De Vrije-zuigermotor

Vele decennia was het de droom van een heel leger uitvinders: de bouw van een verbrandingsmotor met een "vrije zuiger' die vermogen afgeeft zonder van die ongelukkige combinatie van drijfstang en krukas gebruik te maken, een verbrandingsmotor dus zonder draaiende delen. Niet te tellen is het aantal oplossingen dat in de loop van de jaren voor het probleem gevonden is.

Maar zeldzaam waren de oplossingen die het verder brachten dan de tekentafel en op den duur zijn alle ontwerpen een schone dood gestorven. Technici van het Bredase ingenieursbureau Innas ontwierpen en bouwden twee storingsvrij werkende prototypen van een "vrije-zuigeraggregaat' dat een goede kans heeft voor het eerst op grote schaal te worden geproduceerd. Geraadpleegde deskundigen tonen zich zonder uitzondering enthousiast en onder de indruk. Volvo en Daf Bus laten weten "zeer geïnteresseerd' te zijn.

Beweren dat het "vrije-zuigeraggregaat' van Innas geluidloos zijn werk doet zou niet juist zijn. Zelfs als de zware deur van de geluiddichte cel in de hal waar de machine staat opgesteld is dichtgetrokken en de zuigerfrequentie door een simpele draai aan een knop tot een indrukwekkend lage frequentie is teruggebracht maakt hij een normale conversatie onmogelijk.

Ir. Peter Achten, die een lange technische uiteenzetting met de lawaaiigedemonstratie afrondt, trekt er een I couldn't care less-gezicht bij. Hij hoort het kabaal niet meer of wil het niet meer horen. In het uitputtende meet- en optimaliseringsprogramma dat hij samen met de geestelijke vader van de machine, ir. Theo Potma, doorliep heeft geluidsproduktie nog geen aandacht gekregen. Ter wille van het research-gemak draait de machine zonder noemenswaardige demping. De verwachting is dat het aggregaat juist minder geluid zal produceren dan de dieselhydraulische motor die hij kan vervangen. Het zal geen moeite kosten hem trillingvrij op te hangen.

Het Innas vrije-zuigeraggregaat blijkt een aangenaam naar olie geurende compacte machine waaraan bitter weinig is te zien. Zeker geen bewegende delen. Het opwindendste is nog het beeld dat de computermonitor van de zuigerbeweging geeft. Vrije zuigerbewegingen blijken erg op zichzelf te staan en niet te vergelijken met de gladde sinusbeweging die men van de zuiger in een krukasmotor kent.

Geluidsmetingen en levensduurproeven: dat is zo'n beetje het enige waaraan de lopende machine, het tweede werkende prototype dat Innas bouwde, niet werd onderworpen. Ruim vier jaar lang is door gemiddeld vier personen gemeten aan trillingen, emissies, rendementen, regelbaarheid en responsie-snelheid. Daarmee is komen vast te staan dat het aggregaat de gebruikelijke dieselhydraulische aandrijving in heftrucks, laadschoppen ("shovels' zeggen ze op de televisie), veeg- en vuilniswagens en stadbussen met veel profijt zou kunnen vervangen. De stelling is dat het Innas-aggregaat aanmerkelijk zuiniger en schoner is dan de aandrijvingen die hij vervangen kan en bovendien maar de helft van de ruimte zal innemen. Daarbij komen een grote flexibiliteit in de besturing en lage aanschaf- en onderhoudskosten.

De hydraulische vrije-zuigermotor van Innas is het afscheid van de explosiemotor die zijn verbrandingsenergie via zuiger en drijfstang op een krukas overbrengt en daarbij van een translatie op een rotatie overgaat. In het vrije-zuiger-aggregaat komt alleen een translatie (heen-en-weergaande beweging) voor en het is dus de simpele tegenhanger van de gecompliceerde Wankelmotor die alleen rotaties overhield.

De Innas-motor is in essentie een zeer voor de hand liggende verkleining van een zogeheten dieselhydraulisch aggregaat. Zo'n aggregaat, aan te treffen in de genoemde heftrucks, laadschoppen en andere mobiele werktuigen, bestaat uit een combinatie van een dieselmotor en een hydraulische pomp die door de dieselmotor wordt aangedreven. De dieselmotor brengt de as van de pomp aan het draaien en binnen de pomp gaat vervolgens een zuiger heen-en-weer die, met een stel kleppen, een drukverschil in een oliecircuit in stand houdt. Met dat drukverschil kan bij voorbeeld een hydromotor worden aangedreven.

In de bestaande dieselhydraulische aandrijving wordt dus een translatie omgezet in een rotatie en die weer in een translatie. Al vóór de laatste wereldoorlog is ingezien dat het mogelijk moest zijn om het bij de translatie van één zuiger te laten: dat de heen-en-weer gaande beweging van de zuiger in de dieselmotor ook rechtstreeks was over te dragen op de zuiger van de hydraulische pomp, dat dus die twee zuigers gekoppeld konden worden. Dat is precies wat op het bijgaande schema te zien is: het linker deel van het Innas-aggregaat toont een tweetact dieselmotor waarin een gewone aluminium zuiger heen en weer beweegt alsof er niets aan de hand is. Maar in plaats van een scharnierende drijfstang bezit de zuiger aan zijn "onderkant' (rechts) een lange cilindrische uitloper die zelf weer als zuiger dienst doet in twee andere cilinders: de compressiecilinder en rechts daarvan de arbeidscilinder.

Die arbeidscilinder is, met zijn deel van de versmalde zuigersteel, in feite een gewone hydraulische pomp die dankzij kleppen een drukverschil in stand houdt tussen twee olie-opslagvaten: een hoge-druk accumulator waarin afhankelijk van de toepassing een druk van 60 tot 300 bar heerst en een lage-druk accumulator met een druk van 5 à 20 bar. (Drukopbouw in de vaten is mogelijk dankzij een hoeveelheid stikstof die zich achter een zware membraan bevindt.)

Tamelijk conventioneel is ook het dieselgedeelte, al noemt Achten het gekozen directe inspuitsysteem, dat door het ontbreken van een nokkenas natuurlijk ook elektronisch bestuurd wordt, zeer geavanceerd. ""Het inspuitmoment kan heel precies gekozen worden.''

De crux van het vrije-zuigeraggregaat schuilt in de middelste cilinder, de compressiecilinder die de getrapte zuiger na zijn arbeidsslag (volgend op de verbranding van de dieselolie) weer terug moet brengen naar zijn "bovenste dode punt' (hier: links) en die dus de rol van het klassieke vliegwiel vervult. De regeling van de zogeheten compressieslag komt van een afzonderlijk oliecircuit dat een eigen buffervoorraad olie heeft in een kleine compressie-accumulator (met een druk van zo'n 150 bar). Op het gewenste moment wordt van daaruit zoveel olie onder de zuiger in de compressiecilinder gebracht dat deze naar zijn bovenste dode punt beweegt. Omdat de zuiger in het laatste prototype een maximale slagfrequentie heeft van ruim 35 hertz zijn daarvoor zeer snelle en voldoende lekvrije elektronisch bestuurde kleppen nodig. Pas sinds een paar jaar zijn die er, men vindt ze in moderne ABS-systemen en in actief gestuurde schokdempers.

De besturing van de "losse' zuiger, die immers in principe op elke moment elke positie tussen zijn uiterste linker en rechter stand kan innemen, is het fundamentele probleem van de hydraulische vrije-zuigermotor. Innas vond de oplossing, zoals in deze tijd te verwachten is, in het gebruik van besturingselektronica die informatie over de stand van zaken in de motor ontvangt van drie binaire sensors die de positie van de zuiger aangeven en twee druksensors die de druk meten in de compressie- en de hoge-druk accumulator.

Snelle hydrauliek en betrouwbare besturingselektronica, daarvan moet het Innas vrije zuiger aggregaat het hebben. En bovendien van de bijzondere wijze waarop het "toerental' van de motor wordt geregeld, de zogenoemde pulse pause modulation. De slagfrequentie van de zuiger wordt veranderd door de zuiger korter of langer in zijn onderste dode punt vast te houden. Dat betekent dat de slag van de zuiger ongeacht het "toerental' volgens hetzelfde patroon verloopt.

Aan het feit dat de zuiger van een langzaam lopende vrije zuiger motor (anders dan die van een klassieke krukasmotor) ook altijd maar heel kort in zijn bovenste dode punt verblijft, wat warmteverlies en gaslek tot een minimum beperkt, dankt het Innas-ontwerp een deel van zijn gunstige rendement. Daar komt bij dat de verbranding in de verbrandingscilinder nog belangrijk is te optimaliseren want een van de wonderlijkste eigenschappen van het Innas-aggregaat is dat de compressieverhouding van de dieselmotor aan de omstandigheden is aan te passen. Voor een deel blijkt dat trouwens spontaan te gebeuren, een motor die in warme toestand een compressieverhouding van 16 à 17 heeft blijkt bij de koude start vanzelf een verhouding van 23 à 24 in te stellen. Dat vergemakkelijkt de start aanzienlijk.

Al met al wordt het rendement van de dieselmotor binnen het aggregaat op 50 procent geschat, terwijl die in de gewone dieselhydraulische aggregaten ongeveer 45 procent is. Het ontbreken van de mechanische tussenstap tussen dieselmotor en hydraulische pomp (waarin ruwweg 10 procent verlies optreedt) is natuurlijk evenzeer van belang. Het maximale overall-rendement van een klassiek dieselhydraulisch aggregaat wordt op 36 procent geschat, dat van het Innas-aggregaat op 45 procent. Tussen de gemiddelde gebruiksrendementen zouden de verschillen nog groter kunnen zijn.

Tot nu toe zijn twee werkende prototypes van het Innas-aggregaat gebouwd, het tweede "preproduktie-prototype' kwam dit jaar gereed en bleek al een aanzienlijke verbetering van het eerste type. De maximale slagfrequentie van de zuiger (bepalend voor het debiet van de hydraulische pomp) werd opgevoerd van 23 naar 35 hertz, het hydraulisch rendement ging van 60 naar 90 procent (door beperking van lek- en stromingsverliezen) en het verbruik van randapparatuur verminderde van 7,5 naar 5 kW. Aan het nu nog bescheiden spoelrendement (de mate waarin verbrandingsgassen door een vers brandstof-lucht mengsel worden vervangen), altijd een probleem in tweetact-motoren, wordt hard gewerkt. Het aantal sensoren kan misschien worden teruggebracht. Achten: “Het concept heeft heel veel ontwikkelingsruimte, er is nog erg veel te optimaliseren.”

Ter beschikking staat nu een goed werkend vrije zuiger aggregaat met een maximaal vermogen van 20 kW (27 pk) dat bijna half zo klein is als een conventioneel dieselhydraulisch aggregaat van gelijk vermogen. Uit de NOx-metingen van TNO (Apeldoorn) viel af te leiden dat de emissies van verbrandingsgassen beneden de toekomstige Euro III-norm zulen blijven. (Emissie van deeltjes is nog niet gemeten.)

Na de zorgvuldige radiostilte die Innas jarenlang in acht heeft genomen is het niet eenvoudig om een onafhankelijk oordeel over de vinding te krijgen. Wie de machine kent is in meerdere of mindere mate bij de ontwikkeling betrokken geweest. Dat neemt niet weg dat die betrokkenen stuk voor stuk enthousiast zijn. Ir. P. Boerstra, al zeven jaar voorzitter van de Novem-commissie die de bouw van het aggregaat begeleidt, noemt de ontwikkeling "heel perspectiefrijk'. ""Ik denk dat Nederland met Innas de toon aangeeft op het gebied van vrije zuigers.''

Ir. T. van der Does, directeur van het Projectbureau Warmte/Kracht en vroeger werkzaam bij Stork in Zwolle (dieselmotoren) en onlangs toegetreden tot de begeleidingscommissie: ""Aanvankelijk was ik zeer sceptisch want Stork heeft slechte ervaringen met vrije zuiger motoren maar hier zie ik technieken in gebruik waarmee de vicieuze cirkel wel eens doorbroken kan worden.''

Ir. W.A. Koumans, aangetrokken als adviseur (voorheen hoogleraar vervoerstechniek in Eindhoven en lid van de raad van bestuur van TNO) was zeer onder de indruk van het eerste prototype en is dat nog meer van het tweede. ""Ik heb het gevoel dat alle knelpunten van het vrije-zuiger principe nu onder de knie zijn. Ik heb stomverbaasd maar de machine staan kijken.''

Vijfentwintig jaar geleden vroeg - en kreeg - Theo Potma octrooi voor zijn idee van een vrije zuiger motor. Binnen het door hem opgerichte Centrum voor Energiebesparing (CE) in Delft onderzocht hij de haalbaarheid. Toen in plaats van een bureau en een tekentafel een werkplaats nodig werd werd daarvoor het bureau Innas opgericht waarin hij, samen met Peter Achten en aanzienlijke subsidie van de overheid en krediet van de Triodosbank, verder werkte aan het concept. Inmiddels zijn voor de voornaamste vindingen vier nieuwe octrooien aangevraagd. Deze zomer werd de BV Innas Free Piston Engine (IFP) opgericht om met het aggregaat "de markt op te gaan'. Novem vond het tijd dat een industriële partner gezocht werd.

Die stap valt Achten en Potma niet makkelijk, er is het Wankelsyndroom en het sombere voorbeeld van Van Doorne's Transmissie. Zoals Van der Does van PWK zegt: ""De ellende is dat het ontbreekt aan een industrieel klimaat in Nederland.''

Het Innas-aggregaat is zó simpel van ontwerp dat er zonder twijfel voldoende bedrijven in Nederland zijn te vinden die de motor kunnen produceren. Afgezien van zuiger en motorblok is hij bijna geheel uit bestaande produkten te assembleren. Het probleem is dat de gepolste producenten alleen tot produktie overgaan als er een stevige order is voor de afname van de machines. Potentiële afnemers als Daf Bus, Volvo en het Duitse Linde (heftruckfabrikant) willen pas bestellen als de produktie gegarandeerd is. Het jonge IFP aarzelt nog over de aard van de contracten die het met het bedrijfsleven wens te sluiten.

Hoopgevend is dat Daf Bus zich uitgesproken enthousiast toont over de nieuwe motor, die manager product planning G. Batterink ""zeer gewaagd en zeer innovatief'' noemt. ""Dit tart alles wat er de laatste tijd op het gebied van verbrandingsmotoren is bedacht.'' Het Zweedse Volvo Flygmotor volgt de ontwikkelingen nauwgezet, stuurde al viermaal een delegatie naar Breda en bood vèrgaande samenwerking aan. Nergens zou het Innas-aggregaat zó goed tot zijn recht komen als in stadsbussen die zijn uitgerust met Volvo's geruchtmakende Cumulo-systeem voor recuperatie van remenergie (dat ook Daf Bus zou kunnen kopen). Cumulo-bussen hebben een zware klassieke dieselhydraulische aandrijving die met veel profijt door een Innas-aggregaat te vervangen zou zijn.

Illustraties:

Foto: De proefopstelling van Innas

Tekeningen: Het toerental van een vrije-zuiger motor wordt anders geregeld dan dat van een drijfstangmotor. Verlaagt men het toerental van een drijfstangmotor dan neemt de verblijftijd van de zuiger in zijn bovenste dode punt toe waardoor ook de gaslek langs de zuiger stijgt. Een zeer lage frequentie, zoals 4,5 Herz, is met een kleine dieselmotor niet eens mogelijk.

De vrije-zuigermotor kent daarentegen geen minimale slagfrequentie. De slagfrequentie van de vrije-zuiger motor wordt bepaald door de zuiger langer in zijn onderste dode punt vast te houden. De verblijftijd in het bovenste dode punt blijft daarbij ongewijzigd kort. Interessant is ook dat het voor de motorkarakteristiek weinig uitmaakt of de motor met hoge of met lage frequentie loopt. Een aanloopperiode zoals bij een drijfstangmotor bestaat niet.

De vrije-zuigermotor ingebouwd in een laadschopwagen. (shovel)

1. Het aggregaat.

2. Afgifte van hydraulische druk.

3. Hydromotor voor voortbeweging.

4. Hydromotor voor besturing en hef

De zuiger van de vrije-zuigermotor gaat heen en weer. Hij kent niet de wringende krachten van een drijfstangmotor. De verwachting is dat de slijtage daardoor veel geringer zal zijn.