Forbrenningsmotorene, og da spesielt dieselmotorene, vil bli renere i tiden som kommer. (Foto: Daimler AG - Global Communications Mercedes-Benz Cars)

FORBRENNINGSMOTOREN

Slik skal forbrenningsmotoren bli renere

Fra et norsk perspektiv kan det se ut til at biler med forbrenningsmotor er på vei ut døra. Elbiler tar en stadig økende andel av nybilsalget, med over 17 prosent i fjor.

I resten av Europa, derimot, er elbilandelen minimal, med under en prosent av nybilsalget i fjor. 

Hvor mange elbiler som vil selges om fem og ti år kan vi ikke vite, men mange anslag ligger på mellom en og fem prosent.

Det som later til å være sikkert, er at forbrenningsmotoren kommer til å være med oss i mange år til.

– Vi kommer i alle fall til å ha slike motorer i en eller annen form i minst 20 til 30 år til. Kanskje lenger, sier sivilingeniør og konsulent i motor og drivstoffteknologi, Knut Skårdalsmo, til Teknisk Ukeblad.

Les også: Nå skal bensinmotoren bli mye bedre

Kommende utslippskrav

I 2020 kommer nye utslippskrav fra EU.

Disse skal sørge for at CO2-utslippet ligger på 95 gram CO2 per kilometer i snitt for bilflåten til en produsent.

Dette skal sørge for et drivstofforbruk på omtrent 0,41 liter på mila og 0,36 liter på mila for henholdsvis bensin- og dieselmotorer. 

Dette vil bidra til å redusere partikkelutslippet.

Å overskride disse utslippsgrensene vil bli en dyr affære for bilprodusentene. Fra og med 2019, vil overskridelser koste bilprodusentene 95 euro per gram per kilometer over gjeldende krav per registrerte bil. 

Utslippene må ned

Selv om hybridisering vil være med på å redusere utslipp fra kjøretøyparken, må det som kommer ut av eksosrøret også følge strengere krav. Det påvirker særlig biler med dieselmotor.

Bensinmotoren er allerede forholdsvis ren, og slipper i hovedsak ut CO2. 

Skårdalsmo forteller at forbruk og ytelse er svært medvirkende momenter med tanke på hva som styrer utviklingen på motorer. Også krav til komfort spiller inn.

Den klart største pådriveren er imidlertid utslippskrav.

Selv om utslippskravene er blitt strengere med årene, har det ikke vært vanskelig å omgå dem, forklarer Skårdalsmo.

Grunnen er måten bilene blir testet på. Nå testes bilene med kjøresyklusen New European Driving Cycle (NEDC), som har vært tilnærmet uendret siden 1997. NEDC simulerer forsiktig bykjøring og motorveikjøring.

NEDC på vei ut

Sivilingeniør Knut Skårdalsmo i Skaardalsmo Fuel Consulting.
Sivilingeniør Knut Skårdalsmo i Skaardalsmo Fuel Consulting.

Akselerasjonstider på for eksempel 0 til 50 kilometer i timen på 26 sekunder for bykjøring, og 100 til 120 kilometer i timen på 20 sekunder har vært kritisert for å være svært urealistiske i dag; de ble utformet i en tid da europeiske biler var mye mindre og hadde svakere motor. Kjøresyklusen er med andre ord enkel å oppfylle på nye biler.

NEDC skal erstattes med kjøresyklusen World Harmonized Light Vehicles Test Procedures (WLTP) i 2017.

Her vil kjøretøyene deles inn i tre klasser basert på forholdet mellom vekt og effekt.

Men også denne kjøresyklusen har fått kritikk for treg akselerasjon på maksimalt 1,6 meter per sekund², og at den ikke tar høyde for kjøring i motbakke.

– Produsentene av personbiler slipper for billig unna. Under NEDC-testing pirker man så vidt borti gasspedalen, har et forsiktig turtall og liten belastning. Utover det snevre turtallsområdet er det i praksis fritt frem for å slippe ut hva du vil, og motorene blir optimalisert til å gå billigst og best mulig, sier Skårdalsmo.

WLTP-testing blir langt mer omfattende. Her skal utslippet måles på over et langt større spekter, slik at utslippene må holdes under et gitt nivå over en større del av motorens arbeidsområde. Dette skal også gjøre at de faktiske utslippene ikke blir langt høyere i den virkelige verden.

Gjør dieselmotoren renere: Avhengig av motor-produsenter og kravene som skal oppfylles, utstyres dieselmotorer med sensorer for oksygen og NOx på ulike steder i avgassystemet. De gir informasjon til de forskjellige rensesystemene motorene er utstyrt med, enten det er justering av innsprøytning, resirkulering av eksos, NOx-feller, eller katalytisk reduksjon av NOx basert på ureainjeksjon. Illustrasjon: Lina Merit Jacobsen.
Gjør dieselmotoren renere: Avhengig av motor-produsenter og kravene som skal oppfylles, utstyres dieselmotorer med sensorer for oksygen og NOx på ulike steder i avgassystemet. De gir informasjon til de forskjellige rensesystemene motorene er utstyrt med, enten det er justering av innsprøytning, resirkulering av eksos, NOx-feller, eller katalytisk reduksjon av NOx basert på ureainjeksjon. Illustrasjon: Lina Merit Jacobsen.

Nye tester kommer derfor til å bli en viktig faktor for den videre utviklingen av forbrenningsmotoren, selv om disse også har sine svakheter.

Selektiv katalytisk reduksjon (SCR)

Konvertering av nitrogenoksider (NOx) til nitrogen (N2) og vann.

NOx reagerer med en reduktdant, i praksis Adblue. Adblue er et vannløst urea-stoff ((NH2)2CO) som sprøytes inn avgasslinjen. Her går stoffet over til CO2, og ammoniakk (NH3) som i katalysatoren reduserer NOx til nitrogen og vann.

Reaksjonsligningen er:
2(NH2)2CO + 4NO + O2
4N2 + 4H2O + 2CO2

– Nye tester reflekterer virkelig kjøring. Det var mulig å oppnå forbrukstallene i NEDC-testene for ti år siden, men nå er det ikke sjans hvis du ikke kjører nedoverbakke i medvind, sier Skårdalsmo. 

Biltrafikk: Å kjøre egen bil inn til Oslo i 2030 er utenkelig

Mer bruk av Adblue

For å tilfredsstille strengere krav, vil bilprodusentene øke bruken av selektiv katalytisk reduksjon (SCR) på dieselbiler.

Slike katalysatorer brukes allerede på kjøretøy som følger Euro 6-standardene, som krever et NOx-utslipp som ikke overskrider 0,08 gram pr kilometer.

Til sammenligning er Euro 5-kravene 0,15 gram NOx per kilometer.

For bensinbilene er NOx-kravet 0,06 gram per kilometer både under Euro 6 og Euro 5. Dette gjelder imidlertid bare motorer med direkte innsprøyting.

Til nå har små personbiler med dieselmotor som regel hatt en NOx-lagringskatalysator, mens større personbiler har hatt et Adblue-system. Nye dieselbiler som selges i dag, er Euro 6-biler, og mange har derfor selektiv katalytisk reduksjon.

Likevel har de nye dieselbilene vist seg å slippe ut mer NOx enn tillatt under normal kjøring, ettersom de er testet etter NEDC-kjøresyklusen. Med WLTP-kjøresyklusen, som innføres neste år, vil det bli vanskeligere å slippe unna med høyt utslipp i det virkelige liv.

På lengre sikt

– Med dagens tilgjengelige teknologi er det ingen problem å få en bil med Adblue-system gjennom den nye kjøresyklusen. Det handler bare om å holde utslippet nede i et større last- og turtallsområde, sier Skårdalsmo.

Forbruket av Adblue går imidlertid opp. Tunge Euro 6-kjøretøy har gjerne et Adblue-forbruk på rundt ti prosent av drivstofforbruket, mot fem prosent i Euro 5.

Adblue kan i prinsippet også brukes på biler med bensinmotor, men foreløpig ligger ikke dette i kortene. Partikkelfilter kan imidlertid bli nødvendig med Euro 6-kravene.

Ifølge Skårdalsmo slipper en del bensinbiler ut urovekkende mengder med partikler. Likevel vil de fleste av dagens bensinmotorer ganske uproblematisk klare strengere utslippskrav.

Takket være treveiskatalysator reduseres NOx til N2 og O2, og CO og HC oksideres til CO2 og vann.

– Utfordringen med denne teknologien er å få katalysatoren og den tilhørende lambda-sonden opp i driftstemperatur fortest mulig, sier Skårdalsmo.

Så snart katalysator og sonde har driftstemperatur, er systemet svært effektivt. Skårdalsmo mener at det fortsatt er litt å gå på med tanke på utslipp fra motoren, og virkningsgrad. 

Bensinmotorer med direkte innsprøyting slipper også ut ganske mye partikler. Mindre enn dieselmotor uten partikkelfilter, men mer enn en dieselmotor med partikkelfilter, ifølge Skårdalsmo.

Mindre og mer effektive motorer bidrar til å redusere utslipp. Foto: Volvo
Mindre og mer effektive motorer bidrar til å redusere utslipp. Foto: Volvo Volvo

Vekten må ned

– Motorteknologien har hatt en rivende utvikling de siste tiårene, og motorene er blitt fantastisk drivstofføkonomiske. Samtidig har bilene også lagt på seg 500 kg. Den største utfordringen nå er å få ned vekten. Forbruket vil stupe om du bruker dagens motorteknologi i en bil som er 500 kg lettere, sier Skårdalsmo.

En vektreduksjon på ti prosent kan gi en seks til åtte prosent bedre drivstofføkonomi, ifølge det amerikanske energidepartementet. Derfor ser bilprodusentene på muligheter for å erstatte stål med sterke lettvektsmaterialer.

Mer teknologi i bilene har bidratt til å øke vekten, og med bruk av batterihybriddrivlinjer øker den ytterligere. For eksempel veier Volvo XC90 med hybrid drivlinje 260 kg mer enn tilsvarende utgave med bare bensinmotor.

Hybrider har imidlertid mulighet til å kjøre uten lokalt utslipp. De vil bli en viktig del av bilprodusentenes strategi for å holde utslippet nede i årene som kommer, ettersom de vil gjøre det bra også i den nye kjøresyklusen.

Mange små forbedringer

– Finnes det noe praktisk tak for hvor rene biler med forbrenningsmotor kan bli?

– Det blir som med skøyteløp. Hjallis sa at du kan ikke gå på null. Men det er noen områder som kan forbedres. Kaldstart gir høyere utslipp, for eksempel, men dette er også en forsvinnende liten del av brukstiden, sier Skårdalsmo.

Han trekker også frem at det er mulig å forbedre selve motorkonstruksjonen. Den indre friksjonen i motoren kan reduseres, for eksempel ved bruk av bedre smøremidler. Innsprøytingssystemet kan også forbedres. Det kan også være mer å hente på geometri og utforming av forbrenningsrom, turbo og annet. En del finjusteringer kan gjøres.

– Men det er nok først og fremst behandling av avgasser det er mest å hente på, sier han.

Renere drivstoff

I tillegg kommer utvikling av bedre drivstoff.

– Det er mye å hente på sammenstningen av drivstoff. Den nye generasjonen biodiesel vil gi mellom fem og ti prosent mindre NOx, og betydelig lavere partikkelutslipp i en eksisterende motor. Det er et viktig parameter for å holde nede lokal forurensing, sier Skårdalsmo.

Uansett vil dieselmotoren ha høyere partikkelutslipp. Den har imidlertid lavere CO2-utslipp enn bensinmotoren. Dermed kan vi tross forbedringene gå mot en situasjon hvor dieselbiler har begrenset adgang til bykjerner. 

– En av mine kjepphester er «rett drivstoff på rett plass». NOx-utslipp har ikke så mye å si for luftkvaliteten i for eksempel Østerdalen, men globalt er det gunstig å slippe ut minst mulig CO2. Så i Oslo kan man ha større andel bensinbiler og ladbare hybrider for å få renere luft, sier Skårdalsmo.

Han trekker også frem hydrogendrevne brenselcellebiler som en mulig del av denne miksen, ettersom de gir null lokalt utslipp. Gass er også et rentbrennende alternativ, og Skårdalsmo peker på det store antallet busser i Oslo som går på naturgass.

Kommentarer (19)

Kommentarer (19)