Alternatieve aandrijvingen deel 2: JRS rotatiemotor

Door Peter Aansorgh

Alternatief voor zuigermotor

De Nederlander Jan van Veen probeerde het begin jaren '70 van de vorige eeuw met deze OCR1000. De 100 pk sterke motor werd aangedreven door een wankelmotor van Comotor - een samenwerkingsverband tussen Citroen en NSU, maar door de oliecrisis zouden er maar 38 van worden geproduceerd

In een conventionele verbrandingsmotor zitten zuigers, die op en neer gaan. Dat betekent dat ze steeds moeten worden versneld, afgeremd en weer versneld en afgeremd. Dat kost niet alleen energie, maar het heeft ook trillingen. En die moet je weer tegengaan door contragewichten en balansassen toe te passen. Die maken een motor groter, zwaarder en gecompliceerder, terwijl de aandrijving ervan ook weer energie kost. Bovendien veroorzaken de op- en neergaande bewegingen enorme massatraagheidskrachten, die het maximum toerental van een dergelijke motor sterk beperken. Felix Wankel vond decennia jaren geleden al dat dat anders kon. Hij ontwierp de draaischijfmotor, ergens in de jaren 50. Deze motor heeft geen zuigers, maar een soort driehoekige schijf, die via een excenter in een elliptisch huis loopt. Door de driehoekige vorm van de rotor ontstaan drie kamers, die door de beweging van de schijf steeds groter en kleiner worden. Eerst wordt de kamer groter, zodat mengsel wordt aangezogen, dan weer kleiner, zodat het mengsel wordt gecomprimeerd, dan weer groter als het mengsel wordt aangestoken en de schijf wegdrukt, dan weer kleiner, zodat het uitlaatgas eruit wordt gepompt. Net als bij een conventionele viertaktmotor, maar dan zonder op en neer gaande zuigers. Daardoor zijn zeer hoge toerentallen mogelijk, in 1956 draaide zijn 125cc-motor al 17.000 tpm continue en 20.000 tpm maximaal. En omdat de verbrandingskamer zich met de draaischijf door de motor verplaatst, zijn er geen in- en uitlaatkleppen nodig. De schijf sluit de poorten af totdat de verbrandingskamer langs de in- of de uitlaatpoort komt. De wankelmotor is daardoor eenvoudiger en compacter. Het grote probleem was om de afdichtingen, waarmee de rotorpunten langs de behuizing liepen, een goede levensduur mee te geven.

Schottenmotor

Hercules W2000 uit 1974

De wankelmotor werd sporadisch toegepast, onder meer in de legendarische NSU Ro 80 auto, in de Citroen GS Birotor van 1973, de Hercules W2000 motorfiets uit 1974 en op de Suzuki RE5 uit 1975. Tegenwoordig gebruikt Mazda nog een wankelmotor in de RX8 sportwagen, maar zij zijn zo ongeveer de enige. Toch blijft het idee van een motor zonder zuigers tot de verbeelding spreken. Ook uitvinder Johan Oostrom waagde zich al enkele jaren geleden aan de ontwikkeling van een rotatiemotormotor. Het geval lijkt een beetje op schottenpomp, maar dan weer met een wat vreemd gevormd huis, dat de contouren van twee net ten opzichte van elkaar verschoven cirkels heeft. In de rotor zitten een aantal schotjes, die bestaan uit een labyrinth van stalen plaatjes. De plaatjes worden door de centrifugaalkracht naar buiten gedrukt. Ze veren tegen elkaar, waardoor ze tegen de zijafdichting drukken. Het systeem heeft minder aanlegdruk dan de afdichtingen van een Wankelmotor en is ook lichter. Het werkt verder vergelijkbaar met een wankelmotor: doordat de ruimte tussen de rotor en het huis verandert kan er mengsel worden aangezogen, gecomprimeerd, geëxpandeerd en weggepompt met de zes verbrandingskamertjes, die elk 5cc inhoud hebben. Er zijn dus ook zes verbrandingen per omwenteling. De motor werkt doordat de gasdruk, die bij de verbranding ontstaat, alle kanten op werkt. Dus ook tegen de twee schotjes van een kamer. Dus eenmaal in de draairichting en eenmaal er tegenin. Het ene schotje is door de vorm van het huis echter verder uitgeschoven dan het andere schotje, waardoor het oppervlak, waarop de druk werkt, groter is. En dus is er in die richting meer kracht, waardoor de rotor gaat draaien.

Ingenieuze constructie

Dat dit idee potentie heeft, maar nog beter uitgewerkt kan worden, laat Hans Roelofs zien met de JRS-motor. Dit ontwerp steekt nog vele malen ingenieuzer in elkaar. Het grote principeverschil met de rotatiemotor van Oostrom is dat de verbrandingskamers elk maar één schot hebben, waartegen de gasdruk werkt. Omdat er geen schot is, waarop de gasdruk tegen de draairichting in werkt, is de krachtontwikkeling in de draairichting veel groter. Daar staat wel tegenover, dat de verbrandingskamer bij de motor van Roelofs veel sneller in volume toeneemt, waardoor de druk sneller daalt.
Tot zover klinkt het idee vrij simpel. Maar om dit theoretische principe in een concrete constructie om te zetten, moest Roelofs een bijzonder ingewikkeld ontwerp bedenken. Hierbij moesten immers alleen de schotjes, die de verbrandingskrachten moeten opvangen, naar buiten tegen het buitenhuis lopen. De andere schotjes moeten hun pootje bijtijds intrekken om geen tegenkracht te genereren. De truc was om vier schotjes te gebruiken, waarvan er steeds twee tegenover elkaar op een as zitten. De twee assen zijn uit het midden van de rotoras geplaatst. De ene aan de verbrandings- en uitlaatslagkant, de ander aan de inlaat- en compressiekant. En omdat de afstanden tot de wand verschillen, kunnen de schotjes van een as ook maar één kant van het huis raken.

Doordat de schotjes in sleuven in de ronde rotor lopen, worden ze op een vaste afstand van elkaar gehouden. Dat gaf ook weer een probleem, want door de verschillende asopstellingen veranderen de hoeken ten opzichte van die sleuven. Dat loste Roelofs op door de sleuven in ronde balken te maken en die weer in ronde gaten in de rotor te plaatsen, zodat het geheel iets kan draaien. Daarmee waren alle constructieve problemen echter nog niet opgelost, want door de verschillende asopstellingen kruisen de schotjes elkaars assen. En dus moeten de assen in “horizontale” (axiale) richting ook uit elkaar worden geplaatst. Je moet een tekening zien op te snappen hoe hij dat flikte…

Zo werkt het

Goed, dan de praktijk. De rotor draait in het motorhuis, waarin aan de onderkant een in- en een uitlaatkanaal zitten en aan de bovenkant een aantal brandstofinjectoren. De rotor loopt op die plek strak tegen de behuizing aan, net als op het scheidingsvlak tussen het in- en het uitlaatkanaal. De schotjes lopen in paren op een vaste afstand achter elkaar aan. Wanneer een schotjespaar de inlaatpoort passeert, zal het eerste schotje ingetrokken blijven. Het tweede schotje volgt de wand van de behuizing, waardoor achter het tweede schotje een vacuüm ontstaat. Dat zuigt lucht aan. Wanneer het volgende paar schotjes het inlaatkanaal passeert, gebeurt hetzelfde. Het achterste schotje zorgt dat er vers mengsel achter zich wordt aangezogen. Maar aan de voorkant van het schotje zit ook vers mengsel, in een ruimte die langzaam kleiner wordt. Dat mengsel wordt dus gecomprimeerd. In het bovenste punt van de behuizing gaat ook het voorste pootje van het schottenpaar tegen de behuizing aanlopen. Tussen de twee schotjes is een bolvormige uitsparing in de rotor gemaakt, waar de lucht zich kan verzamelen terwijl de schotjes voorbij de injectoren draaien. De injectoren spuiten daar de brandstof in, die door de compressieverhouding van 20 : 1 vanzelf ontbrandt, zoals een diesel dat doet. Als het voorste schotje doordraait, blijft die tegen de wand van de behuizing aanlopen. Het achterste schotje niet, want dat kan er door de asopstelling niet meer bij. Het brandende mengsel duwt dus alleen tegen het voorste schotje en zorgt zo voor de aandrijvende kracht. Het achterste schotje blijft ingetrokken, zodat er geen tegengestelde kracht optreedt. Op het moment dat het volgende schottenpaar de injectoren passeert, passeert het voorste schotje van het eerste paar de uitlaatpoort, zodat het uitlaatgas weg kan. Zo is er een complete viertaktcyclus doorlopen, hetgeen dus tweemaal per omwenteling gebeurt.

Prototype

De complete JRS-motor bestaat uit twee van deze units en is in staat op diverse brandstoffen te functioneren, zoals benzine, diesel en allerlei biobrandstoffen. De motor draait in principe op een ideale mengverhouding, waarmee wordt bedoeld dat er voor elk brandstofdeeltje exact genoeg zuurstofdeeltjes zijn. Geen arm mengsel dus, maar λ=1. Het vermogen wordt geregeld door een aantal verbrandingskamers wel of niet in te spuiten, zodat het aantal werkende verbrandingscycli per minuut wordt gevarieerd. Een belangrijk voordeel van de JRS-motor is, dat de aanzuig- en compressiekamer niet in aanraking komt met de hete verbrandingsgassen. De kamer blijft hierdoor koel en dat heeft een gunstig effect op de NOx-vorming, die daardoor laag blijft. Een ander voordeel is dat de JRS-motor weinig onderdelen en nevensystemen heeft. Hij is luchtgekoeld, dus is er geen radiator of waterpomp. Er zijn ook geen kleppen, dus ook geen distributieriemen, nokkenassen, klepveren en tuimelaars. Ook is er door het ontbreken van op- en neergaande delen geen onbalans, dus zijn er ook geen balansassen nodig. De JRS-motor kent daardoor minder verliezen, zodat de energie uit de brandstof effectiever voor de aandrijving wordt gebruikt. Het specifiek vermogen van de JRS motor is volgens Hans Roelofs een factor 4 tot 8 hoger dan van gewone benzinemotor, bovendien is de motor onderhoudsarm. Hans Roelofs verwacht een brandstofverbruik dat half zo hoog is ten opzichte van een verbrandingsmotor met dezelfde vermogensafgifte, bij een 20% lager gewicht. Er is voor de constructie patent aangevraagd en verleend in alle landen. Helaas is de motor nog niet productierijp: hij begon zijn leven als 3D-model, dat in SolidWorks werd gemaakt. Er is inmiddels ook een mechanisch prototype gemaakt. De volgende stap is om een werkend prototype te maken dat de theorie in de praktijk brengt.

JRS-MO1

Om het project kracht bij te zetten ontwikkelde Hans Roelofs ook een bijzondere motorfiets, die optimaal gebruik maakt van de karakteristieken van de JRS-motor. De motorfiets heeft een modulaire opbouw, waarbij door verandering van bovenzijde en zitgedeelte een heel andere motorfiets (bv toer in plaats van sport) kan worden verkregen. Ook zijn rijhoogte, de wielbasis en andere geometriematen aan te passen om het rijgedrag te beïnvloeden. Maar ook hier geldt, dat het nu nog moet worden omgezet van flitsende tekeningen naar een rijdend model.