Alternatieve aandrijvingen deel 1: Waterinjectie: kan water branden?

Door Peter Aansorgh

Illusionist of?

De hele tesopstelling met de dieselmotor, het mengpaneel en de jerrycans. Op de achtergron, tegen de muur, is het paneel van de generator, dat de stroomsterkte en het voltage weergeeft

Uitvinders: praat me er niet van. Allen woonachtig in Utopia, voorzien van leuke idealen (goed van snit hoewel ze uit de mode zijn, aldus B. de Groot) en ideeën die nooit levensvatbaar zijn en waar zij alleen het nut, de noodzaak en de mogelijkheid van in zien. Dingen die vaak helemaal niet kunnen, zoals een dieselmotor op water laten lopen. Maar Mallorca is een mooi eiland en het is er een stuk warmer dan hier, dus toen uitvinder Johan Oostrom mij vroeg om er eens lekker te komen buurten en naar zijn waterverslindende diesel te komen kijken dacht ik, wat the heck… Om vervolgens in zijn garage te staan kijken naar een motor waar een melkachtige water-dieselemulsie de brandstofpomp instroomt en die gewoon lekker doorloopt alsof hij pure diesel krijgt, ogenschijnlijk ook met dezelfde vermogensafgifte. En dan krab je je even achter de oren. Zat er gisteravond iets in de paella, heb ik te diep in de Rioja-fles gekeken of mag de heer Oostrom zich in het illustere rijtje van Dynamo, Hans Klok en David Copperfield scharen. Met andere woorden, wordt mij hier een gigantisch illusionistenrad voor de ogen gedraaid? Het schijnt van niet: “Je kunt tot 70% water bijvoegen, aldus Johan. “Melk gaat ook. Appelsap doet het ook leuk. Maar water met een beetje zeep gaat het beste. Daarmee kun je tot 50% brandstof besparen.”

B52

De grote vraag is natuurlijk: hoe is het in vredesnaam mogelijk dat zo'n motor gewoon doorloopt. Water brandt immers niet. Zelfs Spa Reine niet. Natuurlijk, in het verleden werd er ook wel eens waterinjectie toegepast. Maar dat had een heel andere functie, bovendien ging het daarbij ook om heel wat kleinere hoeveelheden. Er werd dan wat water in het inlaatsysteem gespoten. Daarvan daalt de temperatuur van het mengsel, omdat het water verdampt en de daarvoor benodigde energie aan zijn omgeving ontrekt. En omdat de temperatuur in de verbrandingskamer een grote invloed heeft op de pingelneiging, kun je die door waterinjectie verlagen. En dat betekent, dat je de compressieverhouding weer kunt opvoeren, zonder dat de motor gaat pingelen. Op die manier kun je een motor dus zuiniger maken of meer vermogen laten ontwikkelen, zelfs zonder dat er nog vollastverrijking nodig is. Deze techniek werd in de Tweede Wereldoorlog wel op vliegtuigen toegepast, zoals op de eerste Boeings B52. Maar ook op auto’s werd het wel gebruikt. Saab bood in de jaren zeventig waterinjectie aan op de 99 turbo. Daardoor kon de turbodruk verder worden verhoogd, zodat het blok meer vermogen ontwikkelde. De inlaatluchtkoeler of “Intercooler” maakte waterinjectie destijds overbodig. De truc van Johan Oostrom is echter van een heel andere orde. Toch is hij niet de eerste die hiermee experimenteert. Dat deed een zekere Joseph A Vance al in 1933. Toen vroeg hij patent aan voor de toepassing van een brandstofmengsel, waaraan 10-80% water was toegevoegd. Volgens Vance had dit mengsel alle eigenschappen van een pure koolwaterstofbrandstof. In de praktijk concludeerde hij dat 40% waterverdunning een optimaal resultaat gaf, waarbij sommige motoren een gelijke vermogensafgifte en sommige zelfs een hogere vermogensafgifte hadden.

Gunnerman

Van iets recentere datum zijn de inspanningen van een zekere Rudolf W. Gunnerman. Niet zomaar een geitenwollensokkentype, dat de wereld met behulp van een uitkering en wilde ideeën wilde verbeteren. Nee, meneer Gunnerman was medeoprichter en ex-directeur van SulphCo inc. en had een aantal dermate indrukwekkende bijdragen aan de wetenschap en technologie op zijn naam staan, dat hij daarvoor met de Albert Einstein Gold Medal of Honor werd onderscheiden. Kortom, meneer Gunnerman is een van de mensen die je serieus moet nemen. En dat geldt dus ook voor zijn patent “A-55 Clean Fuels” uit 1999, waarin de van oorsprong Duitse ingenieur zijn bevindingen op het gebied van brandstof-watermengsels met wateraandeel van 20% tot 80% beschrijft. Hij liet deze mengsels verbranden in verbrandingskamers, waarin boutkoppen van nikkel waren gemonteerd om als katalysator te dienen. Ook gebruikte hij een middeltje - een detergent - om te zorgen dat de brandstof goed met het water mengde. Zijn mengsel werd ontstoken door een bougie. In de praktijk bleek dat een motor, die op een mengsel van 50% water en 50% koolwaterstof loopt, ongeveer evenveel vermogen levert als een motor die een vergelijkbare dosis pure brandstof krijgt toegediend, ook al bezit het mengsel maar de helft van de potentiële energie. Het leuke van Gunnerman is, dat hij zijn theorieën ook in de praktijk bewees, zoals een artikel in het Amerikaanse “Business Week” van op 8 september 1994 bevestigde: stadsbus nr. 405 in Reno had maar liefst 11.292 probleemloze mijlen met het A-55 mengsel van Gunnerman gereden. Het brandstofverbruik lag 29% lager dan bij de andere bussen.

Schakelpaneel waarmee Johan de mengverhouding tussen diesel, water en zeep kan varieren

Stoommachine

Mengrelais waar diesel, water en zeep bij elkaar komen en vanwaar het mengsel naar de hogedrukpomp loopt

De conclusie is dus dat het werkt, maar ook voor Gunnerman was de vraag waarom. Hij kwam met twee verklaringen voor dit fenomeen. De eerste was, dat water door de hoge vonkspanning ontleedt in waterstof en zuurstof. Wanneer dat weer verbrandt, zorgt dat volgens hem voor een schonere en fellere verbranding. Dat klinkt als klinkklare onzin, voornamelijk omdat het dat ook is. Al blijkt het verschijnsel in de praktijk wel te kunnen optreden. Het is in 1847 ontdekt door een zekere Grove. Maar er is in dit universum ook nog zoiets als de wet van behoud van energie. Er kan bij de verbrandingsreactie tussen waterstof en zuurstof nooit meer energie vrijkomen dan het kost om de twee van elkaar te scheiden. Anders hadden we bij deze het wereld-energievraagstuk opgelost: gewoon doorgaan met scheiden en weer verbranden, houd je elke keer energie over. Te mooi om waar te zijn. En dus is het ook niet waar. Zijn tweede theorie lijkt steekhoudender: wanneer water zover wordt verhit dat het overgaat van vloeistof naar waterdamp, ontstaat er een enorme drukverhoging die voor extra power zorgt. Revolutionair? Niet echt. Jarenlang hebben we op die manier stoommachines laten draaien. Nu doen we hetzelfde, maar dan direct in een verbrandingsmotor. Normaal zorgt de verbranding van het lucht-brandstofmengsel voor een enorme temperatuurstijging, die een drukverhoging veroorzaakt. Nu zorgt de overgang van water naar waterdamp voor een drukverhoging. Extra filter voor water/zeepmengsel, naast het standaard dieselfilterEn blijkbaar is dat effect zo groot, dat het verlies aan drukstijging door de lagere verbrandingswaarde van de toegevoerde brandstof compenseert. Of, om het even politiek correct te zeggen, het rendement van dit thermodynamische proces is net zo hoog of zelfs hoger. Dat wordt bevestigd door een onderzoek uit 2010 van James C. Conklin van het Oak Ridge National Laboratory in Knoxville. Het onderzoek betreft een zestaktmotor. Hierbij wordt de uitlaatklep tijdens de uitlaatslag gesloten, waarna een deel van het verbrande mengsel weer wordt gecomprimeerd. Na het BDP wordt water ingespoten, dat in het hete gas tot stoom verandert. De drukverhoging, die dat teweeg brengt, geeft een extra “verbrandingsslag”.

Emissies

Het mengen van brandstof met water geeft dus een brandstof besparing met behoud van vermogen, zo lijkt het. Daarmee zorgt het voor een sterke verlaging van de CO2-uitstoot. Maar ook de emissies van schadelijke stoffen lijkt door deze aanpak sterk te worden verlaagd. Dat is niet zo verwonderlijk, want de waterinjectie verlaagt de temperatuur in de verbrandingskamer. Het opwarmen van water tot het kookpunt vraagt 4,19 kJ/kg/°K, het verdampen nog eens 22,6 x 105 J/kg. Energie, die ten koste gaat van de opwarming. Daardoor speelt het hele thermodynamische proces zich bij lagere temperaturen af. Dat remt de vorming van NOx enorm af. Bovendien zorgen lagere temperaturen ook voor lagere warmteverliezen via cilinderwanden, waardoor meer energie in druk wordt omgezet. Het effect is groot, zoals blijkt uit een onderzoek van Laboratorium voor turbulentieresearch, Aerospace en verbrandingsmotoren van de Monash university van Melbourne. Flowmeter waaraan je kunt zien dat de dieselmotor inderdaad minder diesel verbruikt op het moment dat hij op het water-dieselmengsel looptHier werd in 2006 onderzoek verricht naar waterinjectie met een mengsel dat 13% water bevatte. Het effect was dat er bij gelijke koppelafgifte 30% minder NOx ontstond, terwijl de productie van onverbrande koolwaterstoffen (HC) 60 tot 90% daalde. Wel werd een hoger brandstofverbruik geconstateerd, waarvan de toename niet compenseert voor het aandeel water. Zelf merken ze daarbij al op dat andere onderzoeken met grotere delen water een sterkere drukverhoging gemeten hebben en dat daarbij een verlaging van het brandstofverbruik optrad.

Zien is geloven

Brandstof wordt duur. Voor Johan Oostrom helemaal een probleem, want zijn huis is in “the middle of nowhere” gebouwd, waar geen elektriciteitsvoorziening is. Hij moet het dus zelf opwekken met een generator. “Daarom wilde ik een generator aandrijven met een motor, die zo zuinig mogelijk loopt. Liefs een waar ik alles in kan gooien wat voorhanden is.” Johan sloeg aan het experimenteren met Gunnerman zijn theorieën. Hij maakte een testopstelling met een Mitsubishi S6S dieselmotor, een zescilinder viertakt met kopkleppen en wervelkamers. De motor werkt met een compressieverhouding van 22:1 en heeft een cilinderinhoud van 4.996cc, dankzij een boring van 94 mm en een slag van 120 mm. Voor de inspuiting zorgt een lijnpomp, die 120 bar inspuitdruk levert. In de dieselleiding is een flowmeter opgenomen, zodat het brandstofverbruik kan worden afgelezen. Boven de motor hangt een jerrycan met water en een met zeep. Dat wordt via een stel elektromagnetische kleppen en een regelbaar mengsysteem met de diesel gemixt. De dieselmotor drijft vervolgens een generator aan, waarvan de opgewekte energie wordt afgevoerd naar een verwarmingssysteem, dat een zwembad opwarmt. Het voltage en de stroomsterkte van de generator zijn af te lezen, zodat Johan een maat voor het vermogen heeft. En dat lijkt gelijk te blijven, wanneer de motor na het opwarmen op de mix overschakelt. De flowmeter in de dieselleiding laat daarbij inderdaad een lager brandstofverbruik zien. Een en ander zou betekenen dat de motor op de emulsie inderdaad hetzelfde vermogen levert bij de helft van het dieselverbruik. Ik zie het. En dus moet ik het wel geloven...

Controlepaneel waarmee Johan diverse temperaturen in de gaten houdt