Succesnummer

De tussenbalans na zes decennia motorontwikkeling van de 911: een verdubbelde cilinderinhoud, een vier keer zo groot vermogen en een ongewijzigd basisconcept. “Het verbaast ons telkens weer dat we de zescilinder boxermotor keer op keer kunnen vergroten en upgraden”, zegt Thomas Krickelberg, hoofd Operating excellence van de serie 911/718. Binnenkort dus met een elektrische turbo voor nog meer vermogen en boost, en met een lagere emissie. Het is een geweldige basis die zelfs op de drempel van het zevende decennium nog steeds opnieuw kan worden geïnnoveerd.

Van begin af aan voldoet hij aan de strenge emissienormen. “Achteraf kun je stellen dat de turbo de hele wereld van de verbrandingsmotoren drastisch veranderd heeft,” aldus Krickelberg.

Turbomotoren zijn de droom van elke ingenieur, omdat ze energie uit hete uitlaatgassen gebruiken die anders zou worden verspild. De kern is de turbolader, bestaande uit een turbine- en een compressorwiel die met elkaar verbonden zijn. De turbine wordt aangedreven door de uitlaatgassen van de motor en bereikt een toerental van bijna 200.000/min. Het compressorwiel draait met dezelfde snelheid en voert gecomprimeerde lucht naar de cilinders. Deze extra verse lucht bevordert de verbranding en verhoogt op die manier de prestaties van de motor. Om de onderdelen van de motor niet te veel te belasten, moet de druk, die door de uitlaatgasstroom in de turbolader ontstaat, worden beperkt. Door een bypassklep, een zogenaamde wastegate, ontsnappen de uitlaatgassen als de inlaatdruk een bepaalde grens bereikt.

Meer vermogen door de intercooler

De Porsche-ingenieurs verfijnen het turboprincipe voortdurend door het steeds verder te ontwikkelen. Door de hoge temperaturen aan de kant van de turbine en de compressie van de lucht wordt die steeds warmer. Dat heeft een negatieve invloed op de vulling in de cilinder en de verbranding van de geïnjecteerde brandstof. Vanaf het modeljaar 1978 wordt de gecomprimeerde inlaatlucht op weg naar de verbrandingskamer gekoeld – in navolging van het succes in de racesport. De koeler is onder een rooster aan de imposante achterspoiler gemonteerd. Deze complexe intercooler zorgt voor een vermogenstoename tot 221 kW (300 pk) en een buitengewone motorelasticiteit.

Een ander probleem van de turbomotor dat samenhangt met het principe en waar men aanvankelijk maar moeilijk grip op kreeg, is de vertraagde respons bij het accelereren. Bij een lager toerental gedraagt de 911 Turbo zich bij het gas geven zoals zijn zwakkere tegenhanger met zuigermotor. Pas vanaf circa 3.500/min treedt de turbo opeens met een enorme boost in werking. “Dit zogenaamde turbogat moesten we sluiten voor een betere rijervaring”, legt ontwikkelaar Krickelberg uit.

Biturbo: een stormachtige ontwikkeling

Met de 911 Turbo (993) van de vierde generatie presenteert Porsche een oplossing. In het voorjaar van 1995 wordt de met 300 kW (408 pk) tot dan toe krachtigste serie-Porsche voorgesteld. De 3,6-liter-motor imponeert met voor het eerst twee turboladers en twee intercoolers. Twee kleinere turbo’s komen tijdens het accelereren sneller op gang dan een grote. Vooral het lagere traagheidsmoment van de kleinere rotors heeft een positief effect. “Om het vermogen veilig de openbare weg op te sturen”, vult Krickelberg aan, “kreeg de 993 Turbo standaard een verbeterde vierwielaandrijving.” Dankzij de innovaties op het gebied van motorregeling en sensoren, en een modern systeem voor de uitlaatgasnabehandeling is de turbo van de laatste luchtgekoelde 911-generatie de meest emissiearme, in serie gebouwde auto van zijn tijd.

Met waterkoeling de 21e eeuw in

Een “transfer naar de nieuwe technologie” noemt August Achleitner aan het einde van de jaren 90 de omschakeling van lucht- naar waterkoeling bij de zescilinder boxermotor van de vijfde 911-generatie (996). Achleitner is dan hoofd Technische productplanning en is van 2001 tot en met 2018 verantwoordelijk voor de 911. De waterkoeling is een voorwaarde voor nog meer vermogenstoename, het verlagen van het verbruik en om te kunnen voldoen aan uitlaatgas- en geluidsnormen. De Porsche-constructeurs ontwikkelen cilinderkoppen met vier kleppen per verbrandingskamer. “Er was bij de racewagen in 1970 al vooronderzoek aan het type 908 gedaan met een luchtgekoelde versie met vier kleppen voor de V12-motor, die later in de 917 moest worden toegepast. In de jaren 80 werd die gedachte vervolgens bij de serieontwikkeling van de 911 weer opgepakt en op het type 964 op de proefbank getest”, herinnert Albrecht Reustle zich. “Maar daarbij was de cilinderkop totaal gesmolten.” Weer komt de oplossing uit de racesport: het succesvolle langeafstandsprototype 962 rijdt al met watergekoelde cilinderkoppen, net als de supersportwagen 959. Alle discussies over het afscheid van de luchtkoeling ten spijt: het type 996 wordt een doorslaand succes.

“De turbolader heeft de wereld van de verbrandingsmotoren drastisch veranderd.”

Thomas Krickelberg

Turbo met variabele geometrie

In 2006 imponeert de 911 Turbo (type 997) met een aanmerkelijk betere performance: het vermogen en het koppel nemen met meer dan tien procent toe. Vooral dankzij een nieuwe en wereldwijd unieke technologie – de variabele turbogeometrie (VTG). De VTG zorgt voor een betere efficiency van de turbolader via een groter toerentalbereik van de motor, doordat de hoek en daarmee de diameter van de uitlaatgassen worden aangepast, terwijl ze naar de schoepen van de turbine toestromen. “De VTG-ontwikkeling was baanbrekend en is al bijna 20 jaar een onderscheidend kenmerk binnen de turbotechnologie van benzinemotoren”, legt Thomas Krickelberg uit. “Om de uitlaatgasstroom variabel op de turbo te richten, moeten de kleine schoepen bij temperaturen van meer dan 1.000 graden Celsius secuur kunnen worden versteld.” Daarvoor worden materialen gebruikt die ook in de spaceshuttle werden gebruikt.

Minder cilinderinhoud, meer vermogen en efficiency

Na de introductie van de waterkoeling en de VTG volgt in 2015 de volgende mijlpaal: de turbolader bij de basismodellen Carrera en Carrera S van de generatie 991. Krickelberg: “We hebben de cilinderinhoud verkleind en konden tegelijkertijd een aanzienlijk betere performance bereiken.” Door de nieuwe motorgeneratie met biturbo-lader werd aanvankelijk 20 pk meer vermogen gerealiseerd – bij een lager verbruik.

Sportieve hybridisering

Met de verbetering van de actuele 911-generatie (992) slaan de constructeurs in de zomer van 2024 nog een keer nieuwe wegen in als ze de zescilinder boxermotor (911 Carrera GTS: brandstofverbruik gecombineerd (WLTP) 11.0 – 10.5 l/100 km, CO₂-uitstoot gecombineerd (WLTP) 251 – 239 g/km, CO₂ class G , CO₂ class weighted combined G ) perfectioneren. De nieuwe 911 Carrera GTS is de eerste tot de openbare weg toegelaten ‘Elfer’ die met een zeer lichte performance-hybrid is uitgerust. De nieuw ontwikkelde motor zorgt niet alleen weer voor een aanzienlijk groter vermogen en een verbeterde acceleratie, maar bereidt de motor ook voor op toekomstige emissienormen. “We hebben diverse ideeën en methoden ontwikkeld en getest om uit te komen op een hybridesysteem dat haarfijn bij de 911 past. Er is gekozen voor een unieke motor die past in het totaalconcept van de 911 en zijn performance aanzienlijk verbeterd”, zegt Frank Moser, hoofd series 911 en 718.

Bij de technologie staat de elektrische uitlaatgasturbolader centraal. Tussen de door uitlaatgassen aangedreven turbo en de compressor zit een geïntegreerde elektromotor. Zijn functie: hij komt bij het accelereren bliksemsnel op een hoog toerental uit en bouwt zodoende onmiddellijk, zonder vertraging, een hoge laderdruk op. De turbolader krijgt door de kleine e-motor als het ware vleugels. “De technologie maakt net zo’n respons mogelijk als die van een zuigermotor”, aldus Matthias Hofstetter, projectleider Verbrandings- en hybridesysteem 911. “En de acceleratiewaarden zijn vergelijkbaar met die van onze 100% elektrische sportwagens.”

“De inzet van de turbo bij lagere toerentallen is sensationeel”, bevestigt Thomas Krickelberg. “Met de conventionele techniek zouden we nooit de beoogde performance-toename hebben kunnen realiseren en tegelijkertijd de emissienormen in acht hebben kunnen nemen.” Meerdere maatregelen leiden tot het gewenste resultaat. De cilinderinhoud groeit verder van 3,0 naar 3,6 liter, en tegelijkertijd heeft de verbrandingsmotor dankzij de elektromotor niet meer twee, maar slechts één turbolader nodig – terwijl ook de respons en de dynamiek verbeterd zijn.

Daar staat tegenover dat de accu profiteert van het systemische voordeel van de elektrisch ondersteunde lader: recuperatie door de terugwinning van de uitlaatgasenergie. De elektromotor in de uitlaatgasturbolader werkt ook als generator. Hij genereert daarbij maximaal 11 kW (15pk) elektrisch vermogen die hij uit de energie van de uitlaatgasstroom haalt.

Een principe dat zowel eenvoudig als fascinerend is. De elektromotor werkt als een toerentalregelaar. Zodra de inlaatdruk door te hoge toerentallen te groot wordt, remt hij de turbo af. Daardoor wordt elektriciteit opgewekt die weer wordt teruggeleverd aan de accu en de elektromotor. Dankzij de efficiënte recuperatie is de relatief kleine accu voldoende voor dagelijks gebruik, vooral doordat de celchemie speciaal op de hybrid-vereisten is afgestemd. “De techniek maakt het mogelijk dat de accu in korte tijd veel energie levert”, legt Hofstetter uit, “en relatief snel weer opgeladen wordt.”

Nog een voordeel van de e-turbolader: de bekende wastegate is overbodig. 
Dat maakt hem in deze vorm tot een wereldprimeur. “De energie die vroeger langs de turbine werd afgevoerd, verdween ongebruikt door de uitlaat”, aldus Hofstetter. “Nu ontstaat uit de drukregeling elektrische energie.” Dat heeft een positief effect op de werking van de motor en daardoor ook op het brandstofverbruik.

„De turbolader in combinatie met de hybridisering, de recuperatie, de wrijvingsreductie binnen in de motor, de geoptimaliseerde koeling en een optimale vormgeving van de verbrandingskamer”, vat motorontwerper Reustle samen, “vormen samen het recept om ook in de toekomst te voldoen aan de uitlaatgas- en emissienormen. Tegelijkertijd spelen we daarmee in op de behoefte aan meer performance en efficiency.” De realisatie van dit recept is volgens hem “een uitstekende teamprestatie van alle betrokkenen.”

De zescilinder boxermotor van de 911 blijft een compacte krachtpatser. Geheel in lijn met de innovatieve motor die Hans Mezger ooit voor de oer-‘Elfer’ ontwikkelde.