Amerika is wakker geschud, ook daar zullen ze snel zuinig(er) moeten gaan rijden. En schoner, waarbij ze verbeterde verbrandingsmotoren liever overslaan, en meteen op elektrisch rijden over willen. ‘Meteen’ is met de huidige accutechniek nog niet mogelijk. Dus moet er een range extender-generator aan boord. De Universiteit van Michigan denkt dat een drukgolfmotor daarvoor ideaal is. Hoe werkt dit motorisch vernuft?

Iets volkomen nieuws is de drukgolfmotor niet. Het idee is al meer dan een eeuw oud. De afdeling werktuigbouw van de Michigan-universiteit studeert er al langer op. Maar nu hebben ze van de overheid 2,5 miljoen dollar subsidie gekregen, om in twee jaar zo’n motor te ontwikkelen voor gebruik in hybride-auto’s.

Hooggesteld doel
Het moet een motor/generatorcombinatie worden, om een elektromotor als voortstuwing te voeden. Projectleider prof. Norbert Müller ziet het helemaal zitten. “Ons doel is een hyperefficiënt hybridevoertuig. Met 800 km rijbereik, lage aanschaf- en bedrijfskosten, en tot 95% minder CO2-uitstoot dan huidige auto’s.”
Gaat u even zitten. Maar VIJF procent van wat een auto nu verbruikt. Zelfs al nemen we daarbij het niet zo lage verbruik van een Amerikaanse auto, dan nog hebben we het over een plug-in hybride die minder dan 0,5 l/100 km gebruikt!

Een soort turbo
Hiervoor moet een motor gaan zorgen die ongeloofwaardig simpel is. De ‘wave disc generator’ bestaat uit een gewone generator, met op dezelfde as een schijf, die veel weg heeft van het schoepenwiel in een turbo.
En dat is het wel zo’n beetje. Bij die schijf zit brandstofinjectie en ontsteking, meer zou niet nodig zijn. De werking lijkt op die van een Comprex-drukgolfcompressor, ooit toegepast in een Mazda 626 2.0 diesel. Alleen lopen de drukgolven daarin axiaal, parallel aan de as, en bij de ‘wave disk’ radiaal.
Als brandstof kunnen diverse gassen en vloeistoffen dienen. Gedacht wordt aan aardgas of waterstofgas, en ethanol, maar benzine of diesel zou ook kunnen. Inspuiting en ontsteking zouden permanent kunnen werken, zonder timing.

Drukgolven aan het werk
Het idee werkt als volgt. Vanaf de binnenkant, dichtbij het midden van de schijf, wordt brandstof tussen de schoepen gesproeid. Iets verderop tussen de schoepen zit een ontsteker. De druk die ontstaat bij verbranding zal vooral een uitweg zoeken naar de buitenrand van de schijf, waar de schoepen steeds wijder uit elkaar lopen.
Er spuit dus verbrandingsgas uit de schijf. De druk op de gekromde schoepen laat de schijf draaien. Alleen al door het draaien wordt een stroming van binnen naar buiten door de schijf opgewekt. Zo kan in het midden van de schijf lucht worden aangezogen.
Veel sterker moet dit effect worden door benutting van drukgolven, net als in de Comprex-compressor. Natuurlijk geeft de verbrandingsklap ook druk richting het midden van de motorschijf. Die draait langs vaste schotten, waartegen de drukgolf terugkaatst. Achter zich aan trekt de drukgolf dan verse lucht (of vers mengsel) mee tussen de schoepen.

Perfecte timing
Op vergelijkbare wijze gebruikt een drukgolfcompressor uitlaatgas. Dat stroomt aan de ene kant binnen, stuit aan de andere kant terug tegen een vaste wand, en trekt dan een vacuüm achter zich aan. De cel waarin dit is gebeurd moet tijdig doordraaien, zodat er tegenover in plaats van de vaste wand een aanzuigopening komt.
Zodra de cel zich helemaal vol lucht heeft getrokken moet hij verder gedraaid zijn naar een afvoeropening. Een nieuwe golf uitlaatgas perst de lucht daarin. Net als de cel volgelopen is met uitlaatgas moet hij zijn doorgedraaid langs een vaste wand, waarmee de cyclus opnieuw begint.
Bij een compressor wordt een trommel met deze cellen vanaf de motor aangedreven. Alles komt aan op perfecte timing. Het draaien van de trommel moet zorgen dat de drukgolven precies op tijd door de cellen lopen, dat precies op tijd een opening of vaste wand tegenover het celeinde staat.
Bij de ‘wave disk’ moet dat ook. Op tijd een uitlaatopening langs de buitenrand van de schoepen op de schijf, op tijd een schot of opening langs de binnenkant van de schoepen.

Vijfmaal hoger rendement?
Het op tijd stuiteren van de drukgolven werkt maar in een klein toerengebied. Zou de verbrandingsdruk constant zijn, dan werkt het zelfs maar bij één toerental. Door te spelen met brandstoftoevoer en ontsteking kan de verbrandingsdruk gevarieerd worden, en werkt het proces in een bepaald toerengebied.
Dat dit toerengebied niet groot is zal voor een generatoraandrijving minder nadelig tellen. Wanneer de drukgolfmotor als stroomaggregaat werkt hoeft hij niet in een breed belastinggebied te draaien.
Een heel andere vraag is hoe effectief de verbranding verloopt. De ‘compressie’ bestaat uit de druk die de uitlaatgasgolven opwekken. Niet hoog, lijkt ons. Dan is ook het rendement van de verbranding niet hoog.
Nog een vraag is hoeveel arbeid de uitlaatgasdruk op het schoepenwiel kan leveren. Vertraag je het schoepenwiel door belasting, dan verandert daarmee ook de drukgolftiming. Het lijkt dat bij enigermate zware belasting het schoepenwiel gauw teveel vertraagt en het drukgolfproces verstoort.
Het is ook zonde dat de verbrandingsgassen zo te zien met flinke druk en temperatuur uit het schoepenwiel komen. Enorm energieverlies in de uitlaat dus. En toch zou deze motor een vijfmaal hoger rendement kunnen hebben dan een conventionele stationaire motor/generatorcombinatie?

Peter Fokker (Redactie Auto & Motor TECHNIEK)

Video: Projectleider prof. Norbert Müller van de Universiteit van Michigan over de voordelen van de Wave Disc Engine.