Return of the lean burn; Honda presenteert volgende week een nieuwe Civic waarin een arm-mengsel motor zit. Daarmee is dit motortype aan zijn tweede jeugd begonnen.

Het kwam de Amerikaanse managers van General Motors, Ford en Chrysler erg slecht uit. Net op het moment dat publiek en politici gingen geloven dat het plan van senator Bryan van Nevada waanzin is - om de CO2-uitstoot te reduceren wil hij de automobielfabrikanten verplichten hun auto's in 2000 zo'n veertig procent zuiniger te maken - precies op dat ogenblik kwamen Honda en Mitsubishi met plannen waaruit blijkt dat met het nodige technische vernuft de eisen van de senator wellicht wel haalbaar zijn.

Beide Japanse autofabrikanten brengen binnenkort auto's op de markt die zijn uitgerust met lean burn motoren, arm-mengsel motoren in goed Nederlands. Honda zal zijn nieuwe Civic met een VTEC E motor op 12 september op de Internationale Automobil Ausstellung in Frankfurt presenteren. Volgens de fabrikant zal met de motor een brandstofbesparing van 25% tot 40% mogelijk zijn. Mitsubishi's MVV motor komt over een paar maanden, voorlopig alleen nog in Japan. Ook Mazda, Nissan en Toyota zijn met deze technieken bezig, maar ze kunnen of willen nog niets laten zien.

Arm-mengsel motoren hebben een zeer laag brandstofverbruik en relatief schone uitlaatgassen. Geen wonder dat de Amerikanen hun best deden de aankondigingen van Honda en Mitsubishi te bagatelliseren.

""Lean burn is niets nieuws'', zei Richard M. Donnelly, vice president van General Motors. ""Wij deden er al in de jaren dertig onderzoek naar en we hebben verschillende auto's met arm-mengsel motoren in produktie gehad.'' Daar had Donelly wel gelijk in, maar dat de arm-mengsel motor iets nieuws was, dat beweerden Honda en Mitsubishi ook niet. Donelly en zijn collega's waren vooral zo zenuwachtig door de wederopstanding van het concept. Zij wisten niet beter of de arm-mengsel motor had een welverdiende plaats in het automuseum gekregen. De strenge uitlaatgasnormen en de geregelde drieweg katalysator hadden hem daarheen verbannen en niemand rekende erop dat hij daar weer zo snel uit zou komen.

Vooraanstaande Nederlandse autodeskundigen als ir. R.C. Rijkeboer van TNO en P. Klaver van het vakblad Auto + Motortechniek veerden echter op toen ze het nieuws vernamen. ""Een verheugende ontwikkeling'', zegt Rijkeboer die al menige lans voor de arm-mengsel motor heeft gebroken, maar de moed al bijna had opgegeven. ""Het is waarschijnlijk de enige manier om de stijging van de verbruikscijfers een halt toe te roepen.'' Klaver gaat nog verder: ""Een definitieve doorbraak'', meent hij, ""zeker als die auto's niet te duur uitvallen.''

De arm-mengsel techniek is erop gericht in de verbrandingskamer van de motor zo weinig mogelijk benzine met zoveel mogelijk lucht te verbranden. Dat is niet eenvoudig, want dat mengsel is moeilijker te ontsteken en brandt langzamer dan een "rijker' mengsel - waarin meer benzine en minder lucht aanwezig is. In vroegere arm-mengsel motoren was dat dan ook te merken. De koude start verliep moeizaam en tot soepel rijden waren de auto's meestal niet in staat. Als deze problemen worden opgelost biedt de techniek veel voordelen: het benzineverbruik is laag en de uitstoot van het giftige koolmonoxyde (CO) ook. Onverbrande koolwaterstoffen (HC) zijn wel in geringe mate aanwezig - een gevolg van de langzaam verlopende verbranding, maar die kunnen samen met de CO in een eenvoudige oxydatiekatalysator onschadelijk worden gemaakt.

De emissie van stikstofoxyden (NOx) vormt een ander hoofdstuk en hier liggen ook de meeste problemen. Bij zuinigere afstelling neemt die uitstoot eerst toe; wordt de motor nog armer afgesteld dan komt de uitstoot over zijn piek heen en neemt dan geleidelijk af. Over de NOx-berg lag dus een schone toekomst, maar een paar jaar geleden was de auto-industrie nog niet zover dat ze daar gebruik van kon maken. Dat kon je bijvoorbeeld zien aan de Toyota Carina II XLI MM (van Mager Mengsel), een auto die in 1988 op de markt werd gebracht. Het was heel ingenieus bedacht. Om een goede verbranding te bereiken werd het benzine-lucht mengsel door een speciale wervelklep in onstuimige beweging gebracht. In normaal bedrijf bereikte het mengsel de verbrandingskamer via deze klep. Drukte de bestuurder het gaspedaal verder in, dan opende zich een tweede inlaatkanaal en kon het mengsel via twee kleppen de cilinder bereiken. Op deze wijze werd bereikt dat een rustige rijstijl met een bijzonder laag benzineverbruik werd beloond. De koolwaterstoffen en de koolmonoxyde werden in een oxydatiekatalysator onschadelijk gemaakt. De uitstoot van NOx was in normaal bedrijf gering, maar zodra er harder werd gereden veranderde dat beeld. Het mengsel werd rijker en de NOx-emissies namen weer toe. De Carina MM heeft het niet gered. Hij was zo'n tweeduizen gulden duurder dan de gewone Carina en aan de steeds strengere emissienormen kon hij niet voldoen. Aan het eind van '89 verdween hij uit de catalogus van de meeste importeurs.

Lambdasonde

Dat échec werd gestimuleerd doordat de geregelde drieweg katalysator inmiddels aan zijn zegetocht was begonnen. Dit instrument weet niet alleen raad met de HC- en de CO-emissies, maar maakt ook korte metten met de NOx. Er moet dan wel een conditie worden voldaan: het benzine-luchtmengsel moet voortdurend precies dezelfde samenstelling hebben. Steeds moet er met een kilo brandstof vijftien keer zoveel lucht worden verbrand. "Lambda is dan een', zegt de autotechnicus. Een speciale sensor in de uitlaat controleert voortdurend of die 1:15 verhouding wel gehaald wordt. Met elektronische signalen kan deze lambdasonde vervolgens een afwijking corrigeren: iets meer benzine in laten spuiten als het mengsel te arm was (lambda is dan groter dan een) iets minder als het te rijk is (lambda kleiner dan een). De geregelde katalysator was zeer effectief en al spoedig bleek dat alleen met dat instrument de emissie-eisen konden worden gehaald. Het was de doodsteek voor de arm-mengsel motor, want die werkt juist met een variërende benzine-lucht verhouding en met zoveel mogelijk lucht ("met een luchtoverschot').

Het succes van de geregelde katalysator deed de emissies dalen, maar voor het benzineverbruik was hij minder gunstig. Sinds een paar jaar is de trend van dalende verbruikscijfers een eind gekomen (in Duitsland stijgt het benzineverbruik zelfs weer) en dat moet voor een flink deel op rekening van de katalysator worden geschreven. De discussies over de gevaren van het broeikaseffect en de rol van CO2 daarbij hebben zuinigheid weer tot een nieuw item gemaakt en dat heeft de kansen voor de lean burn weer doen keren - al moest hij daarvoor eerst flink gemoderniseerd worden.

De 1500 cc viercilinder VTEC E motor van Honda heeft als belangrijkste bijzonderheden een variabele kleptiming en een nieuwe uitlaatgassensor. Met de eerste noviteit, VTEC genoemd (van Valve Timing and lift Electronically Controlled, overigens in een andere vorm ook al in een sportwagentje van Honda ingebouwd), wordt ongeveer hetzelfde bereikt als met de twee inlaatkleppen van de Toyota. De Honda heeft ook twee inlaatkleppen, maar elke inlaatklep heeft zijn eigen bediening (de kleppen van de Toyota maakten beide dezelfde bewegingen, alleen de toevoer naar een inlaatklep kon worden afgesloten). In normaal bedrijf wordt de ene inlaatklep 8 mm geopend, de andere blijft vrijwel dicht (0,65 mm). Het (arme) benzine-lucht mengsel treedt door de wijdst openende inlaatklep naar binnen, maar doordat de opening relatief klein is, kolkt het mengsel met grote snelheid de cilinder in.

Die swirl is een belangrijke voorwaarde voor een snel en gelijkmatig verlopende verbranding, zeker als het mengsel arm is. De Honda-swirl is er bovendien op gericht dat de samenstelling van het mengsel vlak bij de bougie het rijkst is, dus het gemakkelijkst ontsteekt. De bougie is in het midden van de verbrandingskamer gemonteerd, zodat het mengsel op het meest centrale punt ontstoken wordt. Bij stijging van het toerental kan door die ene klep niet genoeg mengsel binnentreden, maar op dat moment zorgt een elektronisch signaal ervoor dat de bediening van de beide kleppen met elkaar wordt verbonden. Het resultaat is dat alletwee de volle opening van 8 mm maken.

Een in de uitlaat gemonteerde sensor, de uit de Formule 1 racewagens afkomstige Linear Air-Fuel Ratio sensor (LAF), houdt intussen voortdurend de samenstelling van het mengsel in de gaten. Anders dan een lambdasonde, die alleen in een nauw "venster' rond lambda=1 gevoelig is, kan de LAF-sensor een breed bereik bestrijken: van tien kg lucht per kg benzine tot 25 kg lucht, ofwel van lambda 0,7 tot 1,6. Zo kan de sensor in wisselende omstandigheden meten of de ideale mengselverhouding wordt bereikt. Een elektronisch regelsysteem kan zo nodig corrigeren door de tijdsduur van de benzine-inspuiting te verkorten of te verlengen.

Honda heeft nog niet alle details van de motor prijsgegeven en zo is nog onbekend hoe de reiniging van de uitlaatgassen precies plaatsvindt. Volgens de importeur zal er een drieweg katalysator worden gemonteerd, maar het is duidelijk dat die niet op de gebruikelijke wijze zijn werk kan doen - dat type katalysator vereist immers een constante mengselverhouding. Rijkeboer en Klaver vermoeden dat de katalysator bij lage vermogens als oxydatiekatalysator werkt en bij rijker worden van het mengsel bij lambda=1 "blijft hangen'. Vanaf dat moment is de auto dus een auto met drieweg kat en worden ook de stikstofoxyden weggevangen.

Vertical Vortex

Vrijwel tegelijkertijd met de aankondiging van Honda kwam ook Mitsubishi met lean burn-berichten. Mitsubishi heeft zijn vier cilinder 1500 cc motor MVV gedoopt (van Mitsubishi Vertical Vortex) en claimt dat de motor 20% zuiniger is dan overeenkomstige motoren. De MVV motor heeft twee inlaatkleppen en een uitlaatklep. Het bijzondere is dat de ene inlaatklep een benzine-lucht mengsel toelaat en de andere alleen lucht. Het resultaat is een tweetal verticale wervelingen in de cilinder die zich bij de compressieslag (als de zuiger omhoog beweegt) met elkaar verbinden tot een homogeen mengsel. In combinatie met een verbeterde constructie van zuiger en verbrandingskamer is een mengselverhouding van 1:25 mogelijk. Mitsubishi wil er dit najaar al een auto mee uitrusten. Ook hier ontbreekt informatie over de gebruikte katalysator.

Over de emissie-cijfers die de auto's zullen halen bestaat nogal wat verwarring. De emissies van de arm-mengsel motor zijn bij lage belasting zeer gunstig maar bij hogere belasting en snelheden wordt het snel slechter. Het hangt dus zeer van de gevolgde testprocedure af hoe de auto uit de bus komt. Het is zeker dat de Honda aan de tamelijk strenge en ook in Nederland geldende US-83 eisen zal voldoen. Over de Mitsubishi is nog niets bekend. De strenge Californische eisen, die in 1994 voor de gehele VS zullen gaan gelden, zal de Honda waarschijnlijk niet halen. Honda overweegt voor die situatie de auto uit te rusten met een traditionele drieweg katalysator-installatie. De NOx-uitstoot zal dan op peil zijn, maar het zuinigheidsvoordeel is weer te niet gedaan.

Het dilemma is daarmee aardig geschetst: of een lage CO2-emissie, of een lage NOx. De overheid kan het krijgen zoals ze het hebben willen, redeneert Honda. Toch is er een redelijke kans dat dit dilemma binnen enkele jaren niet meer bestaat. Aan het probleem van de drieweg katalysator die alleen bij lambda=1 functioneert, wordt ijverig gewerkt. Niet alleen Honda en Mitsubishi hebben belang bij een katalysator die een luchtoverschot aan kan, ook de fabrikanten van dieselauto's (die altijd met een luchtoverschot werken) kijken er reikhalzend naar uit. Zo'n "denox' katalysator zal er wel komen - in de procesindustrie wordt hij al gebruikt. Zeer veelbelovend zijn de resultaten die de Japanse onderneming Tosoh heeft geboekt. Tosoh heeft een katalysator ontwikkeld die ook bij zuurstofrijke mengsels (tot 1:23) 90% van de NOx kan verwijderen. Deze katalysator ontleent zijn werking niet aan aan platina en rhodium, maar aan zeoliet ZSM-5 (een Mobil-produkt) waaraan kobalt is toegevoegd. Tosoh gaat de katalysator samen met Toyota en Mobil in 1993 op de markt brengen.

Ook op andere fronten wordt gewerkt aan de verbetering van de arm-mengsel motor. De ontsteking van het arme mengsel blijft een opgave die de traditionele bougie maar nauwelijks aan kan. Er is al geëxperimenteerd met twee en drie bougies, maar een zo centraal mogelijke plaatsing van een bougie biedt voorlopig nog de meeste voordelen.

Rail plug

Onderzoekers van de universiteit van Texas bewandelden een geheel andere weg. Ze brachten een aan het SDI verwant wapen in stelling: de rail plug. De rail gun was een wapen dat met behulp van een zeer krachtige elektrische ontlading een projectiel over twee rails kon wegschieten. Een geminiaturiseerde versie van het elektrische systeem hiervan bleek in staat een plasma op te wekken tussen twee elektroden van vier centimeter en daarmee een zeer arm mengsel tot een gelijkmatige ontbranding te brengen. Het systeem heeft wel veel elektriciteit nodig, maar volgens de onderzoekers is die van dezelfde orde van grootte als de air conditioner die in alle Amerikaanse auto's is geïnstalleerd.

afb: Honda VTEC C-motor. Het benzine/lucht mengsel komt bij deellast langs een klep de cilinder binnen en raakt daar in werveling. Bij hogere toerentallen opent ook de tweede inlaatklep.

De MVV-motor van Mitsubishi werkt ook met twee inlaatkleppen, maar langs een daarvan komt alleen lucht. Langs de andere stroomt het benzine/lucht mengsel.

Motor met driewegkatalysator; arm-mengsel motor. Bij armere mengsels neemt de NOx-uitstoot uiteindelijk af, maar een drieweg katalysator is dan niet meer mogelijk.