Zuigermotor-generator: hoe een piepklein verbrandingsmotortje elektrische auto's verder laat rijden
Stel je een elektrische auto voor die geen stekker meer nodig heeft om verder te rijden dan de accu toelaat. Niet omdat er een grote benzinemotor onder de motorkap ligt die de wielen aandrijft, maar omdat er een klein, op zichzelf staand motortje meerijdt dat één taak heeft: stroom maken. Dat is in essentie een zuigermotor-generator, ook wel range extender genoemd. De wielen worden nog altijd volledig elektrisch aangedreven, maar zodra de accu leeg dreigt te raken, springt het motortje aan om de elektromotor van brandstof te blijven voorzien, via elektriciteit in plaats van via een mechanische verbinding.
Het idee klinkt eenvoudig, maar de uitwerking kent grote verschillen in verfijning. Aan de ene kant staan al jaren bewezen systemen: een gewoon klein benzinemotortje met een krukas, gekoppeld aan een generator, zoals in de BMW i3 of de Nissan Note zat. Aan de andere kant van het spectrum werken ingenieurs al langer aan een radicalere versie: de vrije-zuiger lineaire generator, een motor zonder krukas, zuigerstang of nokkenas, waarbij de zuiger zelf heen en weer schiet door een spoel en zo rechtstreeks elektriciteit opwekt. Die laatste variant is waar toekomstgerichte artikelen doorgaans op doelen, omdat ze belooft compacter, zuiniger en flexibeler te zijn dan alles wat er nu in productieauto's rondrijdt.
Wat is het precies?
Een gewone verbrandingsmotor zet de heen-en-weergaande beweging van een zuiger om in een draaiende beweging via een krukas. Die draaiing drijft normaal gesproken de wielen aan, of in een generatoropstelling: een dynamo of alternator die stroom opwekt. Dat mechanische omzetten kost energie door wrijving en vraagt om veel bewegende onderdelen: zuigerstangen, lagers, een nokkenas voor de kleppen.
Bij een vrije-zuiger motor (free-piston engine) valt de krukas helemaal weg. De zuiger beweegt vrij heen en weer in de cilinder, aangedreven door kleine verbrandingen aan afwisselende zijden, een beetje zoals een zuiger in een fietspomp die je aan beide kanten kunt laten samendrukken. Rond de zuigerstang zitten magneten; de cilinderwand is omwikkeld met spoelen van koperdraad. Beweegt de zuiger, dan bewegen de magneten door het magneetveld van de spoelen, en dat wekt direct elektrische stroom op. Dit heet elektromagnetische inductie, hetzelfde principe als in een fietsdynamo, maar dan in een rechte lijn in plaats van draaiend, vandaar de term lineaire generator.
Omdat er geen krukas is die de zuigerbeweging dwingt tot een vaste slaglengte, kan een besturingssysteem elke slag net iets anders laten verlopen. Dat maakt het mogelijk om de compressieverhouding per cyclus aan te passen aan het type brandstof of de belasting, iets wat bij een klassieke motor vrijwel onmogelijk is. In theorie levert dat een hoger rendement op: minder energie verloren als wrijving en warmte, meer als bruikbare elektriciteit.
Wat wil men ermee bereiken?
De belofte is drieledig. Ten eerste actieradius: een elektrische auto met een klein reservemotortje aan boord hoeft niet met een enorme, zware accu rond te rijden om lange ritten aan te kunnen. Het motortje springt alleen bij als het nodig is, wat het gewicht en de kosten van de auto drukt vergeleken met een auto die dezelfde actieradius puur met batterijen zou moeten halen.
Ten tweede rendement en uitstoot. Omdat de motor nooit direct de wielen aandrijft, hoeft hij niet te functioneren bij wisselende toerentallen tijdens optrekken, afremmen of stilstaan in de file. Hij kan constant draaien op het toerental waarbij hij het zuinigst en schoonst is, wat in theorie lagere uitstoot en brandstofverbruik per opgewekte kilowattuur oplevert dan een motor die rechtstreeks de wielen aandrijft.
Ten derde brandstofflexibiliteit. Doordat de compressieverhouding instelbaar is, kunnen sommige ontwerpen overweg met verschillende brandstoffen: benzine, waterstof, biogas of aardgas, zonder grote mechanische aanpassingen. Voor stationaire toepassingen, zoals noodstroom of lokale stroomopwekking naast het elektriciteitsnet, is dat aantrekkelijk omdat de generator kan meebewegen met wat lokaal beschikbaar of duurzaam is.
Voorbeelden uit de praktijk
De BMW i3 Range Extender (leverbaar van 2013 tot de productiestop van de i3 in 2020) is het bekendste voorbeeld van de eenvoudige, klassieke variant: een tweecilinder benzinemotortje van ongeveer 650 cc, met krukas, dat uitsluitend een generator aandreef om de accu bij te laden tijdens het rijden.
De Nissan e-Power-technologie, geïntroduceerd in de Nissan Note in Japan in 2016 en later uitgerold naar andere modellen en markten, werkt volgens hetzelfde basisprincipe: een benzinemotor is nooit mechanisch gekoppeld aan de wielen en dient alleen als generator, terwijl een elektromotor altijd de aandrijving verzorgt.
Toyota onderzoekt al geruime tijd, met gepubliceerde studies vanaf het midden van de jaren 2010, een vrije-zuiger lineaire generator (Free Piston Engine Linear Generator, FPEG) als compacte range extender. Het gaat vooralsnog om onderzoeksprototypes, niet om een systeem dat in een verkrijgbaar model zit.
Het Britse bedrijf Libertine FPE werkte in de jaren 2010 aan vrije-zuiger motoren voor onder meer range extenders in voertuigen, en verlegde de focus later mede naar industriële toepassingen zoals compressie voor waterstof.
In de Verenigde Staten richt Mainspring Energy (voortgekomen uit het eerder als Etagen bekendstaande bedrijf) zich niet op auto's maar op stationaire, lokale stroomopwekking met een lineaire-generatortechnologie die op meerdere brandstoffen kan draaien, waaronder waterstof en biogas, bedoeld voor bedrijven en instellingen die minder afhankelijk willen zijn van het elektriciteitsnet.
Hoe ver is de techniek?
Hier moet eerlijkheid vooropstaan: de klassieke, eenvoudige range extender met krukas is bewezen technologie die al jaren in productieauto's rijdt. De geavanceerde vrije-zuiger lineaire generator is dat niet. Die bevindt zich, voor automotive toepassingen, nog grotendeels in de fase van laboratoriumprototypes en kleinschalige demonstraties.
De belangrijkste technische horde is niet het basisprincipe, dat is al decennia bekend, maar de besturing. Zonder krukas die de beweging mechanisch vastlegt, moet elektronica in real time de verbranding, de terugkaatsing van de zuiger en de belasting van de generator op elkaar afstemmen, duizenden keren per minuut, zonder dat de zuiger tegen de cilinderwand aanslaat of stil blijft staan. Dat vraagt om zeer snelle sensoren en regelalgoritmes die pas de laatste jaren, mede dankzij goedkopere en snellere chips, praktisch haalbaar worden.
Voor stationaire toepassingen, waar gewicht en compactheid minder kritisch zijn dan in een auto, is de techniek verder: Mainspring Energy heeft een commercieel product op de markt gebracht voor lokale stroomopwekking bij bedrijven. Voor gebruik in personenauto's is nog geen enkele fabrikant overgegaan tot serieproductie van een vrije-zuiger variant; het blijft bij onderzoek en prototypes.
Wie werken eraan?
Autofabrikanten zoals Toyota en, in het verleden, onderzoeksafdelingen van andere grote merken hebben studies gepubliceerd over vrije-zuiger generatoren als toekomstige range extender. Gespecialiseerde bedrijven als het Britse Libertine FPE en het Amerikaanse Mainspring Energy ontwikkelen de technologie commercieel, met een duidelijke verschuiving richting industriële en stationaire stroomopwekking eerder dan automotive toepassingen. Universitaire onderzoeksgroepen in onder meer het Verenigd Koninkrijk en de Verenigde Staten publiceren al langer over de regeltechniek die nodig is om vrije-zuiger motoren stabiel te laten lopen. Voor de eenvoudigere, klassieke range extender met krukas zijn BMW en Nissan de bekendste namen die de technologie daadwerkelijk in productieauto's hebben gebracht.