Svensk satsning på ny dieselmotor med variabel kompression

2020-06-29 06:00  

Rejält ökad verkningsgrad – och minskade kväveoxidutsläpp. Svenska bolaget GMC satsar på en ny dieselteknik. Hemligheten ligger i fritt styrbara ventiler och ett variabelt kompressionsförhållande.

Fordonstillverkarnas fokus flyttas allt mer mot alternativa drivmedel som el eller vätgas. Men det finns fortfarande svenska startupbolag som ägnar sig åt att förfina den över hundra år gamla förbränningsmotortekniken.

Vägen till Gnostic Motor Corporations (GMC) motorkoncept som nu testas på Lunds Tekniska Högskola har knappast varit spikrak. Av en ren slump kom en finansiärs och en innovatörs stigar att korsas.

Motorn bygger i grunden på två olika teknikprinciper: Fri styrning av inloppsventilerna samt variabelt kompressionsförhållande (Variabel Compression Rate, VCR).

Målet: Hög verkningsgrad vid låg last

Fokus ligger på att förbättra motorns egenskaper vid låg last. Målet är att höja verkningsgraden och att öka avgastemperaturen för att förbättra reningen av hälsoskadliga kväveoxider.

Bolaget GMC är registrerat på en av Sveriges största privata egendomar, Stäringe Säteri i Sörmland. Magnus Ericsson köpte gården 2010 efter en lång företagarkarriär.

Läs mer: Bättre förbränning med elektrisk energi i flamman

Han startade det framgångrika antibiotikabolaget AB Biodisk, som 2008 såldes till den franska bioteknikjätten Biomérieux. En del av försäljningssumman investerade han i det numer konkursade Reformtech, en tillverkare av parkeringsvärmare. På så vis fick han in en fot i fordonsbranschen.

Av en ren slump – han satt och väntade på att äpplen skulle pressas till must – träffade Magnus Ericsson en patentingenjör som även agerade ombud i en tvist. Patentingenjören började berätta om sin klient: innovatören Mats Hedman som vid tillfället låg i tvist med sportbilstillverkaren Koenigseggs systerbolag Freevalve.

Hedman var tidigare anställd på Freevalve

Mats Hedman är en i Katrineholmstrakten omskriven ingenjör och uppfinnare som ett tag var anställd av Freevalve. Han anställdes för att hjälpa till med utvecklingen av fritt styrbara ventiler, vilket anses vara något av en helig graal inom förbränningsmotorvärlden.

I dag används i princip uteslutande mekaniska lösningar byggda runt en kamaxel för styra när, hur länge och hur högt ventilerna ska öppnas för att styra inflödet av frisk luft och utflödet av avgaser från cylindern. En förbränningsmotor kan beskrivas som ett stort urverk där mängder av rörelser måste synkroniseras på millisekunden. Mekaniska lösningar är robusta men innebär förstås begränsningar. Fritt styrbara ventiler innebär en enorm möjlighet att optimera förbränningen vid olika motorlaster.

Läs mer: Lufthybriden behöver ingen växellåda

Men Mats Hedmans tid på Freevalve slutade alltså i tvist gällande rätten till ett patent. Patentet gällde en tryckpulsgenerator – en viktig beståndsdel för att möjliggöra de fritt styrbara ventilerna.

– Jag fattade sympati för Mats och sa till honom att jag skulle försöka hjälpa honom. Det var otvetydigt att han var uppfinnaren men inte självklart vem som hade rätt till patentet på lång sikt, säger Magnus Ericsson i dag.

Magnus Ericsson och Mats Hedman etablerade en kontakt med varandra.

Dieselgate blev startskottet

Det blev 2015 och utsläppsskandalen dieselgate briserade med full kraft. Volkswagen hade medvetet fuskat för att komma runt de allt striktare utsläppskraven för skadliga kväveoxider (NOx).

En dag när Mats Hedman var på skogspromenad ringde Magnus Ericsson för att förhöra sig om skandalen. Hedman svarade att han hade en lösning på problemet med kvävoxiderna . "Sök patent, jag betalar", svarade Magnus Ericsson som senare kom att lägga utvecklingen i bolaget Gnostic Motor Corporation.

Parallellt med att arbetet med den nya motorn dragit igång kom domen från Patent- och marknadsdomstolen gällande Hedmans tvist med Freevalve. Han förlorade patentet gällande tryckpulsgeneratorn och fick betala rättegångskostnader på närmare 1,5 miljoner kronor.

Bakslaget till trots – fokus låg nu på att utveckla den nya motortekniken.

GMC vände sig till LTH

Efter ett misslyckat försök att få ett drivlinebolag intresserat vände de sig till avdelningen för förbränningsmotorer på Lunds Tekniska Högskola. Syftet var att styrka motorns förmågor genom simuleringar och experiment.

Detta har nu skett, åtminstone delvis. Vid tester i vintras uppnåddes verkningsgrader en bra bit över 50 procent i provbänken. Nya lastbilsmotorer når i dag upp till cirka 47 procent.

Mats Hedman är övertygad om att motorn kan uppnå omkring 55 procents verkningsgrad vid låg last. Men Martin Tunér, professor i förbränningsmotorteknik på LTH, betonar att resultaten måste verifieras en gång till. Innan dess finner han det inte meningsfullt att prata om exakta värden.

– Vi hoppas kunna köra igång nya tester om ett par veckor, säger han.

Motorn som har testats är heller inte ens i närheten av en färdig prototyp. Den har vare sig fritt styrbara ventiler eller variabelt kompressionsförhållande. I stället har testmotorns kamaxel modifierats så att den ger en tidig stängning av inloppsventilen vid låg last, vilket kallas för Millercykeln.

– Här gäller det att bevisa hypotesen, och det anser jag att vi har gjort, säger Mats Hedman.

Kompressionsförhållande på 40:1

Målet är en motor som jobbar med mycket högt kompressionsförhållande på 40:1 vid låg last. Med det menas att cylindervolymen är 40 gånger större när kolven är i nedre vändläget jämfört med övre vändläget.

En konventionell dieselmotor jobbar med ett förhållande på cirka 17:1 över hela lastregistret och uppnår högst verkningsgrad vid hög last. Skulle man köra en motor på 40:1 vid hög last skulle den haverera. GMC:s motor har tvärtom högst verkningsgrad vid låg motorlast.

Poängen med den tidiga stängningen av inloppsventilen vid låg last är bland annat att få avgaserna att återströmma in i förbränningsrummet, genom att cylindertrycket är lägre än i avgasröret när utloppsventilen öppnar. Detta knep höjer avgastemperaturen och möjliggör den katalytiska reningen av kväveoxider. Återströmningen syns i animationen nedan.

I animationen syns också en principiell representation av hur cylindervolymen varieras vid olika laster (25, 50, 75 respektive 100 procent). Vid 25 procents last är den lilla fjäderbelastade kolven nedsänkt, vilket ger ett högre kompressionsförhållande. Vid ökande motorlast höjs den stegvis uppåt.

Exakt hur detta ska fungera I GMC:s motor vill Mats Hedman inte avslöja. Men han menar att han sitter på en lösning som inte innebär utveckling av ny mekanik.

– Det finns en väg där man inte behöver krångla med ny mekanik. Men den är inte patentsökt ännu, säger han.

Så här fungerar Infinitis motor med variabel kompression, som släpptes förra året.

Fritt styrbara ventiler endast på inloppssidan

Tanken är att använda sig av fritt styrbara ventiler endast på inloppssidan. Utloppsventilerna ska styras på traditionellt vis via en kamaxel. När Freevalve använder sig av elektro-hydraulisk-pneumatiska ställdon för att fritt styra ventilerna tänker GMC i stället använda sig av en helt elektrisk lösning, som nyligen har patenterats.

Målet är att licensiera ut tekniken till fordonsindustrin. Men det krävs mycket finansiella medel för att fortsätta utveckla den. Mats Hedman hoppas att Freevalve vill bli en partner, och menar att han för egen del har lagt tvisten bakom sig.

Varken Mats Hedman eller Magnus Ericsson tror att den rådande elektrifieringstrenden inom fordonsindustrin är ett hinder för att någon ska nappa på deras idé.

– Nu hoppas vi att det ska komma fler rapporter från LTH som visar på effektiviseringen och bränslebesparingen på låg last. Jag har stöttat Mats moraliskt och ekonomiskt och kommer att fortsätta att göra det ett tag till, säger Magnus Ericsson.

Fakta: Berömda motortekniker

Det har visat sig mycket svårt att bygga ett system för helt fritt styrbara ventiler. Fordonstillverkarna har i stället främst ägnat sig åt olika formar av mekaniska lösningar för att påverka synkroniseringen.

De flesta fordonstillverkare använder sig till exempel av någon form av variabel tidsstyrning av ventilerna (VVT).

Mest känd är förmodligen Honda VTEC (Variable Valve Timing & Lift Electronic Control), lanserad 1989. Vid höga motorlaster byter systemet till en annan kamprofil för att öka effekten.

1992 släppte Porsche Variocam, som var det första kontinuerligt varierade VVT-systemet. Tidigare system var diskreta, det vill säga variationen kunde endast utföras i steg.

Mitsubishi blev 2010 först med VVT för dieselmotorer.

När det gäller motorer med variabel kompression (VCR) ligger de betydligt senare i tiden. Saab experimenterade länge med ett system kallat SVC men det las på hyllan när GM tog över. Nissans lyxmärke Infiniti släppte i fjol den första kommersiellt tillgängliga bilen med VCR, kallad QX50.

Helt kamaxelfria bilmotorer med fritt styrbara ventiler saknas ännu på marknaden. Freevalves teknik kommer dock att finnas i Koenigsegg Gemera som presenterades i våras. Tekniken har även licensierats ut till kinesiska personbilstillverkaren Qoros som presenterade en körbar prototyp 2016, men sedan dess har det varit tyst.

Johan Kristensson

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt