De direct-ingespoten benzinemotor

De Carisma van Mitsubishi is vooral bekend van de advertenties die je voor het raam moest hangen. Sinds vorige week heeft deze middenklasser een betere troef: de direct-ingespoten benzinemotor waarmee hij is te krijgen. Mitsubishi claimt dat deze Carisma met GDI (Gasoline Direct Injection) zo zuinig is als een diesel en sterker is dan een vergelijkbare benzinemotor. Bovendien voldoet hij aan de strenge uitlaatgas-eisen voor benzinemotoren.

Dat is slecht nieuws voor de fabrikanten van dieselmotoren, die tot nu toe konden wijzen op de geringe uitstoot van CO2 (koolstofdioxyde). Diesels zijn zuiniger dan vergelijkbare benzinemotoren en produceren daarom minder CO2. Autoriteiten die zich voorgenomen hebben de productie van broeikasgas CO2 terug te dringen, zijn zeer gevoelig voor dit argument. Dat dieselmotoren veel meer stikstofoxyden (NOx) en roetdeeltjes produceren dan een moderne benzinemotor, wordt op de koop toe genomen. De Europese eisen voor uitlaatgassen kennen voor NOx een 'verlicht regime': per kilometer mag een personendiesel ongeveer drie keer zoveel NOx uitstoten als een benzineauto. Wie wel eens op de snelweg vertoeft kent de resulaten van dit beleid. Links en rechts wordt men voorbijgestoven door auto's die de afkorting TDI op de achterklep dragen: de zuinige, direct ingespoten turbodiesels van Europees fabrikaat. VW, Audi en Citroën hebben er een leuke markt aan, maar al die diesels werken het ontstaan van smogvorming en zure regen in de hand.

Een motor die zo weinig CO2 als een diesel en zo weinig NOx als een moderne benzinemotor produceert, zou dus het beste van twee werelden zijn. Is dat de direct ingespoten benzinemotor? Het zou kunnen, de deskundigen zijn enthousiast. “Dit is de goede richting. Als je de uitstoot van CO2 wil terugdringen biedt deze oplossing veel meer perspectief dan de diesel”, zegt Paul Klaver, medewerker van het vakblad Auto Motor Techniek. Ook ir. R.C. Rijkeboer, onderzoeker bij het TNO-instituut voor Wegtransportmiddelen vindt directe inspuiting de aangewezen weg. “Ja, dit is een doorbraak. Ik zie nog wel een addertje onder het gras, maar op den duur zal directe inspuiting van benzine voor het milieu beter zijn dan het op grote schaal toepassen van dieselmotoren.”

Tot dusverre waren er twee technieken om benzine in een goed brandbare vorm, dus gelijkmatig vermengd met lucht, in de cilinder te krijgen. De eerste was met behulp van een carburateur. In dat instrument wordt de lucht langs de inlaatklep door de motor naar binnen gezogen, en onderweg vernevelt een fijne sproeier de benzine in de aangezogen luchtstroom. In auto's is de carburateur geheel verdrongen door de indirecte inspuiting, die meer mogelijkheden voor een juiste dosering biedt: vlak voor de inlaatklep wordt onder druk een fijne benzinemist in de lucht gespoten.

De nieuwe directe inspuiting werkt anders: de motor zuigt langs de inlaatklep alleen lucht aan, de zuiger beweegt omhoog, de klep sluit zich, en pas dan wordt de benzine ingespoten, en wel in de cilinder. Deze methode biedt meer mogelijkheden om het benzine/lucht mengsel zo samen te stellen als je het wilt hebben. Ideaal is een mengsel dat in de buurt van de bougievonk relatief veel benzine en weinig lucht bevat - het mengsel ontsteekt dan gemakkelijk - maar waarin op enige afstand daarvan veel minder benzine zit - dat maakt de verbranding zuinig. Zo'n gelaagde mengselopbouw is eigenlijk alleen mogelijk als je het mengsel op het laatste moment en ter plaatse aanmaakt - dus in de cilinder. Dat veronderstelt weer een zeer geavanceerde elektronische regeltechniek, waardoor de inspuiters op het juiste moment en afhankelijk van motorbelasting en toerental open en dicht gaan. Het veronderstelt ook een uitgekiende vorm van zuiger, verbrandingskamer en luchtinlaat. Door de luchtinlaat rechtop te monteren en de benzinenevel volgens een zeer gecompliceerd inspuitprogramma tegen een komvormige uitholling in de top van de zuiger te spuiten, verkreeg Mitsubishi de juiste menging.

Toen dit proces onder de knie was, had de fabrikant in feite een 'arm-mengselmotor' in handen - een motor die draait op weinig benzine en veel lucht. Dat was niet nieuw. Honda en Toyota waren al eerder met dergelijke, zeer zuinige motoren op de proppen gekomen - zij het dat die geen gebruik maakten van directe inspuiting. Maar zowel Toyota als Honda slaagde er niet in een bevredigende oplossing te vinden voor het NOx-probleem.

In de 'gewone' benzinemotor wordt met de schadelijke stikstofoxiden (NOx), de onverbrande koolwaterstoffen (HC) en de koolmonoxide (CO) korte metten gemaakt in een geregelde katalysator. Maar dat kan alleen wanneer de motor draait met een brandstofmengsel van een deel benzine en 15 delen lucht. Zodra het aandeel van de benzine minder wordt - het mengsel wordt dan 'armer' en de motor dus zuiniger - werkt de gangbare katalysator niet meer. De arm-mengselmotor leek daarmee uitgerangeerd, de veel onzuiniger benzinemotor met katalysator begon aan een stormachtige loopbaan en in een steeds ruimer wordende niche floreerde de dieselmotor.

Dat er speciale katalysatoren waren die ook met arme mengsels konden werken was bekend, maar die gingen aan het hoge zwavelgehalte van de Europese benzine ten onder. In Europa bevat de benzine vijf keer zoveel zwavel als in Japan. Mitsubishi claimt nu dat de door haar ontwikkelde katalysator - op basis van het metaal iridium - wèl blijft werken. Daar ligt ook het addertje dat Rijkeboer nog onder het gras vermoedde. “In Japan werkt het, dat weten we. Hoe die katalysator zich hier houdt, met deze benzine? Ik neem aan dat ze er een oplossing voor hebben gevonden, maar ik weet niet welke.”

Mitsubishi geeft desgevraagd opheldering. Eigenlijk is het probleem niet echt opgelost, zegt men. Maar door het iridiumgedeelte van de katalysator veel groter te maken dan noodzakelijk, is er een grote overcapaciteit ontstaan. Met andere woorden: op de lange duur begeeft de katalysator het, maar dat is hopelijk op een moment dat de Carisma ook op is.