Formule 1-techniek voor BMW-boxer?

BMW heeft onlangs een patent ontvangen voor een nieuw type voorkamerontsteking. Het passieve systeem is bedoeld om het benzineverbruik aanzienlijk te verminderen. Dit is niet ondenkbaar voor motorfietsen, maar productiegebruik lijkt niet heel waarschijnlijk. 

Ingenieurs en ontwikkelaars worden altijd geconfronteerd met een fundamenteel conflict van doelstellingen: hoe verzoen je maximale prestaties met maximale efficiëntie? Deze twee factoren zijn van cruciaal belang voor de verdere ontwikkeling van verbrandingsmotoren, vooral in tijden waarin zowel de vraag naar voertuigen met hoge prestaties als de druk om de uitstoot te verminderen toeneemt.

Conflicterende doelstellingen

Een veelbelovende technologie die zou kunnen helpen om dit conflict van doelstellingen op te lossen is voorkamerontsteking. Een onlangs gepubliceerd patent van BMW beschrijft in detail hoe deze in wezen oude technologie kan worden geoptimaliseerd om de efficiëntie in motorvoertuigen en dus mogelijk ook in motorfietsen te verhogen – en tegelijkertijd hoge prestaties te garanderen.

Voorkamerontsteking heeft een lange geschiedenis, die teruggaat tot de begindagen van dieselmotoren in 1908. Deze technologie maakt gebruik van een kleine kamer – de zogenaamde voorkamer – waarin de brandstof wordt geïnjecteerd en waar deze zelfontbrandt voordat de vlam de hoofdverbrandingskamer ingaat. Voorkamerontsteking werd oorspronkelijk ontwikkeld ter vervanging van de compressor, die voorheen nodig was in dieselmotoren. Positieve neveneffecten waren: de verbranding was efficiënter en de uitstoot werd tegelijkertijd verminderd.

Verdrongen door directe injectie

Vanaf het einde van de jaren 90 werd de voorkamer in dieselmotoren echter grotendeels vervangen door moderne directe injectiesystemen. Overigens werden de moderne directe injectie en common-railtechnologie ontwikkeld door de nazaten van Prosper L’Orange, die in 1908 de eerste functionele dieselmotor met voorkamer ontwikkelde voor de motorenfabriek in Mannheim voordat hij de ontwikkeling voortzette bij Mercedes.

Nu lijkt voorkamerontsteking voorzichtig aan een terugkeer bezig, zij het voor benzinemotoren met vonkontsteking, wat een of twee technische hindernissen met zich meebrengt vanwege de benodigde bougies. Mahle lanceerde in 2018 een nieuw systeem voor motoren van grote bedrijfswagens en speelde een sleutelrol in de ontwikkeling van soortgelijke systemen voor Formule 1-motoren. Er zijn momenteel twee verschillende ontwerpen van voorkamerontsteking in motoren met vonkontsteking.

De actieve voorkamer heeft directe brandstofinspuiting, d.w.z. het rijke mengsel wordt in de voorkamer zelf gevormd, terwijl de injectie het arme mengsel stroomafwaarts in de hoofdverbrandingskamer creëert. De passieve voorkamer injecteert rechtstreeks in de hoofdverbrandingskamer en vormt eerst het rijke mengsel via overloopkanalen of schotten in de voorkamer. Beide processen verlopen dan op dezelfde manier: een bougie ontsteekt het rijke mengsel van buitenaf, de vlammen verspreiden zich naar de hoofdverbrandingskamer en ontsteken daar het arme mengsel.

Voor- en nadelen van voorkamerontsteking

Voorkamerontsteking biedt een aantal voordelen, waardoor het een optie is voor diverse motortoepassingen. Een van de belangrijkste voordelen is een betere verbranding: de voorbereidende verbranding in de voorkamer leidt het vlamfront op een gecontroleerde manier naar de hoofdverbrandingskamer. Dit leidt tot een gelijkmatigere en efficiëntere verbranding, omdat het mengsel in de hoofdverbrandingskamer al optimaal is voorbereid.

Deze verbeterde verbranding draagt ook bij aan lagere emissies van motoren. Met name de vorming van roet en stikstofoxiden (NOx) kan worden verminderd door voorkamerontsteking, wat leidt tot een lagere impact op het milieu. Een ander voordeel van voorkamerontsteking is een soepelere motorloop, vooral bij lage toerentallen. Omdat de verbranding in de voorkamer soepeler en gelijkmatiger verloopt, worden trillingen en geluid gereduceerd.

Ondanks deze voordelen kleven er ook nadelen aan voorkamerontsteking. Een daarvan is het warmteverlies dat kan optreden als een deel van de verbranding in de voorkamer plaatsvindt. Deze warmteverliezen kunnen de efficiëntie van de motor verminderen, omdat niet alle gegenereerde energie kan worden gebruikt om de prestaties te verhogen.

Een ander nadeel is de complexiteit van voorkamerontsteking. De constructie van dergelijke motoren is complexer en vereist een nauwkeurige afstelling om een optimale verbranding te garanderen. Deze complexiteit kan leiden tot hogere productiekosten en meer onderhoud, wat de aantrekkelijkheid van de technologie in sommige toepassingen kan beperken. Ter vergelijking: BMW gaat uit van een optimale verhouding tussen voorkamer en hoofdkamer van 0,2 procent, terwijl oude dieselmotoren met voorkamer nog 35 procent moesten hebben. Met andere woorden: de nieuwe voorkamertechnologie ligt ver voor op de oude, maar is ook veel geavanceerder.

Nieuwe BMW-motoren met voorkamerontsteking?

Het passieve voorkamerontstekingssysteem dat in het BMW patent wordt beschreven, is bedoeld om de verbranding in de motor te optimaliseren. Een centraal punt hierbij is de gerichte regeling van het brandstof-luchtmengsel in de voorkamer ten opzichte van de hoofdverbrandingskamer. Het patent beschrijft hoe speciaal ontworpen openingen ervoor zorgen dat het mengsel in de voorkamer rijker is, d.w.z. met meer brandstof, dan in de hoofdverbrandingskamer, waarschijnlijk via een gelaagde lading. Dit wordt bereikt door een gecontroleerde injectie, die ervoor zorgt dat de verbranding in de voorkamer bijzonder intensief en snel is. Afhankelijk van de brandstof en het type gebruik kunnen BMW-motoren die op deze manier zijn uitgerust dezelfde prestaties leveren met tot 20 procent minder brandstof.

Hoewel het voor de hand lijkt te liggen dat een nieuwe generatie boxers, viercilinders, paralleltwins of zescilinders van BMW wordt voorzien van voorkamerontsteking, is er geen reden om dat op korte termijn te doen. Waar het wagenparkverbruik in auto’s bepalend is voor het gebruik van brandstofbesparende technologieën, zijn motorfietsen niet onderworpen aan regels om kooldioxide te besparen, wat direct gerelateerd is aan benzineverbruik. Ook al bouwt BMW dus bijna traditiegetrouw al motoren met een relatief hoge efficiëntie. Zonder wijzigingen in de normen zullen er voorlopig geen motorfietsen met deze technologie komen. In feite ligt de voorkamerontsteking nog steeds twee stappen voor op de motoren in motorfietsen, omdat deze technisch gezien relatief oud zijn met inlaatspruitstuk-injectiesystemen en variabele klepbedieningssystemen, die nog steeds zeldzaam zijn, en meestal puur op hoge prestaties zijn afgesteld.