Algemeen
Ross zuigermotor 4-takt
(Foto: Pressestelle FH Lübeck): Dipl.-Ing. Andreas Ross aan het werk aan het prototype van de ‘in-line’ dubbelzuigermotor

Werktuigbouwkundig ingenieur Andreas Roß van de vak-hogeschool Lübeck heeft een veelbelovende ontwikkeling bedacht, de ‘Inline-dubbelzuiger motor’. Een eenvoudig maar tegelijkertijd geniaal idee om het rendement van het thermische kringproces met circa 6-14% te verhogen.

Het is begonnen, toen Roß zich in zijn vrije tijd bezig hield met het onderhoud van oldtimer personenauto’s. Als mechanische ingenieur en uit liefde voor oude auto’s ging het hem speciaal om de vraag, hoe het rendement van een verbrandingsmotor op een andere manier dan momenteel gebruikelijk in de automobieltechniek, kan worden verhoogd.

Prototype 4-takt ‘plus’

Roß streefde het doel na om het rendement van het kringproces te verhogen. Samen met studenten van de faculteit werktuigbouw heeft hij het idee van een ‘zuiger in de zuiger’ model omgezet in een prototype. Op grote afstand hoorbaar ratelt en rammelt het als een oude Lanz Bulldog, als de ingenieur het prototype start in de metaalwerkplaats van de hogeschool Lübeck en het principe van zijn ontwikkeling bij draaiende motor uitlegt.

“Bij een conventionele viertakt verbrandingsmotor (reciproke zuiger motor) werkt het kringproces met de volgorde: aanzuigen- comprimeren- arbeid- uitlaat. Onder invloed van de constante zuiger- oppervlakte en het openen van de uitlaatklep voor het onderste dode punt van de arbeidsslag verlaten de onder druk staande gassen ongebruikt de cilinderruimte. Eventueel wordt de nog aanwezige energie gedeeltelijk benut met behulp van een turbolader”.

Roß‘ gedachten gaan er vanuit, dat door een inline dubbele zuigermotor de aanzuig- en compressieslag worden gescheiden van de arbeid- en uitlaatslag. De daarvoor ontwikkelde werkzuiger bestaat uit twee in elkaar liggende zuigers. Bij de inlaatslag zuigt de binnenzuiger het mengsel aan, terwijl de buitenste hulszuiger in het bovenste dode punt wordt gehouden. Ook de compressie wordt verzorgd door de binnenzuiger.

Bij de daarop volgende arbeidsslag wordt de hulszuiger zodanig losgekoppeld, dat het zuigerpaar gezamenlijk met een grotere zuigeroppervlakte wordt gebruikt voor het omzetten van de druk in de bewegingsenergie. De zuigeroppervlakte kan door dit proces zo worden aangepast, dat de restdruk bij het openen van de uitlaatklep beduidend lager is dan bij de conventionele viertakt processen.

Zuiniger

“De benutting van de energie uit de brandstof wordt voorgesteld door de omschreven vlakken van het kringproces in het PV-diagram. Voor het beter benutten van de energie-inhoud van de brandstof moet volgens deze theorie dit omschreven vlak groter worden. Dit basisidee hebben we met de projectgroepen voor studenten in het kader van practica verfijnd en de verhoging van het rendement van het kringproces met behulp van meerdere simulatieberekeningen vastgelegd”, verduidelijkt Roß zijn theoretische overwegingen.

Naast het basisidee bestond de realisering voor de ontwikkeling van de zuigersturing met draai- en ankerpunt. De hulszuiger krijgt aan de buitenkant een sleuf en een geleidebaan. De geleidebaan loopt in de as-richting van de zuiger en staat in verbinding met een in de cilinder bevestigde nokkenrol. Hierdoor wordt alleen de axiale beweging van de hulszuiger mogelijk. De sleuf loopt om de cilinder heen en staat in verbinding met een aan een tandkrans gemonteerde nokkenrol, waarbij de tandkrans om de hulszuiger draait. De tandkrans wordt aangedreven door een rondsel, dat in mechanische verbinding staat met de krukas.

In de gerealiseerde versie draait de tandkrans met de helft van het krukastoerental, zodat een helft van de hulszuiger wordt vrijgegeven voor de op- en neer beweging terwijl de andere helft wordt gebruikt als vergrendeling. Deze aandrijvingsvorm garandeert, dat alle onderdelen zoals de krukas, de hulszuiger, de binnenzuiger en de nokkenas door middel van een mechanische verbinding op elk moment van het arbeidsproces op de juiste positie ten opzichte van elkaar staan.

Tijdens de arbeidsslag en de uitlaatslag loopt de nokkenrol onbelast in de sleuf. Tijdens de inlaatslag en de compressieslag ligt de rol aan de onderkant van de zuiger in het vergrendelingsgebied van de sleuf en verhindert zo een axiale beweging van de hulszuiger.

Slag om de arm

De ontwikkelaar houdt zich nog op de vlakte met betrekking tot de grootte van de besparingspotentie. Hij doet daar alleen maar een uitspraak over op basis van meerdere voorafgaande simulatie berekeningen en verwijst daarbij naar het rekenmodel.

Ross zegt daarover: “de volgende verklaringen zijn daaruit te halen, maar deze moeten nog door praktijkproeven worden bewezen. De stijging van het rendement van het thermische kringproces ligt tussen 6 en 14%, afhankelijk van de manier van berekenen. De maximale druk wordt met circa 30% verlaagd, de maximale temperatuur daalt licht met circa 5%, terwijl er niet meer wrijving wordt verwacht, omdat telkens maar een zuiger in bedrijf is. Ook kan men rekenen op geringere slijtage, omdat die verdeeld wordt over verschillende vlakgedeeltes”, luidt de samenvatting van de berekening van de voorlopige resultaten.

“De werkdruk, zowel bij de referentie- als bij de inline- dubbelzuigermotor, kan even hoog worden genomen, waarbij de diameter van de nieuwe werkzuiger 50% groter is dan de zuiger van de vergelijkbare referentiemotor, wat uiteindelijk een enorme stijging van het draaimoment betekent”.

Roß heeft hierbij het een en ander aan over de bruikbaarheid en de mogelijke toepassing van zijn ontwikkeling. De inline-dubbel zuiger, die inmiddels beschikt over twee Europese patenten, is het meest ideaal voor motoren met een laag toerental, zoals in schepen en voertuigen in de bouw.

 

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven