is evenals de stoommachine en de verbrandingsmotor een machine, waarmee men warmte in arbeid kan omzetten. Het principe is al oud. want reeds in 1816 construeerde Stirling zijn eerste heteluchtmachine.
Deze en latere machines waren echter log en langzaamlopend, zodat het nuttige effect er van zeer gering was. Daarom wonnen stoommachine, benzine- en dieselmotor de concurrentiestrijd en verdween de heteluchtmachine vrijwel geheel van het toneel. Alleen hier en daar in enkele laboratoria bleef men nog wel eens een klein model heteluchtmachine gebruiken.Intussen leert de thermodynamica dat men volgens het heteluchtproces wel degelijk op zeer economische wijze warmte in arbeid kan omzetten. Deze overwegingen hebben er in het Natuurkundig Laboratorium der N.V. Philips Gloeilampenfabrieken te Eindhoven toe geleid, de ontwikkeling van de heteluchtmachine opnieuw ter hand te nemen. Men mag verwachten, dat binnenkort de heteluchtmachine opnieuw haar intrede zal doen, maar dan niet meer in de vorm van een logge, oneconomisch werkende machine, doch als een compact gebouwde motor, waarvan gewicht en volume klein zijn ten opzichte van zijn vermogen.
Principiële werking van de heteluchtmachine (fig. ia).
In de cylinder van de heteluchtmachine bevindt zich tussen twee zuigers een afgesloten hoeveelheid gas. Het linkerdeel van de cylinder wordt door middel van een verhitter voortdurend op hoge temperatuur Tw gehouden, en het rechterdeel door een koeler op lage temperatuur Tk. Beide delen van de cylinder staan in open verbinding met elkaar, zodat de druk in beide delen steeds evengroot is. De beweging van de twee zuigers doet het gas een kringproces doorlopen, waaraan men vier verschillende phasen kan onderscheiden.
In de eerste phase (I) bevindt het gas zich in de koude ruimte en heeft zijn maximale volume V!. Dan verplaatst de zuiger in de koude ruimte zich naar links, waardoor het gas wordt samengeperst (Hl; zijn volume wordt dan minimaal (V2), en zijn druk stijgt tot p2. Daarna wordt het gas door het gelijktijdig naar links verplaatsen van beide zuigers van de koude naar de warme ruimte geschoven (III). Het volume blijft daarbij constant (V2), doch door het opnemen van warmte stijgt de temperatuur in de warme ruimte totTw en de druk dientengevolge tot p3. Bij het daaropvolgend laten expanderen van dit verhitte en samengeperste gas verplaatst zich de zuiger in de warme ruimte naar links (IV) waardoor de druk daalt tot p4, en het volume toeneemt tot V1. Ten slotte bewegen beide zuigers zich weer gelijktijdig (ditmaal naar rechts), waarbij zij het gas van de warme naar de koude ruimte schuiven (I). Daarmee is dan één volledige kringloop volbracht en kan een tweede beginnen.
De door de motor geleverde arbeid is afkomstig van de expansie, d.i. de overgang van III naar IV. Doch niet alle arbeid, die daarbij vrijkomt, is nuttige arbeid, want een deel daarvan moet de machine gebruiken om bij de volgende kringloop het gas in de koude ruimte samen te persen. Deze compressie-arbeid is echter kleiner dan de arbeid, die bij de expansie vrijkomt, omdat de compressie bij lage temperatuur, dus bij lage druk, plaats vindt, terwijl de expansie juist bij hoge druk geschiedt. Daardoor levert elke kringloop een overschot aan arbeid, waarvan de grootte in fig. 1 b wordt weergegeven door het oppervlak van de krommenvierhoek I-II-III-IV.
Fig. 2 geeft de doorsneetekening van een klassieke heteluchtmachine. De expansie en de compressie geschieden door de beweging van de zuiger Z, het verschuiven van de luchtmassa van de koude naar de warme ruimte of omgekeerd door de verdringer P.
In de koude ruimte Vk wordt de lucht bij het naar beneden gaan van Z samengeperst. De daarvoor benodigde arbeid wordt door de machine (via de krukas) a.h.w. op voorschot geleverd. Even voordat de zuiger zijn laagste stand heeft bereikt, gaat de verdringer P naar boven om de lucht uit de koude naar de warme ruimte te verschuiven. Als P zijn hoogste stand heeft bereikt en alle lucht dus in de warme ruimte is, vindt de expansie plaats. De zuiger wordt dan naar boven geduwd en geeft daarbij meer arbeid aan de machine af dan hij bij de voorafgaande compressie heeft opgenomen. Intussen verdringt P de lucht uit de warme naar de koude ruimte, waarin Z bij het naar beneden gaan de koude lucht weer samenperst. Hiermee is de kringloop volbracht en kan een nieuwe beginnen.
Waarin verschilt de moderne heteluchtmotor van de klassieke heteluchtmachine?
1. Nieuwe en moderne materiaalsoorten maken het mogelijk een motor te construeren, waarbinnen men met een veel hogere temperatuur kan werken dan in de ouderwetse heteluchtmachine. Dit is zeer belangrijk, omdat het theoretisch te bereiken (maximaal) nuttige effect van het heteluchtproces hoger is naarmate de bovengenoemde temp. Tw hoger is.
2. Dank zij de nieuwe materiaalsoorten kan de gemiddelde druk van het gas in de moderne heteluchtmotor veel hoger zijn dan in de ouderwetse heteluchtmachine. Daardoor is ook het verschil tussen hoogste en laagste druk tijdens het kringproces groter en dit betekent volgens de grafiek van fig. 1b een groter arbeidsoverschot.
3. Bovendien bevat de moderne heteluchtmotor een regenerator. De regenerator bestaat meestal uit een sponsachtig weefsel van metaaldraad. Als het gas dan uit de warme naar de koude ruimte stroomt, passeert het de regenerator en geeft daaraan zoveel mogelijk van zijn warmte af. Bij het teruggaan van het koude gas neemt het een deel van de aan de regenerator afgegeven warmte weer op.
Ook vroeger heeft men wel begrepen, dat een regenerator van veel belang was voor de economie van het heteluchtproces, maar de regenerator uit die tijd leverde nog weinig of geen winst voor de economie van de machine.
Thans echter weet men een regenerator te construeren, die 95 pct van de opgenomen warmte weer teruggeeft. En dat terwijl binnen één honderdste deel van een seconde de lucht in de motor van 100 gr. tot 650 gr. C. wordt verwarmd en daarna evenzovele graden wordt afgekoeld. Dank zij zulk een regenerator behoeft men voor de verhitting van het gas slechts één kwart van de warmte, die zonder regenerator nodig zou zijn, van buitenaf aan te voeren, hetgeen het nuttige effect van de motor dus in hoge mate ten goede komt.
4. Verder kan men door een nieuwe constructie in de vorm van een vier-cylinder-heteluchtmotor met één zuiger per cylinder volstaan, terwijl men in de heteluchtmachine van fig. 2 één zuiger en één verdringer nodig had.
De cylinders, die in het schema van fig. 3 naast elkaar zijn getekend en daarin opeenvolgend zijn genummerd met de cijfers 1, 2, 3 en 4, zijn bij de werkelijke machine in de hoekpunten van een vierkant of van een ruit opgesteld, zó dat de vierde cylinder bij de eerste aansluit.
De warme ruimte Vw van elke voorgaande cylinder is door middel van een verhitter H, regenerator R en koeler K met de koude ruimte Vk van de volgende cylinder verbonden. VW,1H R K Vk,2 vormen dus één circuit, waarbinnen het gas is opgesloten, VW,2Vk,3 (met tussengelegen verhitter, regenerator en koeler) vormen het tweede circuit krukken van de zuigers Z staan onder een hoek van 90° met elkaar, waardoor elke zuiger in zijn bewegingen een kwart slag bij de voorgaande voor blijft enz. In elk circuit spelen zich de vier phasen van schema fig. 1 af, zij het ook met enige overlapping. De krukken van de zuigers zijn zo geplaatst dat elke zuiger in zijn bewegingen de voorgaande een kwart slag vóór blijft, zodat in elk der vier circuits een andere phase plaats vindt.
Vergelijking van heteluchtmotor met explosiemotor
Per liter cylinderinhoud en per kg motorgewicht kan men met de heteluchtmotor een groter vermogen bereiken dan met een overeenkomstige benzine- of dieselmotor. Het nuttige effect ligt ongeveer tussen dat van een benzinemotor en van een dieselmotor in. Het toerental varieert, afhankelijk van het vermogen per cylinder, van 500 tot meer dan 3000 per minuut. De maximum-temperatuur van de warme lucht is 650 gr. C. en de maximum-druk 50 atm., d.i. ongeveer evenveel als in een normale automobielmotor.
In tegenstelling tot de explosiemotoren is het mogelijk de heteluchtmotor bij een laag toerental te laten werken en dan toch een grote trekkracht te doen ontwikkelen. Dit bereikt men door een mechanisme waarmee men naar believen lucht in de cylinder kan persen of er uit kan laten ontsnappen. Met meer lucht in de cylinder wordt de gemiddelde druk groter, en daarmee ook de per slag te leveren arbeid. Zo wordt het mogelijk bij een gegeven vermogen van de motor bij een geringer toerental toch een grotere trekkracht te ontwikkelen. Dit maakt, dat de versnellingsbak aanmerkelijk vereenvoudigd kan worden en soms zelfs geheel kan vervallen.
Terwijl men bij de explosiemotor met inwendige verbranding te doen heeft, heeft men bij de heteluchtmotor een uitwendige verbranding. Dit brengt al dadelijk het voordeel mee, dat men veel vrijer is in de keuze van de te gebruiken brandstof. De heteluchtmotor kan dan ook evengoed met benzine als met stookolie, petroleum, methylalkohol of lichtgas worden verwarmd. Het inwendige van de motor blijft daarbij schoon en wordt ook niet zo vreselijk heet als bij de explosiemotor. Daardoor is de chemische aantasting van de olie, zuigers en cylinders er gering, zodat ook de slijtage en het olieverbruik minder zijn.
Doordat in de heteluchtmotor geen explosies optreden, loopt de luchtmotor geruislozer dan de benzine- en dieselmotor. Het ontbreken van bougie en stroomverdeler vermindert bovendien de kans op storingen.
DR M. P. VRIJ
Lit.: Publicaties in het Philips Techn. Tijdschr., Mei 1946, Apr. 1947, Mei 1947.
