Hoe een oog inspiratie kan bieden voor een nieuwe verbrandingsmotor

De afgelopen jaren heeft de automobiel industrie het hard te verduren gekregen, onder andere door de financiële crisis, door steeds toenemende concurrentie vanuit Aziatische landen, toenemende prijzen van de grondstoffen, etc. In landen zoals de VS maar ook in vele Europese landen heeft de overheid hulp moeten bieden aan deze sector. En nu de industrie nog maar net bekomen is van al deze problemen, staat hun een volgende uitdaging te wachten, namelijk het op de markt brengen van efficiëntere en milieuvriendelijke wagens. In het algemeen scoren wagens met een interne verbrandingsmotor niet goed op het gebied van energie-efficiëntie. Daarom is er innovatie vereist om hier iets aan te doen. En dat hebben twee broers uit Colorado in de VS ook gedaan. De twee broers, Levi Tillermann-Dick (28) en zijn broer Corban (24) hebben samen met hun vader een idee van een nieuwe motor uitgewerkt. Hun idee houdt een radicaal nieuwe motor-ontwerp in die veel efficiënter werkt dan de conventionele verbrandingsmotoren.

De conventionele verbrandingsmotoren die vandaag de dag gebruikt worden in de wagens maken nog steeds gebruik van ongeveer hetzelfde ontwerp dat in de jaren 1870 en 1880 ontwikkeld werd door Nikolaus Otto en Gottlieb Daimler. Zij maakten de eerste viertaktmotor, zoals we die vandaag kennen, om een wagen aan te drijven. Dit ontwerp werkt aan een rendement die er voor zorgt dat slechts 20% à 30% van de inhoud van de brandstoftank wordt omgezet in energie die de wagen vooruit duwt. De rest van de energie-inhoud van de brandstoftank gaat verloren aan de omgeving, hoofdzakelijk in de vorm van thermische energie.

De gebroeder Tillemann-Dick geloven erin dat zij het rendement van hun verbrandingsmotor kunnen opkrikken tot 50%. Dit door om te schakelen van een 'zuiger-aangedreven motor', zoals die van Otto en Daimler naaar een 'internally radiating impulse structure' (IRIS). Vrij vertaald staat dit voor 'intern uitstralende impuls structuur', maar veel meer zegt dit niet. Bij een IRIS motor gaat de structuur, die als vervanging dient voor de zuigers, ontspannen en samentrekken als de iris van een oog. De iris van een oog is het diafragma van het menselijk oog. Het is een ringvormig gepigmenteerd orgaan achter het hoornvlies dat de hoeveelheid doorgelaten licht naar het netvlies bepaalt door samentrekken van de kringspier. Het samentrekken van de kringspier leidt tot een verkleining van de doorlaatopenning dus dat er minder licht doorgelaten wordt. En omgekeerd het ontspannen van het iris zorgt dat die doorlaatopening vergroot en dus dat er meer licht doorgelaten wordt. Het ontspannen en samentrekken gebeurt door de pupilspieren. Dit nieuwe ontwerp zorgt voor een voordeel op het vlak van efficiëntie en motorvermogen ten opzichte van de conventionele motoren. Daarom hebben de broers een start-up bedrijf, IRISpower, opgericht die dit motor-ontwerp aanbiedt en verder ontwikkeld.

De verbrandingskamer van een IRIS motor ziet er volledig anders uit als die van een zuiger verbrandingsmotor. Bij de IRIS motor is de verbrandingskamer ongeveer cirkelvormig, namelijk de wand bestaat uit zes omgekeerde cirkelsegmenten. Het is net alsof men een ring in zes gelijke delen heeft gesneden en deze dat heeft omgedraaid zodat de buitenkant nu naar binnen zit. Deze cirkelsegmenten dienen als de wanden die de compressie en expansie mogelijk maken. (zie video onderaan) Deze segmenten zijn aan één uiteinde scharnierend vastgemaakt, en dus kunnen deze een draaibeweging uitvoeren. Tijdens de compressie, draaien de cirkelsegmenten naar het middelpunt toe, hierdoor wordt het ingesloten volume, en dus het volume van de verbrandingskamer, kleiner waardoor de gassen gecomprimeerd worden. En tijdens de expansie gebeurt dan net de omgekeerd beweging, namelijk dan draaien de cirkelsegmenten van het middelpunt weg en dus wordt het volume van de verbrandingskamer groter. De expansie en de compressie bij deze motor resulteert dus in toename of afname van de diameter van de verbrandingskamer. Deze cirkelsegmenten zitten ingesloten tussen twee platen waardoor het volume afgesloten wordt. En doordat alle cirkelsegmenten gelijktijdige dezelfde beweging uitvoeren, blijft de verbrandingskamer ook ten alle tijde afgesloten.

De scharnieren verbinding aan het ene uiteinde van de cirkelsegmenten laten de draaibeweging van deze segmenten toe. Deze scharnier is vast verbonden met het cirkelsegment. En langs de andere kant van de plaat, die de verbrandingskamer afsluit, bevindt zich het mechanisme die zorgt dat de scharnieren bewegen van de cirkelsegmenten worden omgezet in een rotatie van de krukas. De vaste scharnier van de segmenten is verbonden aan een staaf. Aan deze staaf, staat er ergens over de lengte van de staaf, een arm loodrecht op deze staaf. Deze arm is verbonden met de staaf met een vaste verbinding, dus deze de staaf dient om de draaibeweging van het cirkelsegment door te geven aan de arm en terwijl deze om te zetten in een op en neer gaande beweging. Deze op en neer gaande beweging wordt dan via een kruk-drijfstangmechanisme omgezet in een rotatie-beweging van de krukas. Dit kruk-drijfstangmechanisme is sterk gelijkaardig als het kruk-drijfstangmechanisme die terug te vinden is in een zuiger-motor.

Bij een verbrandingsmotor is het zo dat tijdens de verbranding van het lucht-brandstof mengsel de gassen ervoor zorgen dat de wanden van de verbrandingskamer gaan opwarmen of kan deze wanden gaan verduwen. Bij een conventionele zuiger-motor, kan slechts 25% van de wanden van de verbrandingskamer bewegen. En elke dit gedeelte van de wanden kan de productieve beweging gaan uitvoeren. Bij een IRIS-motor is de situatie een stuk verschillend, namelijk hier kan meer dan 70% van de wanden bewegen. Dit zorgt dat de verbrandingskamer productiever is hierdoor kan kunnen de verbrandingsgassen verder expanderen voordat de kleppen geopend worden. De kleppen voor de IRIS-motor bevinden zich in één van de platen die de verbrandingskamer afsluiten.

Dit ontwerp combineert de eenvoud van een tweetaktmotor met het hoge rendement van een viertaktmotor. De werking van de IRIS-motor bestaat niet meer uit vier slagen, namelijk de inlaatslag, compressieslag, arbeidslag en de uitlaatslag. De cyclus begint bij de situatie waarbij de cirkelsegmenten helemaal in hun uiterste stand staan, het verst van het middelpunt van de cirkel. Op dit ogenblik stroom er verse lucht naar binnen, door openingen die zich in de cirkelsegmenten bevinden. Dit terwijl de laatste resten van de verbrandingsgassen van de vorige cyclus naar buiten stromen via kleppen in één van de platen die de verbrandingskamer afsluit. De openingen waarlangs de verse lucht naar binnen komt bevinden zich helemaal tegen het scharnierende uiteinde van de cirkelsegmenten. Dus wanneer de cirkelsegmenten een relatief kleine afstand naar binnen toe bewegen, dan worden deze openingen afgesloten. Wanneer dit gebeurt zijn de uitlaatkleppen ook al gesloten.

Bij het verder naar binnen toe bewegen van de cirkelsegmenten wordt de verse lucht, die zich in de verbrandingskamer bevindt, gecomprimeerd. Wanneer de cirkelsegmenten zich in de andere uiterste stand bevinden, dus bijna helemaal in het middelpunt, dan wordt de brandstof ingespoten in de verbrandingskamer. Het lucht-brandstof mengsel wordt hier nu ook ontstoken door een vonk van een bougie. Doordat brandstof verbrandt gaat er zich een expansie plaatsvinden en deze duwt dan de cirkelsegmenten terug naar buiten. Bij deze beweging levert de brandstof zijn energie aan het mechanisme. Wanneer de cirkelsegmenten bijna terug in de uiterste stand staan gaan de uitlaatkleppen terug open en stromen de verbrandingsgassen naar buiten. En een ogenblik later zijn de inlaatkleppen in cirkelsegmenten terug geopend waardoor er terug verse lucht de verbrandingskamer kan binnen stromen voor de volgende cyclus.

Met hun ontwerp wonnen de Tillemann-Dick broers vorig jaar een prijs van $100.000 van Draper Fisher, een bedrijf die durfkapitaal verstrekt aan beginnende ondernemingen. Dit bedrijf hielp ook met de financiering van bedrijven zoals Hotmail en Skype in hun beginjaren. Maar dit geldbedrag is hoogstwaarschijnlijk nog niet voldoende om hun technologie te lanceren. De broers moeten namelijk opboksten tegen een gigantische concurrentie, namelijk die van de conventionele zuigermotor. En de auto-industrie heeft ook het onaangename karakter dat het niet snel grote veranderingen inbrengt. De broers hebben dus geen gemakkelijk weg af te wandelen om hun licentie voor hun technologie verkocht te krijgen aan één of meerdere grote autofabrikanten.

Geschreven door Emile Glorieux, Bron [news.nationalgeographic]