Wat als u zou worden verteld dat uw auto op een dag een eencilindermotor onder de motorkap zou kunnen hebben die 100 pk heeft, 100 mijl per gallon (42,5 kilometer per liter) haalt en op elk type brandstof kan rijden?
De kans is groot dat je waarschijnlijk zou denken dat dit iets uit een sciencefictionfilm is, of dat het een soort wijdverbreid concept is dat nog tientallen jaren verwijderd is van de realiteit.
Niet zo, volgens Matthew Riley, de CEO en hoofdonderzoeker bij het in Kansas gevestigde Grail Engine Technologies. Hij zegt dat de tweetakt Graalmotor van zijn bedrijf binnen twee tot vijf jaar in de auto van de consument kan zitten. In februari 2012, na drie jaar ontwikkeling, heeft het bedrijf hun eerste werkende prototype gebouwd, en grote autobedrijven zoals Honda en Ford hebben al interesse getoond.
Riley zegt dat de Grail Engine 50 procent goedkoper kan zijn om te bouwen, terwijl hij 30 procent lager brandstofverbruik heeft dan de huidige motoren, en dat hij flexibel is in op welke brandstof hij draait. Het heeft een breed scala aan mogelijke toepassingen, zei hij. Het heeft ook niet de vervuilings- en betrouwbaarheidsproblemen die bij de meeste andere tweetaktmotoren voorkomen.
"Het gaat de manier waarop dingen werken veranderen", zegt Riley, een wetenschapper met meer dan 20 jaar ervaring in het ontwikkelen van experimentele motoren. "Het idee komt voort uit de gedachte dat er een betere manier moet zijn om tweetaktmotoren te maken omdat ze beter presteren."
Wat maakt de Graalmotor zo geweldig? Interessant genoeg is het niet afhankelijk van een enkele baanbrekende technologie om de klus te klaren. De motor neemt een verscheidenheid aan huidige, geavanceerde motortechnologieën en brengt ze allemaal samen in één pakket. "Het is allemaal bewezen technologie die in het verleden is gebruikt," zei Riley.
In wezen is het een zeer hightech tweetaktmotor die geforceerde inductie, directe injectie en andere technologieën gebruikt voor indrukwekkend vermogen en efficiëntie. Het is ook een pionier in wat het bedrijf 'semi-homogeen geladen compressieontsteking' noemt. Wat dat allemaal betekent, leggen we zo uit.
In dit artikel zullen we alles leren over hoe de Graalmotor werkt en onderzoeken hoe deze in de zeer nabije toekomst kan worden gebruikt.
Inhoud
Voordat we meer te weten komen over de Graalmotor, laten we eerst enkele concepten erachter definiëren, zodat we volledig kunnen begrijpen hoe het werkt.
Tweetaktmotor : In tegenstelling tot de meeste moderne auto- en motorfietsmotoren is de Graalmotor een tweetaktmotor. In voertuigen is het gebruikelijker om viertaktmotoren te vinden. Dit is wat dat betekent:op een viertaktmotor zijn er vier fasen in het interne verbrandingsproces dat ervoor zorgt dat een voertuig in beweging komt - de inname van lucht en brandstof, de compressie van die ingrediënten, de ontsteking van lucht en brandstof die dwingt de zuiger naar beneden en het vrijkomen van uitlaatgas.
Een tweetaktmotor voltooit datzelfde proces echter in slechts twee stappen. De inlaat- en uitlaatstappen worden gecombineerd, evenals de compressie- en ontstekingsstappen. Tweetaktmotoren zijn lichter en krachtiger; maar ze zijn niet zo zuinig met brandstof, ze hebben de neiging om vaker kapot te gaan en ze produceren ook veel uitlaatgas omdat olie en brandstof zich vermengen tijdens het verbrandingsproces. Dit is de reden waarom tweetaktmotoren vaak alleen worden gebruikt in kleine recreatievoertuigen en tuinmachines.
Directe injectie : DI is de nieuweling op het gebied van motortechnologieën. Het is een veelvoorkomend kenmerk geworden van prestatiemotoren en het begint ook zijn weg te vinden naar steeds meer alledaagse auto's. Op een DI-motor wordt brandstof rechtstreeks in de verbrandingskamer gespoten in plaats van zich in een afzonderlijk spruitstuk met de lucht te mengen. Hierdoor kan de lucht/brandstofmix gelijkmatiger en efficiënter verbranden, wat resulteert in meer vermogen en een lager verbruik.
Gedwongen inductie: Zelfs als je nog nooit van geforceerde inductie hebt gehoord, heb je waarschijnlijk wel gehoord van superchargers of turbochargers. Beide doen in wezen hetzelfde werk:ze dwingen meer lucht in de motor, zodat deze heter en harder brandt en meer vermogen produceert. De Graalmotor gebruikt een uniek type geforceerde inductie (waar we straks op in zullen gaan).
Geforceerde semi-homogene geladen compressieontsteking: Ook bekend als FS-HCCI, is dit een technologie waar autofabrikanten al jaren naar streven, zei Riley. Dit proces comprimeert lucht en brandstof tot het punt waarop ze bijna vanzelf ontbranden zonder vonkontsteking (vergelijkbaar met de manier waarop een dieselmotor werkt). En wanneer het lucht/brandstofmengsel ontbrandt, verbrandt alle brandstof in de kamer tegelijkertijd, wat een veel betere efficiëntie oplevert. Dat betekent meer vermogen en een lager brandstofverbruik [bron:Green Car Congress].
Met slechts 500 kubieke centimeter is de Graalmotor vrij klein -- ongeveer een kwart van de grootte van de motor van een typische zuinige auto.
Op het eerste gezicht lijkt het prototype van het bedrijf op een gewone tweetaktmotor, totdat je merkt dat de grote, naar boven gerichte inlaatklep uit het midden van de zuiger komt. Dat heeft een belangrijke functie die we zo dadelijk zullen onderzoeken -- de Graalmotor maakt veel meer gebruik van luchtdruk dan een normale verbrandingsmotor. De motor bestaat uit:
[Bron:Grail Engine Technologies]
Zoals elke verbrandingsmotor verbrandt de Graalmotor lucht en brandstof en gebruikt de resulterende explosie om een zuiger op en neer te duwen om beweging aan te drijven. Maar het is de manier waarop de Graalmotor het doet die hem zo uniek maakt.
Terwijl de zuiger omhoog beweegt, wordt eronder een vacuüm gecreëerd, dat verse lucht naar binnen zuigt via een eenrichtingsmembraan. Lucht vult vervolgens drie kamers - de pre-compressiekamer, de ventilatie-naar-zuigerpoorten en zuiger-inlaatpoorten.
Wanneer de zuiger de bovenkant van zijn reispad bereikt, vindt ontsteking plaats dankzij de drie bougies. Hierdoor wordt de zuiger naar beneden gedrukt, waardoor de lucht die tot op dit punt in het carter zit, wordt samengeperst.
Als de zuiger het onderste dode punt bereikt, gaat de uitlaatklep open en de uitlaat evacueert de cilinder terwijl gecomprimeerde lucht de verbrandingskamer binnenkomt via de ontluchting naar de zuiger en de zuiger-inlaatpoorten zoals hierboven vermeld door een eenrichtingsklep die zich in de zuiger bevindt.
Gecomprimeerde verse lucht wervelt omhoog op een vortex-achtige manier, waardoor de cilinder van uitlaatgas wordt geëvacueerd en de cilinder wordt aangevuld met verse lucht. Zodra de uitlaatklep sluit, wordt brandstof direct ingespoten en gemengd in de kamer. Het mengsel van lucht en brandstof wordt gecomprimeerd en ontstoken door de drie bougies, waardoor een explosie ontstaat die de zuiger naar beneden duwt en beweging creëert voor de volgende cyclus.
Lijkt vrij eenvoudig, toch? Over het algemeen lijkt de Graalmotor erg op een gewone tweetaktmotor, behalve dat perslucht hier een veel grotere rol speelt. Maar er zijn hier ook enkele unieke factoren aan het werk. Ten eerste zegt Riley dat de swirl-menging van perslucht en brandstof het meest efficiënte lucht/brandstofverstuivingsmengsel is dat kan worden verkregen voor een optimale verbranding. Bovendien zegt hij dat geen enkele andere motor een ontwerp heeft met geforceerde inductie van perslucht die de verbrandingskamer binnenkomt, terwijl tegelijkertijd de bovenkant van de zuiger wordt gekoeld om de emissies te verlagen.
Ten slotte zorgen de drie bougies voor een snelle explosie van explosies, die helpen bij het genereren van "geforceerde semi-homogene geladen compressieontsteking", of FS-HCCI. Dit proces comprimeert lucht en brandstof tot het punt waarop ze bijna vanzelf ontbranden (zonder vonk). En als ze toch ontbranden, verbrandt alle resterende brandstof in de kamer tegelijk -- gelijktijdig -- wat een veel betere efficiëntie oplevert. Dit resulteert in meer vermogen en een lager brandstofverbruik [bronnen:Green Car Congress, Wojdyla].
De Graalmotor heeft dus een zeer efficiënte vorm van interne verbranding. Het is lichtgewicht, goedkoop en produceert veel vermogen voor zijn formaat. Zoals we eerder zeiden, kan het 500 cc-prototype 100 pk produceren en 100 mijl per gallon (42,5 kilometer per liter) halen. Maar wat kan het nog meer?
Riley zei dat de Grail Engine veel van de nadelen elimineert die normaal gesproken worden gezien bij een typische tweetaktmotor. Ten eerste gaan olie en brandstof hier nooit samen, dus een rookprobleem is er niet. Het is ook erg stil en trillingsarm, zei hij.
Omdat er altijd verse, gecomprimeerde lucht door de motor stroomt, is het geen probleem om koel te blijven. Het vermogen om de verbrandingskamer gelijkmatig koel te houden, is wat FS-HCCI mogelijk maakt, zei Riley. Dit verhoogt de thermische efficiëntie en vermindert de uitstoot van stikstofoxide. Het is ook niet alleen beperkt tot een enkele cilinder. De Grail Engine is modulair van ontwerp, dus meerdere kunnen aan elkaar worden geregen om een motor met meerdere cilinders te creëren [bron:Wojdyla].
Maar zoals Riley graag zegt:"Wacht, het wordt beter." De Graalmotor is ontworpen om op vrijwel elk type brandstof te werken, inclusief benzine, propaan, diesel en aardgas. Het kan ook meer dan één type brandstof tegelijk in afzonderlijke tanks vervoeren. De motor kan dit omdat een boordcomputer zijn compressieverhouding on-the-fly kan aanpassen en de motor dienovereenkomstig kan aanpassen wanneer de bestuurder een andere brandstof wil gebruiken.
Het ontwerp voorkomt ook de verontreiniging van waterstof die momenteel wordt gezien in brandstofcelauto's, waardoor dat type brandstof meer dan ooit haalbaar is. "Dit plaatst brandstofcellen in een heel nieuw licht," zei Riley.
We hebben het al gehad over hoe krachtig de Graalmotor is, en hoe hij een lager brandstofverbruik en efficiëntie heeft dan een normale tweetaktmotor. Maar waar zou het gebruikt kunnen worden? Nou ja, bijna overal, zei Riley.
"Het kan worden toegepast op elk gebied van het leven, van auto's tot vliegtuigen, en recreatieve en industriële motoren", zei hij. "We hebben veel interesse in verschillende gebieden."
Naast autofabrikanten zei Riley dat het ministerie van Defensie interesse heeft getoond, maar hij zei dat hij niet kan praten over wat dat project precies is. Het zou ook een ideale helikoptermotor kunnen zijn, zei hij.
Terwijl het huidige prototype Graalmotor 500 kubieke centimeter is, werken de wetenschappers aan grotere modellen, waaronder 1.000 cc en 2.5-liter motoren.
Bovendien zegt Riley dat hij en zijn medewerkers gemotiveerd zijn door de wens om de wereld een betere plek te maken, niet om rijk te worden. Hun doel is om bestaande autobedrijven ertoe te brengen gelicentieerde versies van de technologie te produceren. Hij hoopt dat het ook de weg vrijmaakt voor een groenere toekomst. "We willen niemand failliet laten gaan", zei Riley. "We willen mensen helpen. We willen de wereld verbeteren."
Ik kon niet anders dan onder de indruk zijn van het ontwerp van Grail Engine Technologies. Het is zeker ambitieus, maar het is gebaseerd op bestaande technologie, dus het lijkt haalbaarder dan sommige experimentele motoren. Ze lijken een manier te hebben gevonden om het vermogen van een tweetaktmotor te krijgen zonder de vervuiling en met een lager brandstofverbruik dan de meeste huidige motoren. Het is interessant dat het bedrijf "groene" motivaties lijkt te hebben, in plaats van alleen maar winstgericht te zijn. Misschien zien we binnenkort een Grail Engine-auto - het klinkt niet zo vergezocht voor mij.
