De wankelmotor in ere hersteld
Presentatie Mazda MX-30 e-SkyActiv R-EV
Tijdens het Autosalon van Brussel onthulde Mazda de MX-30 e-SkyActiv R-EV. Een uitzonderlijke auto die altijd elektrisch rijdt maar die het rijbereik niet beperkt ziet omwille van te krappe batterijcapaciteit. Een met fossiele brandstof gelaafde boordgenerator garandeert de energetische bevoorrading van de elektro-aandrijving en kan de batterijcapaciteit, waar en wanneer gewenst, op peil houden.
De MX-30 e-Skyactiv R-EV is dus - in tegenstelling tot de meeste hybrides - een seriële hybride. Daar waar bij een parallel hybridesysteem zowel de e-motor als de verbrandingsmotor het voertuig aandrijven, wordt een seriële hybride altijd elektrisch gepowerd en zal de met fossiele brandstof gevoede verbrandingsmotor nooit betrokken zijn in de effectieve aandrijving.
Althans niet mechanisch. De taak van de hier actieve ICE beperkt zich tot het aandrijven van een boordgenerator, die op zijn beurt de batterij en/of de e-motor energetisch moet bevoorraden.
Seriële hybride & seriële stekkerhybride
Is de MX-30 e-SkyActiv R-EV met zijn seriële hybrideopstelling exclusief te noemen? Niet helemaal. De recent in sommige Nissans geïntroduceerde ePower-lay-outs vormen eveneens een voorbeeld van seriële hybridetoepassing.
Naar concept verschilt die Nissan-applicatie wel van deze MX-30 e-SkyActiv R-EV. Serieel, dat wel. Maar de Mazda is een seriële stekkerhybride. De Nissans met ePower-lay-out zijn zelfladende hybrides, waarvan de batterij niet moet of kan ‘bijgetankt’ worden aan de huishoudstekker.
Wat is echter de voornaamste reden waarom de MX-30 e-SkyActiv R-EV als seriële plug-inhybride uniek is te noemen? Dat diens boordgenerator niet wordt aangedreven door een klassieke 3 cilinder-in-lijnmotor. Wel door een roterende wankelmotor.
Uniek ook, omdat deze Mazda werd afgeleid van een model dat eerst als BEV (batterij-elektrisch voertuig) is geïntroduceerd; lees, de MX-30 BEV. En zeggen dat het nog niet zo lang is geleden dat EV’s een conceptueel afgietsel waren van een klassiek en met thermische motor aangedreven model.
MX-30-basis: te onthouden
Met de MX-30 BEV zette Mazda zijn eerste stappen in de wereld van de zuiver elektrische wagens. Dat Mazda hier bewust voor een kleinere energieopslag opteerde, hebben we eerder al verduidelijkt. Met krappere actieradius maar met uitzicht op milieu- en energetische meerwaarde. Want ook bij Mazda had men vlug begrepen dat de e-auto op zich niet zal volstaan om het mensdom van zijn CO2-zonde te verlossen.
Met de MX-30 toonde Mazda de - door veel constructeurs in de wind geslagen - meerwaarde van accu’s met een beperkte energieopslag en koos bewust voor minder en niet meer batterijcapaciteit. Weet: lagere CO2-last en minder milieuvervuiling bij ontginning en verwerking van zeldzame aardse materialen en minder CO2-uitstoot tijdens het produceren van accu’s.
Kleinere batterijen wegen ook minder en zijn compacter. Minder gewicht zorgt voor een lager energieverbruik tijdens het rijden en voor minder bandenslijtage. En - tenzij we niet hebben opgelet in de lessen van elektriciteit - vraagt het herladen van accu’s ook energie om elektriciteit te stockeren. Die zogeheten laad- en omvormingsverliezen kunnen dan wel gereduceerd zijn maar weg zijn ze nog lang niet.
Of, hoe een batterij met lagere energie-inhoud in verhouding minder omvormings- en laadverliezen veroorzaakt dan een hoogvermogenbatterij om daarin een identieke hoeveelheid energie op te slaan.
Range extender
Uiteraard resulteert een kleinere batterij in minder rijbereik. In de MX-30 stak eerst een Li-ionbatterij van 35,5 kWh. Voldoende om tussen twee laadbeurten 200 km te rijden, maar iets te krap in het streven naar alsmaar meer elektrisch rijbereik. Met het oog op een ruimere actieradius en rekening houdende met de nadelen op gebied van milieu en energie-effectiviteit, zocht Mazda geen heil in (veel) straffere en zwaardere batterijen.
Al tijdens de introductie van de MX-30 - toch al een jaar of drie geleden - was men bij Mazda doende om in een range extender te voorzien. Het resultaat van die betrachtingen kregen we in wereldpremière te zien tijdens het Salon van Brussel.
Boordgenerator
Gebaseerd op zijn eerste batterijwagen, de MX-30 BEV, ontwikkelde Mazda de MX-30 e-SkyActiv R-EV. Dit is een plug-inhybride die de pluspunten van het zuiver elektrisch rijden combineert met het voordeel van een seriële hybride, die aan boord altijd (toch zolang de fossiele voorraad strekt) de elektrische bevoorrading garandeert. Met een aanzienlijke toename van het elektrische rijbereik als resultaat.
Uniek is ongetwijfeld dat de MX-30 e-SkyaAtiv R-EV beroep doet op een wankelmotor om die elektrische bevoorrading te verzekeren. Waardoor Mazda, tien jaar nadat het de massaproductie van wagens met wankelmotor heeft stopgezet, deze roterende verbrandingsmotor een comeback bezorgt. Niet als aandrijver van een auto, wel om in deze woelige tijden van auto-elektrificatie de aan boord meereizende stroomgenerator draaiende te houden.
Hoopvol wankelperspectief
Wankelmotoren zijn compacter dan naar vermogen vergelijkbare klassieke lijnmotoren. Ze vormen dus een plaatsbesparende uitkomst en het inbouwen in een (aandrijf)motor/stroomgenerator-lay-out is minder complex. Als roterende verbrandingsmotor vormen ze één as met de as van de aan te drijven alternator. Ook lijnmotoren lenen zich daartoe en kunnen zo geïntegreerd worden dat hun krukas in het verlengde van de as van de alternator ligt.
Toch moeten lijnmotoren de met zuigers in de cilinders opgewekte op- en neergaande beweging eerst via de drijfstangen en de krukas omzetten in een roterende alteratie. Waardoor de wankelmotor ook voordeel oplevert in het minimaliseren van trillingen. Vibraties die - zeker bij klassieke driecilinders - het inbouwen van tegengesteld aan de krukas draaiende balansassen nodig maken. Dus met meer gewicht en ook minder plaatsbesparend.
Mazda was (na schuchtere pogingen van NSU) de eerste constructeur ter wereld die de wankelmotor met succes commercialiseerde. Ofschoon de massaproductie van de Mazda’s met wankelmotor in 2012 werd stopgezet, heeft deze constructeur het onderzoek en de ontwikkeling van deze technologie nooit verwaarloosd. In deze woelige tijden van auto-elektrificatie, lijken die inspanningen vruchten af te werpen.
Nu Mazda die geoptimaliseerde wankelmotor als generatoraandrijver inzet, kunnen de voordelen van de altijd elektrisch rijdende seriële hybridetechniek ook gecombineerd worden met het toegenomen rijbereik van een PHEV. In de MX-30 e-SkyActiv R-EV draagt de nieuwe roterende motor zo bij tot eenvoudige, coaxiale montage en integratie met een dunne generator en e-motor.
Het geheel vormt een compacte set-up die probleemloos in de motorruimte past en waarbij geen toegevingen op het gebied van interieurruimte dienen gedaan te worden.
Rechtstreeks geïnjecteerd
Waar de Renesis-motor van de legendarische RX-8 twee rotoren had en een inhoud van 654 cc, heeft de wankelmotor van de MX-30 e-SkyActiv R-EV slechts één rotor en een inhoud van 829 cc. De rotorradius van die laatste bedraagt 120 mm.
Die radius wordt mede bepaald door de trochoïdekromme die de draaiende rotor volgt. Uit de lessen geometrie en thermodynamica onthouden we dat die kromme gevormd wordt door een punt op een cirkel (in deze, de rotor) terwijl die cirkel over een vlakke lijn rolt.
We herinneren ons dat oudere wankelmotoren geen kampioenen waren in brandstofzuinigheid en gunstige uitstootwaarden. Een belangrijke nieuwigheid waarmee die verbruiks- en uitstootcijfers van de wankelmotor in de MX-30 e-SkyActiv R-EV sterk worden teruggedrongen, is de toevoeging van directe injectie.
Het brandstofmengsel dat toegevoerd werd in een conventionele wankelmotor kwam veelal achteraan in de verbrandingskamer terecht. En dat resulteerde in onvolledige verbranding en onverbrande gassen in de uitlaat.
De wankelmotor van de MX-30 e-SkyActiv R-EV wordt rechtstreeks geïnjecteerd, waardoor het lucht-brandstofmengsel efficiënter vernevelt en centraal in de verbrandingszone terechtkomt. Efficiëntere verbranding, zuiniger brandstofverbruik en minder uitstoot zijn het gevolg. Overigens heeft Mazda ook EGR toegevoegd, wat in de lage regimes en bij lage belasting het brandstofverbruik reduceert en er ook minder koelgassen verloren gaan in de verbrandingskamers.
En er is nog een reden waarom de nieuwe ‘wankel’ in deze seriële hybrideconfiguratie veel zuiniger zal acteren. Net als andere verbrandingsmotoren die een generator moeten aanzwengelen, zal ook deze wankelmotor meestal kunnen opereren bij constante regimes. Bij redelijk stabiele toerentallen dus of toch bij toerentallen die minder onderhevig zijn aan het voortdurend versnellen en vertragen van een voertuig.
Dichtingen, minder fricties
Verder wijst Mazda voor deze nieuwe wankelmotor op een verbetering van de uitlaatgasdichtingen en een optimalisatie - slijtagevastheid en frictieverlaging - van de schuivende oppervlakken aan de binnenkant van de wankelbehuizing. Voor het oppervlak van de zijdelingse behuizing wordt aluminium gebruikt en een gespoten plasmacoating moet de wrijvingsweerstand verlagen.
Apexdichtingen worden voorzien aan elk van de drie tippen van de rotor om ervoor te zorgen dat de verbrandingskamers luchtdicht zijn. In de MX-30 e-SkyActiv R-EV werd de breedte van deze dichtingen opgevoerd tot 2,5 mm, om de slijtageweerstand te verhogen.
Batterij & e-Motor
De batterij van de de MX-30 e-SkyActiv R-EV verzekert een zuiver elektrisch rijbereik van 85 km. Niet overdreven groot voor een auto waarvan de basis werd gevormd door een full electric-auto. Maar geëngageerd om milieu-impact en energie-efficiëntie van de batterij te eerbiedigen (zie de voorgeschiedenis van de accu’s in de MX-30) werd bewust gekozen voor een batterij van 17,8 kW. Ook hier geen oversizing bijgevolg, wel een rightsizing.
Zoals de MX-30 BEV gebruikt de MX-30 e-SkyActiv R-EV lithiumionbatterijcellen. De batterij is alvast compact gebleven dankzij cellen met een hogere energiedichtheid maar ook omdat de hoogspanningscomponenten via stroomrails geconnecteerd worden. Verder heeft de platte structuur van het koelsysteem de hoogte van de stevig verankerde batterijbehuizing beperkt gehouden.
TANKEN, LADEN & SNELLADEN
De tank van 50 liter heeft een minimale impact op de interieurruimte en zorgt ervoor dat deze elektrisch rijdende auto overal binnen de twee minuten kan getankt worden. Ook de compacte batterij van 17,8 kWh heeft geen gebrek aan interieurruimte teweeggebracht. Wat het laden van die batterij betreft is de MX-30 e-SkyActiv R-EV compatibel met standaardladers en snelladers en kan hij zelfs tot 1.500 watt aan stroom leveren. Compatibel dus met éénfasige en driefasige wisselstroomladers (AC), alsook met DC-snelladers. Geschikt voor zowel Type 2- als CCS-aansluitingen. Aan een snellader wordt de 17,8 kWh-batterij in 25 minuten van 20% tot 80% herladen. Aan een driefasige AC-lader van 11 kW wordt de uitgeputte batterij in 50 minuten herladen, met 7,2 kW-wisselstroom in anderhalf uur. Aan de huishoudstekker (éénfasig 16 A) duurt het 8,5 uur.
De e-motor (PSM) is goed voor een maximumvermogen van 125 kW (170 pk) bij 9.000 tpm en een koppel van 260 Nm bij 4.481 tpm. De motorbehuizing kon compact gehouden worden wegens vloeistofgekoeld. Deze compacte e-motor gecombineerd met een 17,8 kW-lithiumionbatterij en een benzinetank van 50 liter biedt de MX-30 e-SkyActiv R-EV een zuiver elektrisch rijbereik van 85 km met daar bovenop het perspectief om aan boord stroom te genereren met een soepel zoemende wankelmotor.
Elektrisch rijden dus, met de niet te onderschatten mogelijkheid om het daaraan nog altijd eigen zijnde ‘range anxiety’ uit de wereld te helpen ...
