Nader bekeken: Heeft de tweetakt nog toekomst?

Dat laatste is natuurlijk een inkoppertje. Politici nemen al jaren beslissingen die meer gericht zijn op het imago dan op het werkelijke effect, zeker als het om het milieu gaat. Maar stel je even voor: je komt vanavond thuis en je werkster staat in een brandschone keuken. Als je vraagt hoe ze dat gedaan heeft, zegt ze: “Met een blauw doekje”. Dan zeg jij: “Dat is helemaal fout, dat had met een groen doekje gemoeten. Begin maar opnieuw.” Als je dat doet, dan belt zij een paar mannen in witte jassen, die met een busje komen om je een De tweetakt dood? Niet als 't aan de fabrikanten zelf ligt en zeker niet wanneer 't om 'het beste voor het milieu' gaat fraaie jas aan te doen, waarvan de armen aan de achterkant sluiten. Zij bergen je op in een kamer met kussens aan de muur, zodat je jezelf en anderen geen kwaad kunt doen.

Als politici zo redeneren vinden we het echter heel normaal! Diesels moeten een roetfilter. Als een fabrikant een andere manier vindt om de diesel schoon te maken, dan mag dat niet. Het moet met een roetfilter. Groen doekje. Steden weren diesels en politici voeren een heksenjacht tegen de zelfontbrander, omdat die 30 jaar geleden erg vervuilend was. Inmiddels is de moderne Euro 6 diesel schoner dan een Euro 6 benzinemotor en produceert ze minder CO₂. Maar het mag niet meer. Blauw doekje, zie je? Dan elektrisch rijden. Het produceren van een elektrische auto veroorzaakt een grote CO₂ uitstoot en het rijden op elektriciteit uit niet hernieuwbare bronnen idem dito. Maar de overheid besluit toch dat verbrandingsmotoren verboden worden en dat we met zijn alle elektrisch gaan rijden, ook al is dat met onze energiemix slechter voor het milieu. En zijn mogelijkheden om de verbrandingsmotor ook CO₂-neutraal te rijden. Maar… Blauw doekje! Waar is het telefoonnummer van die mannen met die mooie jas…?

Door: Peter Aansorgh

Viertakt versus tweetakt

Dan komen we weer terug op de tweetaktmotor. Steeds meer politici willen hem verbieden. Daar zijn een paar logische redenen voor: de emissie van schadelijke gassen en "partikels". Beide hebben te maken met het werkingsprincipe, dat sterk verschilt van een viertakt. De viertakt kent vier slagen: in de inlaatslag gaat de inlaatklep boven in de kop open, dan gaat de zuiger naar beneden, waardoor hij mengsel aanzuigt. Dan gaat de inlaatklep dicht en volgt de compressieslag, waarna een vonk op het bovenste dode
Een oldskool tweetakt cilinder in onderaanzicht

In de cilinderwand zijn in- en uitlaatpoorten en spoelpoorten aangebracht punt de verbrandings- of arbeidsslag inluidt. Heeft het hete verbrandingsgas de zuiger naar onderen geduwd, dan gaat de uitlaatklep open en duwt de zuiger op weg naar boven de uitlaatgassen de uitlaat in. Op het bovenste dode punt gaat de uitlaatklep dicht en begint het proces van voor af aan.

Tweetakt

Het tweetaktprincipe is heel anders. Een tweetakt heeft (doorgaans) geen kleppen, maar gebruikt de pompwerking van de zuiger in het carter om mengsel de cilinder in te pompen, via de zogenaamde spoelpoorten onderin de cilinderwand. Het inlaatspruitstuk met de carburateur is – bij ouderwetse tweetakten - op een inlaatpoort onderin de cilinder aangebracht. Als er een poort is, wordt deze een groot deel van de tijd afgesloten door de zuiger. Wanneer de zuiger omhooggaat, creëert die een onderdruk in het carter. Als de zuiger bijna bovenin is, komt de rand van het zuigerhemd voorbij de inlaatpoort, waardoor de inlaatopening vrijkomt. Door de onderdruk wordt het lucht-brandstofmengsel vanuit de carburateur het carter in gezogen.

Verbrandingsslag

Wanneer de zuiger bovenin staat, vindt boven de zuiger de verbranding plaats. Dan wordt de zuiger naar beneden wordt gedrukt door het hete, expanderende verbrandingsgas. Op weg naar beneden sluit de zuiger de inlaatpoort weer af en wordt er in het carter druk opgebouwd. Vlak voor het onderste dode punt komt de bovenrand van de zuiger (de zuigerbodem), langs de uitlaatpoorten. Het uitlaatgas blaast dan door de hoge druk vanzelf de uitlaat in. Een fractie later komen ook de spoelpoorten vrij. Het verse mengsel wordt dan door de overdruk vanuit het carter via de spoelpoorten de cilinder in geblazen, daarbij Een moderne tweetakt heeft het inlaatspruitstuk direct op het carter aangeslotenhet resterende verbrandingsgas voor zich uit blazend. Dan gaat de zuiger omhoog en begint het opnieuw.

Membraan

Bij modernere tweetakten is het inlaatspruitstuk niet op de cilinder, maar direct op het carter aangesloten. De inlaatbuis wordt dan dus niet door de zuiger geopend en afgesloten. Dat gebeurt met een membraanklep. Dat is een opening waarover een rubberen flap ligt. Als de zuiger omhooggaat, wordt de flap opengetrokken, zodat het mengsel het carter in kan stromen. Als de zuiger omlaaggaat, wordt de membraanklep door de tegendruk dichtgeduwd. Het voordeel van dit systeem is dat er eerder druk wordt opgebouwd, waardoor er meer lucht in de cilinder kan worden geblazen.

Voordelen

De tweetaktmotor heeft elke twee slagen - dus elke omwenteling - een verbrandingsslag, terwijl de viertaktmotor elke vier slagen - dus elke twee omwentelingen - een verbrandingsslag heeft. Een tweetakt heeft dus tweemaal zoveel verbrandingsslagen! Bovendien is er bij een tweetakt door het ontbreken van kleppen ook geen risico op klepzweving bij hoge toerentallen, zodat een tweetakt gemakkelijker hoge toerentallen aankan. Daarom kan een tweetakt bij gelijke cilinderinhoud in theorie meer dan tweemaal zo veel vermogen leveren als een viertakt. Of, nog beter, voor hetzelfde vermogen heb je met een tweetakt een veel lichter, kleiner motorblok nodig. Daarom waren tweetakten in de racerij zo populair en worden ze ook in de motorcross en endurosport nog steeds gebruikt. 

Nadelen

Tweetakten hebben ook nadelen. Bijvoorbeeld de emissie van schadelijke stoffen. Als de zuiger onderin staan, zijn zowel de in- als de uitlaatpoort geopend, waardoor ook onverbrand mengsel de uitlaat in gaat. Een ander probleem is, dat het mengsel via de carters wordt aangezogen. Daardoor is een gewoon druksmeersysteem is niet mogelijk. Er zou te veel olie in de cilinder terecht komen. Daarom wordt bij tweetakten speciale olie bij de benzine gemengd of apart in de inlaat verneveld. Die olie slaat deels op de lagers, wat bij een tweetakt dan ook altijd kogel- of rollenlagers zijn. Bimota was er meer dan 25 jaar geleden al als de kippen bij met de V Due, maar kreeg de injectie niet voor elkaar en moest uiteindelijk alle motoren terughalen. Het zou de ondergang inluiden van het kleine Italiaanse merkHelaas wordt er ook altijd een deel van de olienevel via de inlaatlucht naar de cilinders geblazen. Daar verbrandt het, hetgeen rook- en roetvorming geeft. 

Directe injectie

Omdat er bij een tweetakt olie en onverbrand mengsel de uitlaatpoort in wordt geblazen, zijn de emissiewaarden van tweetakten moeilijk binnen de normen te krijgen. Daarom zijn er diverse pogingen gedaan om directe injectiesystemen te ontwikkelen. In dat geval kan er benzine worden geïnjecteerd nadat de uitlaatpoort is gesloten. Een bekend systeem is het Aprilia Ditec-systeem, dat je bijvoorbeeld ook bij Peugeot tegenkomt. Hierbij is er een soort tweetrapsinjector in de kop ingebouwd. Hierbij wordt benzine in een soort voorkamer gespoten, waar via een luchtpompje ook lucht in wordt gepompt. Dat wordt vervolgens samen in de cilinder gespoten, nadat de uitlaatpoort is afgesloten. Natuurlijk wordt de lucht vanwege het tweetaktprincipe nog altijd via het carter gepompt en zal er altijd een beetje smeerolie in de cilinder terecht komen, maar de emissies zijn in elk geval veel beter dan bij een tweetakt met carburateur. 

Honda?

De emissieproblemen hebben tweetaktmotoren de das om gedaan. Definitief? Dat is moeilijk te zeggen. Honda vroeg in 2014 patent aan voor een nieuw ontwikkelde tweetaktmotor. Hierbij wordt de brandstof in het carter, onder de zuiger ingespoten, wat voor extra koeling van de cilinder zorgt. Een uitlaatpoort heeft hij niet, bovenin de cilinder is een uitlaatklep geplaatst. Doordat die op tijd dicht moet om compressie op te bouwen, zal een deel van het uitlaatgas in de cilinder achterblijven. Als een soort interne EGR. Bij een warme motor blijft er relatief veel heet uitlaatgas in de cilinder achter. Ook ontstaat er via een vreemdsoortig hefboommechanisme een zeer lange slag, die een hoge compressieverhouding mogelijk maakt. Samen kan dat voor een spontane ontbranding zorgen, zonder bougievonk dus. Net zoals bij een diesel. Voor de koude start is er wel een bougie aanwezig. Een ander voordeel van interne EGR is dat de eindtemperatuur van de verbranding lager is, omdat uitlaatgas inert is. Dat zal zorgen voor een lagere verbrandingstemperatuur en Oplossing voor veel problemen, zeker bij een tweetakt: de elektrische turbodat voorkomt het ontstaan van schadelijke stikstofoxiden. Maar een zeer belangrijk voordeel van dit concept is dat het lijkt te kunnen werken op meerdere soorten brandstof, benzine, diesel, koolzaadolie, zonnebloemolie, noem maar op...

Elektrische turbo

Autofabrikanten hebben de tweetakt dus nog niet helemaal opgegeven. Er zijn op dit moment dan ook nog meer ontwikkelingen in de autotechniek, die een groot deel van de problemen met tweetaktmotoren kunnen wegnemen. Zo hebben toeleveranciers van de auto-industrie elektrische compressoren gebouwd, simpel gezegd een elektrische turbo. Zo’n compressor heeft als voordeel, dat ze vanuit hele lage toerentallen vol kan blazen. Zou je deze turbo toepassen op een tweetaktmotor, dan wordt de carterspoeling overbodig. Je kunt de lucht immers direct de cilinder inblazen. Dan kun je een gewoon wet-sump smeersysteem toepassen en hoeft er geen tweetaktolie in de verbrandingskamer terecht te komen, waarmee rook- en roetvorming tot het verleden behoort. Met directe hogedruk-injectie kun je benzine heel fijn vernevelen voor een volledige verbranding.
Mooi was die tijd

En innovatief bovendien. Gaan de oude tijden weer herleven? Omdat de benzine in de cilinder verdampt daalt de temperatuur, waardoor ook het ontstaan van stikstofoxiden wordt tegengegaan. Bovendien kun je de benzine toevoeren als de uitlaatpoort al dicht is. Tijdens de "poortoverlap" kan er hoogstens schone lucht de uitlaat in. Prima om CO en onverbrande koolwaterstoffen in een katalysator na te verbranden, terwijl een partikelfilter de laatste roetdeeltjes uit kan filteren. En dan kan de tweetakt zijn voordelen uitspelen: een hoog specifiek vermogen bij een compacte bouwwijze, met weinig pompverliezen en daarmee een hoog rendement. 50% schijnt nu al haalbaar te zijn. Oftewel, je kunt nu zuinige, compacte, relatief goedkope tweetaktmotoren bouwen met uitstekende emissies, zonder partikeluitstoot. Dat is een reden dat de auto-industrie de tweetaktmotor nog serieus als optie overweegt. Moet er alleen geen politicus met een voorkeur voor groene of blauwe doekjes aan de macht zijn. Het moet gaan om de emissies, niet om de technologie waarmee die emissies worden bereikt.

Synfuels

De Formule 1 noemt nog een tweede technologie, die zij wil combineren met de tweetaktmotor: synthetische brandstoffen, ook wel “synfuels” of e-fuels genoemd. Tegenstanders zullen onmiddellijk roepen dat het verbranden van synthetische brandstoffen net zo goed CO₂-uitstoot geeft. Klopt, maar het gaat om de manier waarop de synfuels worden gemaakt. Waar het eigenlijk allemaal om draait, is dat we moeten stoppen met de verbranding van fossiele brandstoffen, omdat hierdoor het gehalte aan het broeikasgas CO₂ in de atmosfeer stijgt. Dat betekent dat we ervoor moeten zorgen dat al onze energie afkomstig is uit zonne-energie, windenergie of waterkracht-energie. Het probleem is, dat deze vormen van energie vaak worden gemaakt op momenten dat je ze niet nodig hebt en op plaatsen waar je op dat moment niet bent. Schaalmodel van een e-Fuel factoryDe energie moet dus op een of andere manier worden opgeslagen en getransporteerd. Dat kan op twee manieren: in batterijen en in synthetische brandstoffen.

Opslag in batterijen

Batterijen hebben een rendement van ongeveer 85%. Voor transport over grote afstanden moet je de elektriciteit omzetten in hoogspanning (verlies 5%) en later weer omzetten in laagspanning (verlies 5%). Ga je energie opslaan in warenhuizen met batterijen - of containers met batterijen in de woonwijk - dan moet je het vervolgens dus daar weer uit halen en opnieuw opslaan in de batterijen van je auto. De productie van die batterijen heeft de nodige milieueffecten vanwege het lithium, het nikkel en het kobalt dat erin zit, terwijl er ook nog veel CO₂ vrijkomt bij de fabricage van batterijen. Daar staat tegenover dat voor opslag bij huis of in de wijk ook afgedankte “second life” auto-batterijen gebruikt kunnen worden. Dat geeft geen extra uitstoot, actieradius speelt dan toch geen rol. Voor mobiliteit is een ander nadeel van batterijen wel cruciaal: de lage energiedichtheid, van ongeveer 160 Wh/kg. Voor een groot actieradius heb je dus grote en zware batterijpakketten nodig. Voor een grote, zware auto idem dito. Voor een grote, zware auto met een groot actieradius helemaal: op een gegeven moment stop je de meeste energie in het transporteren van de batterijen waarmee je je energie meeneemt en wordt het zinloos. Vandaar dat de auto-industrie batterij aangedreven elektrische auto’s eigenlijk voornamelijk nuttig vindt als oplossing voor Elektrisch goed voor het milieu? Als je alles in ogenschouw neemt is elektrisch helemaal niet zo groen als politici willen doen gelovenlichte, kleine auto’s met een beperkt actieradius. Oftewel voor woon-werk en stadsverkeer. Voor vrachtverkeer al helemaal: Stel je even voor dat alle vrachtwagens elke dag 2x 4 uur moeten snelladen. Dan mag je langs elke snelweg wel een even lange parkeerstrook met laadpalen aanleggen om daarvoor ruimte te maken. En dan hebben we het nog niet over het elektriciteitsnet, dat moet worden aangelegd om de stroomsterktes daarvoor te leveren.

Opslag waterstof

Water kun je met behulp van milieuvriendelijke elektriciteit splitsen in waterstof en zuurstof. Waterstof kun je in een brandstofcel weer omzetten in elektriciteit. Waterstof heeft als voordeel dat het een hoge energiedichtheid heeft. Een elektrische auto, die wordt aangedreven via een brandstofcel, kun je dus een grote actieradius meegeven. Al zijn daar wel grote en zware brandstoftanks voor nodig, want het moet worden opgeslagen bij 350 of 700 bar. Het transporteren in vrachtwagens met waterstoftanks is dan ook al gauw niet meer rendabel, je verbruikt meer energie dan je transporteert. Het zou wel met pijpleidingen kunnen. Er wordt momenteel over gedacht om het aardgasleidingnet daarvoor te gebruiken. Kun je thuis tanken. Puntje van aandacht is dat de afdichtingen van al die leidingen waarschijnlijk gaan lekken als je aardgas – of beter het reukmiddel dat daaraan is toegevoegd – Piaggio experimenteerde met de MP3 Hybrid, maar dat concept sloeg niet aangaat vervangen door waterstof. Op dit moment maken de waterstoftankstations hun waterstof overigens terplekke uit aardgas. Op die manier heeft het geen enkel milieuvoordeel. Het kan wel helpen om de waterstofeconomie van de grond te krijgen.

Synfuels

De auto-industrie wil het waterstof-idee nog een stapje verder doortrekken: je kunt met behulp van milieuvriendelijke elektriciteit ook CO₂ uit de lucht afbreken en de koolstof daarvan aan waterstof binden. Op die manier kun je koolwaterstoffen bouwen, variërend van methaan tot aan benzine en diesel. Die brandstoffen kun je gewoon in een verbrandingsmotor toepassen, die daarmee volledig CO₂-neutraal rijdt, terwijl er in vergelijking met een elektrische auto ook weinig CO₂ vrijkomt bij de fabricage van de auto. Het heeft daarbij de bekende voordelen van een hoge energiedichtheid, waardoor je met een laag gewicht aan energiedrager een grote afstand kunt overleggen, terwijl je ook nog in 5 minuten tankt via een bestaande infrastructuur. Met name in Duitsland is de auto-industrie hard bezig met de ontwikkeling van deze synthetische brandstoffen, uit energie-overschotten van windmolenparken op momenten dat er weinig vraag is naar elektriciteit. Ford rekende bij een congres in Keulen voor dat verbrandingsmotoren met een hybridesysteem al gauw efficiënter zijn dan een batterij aangedreven elektrische auto, vooral als het actieradius of het formaat van de auto groot moet worden. Je kunt dan dus meer auto’s CO₂ neutraal laten rijden via de beperkte voorraad milieuvriendelijke energie dan wanneer je dat batterij-aangedreven-elektrisch doet.

Formule 1

De formule 1 is het onderzoekslaboratorium van de autotechniek. Mercedes, Renault, Ferrari en Honda gebruiken dit om technologie snel door te ontwikkelen. Dat is een van de redenen dat de formule één is overgegaan naar gedownsizede motoren met drukvulling en een hybride systeem. Het hybride systeem (MGU-K) slaat remenergie op in de accu’s en gebruikt het later weer om te accelereren. De drukvulling heet MGH-H. Die bestaat in feite uit een door uitlaatgas aangedreven dynamo - een turbo-dynamo dus - en een elektrische compressor die voor de drukvulling zorgt. Die kan dus ook gebruikt worden om de carterspoeling van tweetakten te vervangen door directe cilindervulling. Duidelijk is echter, dat er technologie wordt gekozen, die voor de auto-industrie belangrijk is of gaat worden. De auto-industrie heeft echter te kampen met een probleem: ze moeten hun producten voor de toekomst ontwikkelen. Daarbij hebben ze echter te maken met twee belangrijke factoren: Vanaf 2025 met tweetakt motoren met synthetische brandstof? Als er iets de publieke opinie kan beïnvloeden, dan wel de racerij. Laten we hopen dat gezond verstand uiteindelijk gaat zegevierenenerzijds wat goed is voor het milieu en wat dus de richting van de politieke beleidsmakers zou moeten zijn, anderzijds wat de imago gedreven politici voor de toekomst willen. Dat zou overeen moeten komen, maar dat doet het niet. Politici willen de elektrische auto erdoor drukken omdat die zo schoon lijkt, al is die dat niet helemaal. 

Proefballon

De auto-industrie weet dat batterij aangedreven elektrische auto’s alleen nuttig zijn voor woon-werk en stadsverkeer op korte afstanden en dat verbrandingsmotoren met synthetische brandstoffen een betere oplossing zijn voor zware auto’s en grote afstanden. En dat kan wellicht nog beter als de superlichte en compacte tweetaktmotor zo kan worden doorontwikkeld, dat deze goede emissiewaarden produceert. Wellicht dat dat de reden is dat Pat Symonds, Chief Technical Officer van de Formule 1 en voorheen technisch directeur van Renault - de knuppel in het hoenderhok gooit en suggereert dat de Formule 1 straks wellicht op tweetaktmotoren met synthetische brandstoffen rijdt. Dat zet het publiek aan het denken. En als het publiek de politici niet meer gelooft, moeten die iets gaan roepen dat de mensen wel geloven. Zo creëer je verandering. Hoe serieus het is, dat weet niemand. Aan de reactie van de andere teambazen te zien, is het een proefballon die Symonds op eigen initiatief oplaat. Maar zeg nooit nooit!