerentallen moeten de drijfstangen kort zijn voor een lage compressieverhouding. Bij lichte motorbelasting en lager toerental moeten ze juist lang zijn voor een hoge compressieverhouding. Hoe doe je dat? Iwis en AVL gebruiken de oliedruk. Die is immers beschikbaar in het drijfstanglager.Voor de lengteverstelling van de drijfstangen is van belang dat de ECU die druk kan variëren. De drijfstang is telescopisch omdat de big-endkant een cilinder vormt en de small-endkant een zuiger. Twee oliekamers houden de zuiger op zijn plaats. Oliedruk in de bovenste duwt hem in de korte stand, oliedruk in de onderste kamer maakt de drijfstang lang. Net boven het big-end van de drijfstang zit nog een oliekamer, een horizontale. Rechts in die kamer zit een zuigertje. De oliedruk en een veer bepalen de positie van het zuigertje.In de middelste afbeelding is de oliedruk laag. De veer drukt het zuigertje naar links. Daardoor vult de onderste kamer zich via een controleklep en kan de bovenste kamer leeglopen. De drijfstang is lang, de compressieverhouding hoog. In de rechterafbeelding gaat de oliedruk naar het hoge niveau. De bovenste kamer vult zich en de onderste loopt leeg. De drijfstang is kort en de compressieverhouding laag. 
Alleen in de topmotor
VCR kennen we onder meer van de Nederlandse ontwikkelaar Gomecsys, van Saab en van Infiniti dat zelfs een motor met zijn VC-T techniek in serie produceert. Overeenkomst tussen al die systemen: hun complexiteit. Onderdelenproducent Iwis en ontwikkelaar AVL zochten naar een systeem dat fabrikanten kunnen toepassen in hun bestaande motorgeneraties. Ze ontwikkelden het voor de topmodellen van motorenfamilies (zie: Waarom VCR?). De wat minder vermogende familieleden moeten het zonder doen. Kortom, het systeem mag hooguit minimale aanpassingen aan de motorarchitectuur vragen. Dus aanpassingen aan krukas, vliegwiel en oliepomp zijn tot daaraantoe, maar veranderingen aan het carter gaan te ver. Hun oplossing: drijfstangen die razendsnel van lengte veranderen.

In de praktijk

AVL en IWIS rustten de 2.0 TFSI van deze Audi Q5 uit met hun tweetraps VCR. Afgezien van een stel extra kabels voor hun meetapparatuur is daar niet veel van te zien. Of toch: de pijl wijst naar het drukvat op de extra oliepomp. Samen met een extra oliegalerij kan die de beide middelste hoofdlagers, en via die weg alle vier de drijfstanglagers, razendsnel van extra olie voorzien. Dat moet ook, want de hoge druk is nodig voor de lage compressieverhouding.

Bij plotseling volgas moet het systeem daar snel naartoe. Iwis claimt dat het in 0,09 seconde kan. Bij 4.000 t/min is dat de tijd van drie verbrandingscycli. Van laag naar hoog duurt langer: 0,3 seconde. In deze test-Audi is de motormanagement-ECU vervangen door een vrij programmeerbare die ook het tweetraps VCR-systeem aanstuurt.

Bespaart het brandstof?
Extra oliedruk, zwaardere drijfstangen, bredere drijfstanglagers (dus meer wrijving!). Bespaar je wel brandstof met zo’n systeem? “Ja”, zegt Kai Arens namens Iwis. Die verliezen worden royaal goedgemaakt. Hij legt uit dat in een agressief gereden RDE-test van 900 seconden de drijfstangen 86 procent van de tijd in de lange stand stonden. De compressieverhouding is dan 14:1. Dat verhoogt het motorrendement.Als de compressieverhouding van hoog naar laag gaat, komt de extra oliepomp in actie. In ruil wordt het mengsel niet verrijkt. Al met al zeggen de ontwikkelaars dat bij motoren met hoog specifiek vermogen de Miller-cyclus en VCR samen goed zijn voor 7 procent verbruiksreductie. Hoe hoger het specifiek vermogen, hoe groter het aandeel van VCR daarin.
Klaar voor serieproductie
Iwis en AVL spreken over generatie 3 als het gaat om de telescopische drijfstangen op deze pagina’s. Ten opzichte van de eerste generatie bevatten ze minder verschillende materialen en geen exotische meer. Alleen materialen die heel gewoon zijn in de automotorenbouw mochten blijven. Verder: minder onderdelen en minder massa.Bovendien is de extra massa lager geplaatst. De cijfers: 60 procent meer massa dan een reguliere drijfstang. Maar omdat het leeuwendeel daarvan dicht bij het big-end zit, slechts 30 procent meer oscillerende massa. Verder heeft het systeem duurtests doorstaan, kan in serieproductie worden volstaan met één oliepomp en heeft de splinternieuwe Iwis-fabriek al proefseries gedraaid. Kortom, Dual Mode VCS gaan we terugzien in benzinemotoren. Welke? Dat is nog geheim….

Bron: AMT november 2019

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google photo

Je reageert onder je Google account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s

search previous next tag category expand menu location phone mail time cart zoom edit close