Allt om tekniken med fria ventiler från FreeValve och Koenigsegg

Premium I lilla Ängelholm, bredvid Koenigsegg, har det tagits stora kliv i den motortekniska utvecklingen. Fria ventiler är lika stort som när insprutningen ersatte förgasarna.

Allt om tekniken med fria ventiler från FreeValve och Koenigsegg
Det här har bilindustrin letat efter i ett sekel. Och inte funnit. Förrän nu. Nu finns de fria ventilerna, i Ängelholm.

Försöken att skapa fria ventiler påminner lite om jakten efter den heliga graal. Ända sedan bilismens barndom har ingenjörer sökt efter en teknisk lösning för att lyfta och stänga insugs- och avgasventiler helt fritt – utan kamaxel.

Den som kan styra ventilerna fritt kan nämligen skapa en motor med helt magiska egenskaper, mycket starkare och effektivare än konventionella förbränningsmotorer.

Men precis som med den heliga graal har de fria ventilerna gäckat alla och försöken har kantats av ideliga besvikelser.

Tills nu.

I ett trångbott utvecklingskontor i Ängelholm, vägg i vägg med Koenigsegg Automotives sportbilsfabrik, står "den heliga graal" och väntar på serieproduktion. Svenska FreeValve AB har skapat fungerande fria ventiler och för några månader sedan presenterades den kinesiska biltillverkaren Qoros som första kund.

Qoros utvecklar ihop med FreeValve en 1,6-liters bensinmotor med fria ventiler. Motorn ger 230 hk och 320 Nm med en förbrukning som ligger minst 14 procent under en konventionell turbomotor. Det blir väsentligt lägre avgasutsläpp tack vare de fria ventilerna och motorn har inte problem med partikelutsläpp som direktinsprutade motorer.

Bäst av allt: i massproduktion blir motorer med fria ventiler inte dyrare än dagens kamaxelmotorer. Snarare billigare, om man jämför med motsvarande effektnivåer. Qoros motor beräknas vara marknadsklar om cirka tre år.

Kombinationen av orden "bättre + billigare" får räknenissar inom bilindustrin att tända på alla cylindrar. Det är just den heliga graal man söker för att kunna klara framtidens avgas- och förbrukningskrav. Och den tillverkare som kan erbjuda de bästa och mest prisvärda bilmodellerna får alltid ett övertag i den mördande konkurrens som råder.

Illustrationen visar hur kompakta ventilerna är, höjden på motorn kan sänkas med cirka fem centimeter. Även längden på motorn blir kortare, då det inte behövs någon kamaxeldrivning. Illustration: FreeValve.

FreeValve AB får sitt genombrott

Vi besöker FreeValve AB i Ängelholm några månader efter att nyheten om fria ventiler briserade på Beijing Motor Show. Företagets vd och grundare Urban Carlson kan inte annat än le åt uppståndelsen:

"Vi har fått många förfrågningar från biltillverkare", berättar Urban. "Det saknas inte intresse, snarare är det svårt för oss att hinna med alla."

Urban Carlson startade företaget Cargine Engineering AB i början av 2000-talet med motorforskaren Anders Höglund som teknisk auktoritet. Senare bytte man namn till FreeValve AB och är idag ett systerbolag till Koenigsegg Automotive. De senaste fyra åren har FreeValve vuxit från två till nio personer och de närmaste åren räknar man med att växa ytterligare.

Vad är det då som några få kluriga, svenska ingenjörer hittat på som ingen av de globala jättarna lyckats med trots stora satsningar?

"Det är inte bara en uppfinning, ett patent, utan ett helt system", berättar Urban Carlson. "Och det är en styrka att vi inte behöver förlita oss på en komponent, det skyddar mot patentintrång samt är svårare för andra att skapa helhetslösningen som krävs för ett väl fungerande system. Totalt är det ett tjugotal patent."

Att använda tryckluft – eller pneumatik som det också kallas – för ventilsystem är inte nytt. De flesta känner nog till att högvarviga motorer i Formel 1 använt pneumatik, men det var inte fria ventiler utan där ersatte man ventilfjädrarna med tryckluft. F1-ventilerna styrdes fortfarande av en kamaxel.
Att öppna och stänga ventiler med pneumatik är fullt möjligt men inte effektivt eller särskilt lätt att kontrollera då luft är komprimerbart.

Det riktigt smarta som Anders Höglund, Urban Carlson och kollegerna klurade ut var att kombinera både pneumatik och hydraulik. Luft är komprimerbart men oljan är "stum", snilleblixten blev att öppna och stänga ventilerna med tryckluft men låsningen av ventilen mot ventilsätet och i öppet läge sker med hydraulik.

Dessutom kom ingenjörsteamet på en annan sak som skulle förändra allt. Att öppna och stänga ventiler med tryckluft innebär traditionellt att ha fullt tryck hela vägen, från stängd till öppen och tillbaka igen. Man kan jämföra med att sätta axeln mot en trög dörr och mödosamt skjuta upp den. Det kräver mycket kraft.

Istället valde man att rikta en hård spark mot låset och sedan låta kraften i slaget slunga upp dörren på vid gavel. Ventilen får alltså en "spark" av tryckluft precis i början av rörelsen, sedan låter man luften expandera. Allt inräknat försvann 90 procent av energiförbrukningen i ventilarbetet – heureka!

Att dra runt en kamaxel och öppna de hårt spända ventilfjädrarna i en konventionell motor är inte gratis. Ventilfjädrarnas styrka måste dimensioneras för maximalt motorvarvtal, men på lägre varvtal är egentligen fjädrarna onödigt hårda och "stjäl" energi.

En av flera finesser med FreeValve-tekniken är att kraften för att öppna och stänga ventilerna kan anpassas exakt efter behovet. På låga och medelhöga varvtal tar därför de fria ventilerna mindre energi från motorn än vanliga ventilfjädrar. På höga varvtal vänder det och då behöver de fria ventilerna något mer energi än en konventionell kamaxel. Men den absoluta majoriteten av körningen i en personbil sker på rätt måttliga varvtal och då sparar de fria ventilerna bränsle.

Utvecklingen av de fria ventilerna hos FreeValve har alltså tagit många år. Steg för steg har tekniken blivit allt bättre och idag är man framme vid den sjätte generationen av "actuator" som ventilöppnaren heter på engelska. Hela konceptet har döpts till "Pneumatic-Hydraulic-Electric-Actuator", PHEA.

Anders Höglund, till vänster, och Urban Carlson har jobbat ihop med avancerad motorutveckling i närmare 20 år. Om tre år kan den första bilen med fria ventiler vara ute på marknaden. Foto: Steven Wade/Koenigsegg

En av FreeValves första samarbetspartners var Saab Automobile. Samarbetet med Saab kom ganska långt och under flera år hade man två ombyggda Saab 9-5 som kördes med fria ventiler.

"För att skapa tryckluft använde vi oss av en vanlig kompressor som man har till luftkonditioneringen", berättar Anders Höglund. "Vi körde året runt med de här bilarna och de fungerade mycket väl. Kondens och is kan uppstå på vintern men det påverkade inte de fria ventilerna."

Det som väntar närmast för FreeValve är att hjälpa Qoros med utvecklingen av deras motor, som förhoppningsvis kan finnas på marknaden om tre år. Parallellt med det samarbetar man redan med andra företag inom bilindustrin som kan leda till seriefärdiga motorer. FreeValve samarbetar också med en "större, europeisk lastbilstillverkare", men Urban Carlson vill inte vara mer noggrann än så.

För att bilindustrins ingenjörer ska kunna utveckla sina egna motorprojekt med de fria ventilerna krävs det också verktyg som exempelvis datorprogram och simuleringsprogram. Även detta är stora arbetsuppgifter som behöver utföras av FreeValve, som kräver en större och större arbetsstyrka ju fler kunder man får.
De närmaste åren blir mycket spännande och när tekniken når ut till andra biltillverkare kan det bli en teknisk revolution, spår Anders Höglund:

"Framför allt ger våra fria ventiler möjlighet att uppnå väsentligt lägre avgasutsläpp, inte minst vid kallstart. Snabb uppvärmning av katalysatorn är också mycket viktigt."

"Tittar vi tillbaka i historien har de stora, tekniska förbättringarna lett till en anpassad lagstiftning. När bränsleinsprutning och katalysatorrening kom på bred front skärptes myndigheternas avgaskrav. Det gick helt enkelt inte att klara kraven utan den tekniken."

"För FreeValve kan det vara mycket gynnsamt. När motorer med våra fria ventiler visar sig vara överlägsna avgasmässigt ställs det hårdare krav på emissionsvärdena", säger Anders Höglund avslutande och lägger till leende: "Och det vore ju en trevlig tanke att alla biltillverkare blir 'tvungna' att använda våra ventiler."

Christian von Koenigsegg har stöttat arbetet med fria ventiler i 16 år. "Bilindustrin är trögrörlig", konstaterar han, "men nu är vi äntligen framme vid målet." Bakom Christian står den Regera som ska krocktestas, den andra bilen man byggt. Till höger skymtar början på Regera nummer tre. Foto: auto motor & sport

Intervju med Christian von Koenigsegg

Christian von Koenigsegg är vd och grundare av Koenigsegg Automotive.

Berätta om arbetet med de fria ventilerna.

"Vi har hållit på i 16 år. Det har varit otroligt svårt att övertyga bilindustrin om att det är möjligt att skapa fria ventiler. Men vi visste att vi hade en fundamentalt bra idé, därför fortsatte vi. Nu har motståndet släppt, många är intresserade."

Att skapa fria ventiler är ju ingen ny idé?

"Nej, Bosch och Valeo har till exempel satsat enorma summor för att lyckas. Valeo med elektromagneter som blev stora, varma och för dyra. Bosch hade en idé med enbart hydraulik men det blev dyrt, bullrigt och ineffektivt."

Men det var ett litet företag i Ängelholm som lyckades.

"Precis. Vi har en lösning med vanliga material, normala toleranser, motorolja och tryckluft. Enkelt och funktionellt."

Varför lyckas ni som är så små?

"Stora företag är inte drivna av innovation, de är fokuserade på massproduktion. Vi är små, men lättrörliga och snabba. Många av de bästa idéerna har kommit från en ensam individ."

Finns det nackdelar med de fria ventilerna?

"Inledningsvis blir komponenterna lite dyrare än ventiler och kamaxlar. Men massproduktionen kommer att ändra på det. Och sedan kan vi reducera antalet delar till motorn, inget trottelhus, ingen wastegate och mindre behov av avgasrening. Det drar ner totalkostnaden."

Hur ser du på de kommersiella möjligheterna?

"De är enorma! Även om elbilarna tar marknadsandelar produceras det många tiotals miljoner bilmotorer varje år. Det blir över en miljard ventiler och då förstår man att det är en mycket intressant marknad. Utökar du sedan med lastbilar, bussar, fritidsmotorer, flyg, och så vidare, då pratar vi två miljarder ventiler per år."

Finns det andra med liknande teknik?

"Så vitt vi vet finns det inget annat företag som har en kommersiellt gångbar lösning."

Ser du några speciella utmaningar?

"Det är alltid utmanande att bryta trender och ta ny teknik till massproduktion i en konservativ bransch. Bortsett från det är de tekniska utmaningarna inom FreeValve förvånansvärt små i dag. Men det är väl kanske inte så konstigt efter 16 års hårt arbete."

Både Koenigsegg Automotive och FreeValve växer snabbt.

"Vi har gått från 65 till 110 anställda på ett år, ökat omsättningen med 30 procent i år. FreeValve är nio idag men jag skulle tro att de blir 15–20 om några år. Just i dagarna skrev vi kontrakt på att ta ett våningsplan till i den här byggnaden, där finns ytterligare 45 kontor. De behövs."

Hur har utbytet varit mellan Koenigsegg och FreeValve?

"Vi har hjälpt till med finansiärer, entreprenörskap och marknadsföring. Själv har jag även varit inblandad i den tekniska utvecklingen till viss del. FreeValve och framför allt Anders Höglund har en otrolig kompetens när det gäller förbränningsteknik. Anders kan lukta sig till en bra förbränning, han har det i blodet och har varit ett mycket bra bollplank för våra motoridéer på Koenigsegg."

Hur kommer det sig att Koenigsegg inte använder fria ventiler på sin V8-motor?

"För att det inte behövts ännu. Vi har uppnått de effektnivåer vi sökt med "vanlig" teknik samt passerat alla emissionskrav i världen. I One:1 levererar vi 1 360 hk ur 5,0 liter, det är 272 hk/liter. Det finns ingen annan motor i världen som är lika kompakt och effekttät. Men det är klart att FreeValve ger oss ännu lägre emissioner, förbrukning, storlek och vikt, samt mer effekt och vridmoment – så varför inte…"

Så det kan bli fria ventiler i framtiden?

"Det kanske ser lite konstigt ut om vi tar fram tekniken men inte använder den själva, det håller jag med om. När vi väl bestämmer oss går det snabbt, jag tror att vi kan ha en sådan motor klar på ett år eller så. Så Qoros blir kanske inte först, haha!"

FreeValve AB ligger vägg-i-vägg med Koenigsegg Automotive AB, i Ängelholm. De två företagen utbyter kompetens och kontaktnät. Foto/copyright: auto motor & sport

FreeValve-tekniken ger en kompakt motor, lägre och kortare, jämfört med konventionell ventilteknik.

Så fungerar FreeValves fria ventiler

• Ventilens öppning och stängning inleds med en tryckstöt av komprimerad luft. När rätt lyfthöjd uppnåtts blir ventilen "låst" av hydraulik. Samma sak när ventilen stängts. Det är kombinationen av pneumatik och hydraulik som gör FreeValves fria ventiler unika.

Lyfthöjden på ventilerna kan varieras efter behov, från tre till tretton ­millimeter.

Ventilerna kan öppnas och stängas mycket snabbt, betydligt snabbare än med konventionell teknik. Det är speciellt viktigt vid låga motorvarvtal, för att få små pumpförluster.

Öppningstiderna är förstås helt fria, så länge ventilerna inte slår i kolven.

• FreeValve har utvecklat en egen rörelsesensor som mäter ventilernas position. Mätningen är extremt snabb, 100.000 gånger per sekund med en noggrannhet på 0,1 millimeter.

• Varje förbränningsrum har fyra ventiler, två insug och två avgas. Vid låga motorvarvtal används bara en insugsventil för att få snabbare och effektivare luftström.

• Eftersom insugsventilerna kan styras och stängas efter behov behövs det inget gasspjäll. Det minskar kostnaden.

Hydrauloljan som används är vanlig motorolja, arbetstrycket är 5–15 bar.

Det pneumatiska systemet arbetar också med "normala" tryck, typiskt runt 5–7 bar.

• Kompressionsförhållandet i Qoros-motorn är 12:1, ovanligt högt för en turbomotor. Med vidare utvecklingsarbete hoppas man kunna höja kompressionen och därmed få en ännu effektivare motor.

• FreeValve-tekniken har en inbyggd hydraulisk "bromskudde" som gör att ventilen landar mjukt mot ventilsätet. Det minskar ventilslammer.

• FreeValve-ventilerna har en övertrycksventil för hydraulsystemets låsning. Skulle något gå fel och kolven slår i ventilen släpper hydraultrycket och ventilen kan stängas. Ett ventilfel behöver alltså inte leda till ett totalras av motorn, även om det blir en rätt brutal stängning som kan ge små märken i kolvarna.

• FreeValve-ventilerna har en livslängd som är lika lång eller längre än för motorn i övrigt. Konstruktionen är relativt enkel, innehåller vanliga material och är lätt att serieproducera. Varken temperaturer eller tryck är speciellt höga.

Så här ser de fria ventilerna ut, som en demonstrationsmodell. Vi ser "actuatorn" till höger, och ventilen med sin ventilstyrning till vänster. Spolen, som ser mässingsgul ut, är lägesgivaren. Foto: auto motor & sport

Kinesiska Qoros är första, officiella "kunden" till FreeValve AB i Ängelholm. Motorn beräknas vara klar att lanseras om ungefär tre år. Foto: auto motor & sport

Fördelarna med fria ventiler

• Eftersom en FreeValve-motor inte använder gasspjäll blir det inga pumpförluster vid dellast. En vanlig bensinmotor måste "dra" luften förbi det nästan stängda trottelspjället. Vid lägre effektbehov går därför FreeValve-motorn mycket mer effektivt jämfört med en konventionell bensinmotor, ungefär som en dieselmotor.

• Varje cylinder har två avgasventiler och deras avgasportar delas upp. Exempelvis en till turboaggregatet och en som går direkt till katalysatorn, eller till EGR-kylaren (avgasrecirkulation). Avgasflödet till turbon kan därmed styras till rätt nivå utan wastegateventil, vilket minskar kostnaderna.

Vid kallstart startar en fyrcylindrig FreeValve-motor på två cylindrar, eftersom det blir effektivare att belasta färre cylindrar med ett större arbete. Temperaturen stiger snabbt (hälften så stora ytor att värma upp), vilket gör att katalysatorn "tänder" snabbare.

• Vid varvtal upp till cirka 2.500 rpm kan en motor med FreeValve-teknik köras som en tvåtaktsmotor (utan nackdelar som dåliga emissioner). Det kan utnyttjas för att till exempel få en trecylindrig motor att gå jämnt och fint vid lägre varvtal (den körs då som "sexcylindrig").

• När det gäller verkningsgrad kan en bensinmotor med FreeValve-teknik jämföras med en dieselmotor. Men dieselmotorn är kanske 10.000–20.000 kronor dyrare och betydligt tyngre.

• En av de stora fördelarna med FreeValve-tekniken är att en bensinmotor får lika bra verkningsgrad som en dieselmotor, men utan dyrbara problem för att rena avgaserna. En bensinmotor går också mjukare och tystare än en dieselmotor.

• FreeValve är främst tänkt för bensinmotorer, men kan användas på alla typer av motorer. En dieselmotor kan öka sin verkningsgrad med ett par procentenheter, vilket kostnadsmässigt skulle kunna vara motiverat på exempelvis lastbilsmotorer och fartygsmotorer.

• Motorer med FreeValve-teknik kan uppnå mycket bra verkningsgrad även med portinsprutning. Många moderna bensinmotorer har direktinsprutning för att höja verkningsgraden men då får man problem med höga partikelnivåer, vilket kan kräva ett extra (dyrbart) partikelfilter.

• FreeValve-tekniken innebär att motorn slipper skrymmande kamaxlar och ventilmekanism. Det sänker höjden på motorn med cirka fem centimeter och förkortar den också på längden (eftersom ingen kamaxeldrivning behövs).

• Färre komponenter och mindre mått gör att vikten kan minskas med cirka 20 kilo på Qoros-motorn med FreeValve-teknik, jämfört med en konventionell Qorosmotor.

• Med fria ventiler är det mycket enkelt att deaktivera hälften av cylindrarna. Det går också snabbt att skifta mellan de olika cylindrarna, vilket gör att man kan bibehålla värmen i alla förbränningsrum.

• Ett variabelt kompressionsförhållande vore önskvärt men fria ventiler är på sätt och vis ett sätt att komma "halvvägs". Det statiska kompressionsförhållandet är samma men det dynamiska förbränningstrycket går att variera upp och ner med hjälp av stängningstiderna på ventilerna.

• Uppdelningen av avgasportarna med hjälp av FreeValve-tekniken gör att mottrycket i avgassystemet minskar. Det gör att motorn blir effektivare då man kan använda ena avgasporten till att "spola rent" samtidigt som den andra matar turbon.

Ljudnivån är ungefär likvärdig vid lägre varv, men bullret från ventilmekanismen sjunker med FreeValve vid högre varvtal jämfört med konventionell ventilmekanism.

Med FreeValve-tekniken sparar man både utrymme och vikt i motorkonstruktionen. Det ger nya möjligheter för konstruktörerna. Små motorer kan exempelvis användas för att ge bilar ett bättre kupéutrymme och bättre krockegenskaper.

• Genom att öppna avgasportarna som leder till turboaggregatet tidigt kan motorn få en snabbare gasrespons. Genom att tillfälligt rika upp bränslet får man också bättre respons.

Både Christian von Koenigsegg (till vänster) och FreeValves vd Urban Carlson är mycket hoppfulla inför samarbetet med kinesiska Qoros Auto, den första officiella kunden.

Som vi ser blir topplocket lite annorlunda, när kamaxel och mekanism för ventilöppningen inte behövs. Varje ventil öppnas och stängs med hjälp av sitt eget "styrdon". Det innebär bland annat att man enkelt kan skapa cylinderdeaktivering (stänga av två cylindrar) och anpassa ventiltiderna efter effektbehov.

Så här ser den ut, den "fria ventilen". Anslutningarna är för oljetryck, lufttryck och elektronik. Foto: auto motor & sport

Håll dig uppdaterad med nyhetsbrevet!

Missa ingenting! Prenumerera på vårt nyhetsbrev.

Fria ventiler verkar verkligen intressant. Det skulle jag vilja ha i min nästa bil!
189
3