Kleppen dicht!

Twee uitvinders hebben de benzinemotor opnieuw bedacht. De prototypes draaien al. Warna Oosterbaan

SOms lijkt het wel of de dagen van de traditionele verbrandingsmotor zijn geteld. Te vuil, te veel CO2. Nee dan elektrische motoren! Die hebben pas toekomst! Maar dan blijkt telkens weer dat de mogelijkheden van de benzine- en de dieselmotor nog niet zijn uitgeput. De dwang om de uitstoot van CO2 te beteugelen heeft bij de automobielfabrikanten een grote creativiteit gemobiliseerd. Kleinere motoren met een hoog vermogen (‘downsizing’), benzinemotoren met dieselkarakteristieken (zoals directe inspuiting van de brandstof) en nieuwe smeermiddelen leiden allemaal tot enkele procenten efficiencyverbetering, en dus tot een lagere CO2-uitstoot.

Dat neemt niet weg dat het met het rendement van de doorsnee benzinemotor nog steeds droevig is gesteld: omstreeks 25 à 30 procent. Ruim tweederde van de energie die in de benzine zit wordt niet gebruikt voor de voortstuwing van de auto, maar wordt in nutteloze warmte omgezet.

Dat moet beter kunnen, en het ontbreekt daarom niet aan uitvinders die hun fundamenteel verbeterde versie van de benzinemotor aan de man proberen te brengen. Sommigen van hen zijn al heel ver: ze hebben een bedrijf gesticht, investeerders gevonden en rijdende prototypes gebouwd.

Maar de automobielindustrie is niet gemakkelijk tot iets revolutionairs te bewegen. De grote merken volgen liever de weg van de piecemeal engineering – marginale verbeteringen van bewezen constructies. De kansen voor het Australische bedrijf Revetec en het Amerikaanse Coates Engines moeten daarom niet al te hoog worden aangeslagen, maar interessant zijn hun ideeën wel.

RADICALE OPLOSSING

De Amerikaanse uitvinder George J. Coates ontwikkelde een radicale oplossing voor het kleppenmechanisme van de motor. In een traditionele verbrandingsmotor verloopt de aanvoer van brandbaar mengsel en de afvoer van de verbrandingsgassen langs kleppen die de vorm hebben van de citroenstamper in een glas tonic.

Die kleppen houden in ruststand met een sterke veer een opening in de cilinderkop dicht. Als ze open moeten gaan, worden ze tegen de veerdruk in een paar millimeter de verbrandingsruimte ingedrukt, en maken zo de opening even vrij. De gassen stromen langs de schotel van de klep de cilinder in of uit. Dit systeem is betrouwbaar, maar de stroming van de gassen verloopt verre van ideaal – de klepschotel zit ze in de weg – en voor het overwinnen van de veerdruk is nogal wat energie vereist.

Coates bedacht een systeem met kogelkleppen, waarin de in- en uitstromende gassen worden geleid door ovaalvormige stukken staal met een opening die in een holte in de cilinderkop ronddraaien.

De voordelen liggen voor de hand: minder onderdelen, een soepele, continue beweging, geen veerdruk die overwonnen moet worden en geen klepschotel die in de weg zit. Het systeem kan volgens Coates op bestaande motoren worden gemonteerd en hij claimt een rendement dat tot wel 40 procent kan oplopen.

Coates is niet de eerste die met roterende kleppen heeft geëxperimenteerd – het idee ligt nogal voor de hand. Maar eerdere pogingen strandden altijd op problemen rond de afdichting: de druk in de cilinder loopt vlak voor en tijdens de verbranding hoog op en het is moeilijk een ronde afsluiter én soepel én gasdicht te laten draaien. Een soortgelijk probleem speelde tijdens de ontwikkeling van de Wankelmotor.

SLIJTAGEPROBLEMEN

Coates zegt dat hij het probleem heeft opgelost met keramische afdichtingen. De grote Amerikaanse autofabrieken zijn al bij Coates op bezoek geweest, maar hebben tot dusverre lauw gereageerd. Het ligt voor de hand dat ze beducht zijn voor slijtageproblemen: hoe lang houdt die keramische afdichting stand? En hoe goed sluit die eigenlijk af? Eén voordeel van de traditionele klep is in ieder geval dat de druk in de cilinder ze juist met kracht in de klepzitting drukt, en een goede afdichting daardoor verzekerd is.

Voor een nog radicaler idee over de toekomst van de verbrandingsmotor moeten we naar Australië. Autotechnicus Brad Howell-Smith bedacht daar een oplossing voor een andere tekortkoming van de viertakt verbrandingsmotor: het feit dat de zuiger maar een keer per twee krukasomwentelingen een duw krijgt. Bij een tweetaktmotor is dat een keer per enkele omwenteling, maar een tweetaktmotor heeft grote nadelen: een hoog verbruik en vuile uitlaatgassen. Howell-Smith liet de krukas weg en zette de heen- en weergaande beweging van de zuigers op een nieuwe manier om in een draaiende beweging. Twee driehoekige schijven worden door twee als kogellager uitgevoerd duwpunten in een roterende beweging gebracht. Het is ondoenlijk om het op papier uit te leggen, maar de tekeningen of de animatie op de website van het door hem gestichte bedrijf Revetec maken veel duidelijk. De twee schijven worden door twee zuigers aangedreven die als in een boxermotor tegenover elkaar staan. Dat levert een gelijkmatigere krachtsontplooiing op. Bijkomend voordeel van deze constructie is dat de drijfstangen geen draaipunt in de zuiger hebben – de drijfstang vormt met de zuigers één star geheel. Dat betekent ook dat de zuigers niet voortdurend licht aan het ‘kantelen’ zijn en dat voorkomt weer veel slijtage.

Een compacte 2,4 liter viercilinder motor met het Revetec-systeem is dit voorjaar door het Australische instituut Orbital getest. Orbital kwam tot een Brake Specific Fuel Consumption van 212 gram brandstof per kWh, wat neerkomt op een efficiency van ongeveer 39 procent – iets minder dan een goede dieselmotor, maar veel meer dan de beste benzinemotoren. Chinese autofabrikanten hebben volgens Revetec belangstelling getoond voor het ontwerp. En je weet het nooit – misschien komt ook nog iemand op het idee de kogelkleppen van Coates op een Revetec-motor te zetten.

Zie voor animaties en filmpjes van de besproken motoren: www.coatesengine.com en www.revetec.com.au