nieuws

LiquidPiston mini-motor, een droom?

Techniek

Is de automobiele toekomst aan elektromotoren en brandstofcellen? Of is er toch nog kans voor de verbrandingsmotor? Vader en zoon Shkolnik hebben met hun LiquidPiston motoren iets zo simpels bedacht dat het te mooi lijkt om waar te zijn. Een droom, hun nieuwste X-motor?

LiquidPiston mini-motor, een droom?

Al eerder besteedde AMT aandacht aan hun vinding, dat er toen nogal theoretisch uitzag. Het ging erom het HEHC-proces in de praktijk te brengen, dat vader Nikolaj Shkolnik had uitgewerkt. Dit staat voor High Efficiency Hybrid Cycle, een sterk verbeterd verbrandingsproces dat de Otto- en Diesel-processen combineert.

Superrendement

Het lijkt op een Wankel-draaizuigermotor, maar werkt veel beter. En de opbouw is ongelooflijk simpel. Een mechanisch rendement van 50 % of meer zou mogelijk zijn, tegen 30 tot 40 % bij Otto- en Diesel-zuigermotoren.

Klein beginnen?

Even op een rij. De Amerikaan Nikolaj Shkolnik werkte in 2003 de HEHC-cyclus uit, geholpen door zijn zoon Alexander. Die laatste studeerde aan MIT, een van ’s werelds beste universiteiten. Via een aanmoedigingsprijs van die universiteit kon een bedrijf worden opgezet. Daar werd in 2010 de eerste HEHC-motor gestart, een 20 pk diesel.

Range extender

Daarna ontstond het compleet nieuwe X-motor ontwerp, waarmee in 2012 diesels van 40 en 70 pk zijn gemaakt. Nu net is de 70 cc X Mini-benzinemotor gepresenteerd aan het congres van de SAE, de Society of Automotive Engineers.

Uit de reacties op HEHC-motoren werd afgeleid dat de beste kansen eerst zouden liggen in kleine motortjes. Voor aggregaten, grasmaaiers, bladblazers en zo. Maar het principe zou makkelijk schaalbaar zijn voor motoren van 1 tot 1000 pk. Niet raar dat toch al gerept wordt over mogelijke toepassing als range extender in elektrische auto’s.

Geniaal, lijkt het

Wat Shkolnik voor ogen stond was een verbranding in constant volume, en een expansie die langer is dan de compressie. Eerst met een hoge compressie en zelfontbranding, een soort diesel dus. In kleine versie is de compressie lager, met vonkontsteking, op benzine.

Het geheel wordt gestuurd door een ovale zuiger, die excentrisch draait in een huis met drie lobben. Dat geeft drie kamers, met aan elke kamer een kleine verbrandingsruimte. De ovale zuiger zorgt dat de drie lobben van elkaar gescheiden blijven. Bij elke omwenteling zijn er drie verbrandingen.

In de ovale zuiger zitten inlaat- en expansieruimtes. De expansieruimte is groter, om een Atkinson cyclus te bereiken (expansie groter dan compressie). Er zijn geen kleppen, poorten in de omtrek van de zuiger verzorgen de gaswisseling.

Mooier kan het echt niet. Een huis, twee deksels erop als inlaat- en uitlaatzijde, als enige bewegende delen de ovale zuiger en een as waar die omheen slingert. Da’s alles!

Beter dan Wankel, veel beter

Het mag in de verte lijken op de draaizuigermotor van Felix Wankel, maar de nadelen daarvan zijn er niet. Geen heel dunne sikkelvormige verbrandingskamer. Geen afdichtingen op de hoeken van een draaizuiger. En een lange expansie.

In de dunne Wankel-verbrandingskamer is gelijkmatig ontsteken en volledig verbranden van een mengsel lastig tot geheel onmogelijk. De afdichting van de zuiger tegen het huis moet gesmeerd, dus komt olie in de verbranding. Dan nog blijft de afdichting een zwak punt.

De X-motor heeft stationaire afdichtingen, niet op de zuiger maar in het huis. Klein drupje olie via het huis toevoeren, niet moeilijk, geen zwaar met verbrande olie besmette uitlaatgassen.

Compacte verbrandingskamers in het huis, waar de verbranding niet achter de zuiger aan hoeft te rennen. Terwijl de ovale zuiger langs loopt heeft de verbranding alle tijd in zijn kamertje, tot de uitlaatpoort in de zuiger voorbij komt.

Koeling niet nodig

De opzet van de HEHC-cyclus is dat bijna volledige expansie optreedt. Met andere woorden, bijna alle energie van de verbranding wordt gebruikt: 75 % thermisch rendement. Daarvoor zorgt de lange expansie.

Gevolg: geen uitlaatdemper nodig, de uitlaatgassen hebben zeer weinig druk. En lage temperatuur. Opwarming van de zuiger aan uitlaatzijde wordt vanzelf gekoeld door koude inlaatlucht aan de andere kant in de zuiger.

Wordt het bij hoge motorbelasting toch wat warm? Geen punt. Dan slaan we een paar van de drie verbrandingen per omwenteling over. Of we spuiten wat water in, dat bij de verbranding overgaat in oververhitte stoom, die weer een duwtje extra aandrijfvermogen geeft.

Eerste resultaten

Dit X-ontwerp is stukken mooier en eenvoudiger dan het idee dat we in 2011 bespraken. En er is een werkend prototype van. De eerdere X1- en X2-dieselversies konden ‘korte tijd onder lichte belasting draaien’, vinden we ergens in de tekst van de LiquidPiston site.

Nu spreken we van een motortje met 23 cc per kamer, ofwel grofweg 70 cc voor drie kamers. Daar komt 2,5 kW bij 13.000 t/min uit. Zonder brandstoforganen weegt het nog geen twee kilogram! Een definitieve versie zou 3,7 kW bij 15.000 t/min moeten leveren, en het geen 3 maar 1000 uur volhouden tussen revisies.

Maar nu het bewijs

In 2015 zou concrete belangstelling moeten komen van fabrikanten, om dit soort motortjes te gaan produceren en toepassen. Stel je voor, als een 700 cc versie 30 kW zou kunnen ophoesten: ideaal als ondersteuning van een batterij-elektrische auto zoals een BMW i3 of Opel Ampera.

Helaas komt het beloofde hoge rendement er nog niet uit. Nu 15 % (mechanisch), na optimalisering hopelijk 30 %. Maar bij menige ‘nieuwe’ motor mag je al blij zijn als je hem echt op eigen kracht ziet lopen. Laat staan dat er vermogen en verbruik is gemeten.

Is dit te mooi om waar te zijn, zo simpel gebouwd? Of kan het serieus wat worden, met de nodige doorontwikkeling, zoals de Otto- en Diesel-motoren hebben gekregen?

Reageer op dit artikel