Laten we voorop stellen dat het blijkbaar allemaal niet zo makkelijk ligt met die Z-motor. Omstreeks dertig jaar is bedenker Timo Janhunen bezig met dit idee. Vijf jaar lang draait al een proefmotor. Maar zo ver bekend heeft nog geen enkele autofabrikant dit motorische idee opgepakt.

Toch ziet het er wel zeer aanlokkelijk uit. Conventionele techniek, dus niet kostbaar om te maken. Lichter, zuiniger, goedkoper en met vele mogelijkheden voor de precieze uitwerking.

Het Z-principe

Meneer Janhunen begon met een idee om de voordelen van oude voorkamerdiesels te combineren met directe injectie. Weet u het nog? Oude personenautodiesels hadden een voor- of wervelkamer, waar de brandstof werd ingespoten en ontstoken. Via een tunneltje kwam de verbranding in de cilinder, vanuit dit kleine kamertje erboven.

Dat moest wel, anders maakte een diesel veel te veel lawaai door de verbrandingsklappen bij directe injectie. Dat hadden alleen bedrijfswagens, waar het lagere verbruik met directe injectie het zwaarst telde. De voorkamer leverde veel warmteverlies en rook.

Een wervelkamer werkte nog het best, met een tunneltje dat haaks op de omtrek van de voorkamer zit. De lucht die uit de cilinder in de voorkamer stroomt gaat wervelen, en mengt goed met ingespoten brandstof.

Dat wilde Janhunen in de cilinder zelf bereiken. Hij voorzag de gebruikelijke kom in een dieselzuiger van een soort tafelberg in het midden. Zo ontstaat als het ware een ringvormige wervelkamer. De tafelberg perst op het eind van de compressie lucht weg, en maakt zo een luchtwervel in de ronde zuigerkom.

Twee- of viertakt?

Nog mooier, meende Janhunen, als de inlaat ook al een wervel oplevert, door hem tangentiaal te laten lopen. Door het inlaatkanaal een stukje af te dekken zou uit de inlaatklep een gerichte stroom kunnen komen, in plaats van een soort douche rondom de klep. Die gerichte straal moest van de buitenkant naar het midden van de zuiger spiralen.

Zo gingen de gedachten steeds verder, en groeide het Z-motorconcept. De Z-zuiger werkt op het eind van de compressie, als je nu eens de tangentiële inlaat ook naar dat moment kon verschuiven? Dan zul je externe compressie moeten toepassen, om tegen de opbouwende compressiedruk in de cilinder op te boksen.

Zo ontstond een kruising van twee- en viertakt. De expansieslag van de viertakt blijft behouden, maar op weg omhoog raffelt de cilinder drie slagen van het viertaktproces ineens af. Eerst wordt uitgelaten, nog vóór BDP gaat de inlaat open en komt druklucht binnen. Die mengt met een rest uitlaatgas, dus interne EGR. Ook nog vóór BDP gaat de inlaat weer dicht, en doet de zuiger het laatste stukje compressiewerk.

Zo is de motor in twee slagen klaar met het werkproces. Dat verhoogt het motorrendement. Terwijl hij toch de opbouw heeft van een viertakt, met kleppen, in plaats van spoeling via carter en spoelpoorten.

Dubbele compressor

Dit proces vereist wel hoge inlaatdruk, van 7 tot 15 bar. Daarvoor zorgen twee compressoren in serie. Eerst een turbo, en daarna een zuigercompressor, die efficiënter werkt dan andere mechanische compressoren. Het idee is om, gezien de tweeslagwerking, het aantal werkcilinders waar verbranding plaatsvindt te halveren. Er blijven dan cilinders over die als zuigercompressor kunnen werken.

Heel belangrijk is dat na elke compressor een tussenkoeler komt. Met een soort thermostatische regeling, door een bypass langs elk van de tussenkoelers. Zowel met de compressors als met de tussenkoelers kan nu de temperatuur en dichtheid van de inlaatlucht gestuurd worden.

De mechanische compressieverhouding zou rond 15:1 kunnen liggen, omdat de gekoelde druklucht die wordt binnengelaten alleen in het laatste stukje zuigerslag nog gecomprimeerd (en dus heter) wordt. Relatief lage temperatuur aan het eind van de compressie zorgt voor lage NOx-vorming, de intensieve werveling voor volledige menging en verbranding met weinig roet.

Ook geschikt voor HCCI

Als proefmotor dient een tweecilinder met één liter inhoud. Dan spreken we dus alleen van de werkcilinders. Hij levert 100 kW bij 4000 t/min. Er zouden geen roetfilter of NOx-katalysator nodig zijn om deze tweetaktdiesel schoon genoeg te krijgen. Het verbruik zou, afhankelijk van de motorbelasting, 10 tot 30% lager liggen dan bij een conventionele direct ingespoten diesel.

Maar het moet niet persé diesel zijn, bedacht de constructeur. De Z-motor loopt vrij arm, op een lambdawaarde rond 1,5. Door koeling van de inlaatlucht kan het risico op zelfontsteking verder onder controle gehouden worden. Er wordt nu ook getest met HCCI, een benzinemotor met zelfontbranding.

Er zou een hoofdinjectie plaatsvinden vóór BDP, tijdens het laatste stukje compressie. Maar zo weinig dat nog geen (zelf)ontsteking optreedt. Dat gebeurt pas met een extra injectie vlak na BDP, die plaatselijk het mengsel genoeg verrijkt om zelfontbranding op te wekken.

Peter Fokker (Redactie Auto & Motor TECHNIEK)