Tre tekniker som ska höja motorns verkningsgrad över 50 procent

Det råder ingen tvekan om att elektrifiering är den just nu starkaste trenden inom fordonsbranschen. Men andelen batterifordon på vägarna är ännu bara en bråkdel. Förbränningsmotorn är fortsatt dominerande, särskilt inom tyngre transporter.

Utvecklingen av motorerna pågår oförtrutet. Dieselmotorer kan i dag omvandla omkring 45 procent av bränslets innehåll till nyttigt arbete.

Det väntar inga revolutioner runt hörnet. Men däremot utvecklingssteg som i sammanhanget får betraktas som stora.

Ny Teknik besökte avdelningen för förbränningsmotorer på Lunds Tekniska Högskola och fick tre exempel som alla kan höja verkningsgraden på motorerna till över 50 procent.

1. Double Compression-Expansion Engine

Ett projekt där utvecklingen har kommit relativt långt handlar om ett motorkoncept som benämns Double Compression-Expansion Engine (DCEE). DCEE är i sin tur en variant av en större teknikkategori som kallas för split cycle. Som namnet antyder handlar det om en teknik för att låta avgaserna expandera i flera steg.

I dagens konventionella dieselmotorer med turbo sker expansionen endast i själva förbränningscylindern. Avgaserna som bildas efter att bränslet har antänts skjuter kolven framför sig och sätter fart på vevaxeln. Men driftcykeln har en brist. När avgaserna släpps ut ur förbränningscylindern har de fortfarande ett tryck som är högre än omgivningen de släpps ut i. Värdefull energi går därmed förlorad.

DCEE handlar om att ta tillvara på den energin genom att låta avgaserna expandera ytterligare en gång, tills dess att det har nått atmosfäriskt tryck (det vill säga 1 bar). Lastbilstillverkaren Volvo arbetar just nu på att förstå fördelar och nackdelar med ett sådant koncept. Till sin hjälp har de LTH-doktoranden Nhut Lam.

– DCEE bygger på ungefär samma princip som en konventionell dieselmotor men där turbon har bytts ut mot en kolvmaskin, säger Nhut Lam och påpekar att avgaserna fortfarande kan hålla ett tryck på 10-12 bar när de släpps ut ur förbränningscylindern.

Kolvmaskinen kan förenklat sägas bestå av två cylindrar: en för kompression och en för expansion. I expansionscylindern får avgaserna expandera tills de når atmosfärstryck. Det är inte möjligt att göra med bra verkningsgrad i ett turboaggregat. Expansionscylindern är dessutom kopplad till vevaxeln, vilket en turbo inte är. På så vis kan energin från avgasernas expansion överföras till vevaxeln.

För att öka luftmassan som förs in i förbränningscylindern förkomprimeras luften i en kompressionscylinder. Den fyller alltså delvis samma funktion som turbon. Men när turbon drivs av avgaserna drivs kompressionscylindern i stället av vevaxeln.

En turbodieselmotor arbetar vanligen med ett kompressionsförhållande kring 17:1. Ju högre förhållandet är desto högre verkningsgrad kan teoretiskt sett uppnås. Kompressionsförhållandet beskriver hur stort utrymmet i cylindern är när bränslet antänds, det vill säga när kolven står som högst, jämfört med storleken på utrymmet när kolven står som lägst.

Problemet med ett högt kompressionsförhållande är att volymen vid maximal kompression blir extremt liten, samtidigt som väggarean är stor, med stora värmeförluster och därmed sänkt verkningsgrad som följd. Det är anledningen till att luften komprimeras i två steg.

Gasförflyttningen mellan de tre tankarna ska ske vid ett så konstant tryck som möjligt. Detta kallas för att processen är isobar. Därför används två tankar som fungerar som buffertlager när gaserna förflyttas mellan cylindrarna.

– Slagvolymen i förbränningscylindern är omkring 2 liter och högtryckstanken rymmer 30 liter. Därmed blir tryckökningen bara omkring en femtondel när avgaser trycks in i tanken från förbränningscylindern, säger Nhut Lam.

I exemplet ovan har vi bara pratat om ett exemplar av respektive cylinder och tank. En lastbilsmotor innehåller ju däremot ofta sex eller åtta förbränningscylindrar. Det behövs dock fortsatt bara en kompressions- respektive expansionscylinder och samma sak gäller tankarna. Detta eftersom förbränningscylindrarna arbetar i olika takt.

DCEE innebär att verkningsgraden teoretiskt kan höjas från 45 till knappt 53 procent i den aktuella motorn, en sexcylindrig lastbilsmotor från Volvo. Men mycket forskning återstår fortfarande. Laddluften har hittills bara komprimerats till 5 bars tryck vilket innebär 210 bar i förbränningscylindern. Höjs trycket till 7 bar ger det 250 bar i förbränningscylindern och därmed ännu bättre verkningsgrad.

– Men jag har inte riktigt vågat köra så högt ännu, med risk för att motorn ska braka ihop, säger Nhut Lam.

Hittills har han också fått nöja sig med att simulera fram resultaten från kompressions- och expansionscylindrarna. Exakt hur de ska placeras i förhållande till förbränningscylindrarna på motorn är heller inget som det talas högt om. Den delen av utvecklingen står Volvo för.

– Det finns konceptidéer men de är i ett tidigt stadium ännu så länge. Tillverkaren vill förstås att det ska vara möjligt att lyfta in en sådan här motor i samma utrymme som vanliga motorer kräver, säger han.

Idén att dela upp cykeln i två delar för att låta avgaserna expandera fullt ut är långt ifrån ny. Redan dieselmotorns skapare Rudolf Diesel (född 1858) försökte med det. Men tekniken kräver rejäl isolering för att minska värmeförluster vid överföringen av avgaser till expansionscylindern. Den materialkunskapen fanns inte på hans tid.

– Isoleringen är nyckeln. Kunskapen har funnits i 30 år men fördelarna har hittills inte varit tillräckligt stora för att uppväga kostnaden. Men i det här fallet är de det, säger Arne Andersson på Volvokoncernen som leder studien av DCEE.

Han berättar att idén att börja utveckla tekniken uppstod kring 2011 i diskussion med den forne LTH-professorn Bengt Johansson, numer stationerad i Saudiarabien. Konceptet testades i ett amerikanskt forskningsprogram för effektivare lastbilar kallat Supertruck. Nya steg har därefter fortsatt att tas och tester pågår sedan några år med hjälp av doktoranden Nhut Lam.

Arne Andersson konstaterar att resultaten hittills pekar på tio procents bättre bränsleekonomi. Utsläppen av kväveoxider (NOx) motsvarar dessutom kraven i Euro 6 redan innan avgaserna har renats katalytiskt.

Den nya konstruktionen ger dessutom utökade möjligheter till bättre behandling av avgaserna, påpekar Arne Andersson.

Hur stora är chanserna att motorn sätts i serieproduktion?

– Vi har ju de nya koldioxidlagarna som kommer våren 2019. De kan påverka ganska mycket. Det här är inte raketvetenskap – vi skulle kunna bygga motorn om forskningen på LTH ger tillräckligt bra resultat, säger Arne Andersson.

2. Low Temperature Combustion

Lågtemperaturförbränning, på engelska förkortat LTC, är en teknik som där man försöker att kombinera fördelarna med ottomotorn (alltså bensinmotor) och dieselmotorn. Extremvarianten kallas för Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI). Den har hög potentiell verkningsgrad, långt över 50 procent. Men dras också med praktiska svårigheter.

För att förstå hur en LTC-motor fungerar tar vi först en snabbtitt på otto- respektive dieselmotorn:

Ottomotorn bygger på flamutbredning i en förblandad mix av bränsle och luft som tänds med hjälp av ett tändstift. Fördelen med tekniken är att det är förhållandevis enkelt att rena avgaserna. Nackdelen är att verkningsgraden är ganska låg, kring 30 procent. Det beror i sin tur på att bränsle-luftblandningen inte går att komprimera lika mycket som i en dieselmotor eftersom det leder till så kallad knackning. Knackning är när bränsleblandningen bortanför den så kallade flamfronten i cylindern spontanantänds. Detta sliter hårt på motorn.

Dieselmotorn bygger i stället på diffusionsförbränning. Bränsle sprutas in och brinner upp i takt med att det blandar sig med den komprimerade luften. Fördelen är den höga verkningsgraden, omkring 45 procent. Nackdelen är att avgaserna är betydligt svårare att rena, vilket emissionsskandalen kallad Dieselgate tydligt visat.

LTC-tekniken erbjuder på pappret det bästa av två världar och är en sorts kombination av diesel- respektive ottomotorer: Hög verkningsgrad men låga utsläpp av kväveoxider (NOx) och partiklar. Bränslet blandas innan det sprutas in i cylindern, precis som i ottomotorn. Men genom att höja temperaturen, till exempel genom att komprimera hårdare, kan man få det att brinna upp mer eller mindre samtidigt, utan en flamfront som breder ut sig.

Nackdelarna är framför allt två: Höga utsläpp av kolmonoxid och oförbrända kolväten vid låg last. Särskilt för HCCI-motorn gäller också att processen är beroende av att bränslet antänds vid exakt rätt ögonblick.

– Det är så pass svårt att få det att fungera att det mer och mer har blivit en akademisk företeelse, säger Öivind Andersson, professor i förbränningsmotorteknik på LTH.

Mazda gör dock ett försök med sin nya motor kallad Skyactiv X som beräknas lanseras nästa år. Den är ett exempel på en sorts HCCI-motor och uppges få en verkningsgrad över 58 procent.

I Lund arbetar forskarna med en LTC-variant kallad Partially Premixed Combustion, PPC. Ett svårantändligt bränsle som bensin, etanol eller metanol sprutas in i en dieselmotor. Det gör att självantändningen tar längre tid. Öivind Andersson förklarar Lunds intresse för PPC med att den är ett praktiskt sätt att dra fördel av HCCI-potentialen men samtidigt betydligt enklare att reglera.

– Med detta koncept har vi nästan världsrekord i verkningsgrad för en lastbilsmotor, en bra bit över 50 procent, säger Öivind Andersson.

PPC-tekniken utvecklas av flera tillverkare men finns ännu inte i produktion.

3. Dedikerade alkoholmotorer

Etanolens nytta som fordonsbränsle är minst sagt omtvistad, främst av miljöskäl. Metanol, eller träsprit, har hittills mestadels varit intressant för sjöfarten.

På LTH:s förbränningsmotorlabb lever dock hoppet att framför allt metanolen ska kunna bli ett gångbart alternativ också inom vägtransporter. Skogskooperativet Södra menar att Sverige skulle kunna ersätta allt importerat bränsle för vägfordon med metanol producerad från skogsråvara – med bibehållen tillväxt i skogen, enligt Öivind Andersson. Då krävs en motor som klarar av metanolen, vilket enligt Öivind Andersson inte är någon match.

– Vi har tagit en dieselmotor från Scania, sprutat in metanol, tänt med gnista och ändå haft ett kompressionsförhållande på 17:1. Vi kommer upp i en verkningsgrad över 50 procent, säger han och påpekar att det fortfarande är en hyfsat enkelt förbränningsprocess.

Problemet med metanol är att det är betydligt mer korrosivt än bensin eller diesel. Motorkomponenter riskerar att rosta sönder, helt enkelt.

– Men det handlar mest om att göra rätt materialval, säger han.

Han påpekar att förnybara bränslen som metanol och etanol ofta är bättre än de fossila varianterna. De har bränsleegenskaper som möjliggör högre verkningsgrad, och består dessutom bara av en enda molekyl. Bensin är en avancerad mix av olika kolväten.

Blir det inte problem att nå brett genomslag med metanol, med tanke på vad som hände med etanolen?

– Jo, men det ska inte hindra oss från att forska på lovande teknik. För E85 finns ju redan tankinfrastrukturen. I USA är E85 hyfsat vanligt och i Brasilien är det vanligare med etanol än med bensin säger Öivind Andersson.