Precies zestig jaar geleden bracht Fiat een conceptauto met gasturbine uit. Behalve Fiat experimenteerden ook Rover, General Motors en Chrysler met de ‘aandrijving van de toekomst’. Omdat de auto-industrie een aantal ontwikkelingen in de vliegtuigbouw scherp volgde (toen design en aandrijving, nu composietgebruik) en omdat meer en meer gedacht werd dat de conventionele verbrandingsmotor aan het einde van zijn ontwikkeling was, werd een ‘motorentransitie’ voor mogelijk gehouden.
Carterventilatie
De genoemde transitiegedachte werd versterkt door de grote problemen die de verbrandingsmotor veroorzaakte. In de jaren vijftig zagen sommige Amerikaanse industriesteden er hetzelfde uit als nu het door luchtvervuiling geteisterde Shanghai. Emissie-eisen werden daarom ingesteld, de eerste was positieve carterventilatie. Het autoprobleem werd versterkt door de hardnekkige misvatting dat de olievoorraden op korte termijn eindig waren, een gedachte die onder andere werd geuit door de Club van Rome. Deze groep van wetenschappers kende het begrip ‘the cure for high prices is high prices’ niet – en ging uit van statische (conventionele) olievoorraden. Maar ook de forse olieprijsverhoging in 1973 vormde voor de auto-industrie een uitdaging.
Opschorten emissie-eisen
Omdat in die periode de aandacht voor emissieverlaging hand in hand ging met de vraag naar zuinige motoren, was de voorgestelde emissieverlaging een groot probleem. Verlaging van HC – en CO-emissies was alleen mogelijk door een efficiëntere verbranding en door een armer mengsel. Bij een iets armer mengsel neemt echter de NOx-uitstoot toe, wat weer bijdraagt aan smog en zure regen. De oplossing werd uiteindelijk gevonden in het opschorten van de NOx-emissie-eisen met achttien jaar.
1 op 5,9
De ontwikkeling van het aantal pk’s per liter cilinderinhoud groeide gestaag van het begin van de auto tot aan de oliecrisis. In 1910 lag de verhouding (zonder loodhoudende benzine) op circa 10 pk per liter, in 1940 was het 25 pk per liter voor Amerikaanse auto’s en voor de oliecrisis haalde men 50 pk per liter. Na de oliecrisis werd sterk op emissieverlaging ingezet, onder aanvoering van de Amerikaanse staat Californië. Om de NOx-uitstoot te verlagen, moest de verbrandingstemperatuur omlaag en dat deed men in de VS onder meer door de compressieverhouding te verlagen en de ontsteking laat te zetten met als gevolg een luie motor die veel brandstof verbruikte. In Europa waren motoren beter doorontwikkeld met veel hogere specifieke vermogens. De afgelopen veertig jaar is er een enorme sprong voorwaarts gemaakt in brandstofverbruik – deels ook door een lagere luchtweerstand. De BMW 3.0 Si verbruikte tijdens een Autovisie-test in 1972 gemiddeld één liter benzine op 5,9 kilometer. In 2012 werd de BMW Active Hybrid 5 met vergelijkbare afmetingen en ook met een drieliter zescilindermotor door Autovisie getest op 14,3 kilometer op één liter benzine. De trend van een lager verbruik zet zich de komende twintig jaar door. Door autofabrikanten en motoren-ontwikkelaars zoals FEV en Ricardo is in beeld gebracht welke technische innovaties toegepast kunnen worden, tegen welke kosten en daarmee ook de kosten per vermeden ton CO2-uitstoot, want dat is voor een groot deel het criterium, naast zaken als PM (Particle Mass), PN (Particle Number) en NOx.
Innovaties voor komende jaren
In 2021 moet de gehele Europese vloot per merk voldoen aan gemiddeld 95 gram CO2 per kilometer. Voorts is er een wegingsfactor voor zwaardere auto’s maar die is onvoldoende voor fabrikanten die relatief veel zware auto’s verkopen, zoals Mercedes-Benz. Technische innovaties zullen dan ook vooral in het hogere segment toegepast moeten worden om boetes voor het overschrijden van de norm te voorkomen. Een alternatief is het verkopen van elektrische auto’s die officieel nul CO2-uitstoot hebben, ongeacht waar de energie vandaan komt. De kosten om een auto van 130 gram per kilometer terug te brengen naar 95 gram bedragen circa 1200 euro. Dit is de goedkoopste vorm om CO2 te vermijden en om aan de eisen te voldoen en dus de favoriete weg van autofabrikanten. Innovaties die de komende jaren veelal toegepast zullen worden zijn: thermomanagement, downsizing, downspeeding (hoog koppel bij lager toerental), variabele turbogeometrie, distributieriem in plaats van een ketting, gecoate zuigerveren, variabele kleptiming en lichthoogte, directe benzine-injectie, elektrische waterpomp en brandstofpomp, hybridisering, intelligente dynamo, verminderde wrijvingsverliezen in lagers, et cetera. Bovendien ligt er nog een grote uitdaging om energie terug te winnen uit uitlaatgassen.
Lager dan sigarettenrook
Motoren worden in rap tempo schoner. Neem de DAF Euro 6-vrachtauto die als ‘stofzuiger’ wordt aangeduid vanwege het verbranden van vuile deeltjes uit de omgevingslucht. En het Duitse Verband der Automobilindustrie VDA verwacht, gezien de huidige ontwikkelingen op motortechnisch gebied, dat in Duitsland in 2022 de totale motoremissies zelfs lager zijn dan de totale jaarlijkse uitstoot van sigarettenrook.
*Jan Wouters is autotechnisch ingenieur, wetenschapper en directeur van het Nederlands Centrum voor Autotechnische Documentatie (NCAD) in Helmond.
