Vreemde Motoren aan de Rand van de Vooruitgang

De Wankelmotor, de Stirlingmotor en diverse typen turbo-aandrijfunits hebben nooit de automotive mainstream bereikt. Een aantal bekende bedrijven — van Mazda tot GM, van Mercedes tot Volvo — werkte er decennialang aan. Ook kleine bedrijven en individuele uitvinders bleven volhouden. Toch bleek elk alternatief ontwerp uiteindelijk aanzienlijk meer valkuilen te bevatten dan aanvankelijk verwacht. Dat betekent niet dat de ontwikkeling van onconventionele aandrijfunits onmogelijk is. Enthousiastelingen blijven verschillende ideeën vooruitschuiven, en hier verkennen we enkele van de meest exotische motorbegrippen die ooit zijn gebouwd.

Gesplitste-Cyclus Motoren: Twee Cilinders, Één Arbeidsslagbeweging

Sommige motorontwerpers concludeerden dat de klassieke combinatie van cilinder, zuiger, drijfstang en krukas zichzelf al meer dan een eeuw heeft bewezen — en dat het verbeteren van verbrandingsmotoren slechts bepaalde aspecten vereist in plaats van een volledig herontwerp. Het eerste voorbeeld op onze lijst is de motor die is ontwikkeld door het Amerikaanse bedrijf Scuderi Group, dat de klassieke inlaat-, compressie-, arbeids- en uitlaatslagen behoudt — maar deze verdeelt over twee afzonderlijke cilinders:

• Koude (compressor)cilinder — verzorgt de inlaat en compressie
• Hete (werk)cilinder — verzorgt de arbeidsslag en de uitlaat

Terwijl gas uitzet in de werkcilinder, vindt er een inlaatslag plaats in de koude, compressorcilinder. Wanneer de werkcilinder uitlaat, comprimeert de compressorcilinder. Aan het einde van de compressieslag naderen beide zuigers hun bovenste dode punten, stroomt het mengsel via een omleidingskanaal van de koude naar de hete cilinder en wordt ontstoken. Deze gesplitste cyclus — in wezen een gemodificeerde Otto-cyclus — werd gepatenteerd in 2006, en in 2009 bouwde Scuderi Group de prototype Scuderi Split Cycle Engine.

De compressor- en werkcilinders kunnen verschillende diameters en zuigerslagens hebben, waardoor het mogelijk is motorparameters flexibel af te stemmen — als een analoog van de Miller-cyclus met extra gasexpansie. Voeg een vertakking met kleppen en een hogedrukfles toe aan het kanaal tussen de cilinders, en de motor kan energie terugwinnen tijdens het remmen en deze inzetten tijdens het accelereren. Gedurende een aantal jaren bleven de activiteiten van Scuderi Group echter beperkt tot prototypes en beursverschijningen. Efficiëntiewinsten in de praktijk hebben de aanzienlijke complexiteit van het ontwerp nog niet gerechtvaardigd.

Het Kroatische bedrijf Paut Motor richtte zich eveneens op de gesplitste werkcyclus. Hun ruimtelijk ontwerp trok om verschillende redenen de aandacht:

• Aanzienlijk minder bewegende delen dan conventionele motoren
• Lagere wrijvingsverliezen
• Verminderd bedrijfsgeluid
• Compacte afmetingen: 500×440×440 mm bij een cilinderinhoud van 7 liter
• Gewicht van circa 135 kg — ruwweg de helft van een traditionele motor met hetzelfde slagvolume

De afwezigheid van olie in het carter vereist wel een externe smeertank, maar de uitvinders beschouwden dit als een acceptabele afweging. Er werden verscheidene prototypes gebouwd, hoewel het definitieve vermogen nooit officieel werd vastgesteld. Het laatste prototype werd in 2011 samengesteld, en het project is sindsdien vastgelopen.

De Bonner Tweetaktsmotor: Maximale Complexiteit, Ambitieuze Doelen

De Bonner tweetaktsmotor (vernoemd naar de sponsor, Bonner Motor) werd in 2006 in de Verenigde Staten uitgevonden door Walter Schmid en drijft de mechanische complexiteit nog verder op. Net als bij de Paut Motor zijn de cilinders in een X-configuratie gerangschikt, en voert de krukas een planetaire beweging uit via een tandwielsysteem. Belangrijkste kenmerken zijn:

• Kleppen in cilinderbodems en roterende spoelkleppen in het motorlichaam voor gasdistributie
• Externe zuigers die onder oliedruk licht kunnen verschuiven om een variabele compressieverhouding te bieden
• Hoge vermogen-gewichtsverhouding als primair ontwerpdoel

In theorie ziet de Bonner-motor er veelbelovend uit. In de praktijk is er echter al jaren geen significant nieuws meer uit het project gekomen — kennelijk heeft het de verwachtingen niet ingelost.

Axiale Motoren: Cilinders Gerangschikt als een Revolver

Andere uitvinders lieten de werkcycli van de verbrandingsmotor intact maar herdefinieerden de fysieke indeling van de componenten. Axiale motoren, die al meer dan een eeuw bestaan, zijn hiervan een goed voorbeeld. Ze variëren in detail maar delen een gemeenschappelijk principe: cilinders zijn gerangschikt als patronen in een revolvertrommel, coaxiaal met de uitgaande as. Verschillende mechanismen — zoals schuine pennen en conische ringen — zetten de heen-en-weergaande beweging van de zuigers om in asrotatie.

Het Duke Engines-project uit Nieuw-Zeeland is een opmerkelijke variant: een vijfcilinderige, viertakts axiale motor met 3 liter slagvolume. Vergeleken met een conventionele motor van dezelfde inhoud bood de Duke-unit:

• 19% lager gewicht
• 36% compactere inbouwmaten
• Veelzijdig toepassingspotentieel in de automotive, maritieme en luchtvaartsector

Er werden ambitieuze beloften gedaan over brede adoptie — maar de droom van wereldverovering bleef een droom.

De RadMax-motor van het Canadese bedrijf Reg Technologies voert het axiale concept nog verder door. In plaats van afzonderlijke cilinders worden een dozijn compartimenten gevormd binnenin een gemeenschappelijke trommel met behulp van dunne schoepen. Platen die in rotorgleuven zijn gemonteerd, bewegen hierlangs terwijl de rotor draait, en gebogen oppervlakken aan de trommeluiteinden bepalen de schoepbanen en regelen de gaswisseling. Opvallende kenmerken:

• Compatibel met meerdere brandstoftypen, hoewel diesel de aanvankelijke focus was
• Een prototype uit 2003 mat slechts 152 mm in zowel diameter als lengte en leverde toch 42 pk — aanzienlijk meer dan een conventionele motor van vergelijkbare omvang
• Latere prototypes zouden naar verluidt 127 pk en 380 pk hebben bereikt

Ondanks deze veelbelovende cijfers lijkt alle RadMax-activiteit in de experimentele fase te blijven steken.

Toroïdale Motoren: Wanneer de Cilinder een Donut Wordt

De VGT-motor (Variable Geometry Toroidal Engine) van het inmiddels ter ziele gegane Canadese bedrijf VGT Technologies is een ander voorbeeld waarbij de theorie de praktijk overtreft. Voor het eerst getest in 2005 vervangt de motor de conventionele cilinder door een toroïde — een donutvormige kamer — waarbinnen een rotor met een paar bevestigde zuigers roteert.

Een dunne verdeelschijf met een uitsparing voor de zuigers roteert via een riemaandrijving over de toroïde en begrenst het brandstof-luchtmengsel tijdens de compressie en de arbeidsslag. In 2009 ontwikkelden de Amerikaanse ondernemers Gary Kelley en Rick Ivas onafhankelijk van elkaar een toroïdale motor die sterk leek op het Canadese ontwerp. Hun schattingen suggereerden dat een toroïde met een halve meter diameter het volgende zou leveren:

• 230 pk
• Circa 1.000 N·m koppel
• Dit alles bij slechts 1.050 tpm

Hun bedrijf, Garric Engines, toont op zijn website momenteel slechts een stubmelding: “Bedankt voor uw interesse. De pagina wordt mogelijk in de toekomst bijgewerkt.”

De Nuterende Motor: Draaiende Schijven in Plaats van Zuigers

Een iets veelbelovender lot is wellicht weggelegd voor de nuterende motor die de Amerikaan Leonard Meyer in 2006 uitvond — er zijn tenminste enkele werkende exemplaren gebouwd. De naam is afgeleid van het Latijnse nutatio (knikken of waggelen). Meyers ontwerp vormt vier werkkamers met variabel volume tussen het motorlichaam en een schijf die nuteert (waggelt) van zij naar zij en als zuiger fungeert. De schijf is over zijn diameter doormidden gesneden en op een Z-vormige uitgaande as geregen, terwijl kanalen en kleppen in het lichaam de gaswisseling regelen.

Prototypes werden gebouwd door Baker Engineering en het zusterbedrijf Kinetic BEI, met indrukwekkende resultaten:

• Enkele schijf van 102 mm: 7 pk
• Dubbele schijven van 203 mm: 120 pk
• Afmetingen tweeschijfsmotor: 500 mm lengte, 300 mm diameter, 3,8 liter slagvolume
• Vermogen-gewichtsverhouding: 2,5–3 pk/kg tegenover 1–2 pk/kg voor massaproductie atmosferische motoren

Het literspecifieke vermogen is minder indrukwekkend, maar de vermogensdichtheid is opmerkelijk. Baker en Kinetic lijken het ontwerp te verfijnen, hoewel de activiteit op hun websites beperkt blijft.

LiquidPiston: De Wankelmotor van Binnenstebuiten

Roterende motorcconcepten blijven innovatoren fascineren, alsof het verlaten van de vertrouwde zuiger-cilindercombinatie inherent betere prestaties belooft. Nikolaj Sjkolnik, een voormalig Sovjetingenieur die naar de Verenigde Staten emigreerde, en zijn zoon Alexander ontwikkelden een motor die lijkt op de Wankelmotor van binnenstebuiten. Een pindavormige rotor draait in een driehoekige kamer — dezelfde basisgeometrie als de Wankel — maar cruciaal: de afdichtingen zijn bevestigd aan de kamerwanden in plaats van aan de rotor.

De Sjkolniks richtten LiquidPiston op om het concept te ontwikkelen en trokken medefinanciering aan van DARPA voor mogelijke toepassing in:

• Lichte vliegtuigen en drones
• Draagbare stroomgeneratoren
• Aandrijflijnen van hybride voertuigen

Een prototype van 23 cm³ bereikt al een thermisch rendement van 20% — indrukwekkend voor die slagvolumeklasse. Het team streeft nu naar een dieselprototype van circa 13 kg dat 40 pk levert, met een verwacht thermisch rendement van 45%.

De Slingerend-Zuiger Motor: Vierkant Gaan

De laatste motor in ons overzicht bewijst dat de aantrekkingskracht van een platte, compacte unit reëel is — en dat rotoren niet de enige weg zijn om dit te bereiken. De slingerend-zuiger motor van Pivotal Engineering maakt de traditionele zuiger simpelweg vierkant, waardoor de cilinder rechthoekig is in bovenaanzicht. Dit tweetaktsontwerp bestaat al enkele jaren, gedurende welke een aantal prototypes zowel motorfietsen als vliegtuigen heeft aangedreven.

Het bedrijf richt zich primair op luchtvaarttoepassingen, en het ontwerp biedt enkele echte voordelen:

• Hoge vermogens-gewichts- en vermogens-omvangsverhouding
• Uitstekend potentieel voor gedwongen luchttoevoer, mogelijk gemaakt door een vloeistofkoelkanaal dat door de vaste as van de zuiger loopt — iets wat bij conventionele motorarchitecturen moeilijk te realiseren is
• Platte vormfactor, doordat de vierkante rotor zeer dun kan worden gemaakt

Andere Exotische Motorconcepten die het Weten Waard Zijn

Er zijn veel opmerkelijke exotische motorontwerpen buiten de hier besproken. Een paar eervolle vermeldingen:

• 12-rotor Wankelmotor — het roterende concept van Mazda tot het uiterste doorgevoerd
• Knight schuifklepmotor — een honderd jaar oud ontwerp dat kortstondig concurreerde met de poppetklep
• Tegenovergestelde-zuigermotoren — twee zuigers in één gemeenschappelijke cilinder, zonder cilinderkop
• Motoren met variabele compressieverhouding — waarmee de compressie in realtime kan worden aangepast om het rendement onder alle belastingomstandigheden te optimaliseren
• Vijftaktmotoren — waarbij een speciale expansiecilinder wordt toegevoegd om meer arbeid uit de verbrandingsgassen te winnen
• Roterende-schoepmotoren — waarbij rotorcomponenten bewegen als samenkomende en uiteenlopende schaarbladschoepen

Waarom Halen Alternatieve Motoren de Massaproductie Niet?

Zelfs een beknopt overzicht van onconventionele verbrandingsmotorconcepten onthult een opvallend patroon: tientallen slimme ideeën, zeer weinig productievoertuigen. De terugkerende obstakels zijn consistent:

• Afdichtingsslijtage — roterende ontwerpen falen vaak door degradatie van de topstukdichting na verloop van tijd
• Wisselende mechanische belastingen — roterende-schoepconcepten lijden onder vermoeidheid bij de verbinding van de schoep met de as
• Productiecomplexiteit — exotische geometrieën zijn duur en moeilijk op schaal te produceren
• Betrouwbaarheid en levensduur — onconventionele motoren evenaren zelden de duurzaamheidsreputatie van traditionele zuigermotoren die meer dan 100 jaar zijn verfijnd

De tweede reden waarom alternatieve motoren het moeilijk hebben, is dat de conventionele verbrandingsmotortechnologie niet heeft stilgestaan. De nieuwste benzinemotoren met de Miller-cyclus bereiken een thermisch rendement van maximaal 40%, zelfs zonder turbolader — een opmerkelijk cijfer, gezien het feit dat de meeste benzinemotoren slechts 20–30% halen en dieselmotoren 30–40% (waarbij grote scheepsdiesels tot 50% bereiken).

Het allerbelangrijkste is dat het wereldwijde alternatief voor de verbrandingsmotor al is gearriveerd: elektromotoren en brandstofcel-aandrijfunits. Als de uitvinders achter deze exotische curiositeiten hun technische uitdagingen niet zeer binnenkort oplossen, zullen ze wellicht ontdekken dat er geen markt meer op hen wacht — elektrische voertuigen zullen de weg al hebben overgenomen.

Dit is een vertaling. U kunt het origineel hier lezen: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html