Verhogen geoptimaliseerde inlaatmanifolds de motorefficiëntie?

Hoe het ontwerp van de inlaatcollectoren direct van invloed is op het volumetrisch en thermisch rendement

Volumetrisch rendement als basisfactor voor de verbrandingsrendement

Het volumetrische rendement, of VE voor kort, geeft in feite aan hoe efficiënt een motor lucht in de cilinderruimten kan persen vergeleken met de maximale hoeveelheid die deze ruimten fysiek kunnen bevatten. Wanneer het volumetrische rendement stijgt, neemt ook de dichtheid van het lucht-brandstofmengsel in de verbrandingskamer toe, wat leidt tot een betere verbranding en meer vermogen aan de uitgangszijde. De vorm en afmetingen van de inlaatcollectoren spelen hierbij een cruciale rol. De lengte van de inlaatkanalen en de grootte van de plenumruimte creëren verschillende luchtstromingspatronen op basis van natuurkundige principes zoals traagheid en drukgolven. Zo werken langere kanalen doorgaans beter bij lagere toerentallen, omdat ze profiteren van akoestische resonantie-effecten. Kortere kanalen daarentegen zorgen voor een snellere luchtstroom bij hogere toerentallen, hoewel er altijd een zekere afweging is verbonden. De meeste mensen constateren dat een verhoging van het volumetrische rendement met ongeveer 10 procent doorgaans vertaald wordt naar een toename van 3 tot 5 extra pk, aangezien de brandstof dan grondiger wordt verbrand. Let echter wel op slechte collectordesigns: deze kunnen allerlei problemen veroorzaken, waaronder turbulente luchtstroming of zelfs terugstroming naar de inlaat, waardoor sommige cilinders onvoldoende brandstof ontvangen en meer onverbrande koolwaterstoffen produceren dan nodig is.

Waarom maximale volumetrische efficiëntie geen garantie is voor maximale thermische efficiëntie: de rol van de ladeluchttemperatuur en de ontstekingstiming

Alleen het maximaliseren van het volumetrische rendement (VE) garandeert niet het beste thermische rendement, omdat factoren zoals laadtemperatuur en ontstekingsfase evenveel invloed hebben. Wanneer inlaatmanifolds oververhit raken, kan de temperatuur van de aangezogen lucht stijgen met ongeveer 15 tot 20 graden Celsius. Dit verlaagt de zuurstofdichtheid, zelfs als het VE op papier goed lijkt. Om kloppingsproblemen tegen te gaan, draaien motoren vaak met een rijker brandstofmengsel, waardoor ongeveer 7 tot 9 procent van de mogelijke energiewinst verloren gaat. Tegelijkertijd leidt een ongelijkmatige luchtstroomverdeling door de inlaatkanalen ertoe dat verschillende cilinders verschillende hoeveelheden lucht en brandstof ontvangen. Magerere mengsels ontsteken doorgaans later dan gewenst, terwijl rijkere mengsels vroegtijdig kunnen ontbranden. Beide situaties verlagen de algehele motorprestatie. Voor werkelijke verbeteringen van het thermische rendement moeten ingenieurs het VE-optimalisatieproces afstemmen op een adequaat beheer van de laadtemperatuur. Als deze elementen niet optimaal samenwerken, verdwijnt ergens tussen de 10 en 12 procent van het potentieel thermische rendement simpelweg — ongeacht hoe hoog het VE ook wordt. Daarom zijn moderne motordesigns voorzien van onder andere thermische barrièrelagen, geïsoleerde plenumkamers en speciaal gekoelde oppervlakken van de inlaatkanalen om deze uitdagingen direct aan te pakken.

Inlaatspruitstukken met afgestelde lengte: optimalisatie gericht op het toerentalbereik en afwegingen voor efficiëntie in de praktijk

Resonantieafstemming, drukgolfdynamica en hun effect op het brandstofverbruik bij gedeeltelijke gasaansturing

Resonantieafstemming werkt door drukgolven te gebruiken die zich door de inlaatkanalen bewegen om een betere cilindervulling te bereiken bij specifieke motortoerentallen. Wanneer het inlaatklepje sluit, ontstaat er een compressiegolf die terug naar boven beweegt door het inlaatkanaal. Als alles precies op het juiste moment is afgestemd, komt deze golf terug op het moment dat het volgende klepje opent, waardoor een soort versterkend effect ontstaat. Dit wordt inertie-supercharging genoemd, omdat de motor hierdoor meer lucht aanzuigt zonder dat extra mechanische onderdelen nodig zijn. Bij gedeeltelijke gasstand, waarbij motoren veel energie verspillen door tegen de gasklep te moeten werken, vermindert een goede resonantieafstemming daadwerkelijk de inspanning die de motor moet leveren om lucht aan te zuigen. Volgens sommige SAE-onderzoeken uit vorig jaar kunnen dergelijke systemen de brandstofverbruik van auto’s tijdens stadsritjes met ongeveer 4 tot zelfs 6 procent verminderen. De belangrijkste reden hiervoor? Minder verspilde energie en betere prestaties wanneer de motor niet op hoge toeren draait. Maar hier zit de adder onder het gras: de meeste inlaatcollectoren met vaste lengte werken alleen goed binnen zeer beperkte motortoerentalbereiken. Technici moeten daarom dus kiezen tussen een goede respons bij lage toeren of krachtige prestaties bij hoge toeren, aangezien beide tegelijkertijd met standaardontwerpen gewoonweg niet haalbaar zijn.

Case study: Inlaatmanifold met variabele lengte in een turbogeladen inline-zescilindermotor en de bijbehorende toename van het koppel bij lage toerentallen met 7,2 % met een minimale efficiëntievermindering

De betreffende turbogeladen inline-zes-cilindermotor is uitgerust met een elektronisch gestuurde dubbele inlaatmanifold. Bij bedrijf onder ongeveer 3.500 tpm activeert het systeem langere inlaatkanalen, waardoor het koppel bij lage toerentallen toeneemt dankzij een hogere luchtdichtheid. Tests toonden aan dat deze opstelling een verbetering van ongeveer 7,2% in koppelopbrengst oplevert, waardoor de auto in het dagelijks verkeer op gewone wegen veel aangenamer te besturen is. Volgens metingen tijdens de testfases stijgt het brandstofverbruik feitelijk slechts met minder dan 1%, wanneer alles op optimale wijze functioneert. Zodra de motor echter boven de 3.500 tpm komt, schakelt hij over naar kortere kanalen die luchtstromingsbeperkingen elimineren en tegelijkertijd een goede prestatie bij hogere snelheden behouden. Wat deze technologie interessant maakt, is hoe zij het gebruikelijke compromis tussen snelle reactietijden en brandstofefficiëntie doorbreekt. Onderzoek gepubliceerd in het International Journal of Engine Research in 2023 ondersteunt deze bevindingen en laat zien dat inlaatsystemen met variabele lengte daadwerkelijk kunnen bijdragen aan een verbeterde vermogensafgifte bij lagere toerentallen, zonder de brandstofverbruiksprestaties al te zeer te schaden. Daarom zien we steeds meer fabrikanten deze aanpak toepassen in hun productiemotoren.

Geïntegreerde intercooler- en laadtemperatuurregeling binnen de inlaatverdeelbuis

Inlaatlucht onder 45 °C: empirische winst op thermisch rendement

Het handhaven van de temperatuur van de aangezogen lucht onder 45 °C (ongeveer 113 °F) is aangetoond om de thermische efficiëntie van turbomotoren aanzienlijk te verbeteren. Wanneer de lucht koel blijft, bevat elke zuigerstroke meer zuurstof, wat leidt tot een betere verbranding van de brandstof, toelaat nauwkeurigere ontstekingstiming en vermindert de behoefte aan extra brandstof om kloppen te voorkomen. Wij hebben dit getest op een 2,3-liter turbomotor met variabele klepbediening en een intercooler die direct in het inlaatspruitstuk is geïntegreerd. De resultaten waren eigenlijk vrij indrukwekkend: een stijging van ongeveer 2,3% in thermische efficiëntie en ongeveer 3,1% minder brandstofverbruik per eenheid geproduceerde vermogenskracht tijdens onze standaard dynamometerproeven. Waarom werkt dit systeem zo goed? Het verlaagt de zeer hete, na de turbo verkregen lucht (meestal tussen 150 en 200 °C) direct tot beheersbare temperaturen bij de cilinderinlaten zelf. Geen warmteverlies meer via lange luchtkanalen of vertragingen zoals bij traditionele, voorop gemonteerde intercoolers. En wanneer de temperaturen sneller stabiliseren en binnen nauwere bereiken blijven, wordt de verbranding veel voorspelbaarder onder verschillende bedrijfsomstandigheden, wat leidt tot de meetbare efficiëntieverbeteringen die wij hebben vastgesteld.

Integratie van brandstoftoevoer: plaatsing van injectoren en optimalisatie van lucht-brandstofverdeling in de inlaatmanifold

Waar de injectoren zich binnen het inlaatverdeelstuk bevinden, heeft een grote invloed op hoe goed de verbranding verloopt, omdat dit zowel het mate van verneveling van de brandstof als de gelijkmatigheid van de mengseltoevoer naar elk cilinder beïnvloedt. Wanneer de injectoren hoger in die lange buizen zijn gemonteerd, heeft de brandstof meer tijd om te verdampen voordat deze de verbrandingsruimte bereikt. Dit helpt daadwerkelijk bij het koelen van de aanstromende ladelucht en verhoogt het maximale vermogen. Aan de andere kant zorgt het plaatsen van de injectoren dichter bij de inlaatkleppen voor een betere gaspedaalrespons, omdat er minder brandstof aan de wanden blijft plakken of na het uitschakelen in de inlaatbuizen blijft hangen. De meeste moderne motortypen maken nu gebruik van zogeheten dubbele injectiesystemen. Deze combineren conventionele portfuel-injectie (PI) bij lage belasting met directe inspuiting (DI) bij hoge belasting en maximaal vermogen. Maar zelfs met deze geavanceerde systemen blijven ingenieurs worstelen om alle parameters optimaal in balans te brengen. De vorm van de inlaatkanalen is niet altijd symmetrisch, waardoor ze de inspuittijden en andere parameters moeten aanpassen om een gelijkmatige luchtstroom tussen de cilinders te waarborgen. Als deze ongelijkheden niet worden gecorrigeerd, kunnen sommige cilinders rijker en andere armer lopen, wat volgens onderzoek van de SAE de totale motorefficiëntie kan verminderen met wel 5%. Om consistente brandstoftoevoer te garanderen in alle rijomstandigheden, volstaat het niet om zich te beperken tot basisstromingstests. Ingenieurs moeten daadwerkelijk in kaart brengen waar de brandstof terechtkomt, met behulp van computersimulaties die rekening houden met reële druk- en temperatuurveranderingen tijdens de werkelijke bedrijfsomstandigheden.