Als we denken aan de autotechnologie van de toekomst, denken we meestal aan alternatieve brandstoffen, of het nu gaat om waterstof of elektrische energie uit futuristische batterijen. Het blijkt dat de toekomst misschien wel een nieuwe vorm van interne verbranding is: de ‘vrije zuiger’-motor.
Deze technologie hervormt motoren radicaal en vervangt de krukas die normaal gesproken kracht van de zuigers overbrengt door een compressiekamer en een turbowaaier. Vrije-zuigermotoren bieden het potentieel van een radicaal verbeterde efficiëntie. Prototypevrije zuigermotoren zijn al 50 tot 60 procent efficiënter dan welke motor dan ook die momenteel in productie is – en er is potentieel voor nog veel meer.
Hoe werkt het?
Een vrije zuiger heeft grotendeels dezelfde componenten als elke verbrandingsmotor. Het belangrijkste verschil is hoe het de kracht van de verbranding opvangt.
Bij een standaardmotor worden brandstof en lucht in de compressiekamer geïnjecteerd en ontstoken. Deze verbranding drukt de zuiger naar beneden, die in verbinding staat met de krukas. Bij auto's wordt de energie van de roterende krukas via een transmissie naar de aandrijfwielen geleid.
Bij een vrije zuigermotor vindt de verbranding op dezelfde manier plaats, maar er is geen krukas. Op het eerste gezicht lijkt dit gek, omdat de zuigers gewoon in hun cilinders blijven rammelen. Maar dit is eigenlijk een geniale inslag – ja, die woordspeling bedoelde ik ook. Door twee cilinders horizontaal tegenover elkaar te plaatsen en ze tegelijkertijd tot ontploffing te brengen, comprimeren de zuigers de lucht daartussen. Deze lucht wordt door een compressor geleid die veel op een turbocompressor lijkt.
Hoewel het technisch mogelijk is om rechtstreeks vanuit deze turbine een as aan te drijven, wordt deze turbine in de praktijk optimaal benut om een elektrische generator aan te drijven.
Het idee voor zo'n motor bestaat al sinds 1807, maar de uitdagingen om de zuigers te laten vuren en... gelijktijdig bewegen hebben ontwerpers ervan weerhouden volledig te profiteren van de vrije zuigermotor … tot nu toe.
De voordelen
Dus, met deze uitdagingen, waarom zou je je dan nog druk maken? Nou ja, het heeft allemaal te maken met efficiëntie. Bij een standaard verbrandingsmotor gaat een groot deel van het vermogen verloren in de vorm van warmte en trillingen. Moderne benzinemotoren kunnen slechts 18 tot 25 procent van de potentiële energie van de brandstof die ze verbranden omzetten in bruikbare energie. De meest efficiënte benzinemotoren kunnen momenteel maar liefst 35 procent halen, maar dan nog alleen onder ideale omstandigheden.
Bij een standaard verbrandingsmotor gaat een groot deel van het vermogen verloren in de vorm van warmte en trillingen.
Het ontbreken van een krukas in het vrije zuigersysteem betekent dat er geen sprake is van de constante momentumveranderingen die de trillingen en wrijving veroorzaken die de efficiëntie aantasten. Deze voordelen zijn al twee eeuwen zichtbaar, maar met de precisie van de moderne technologie is er nog iets anders: variabele compressieverhoudingen.
Bij een krukas ter grootte van de verbrandingskamer ligt de bewegingslengte van de zuiger vast. In moderne, experimentele motoren met vrije zuigermotoren kunnen de grootte van de kamer en de lengte van de arbeidsslag in een handomdraai worden gevarieerd en veranderen van revolutie tot revolutie, waarbij de motormanagementeenheid de grootte van de verbrandingskamer afstemt op de ideale brandstoflucht mengsel.
Bovendien zou deze variabiliteit het mogelijk moeten maken dat vrije zuigermotoren op alles kunnen draaien, van waterstof tot aardgas. Het zou mij zelfs niet verbazen als een van deze motoren op single malt whisky zou draaien.
- 1. De controlekamer van het FKLG-laboratorium van het DLR Institute of Vehicle Concepts (bron: DLR)
- 2. Lege batterij? – De lineaire generator met vrije zuiger fungeert als bereikvergroter en levert de elektrische stroom die elektrische voertuigen nodig hebben (bron: DLR)
Al deze eigenschappen maken de vrije-zuigermotor ideaal als ingebouwde generator, en in die rol kan hij een revolutie teweegbrengen in het ontwerp van de aandrijflijn.
Serieus, wanneer kan ik er een krijgen?
Tot nu toe zijn er twee prototypes van vrije-zuigermotoren in de maak. De eerste komt, niet verrassend, van Duitse wetenschappers/duistere magiërs van het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum (DLR).
Hun prototype, genaamd de ‘Freikolbenlineargenerator’, waarvan ik niet zeker weet of dit het bewijs is dat Duitsers gevoel voor humor hebben of niet, bevindt zich nog in de beginfase van de ontwikkeling. Maar desondanks belooft hij het soort prestaties te leveren waar andere aandrijflijningenieurs alleen maar van kunnen dromen.
De motor van Toyota zou 15 pk kunnen genereren uit een pakket van twintig centimeter rond en zestig centimeter lang.
De Freikolbenlineargenerator maakt gebruik van cilinders die naar elkaar toe gericht zijn. Door deze zuigeroriëntatie is hij nog compacter dan typische vrije zuigermotoren. Dit maakt hem perfect voor gebruik als range extender.
Neem bijvoorbeeld de Chevrolet Volt. Het heeft batterijen en kan uitsluitend op elektriciteit werken. Maar als de batterijen leeg zijn, heeft hij een 1,4-liter benzinemotor die ze kan opladen en de auto zelf boven de 100 km/u kan voortstuwen. Dit werkt goed, maar helaas zijn zelfs gasmotoren met een kleine cilinderinhoud omvangrijk, zwaar en duur.
De Freikolbenlineargenerator kan hetzelfde werk doen, terwijl hij klein genoeg is om onder de vloer van een auto te monteren, wat ruimte bespaart voor andere dingen, zoals bijvoorbeeld boerenkool.
Maar een wondermotor op de werkbank van een Teutoonse gekke wetenschapper staat ver verwijderd van daadwerkelijke productie, toch?
Nou ja, Toyota is ook aan boord. Deze zomer kondigde de gigantische Japanse autofabrikant zijn eigen vrije zuigermotor of ‘lineaire generator’ aan. De Toyota-versie maakt gebruik van een enkele cilinder in plaats van een tegenovergesteld paar, en kan bij constant bedrijf een thermisch rendement van 42 procent bereiken voorwaarden. Dat is beter dan welke productiemotor dan ook kan bereiken – zelfs tijdelijk, onder optimale omstandigheden.
De motor van Toyota zou 15 pk kunnen genereren uit een pakket van twintig centimeter rond en zestig centimeter lang. Twee hiervan zouden waarschijnlijk meer dan genoeg zijn om de batterijen op te laden in een modern voertuig met grotere actieradius en enorme ruimte- en energiebesparingen. De Duitse technologie is geweldig, maar de motor van Toyota zou binnenkort in de Prius kunnen zitten.
Conclusie
Puur elektrisch – of mogelijk waterstof – is nog steeds vrijwel zeker de toekomstige energiebron voor auto’s op de lange termijn. Geen van deze technologieën is echter helemaal klaar. Elektrisch komt in de buurt, maar is nog steeds veel te duur voor de meeste Amerikaanse consumenten, om maar te zwijgen van letterlijk miljarden Chinese en Indiase consumenten die autobezit ambiëren.
Vrije zuigermotoren kunnen een cruciale brugtechnologie zijn die de efficiëntie van de interne verbranding dramatisch kan verbeteren. Ze hebben mogelijk ook een langere levensduur dan traditionele vormen van interne verbranding, dankzij hun vermogen om bijna alles wat brandbaar is te verbranden... Ik kijk naar jullie, olieachtige vodden.
Als industriegiganten als Toyota besluiten hun schouders onder de technologie te zetten, zou dit zeer binnenkort ook in productieauto’s kunnen gebeuren. Laten we hopen.
Aanbevelingen van de redactie
- De volgende Mercedes-AMG C63 zou de V8 kunnen verlaten voor hybride viercilinderkracht
