De twee-takt motor herontworpen aan de hand van de huidige technologieën

EcoMotors International is een bedrijf uit Michigan, VS, en heeft een nieuwe aanpak bedacht voor een oud idee. Namelijk dat van de tweetaktmotor en deze nieuwe aanpak leidde tot een nieuw ontwerp van de motor waarbij er gebruik gemaakt wordt van de nieuwe technologieën. Tweetaktmotoren zijn een type verbrandingsmotoren maar deze worden slechts voor een aantal toepassingen ingezet. In vergelijking met viertaktmotoren, zijn deze in het algemeen lichter en hebben ze ook een groter vermogen per massa-eenheid. Maar ze hebben wel het nadeel dat het brandstofverbruik hoger ligt. Tweetaktmotoren worden momenteel niet erg veel meer gebruikt, behalve dan bij toepassingen waarbij de gewichtsbesparing opweegt tegen het nadeel van het hogere brandstofverbruik. Dit is bijvoorbeeld het geval bij grasmaaiers, bosmaaiers, motorkettingzagen, buitenboordmotoren en dergelijke. Bij al deze toepassingen is de cilinderinhoud beperkt door de grote en massa van de motor maar is er toch zo'n groot mogelijk vermogen vereist. Tweetaktmotoren worden ook gebruikt bij brommers, karts, cross- en racemotorfietsen.

De werking van een tweetaktmotor is rudimentair gezien gelijkaardig aan dat van een viertaktmotor, met dat verschil dat wat bij een viertaktmotor gescheiden is in de tijd, dat dit bij een tweetaktmotor gescheiden is in ruimte. Dit zorgt ervoor dat de cyclus bestaat uit twee takken in plaats van vier zoals dat het geval is bij viertaktmotoren. Deze twee takken worden de arbeidsslag en de compressieslag genoemd. En die twee verschillende ruimtes zijn de cilinder en de carter. De carter is het deel waar de krukas van de motor zich bevindt. De cyclus in een tweetaktmotor verloopt als volgt: beginnend bij het ogenblik waarbij de zuiger naar boven beweegt. Deze beweging wordt de compressieslag genoemd. Tijdens deze beweging wordt het lucht-brandstof mengsels in de cilinder gecomprimeerd. Doordat de zuiger naar boven beweegt neemt het volume toe in de ruimte onder de cilinder of dus in de carter. Deze volume-toename zorgt ervoor dat er vers lucht-brandstof mengsel wordt aangezogen in de carter. Wanneer de zuiger zich helemaal bovenaan bevindt, dan wordt de brandstof ontstoken door een vonk van de bougie. De verbranding van de brandstof zorgt voor een  druk- en temperatuurstoename in de cilinder. Hierdoor wordt de zuiger naar beneden geduwd. 

Deze beweging waarbij de zuiger naar beneden beweegt, wordt de arbeidsslag genoemd. Bij deze slag levert de brandstof dus arbeid en deze wordt doorgegeven aan de krukas. Bij deze beweging, zorgt de zuiger ervoor dat de uitlaat opengaat en dat de inlaat afgesloten wordt. Wanneer de uitlaat opengaat, dan stroomt het verbrande mengsel naar buiten en daalt de druk in de cilinder. En doordat de zuiger naar beneden beweegt, dan neemt het volume af van de ruimte onder de zuiger en stijgt de druk in het mengsel die zich daar bevindt. En wanneer de zuiger verder naar beneden gaat, tot dat het bijna helemaal beneden staat, dan gaat plots de spoelpoort open. De spoelpoort zorgt voor een verbinding tussen de carter en de cilinder. Dus wanneer deze geopend wordt, dan gaat het verse mengsel van de carter naar de cilinder stromen. De cilinder wordt dan gevuld met vers mengsel. Daarna begint de zuiger terug naar boven te bewegen. Hierdoor wordt de spoelpoort weer afgesloten en op dit moment verdwijnen de laatste restje van het verbrand mengsel uit de cilinder via de uitlaat. Dit gebeurt onvermijdelijk samen met een beetje van het vers mengsel. Wanneer de zuiger verder naar boven beweegt dan wordt ook de uitlaat afgesloten en wordt het verse mengsel gecomprimeerd. En zo begint deze cyclus weer van vooraf aan. De beweging tijdens de compressieslag gebeurt doordat een vliegwiel ervoor zorgt dat de zuiger terug naar boven gaat bewegen.

Het nadeel van het hoger verbruik van dit type verbrandingsmotoren heeft ervoor gezorgd dat, zeker voor grote motoren, men gebruik maakt van viertaktmotoren. Behalve dan terug voor super grote motoren zoals die van grote schepen, locomotieven en bij grote vrachtwagens. Hier gebruikt men dan tweetakt dieselmotoren en deze motoren zijn meestal langzaamlopers en draaien dus aan relatief lage toerentallen. Tweetaktmotoren hebben ook nog een ander nadeel naast het hoge verbruik, namelijk dat de carter hier niet gebruikt kan worden voor de smering van de krukas. De smering van de krukas gebeurt bij een tweetaktmotor door olie te mengen met de aangezogen brandstof. Dit heeft wel tot gevolg dat de uitlaatgassen giftige dampen gaat bevatten.

Maar het bedrijg EcoMotors International heeft een nieuw ontwerp ontwikkeld voor deze motoren waarmee het nadeel van het hoge brandstofverbruik kan weggewerkt worden. Met hun ontwerp zou het rendement van deze motoren 50% hoger liggen en ook de uitlaatgassen zouden veel minder schadelijke stoffen bevatten. De technologie die toegepast wordt bij deze motoren heet "Opposed Piston, Opposed Cylinder (OPOC)". Dit wil zeggen dat er per cilinder twee zuiger zijn in plaats van één. De ene zuiger bevindt zich aan de onderkant van de cilinder en de ander aan de bovenkant. Allebei deze zuigers zijn via een kruk-drijfstangmechanisme verbonden met de krukas. Dit mechanisme zorgt ervoor dat de heen en weer gaande beweging van de zuigers omgezet wordt in een ronddraaiende beweging van de krukas. Bij hun ontwerp zijn er twee cilinders en deze staan recht tegenover elkaar en er tussen bevindt zich de krukas. De werking van het ontwerp is gebaseerd op een nauwkeurige automatische controle van alle onderdelen.

Doordat er twee zuigers zijn per cilinder, wil dit ook zeggen dat elke cilinder maar half zo snel zal bewegen als dat er maar één zou zijn. Deze lagere snelheid wil ook zeggen dat er minder verliezen zijn ten gevolgen van wrijving en energieverlies in de vorm van warmte. Dit is maar van de vele kleine verbeteringen die volgen uit dit nieuw ontwerp van de motor. Al deze kleine verbeteringen samen zorgen ervoor dat het totale rendement aanzienlijk verbeterd wordt, namelijk met een goeie 15%. Maar naast deze kleine verbeteringen werden er ook nog andere aanpassingen aangebracht om de werking verder te optimaliseren maar ook om te zorgen dat de uitlaatgassen minder giftige dampen bevatten.

Eén van deze maatregelen is de elektrische turbolader. Een turbolader of turbo is een pomp die het brandstof-luchtmengsel onder verhoogde druk in de cilinders perst. Deze turbolader laat toe om een variabele compressieverhouding te verkrijgen. De compressieverhouding is de verhouding tussen het volume van de verbrandingskamer en die van de cilinder tussen de onderste en de bovenste stand van de zuiger. Met deze variabele compressieverhouding laat toe om de druk van het aangezogen mengsel te laten variëren zodat het rendement steeds maximaal is. Ook is bij hun ontwerp veel aandacht besteed aan de timing van het openen en sluiten van de verschillende poorten waarlangs de gassen naar binnen en naar buiten kan stromen. Een derde maatregel is de injectie van het lucht-brandstof mengsel in de cilinder. Dit gebeurt onder een veel hogere druk en de druk wordt geregeld aan de hand van een geautomatiseerde regeling. Dit zorgt terug voor een hoger rendement. Dit laatste is niet ongewoon bij nieuwe motoren, het wordt namelijk al vaak toegepast in de huidige verbrandingsmotoren. Maar dit zorgt bij de tweetaktmotor voor een veel betere werking.

Terwijl het basis-ontwerp voor deze OPOC motor bestaat uit twee cilinder, elk aan een kant van de krukas. Indien er meer dan twee cilinders zouden gebruikt worden op eenzelfde krukas, zou dit zorgen voor een nog efficiëntere werking. De zuiger van deze verschillende cilinders kunnen dan, per twee, ingeschakeld worden wanneer andere niet voldoende arbeid kunnen leveren. Wanneer deze dan niet meer nodig zijn, kunnen ze dan weer uitgeschakeld worden. Een belangrijk aspect bij deze techniek is een elektrische koppeling waarmee het mogelijk is om de zuigers te koppelen of te ontkoppel met de krukas. Dit is ook geen nieuwe uitvinding, dit wordt ook gebruikt bij sommige moderne V8-motoren. Maar bij deze systemen blijven de zuigers dan wel steeds mee op en neer bewegen. Maar bij dit ontwerp zou dit niet het geval zijn en dus wanneer de zuigers ontkoppeld zijn, dan staan deze dan ook daadwerkelijk stil. Want wanneer de zuigers blijven meedraaien gaan er hier ook weer energieverliezen mee gepaard door wrijving en dergelijke. Al de voorgaande maatregelen, aanpassingen en ingrepen samen zorgen ervoor dat het rendement verbeterd wordt met 45% à 50%.

Het ontwerp van de tweetakt OPOC motor is dus duidelijk een combinatie van vele afzonderlijke ideeen die elk bijdragen tot een verbetering van de motor en de cyclus die doorlopen wordt. Het idee van cilinders die tegenover elkaar, rondom de krukas staan is afkomstig van de boxermotor of van de stermotor. Daarnaast is de technologie van de elektrische turbolader ook niet nieuw maar wordt dit al een aantal jaren gebruikt in turbo-motoren. Wat wel relatief nieuw is, is dat elke cilinder twee zuiger bevat in plaats van één. Maar voor de rest is dit ontwerp een systeem van oude ideeën die opnieuw gebruikt worden. Al deze verbeteringen en aanpassingen zorgen voor een reeks nieuwe mogelijke toepassingen waarbij er gebruik kan gemaakt worden van een tweetaktmotor.

De grote uitdaging voor EcoMotors International is om ervoor te zorgen dat de grote autofabrieken geïnteresseerd geraken dat ze een licentie kopen om dit ontwerp en deze technologie te gaan gebruiken bij hun wagens. De dreiging is dat de grote autofabrieken hun eigen motor van dit type zullen gaan ontwerpen in plaats van de licentie te kopen. Dit proberen ze nu te vermijden door het ontwerp steeds blijven verder te optimaliseren. Niet alleen op vlak van het rendement van de motor maar ook verder de uitstoot van schadelijke stoffen gaan inperken en ook zorgen dat er een zo groot mogelijk vermogen bekomen wordt. En dit allemaal in alle mogelijke omstandigheden en situaties. Dit is nodig om autofabrikanten eerst data wil zien voordat ze een licentie gaan kopen.

via [technologyreview]