Untitled Document
Sportief én zuinig rijden met
Zero Inertia
Zero Intertia/Enith Vlooswijk
Foto's/Bart van Overbeeke
Lekker snel optrekken en toch zuinig autorijden: het lijkt
een onmogelijke paradox. Met behulp van een vliegwiel zijn deze
uitersten toch te combineren. De promovendi Alex Serrarens, Bas
Vroemen en Roëll van Druten ontwikkelden in samenwerking
met het bedrijfsleven een vernieuwend aandrijfsysteem: de Zero
Inertia transmissie.
Wie vlot wil accelereren, trapt
stevig op het gaspedaal zodat de motor sneller gaat draaien. Dat
werkt het beste als het motortoerental bij aanvang al hoog is,
dus bij een lage versnelling. Helaas is deze methode over het
algemeen energieverspillend. Een auto rijdt namelijk het zuinigst
wanneer het motortoerental laag is. Om brandstof te besparen,
zou het beter zijn zo snel mogelijk op te schakelen naar een hoge
versnelling. Het nadeel daarvan is dat de auto dan sloom reageert
en, in het ergste geval, gaat 'bokken'.
In W-Laag, een van de gebouwen waarin de faculteit Werktuigbouwkunde
van de TU/e is gevestigd, staat een glanzende Volkswagen Bora.
De donkergrijze auto trok in september de aandacht van de nationale
pers toen de kroonprins en zijn verloofde erin rondtoerden door
Eindhoven. Op het eerste gezicht lijkt het een middelmatig wagentje,
maar schijn bedriegt. De motorklep bedekt een ingenieus staaltje
technologie dat bovenstaand dilemma verhelpt. De technologie werd
ontwikkeld in het kader van het EcoDrive Project, een initiatief
van het bedrijf Van Doorne's Transmissie (VDT) in Tilburg. Het
project, dat in 1997 van start ging, moest een revolutionaire
transmissie voortbrengen die het mogelijk maakt sportief en toch
zuinig te rijden. Samen met VDT en TNO Wegtransport-middelen in
Delft bracht de TU/e dit project tot uitvoering. De ontwikkelde
Zero Inertia (ZI) transmissie kreeg in 1999 de prijs voor het
'meest veelbelovende idee' op de NOVEM Energieconversiedag. Bovendien
leverde het systeem twee wereldwijde patenten op.
De ZI transmissie dankt haar succes
aan de nauwkeurigheid waarmee alle onderdelen van de aandrijflijn
op elkaar zijn afgesteld. De traploze versnelling (Continu Variabele
Transmissie, CVT) neemt hierbij een bijzondere plaats in. Bas
Vroemen, een van de promovendi die aan het systeem heeft gewerkt,
legt uit hoe de CVT functioneert: "Vergelijk het met een
sportfiets. Bij een hogere versnelling draait de ketting over
een groter tandwiel. Zo hoef je voor hetzelfde aantal wieltoeren
minder snel te trappen. Onze CVT heeft geen afzonderlijke tandwielen,
maar bestaat uit twee paar taps toelopende kleppen met een stalen
band ertussen. Als de kleppen dichter tegen elkaar aan worden
gedrukt, schuift de band naar buiten. Deze draait daardoor over
een grotere straal, waardoor de motor minder snel hoeft te toeren".
Veel auto's bevatten een getrapte versnellingsbak. Dit betekent
dat een hele reeks snelheden onder dezelfde versnellingstrap valt.
Tegen het eind van zo'n reeks draait de motor steeds sneller,
totdat er genoeg vermogen is om de volgende versnellingsstand
in te schakelen. Door dit hoger toerental gaat veel energie verloren.
De CVT van het ZI-systeem daarentegen past zich continu aan de
snelheid van de auto aan en zorgt ervoor dat het motortoerental
altijd laag blijft. Een laag motortoerental zorgt echter voor
een comfortprobleem: snel optrekken kost meer vermogen dan de
motor kan produceren. Juist daarvoor bedachten de onderzoekers
een uiterst innovatieve oplossing.
Vliegwiel
"Kijk, dit is hem." Frans Veldpaus, projectleider en
co-promotor van Vroemen en Serrarens, loopt naar een kast en haalt
een stalen schijf van enkele centimeters dik tevoorschijn. "Dit
is nou ons vliegwiel." Simpel uitgedrukt is een vliegwiel
een schijf die, als hij eenmaal aan het draaien is gebracht, zeer
lang door blijft draaien. Wordt hij echter voortijdig afgeremd,
dan komt er energie vrij. In het ZI transmissiesysteem wordt deze
energie gebruikt om de motor te helpen bij snelle toerenwisselingen.
De naam 'Zero Inertia' staat voor 'nul massatraagheid': de massatraagheid
van de motor, die snel optoeren normaal verhindert, wordt gecompenseerd
door het extra vermogen dat het afgeremde vliegwiel levert.
Dit gaat als volgt in zijn werk. Het vliegwiel, de CVT en de motor
zijn middels een stelsel van tandwielen -een planetaire tandwielset-
aan elkaar verbonden. Dit tandwielstelsel zorgt ervoor dat het
vliegwiel automatisch vaart mindert als de motor versnelt en vice
versa. Wanneer de bestuurder gas geeft om te accelereren, gaat
het motortoerental omhoog. Automatisch wordt dan het vliegwiel
afgeremd, waarbij direct energie vrijkomt. Door deze extra energie
kan de CVT snel worden teruggeschakeld zonder dat de auto gaat
'bokken'. Als de bestuurder weer wat gas mindert om de
autosnelheid vast te houden, wordt de CVT opgeschakeld naar een
hogere versnelling. In de hogere versnelling maakt de motor weer
minder toeren, wat het vliegwiel opnieuw in beweging brengt.
Brandstof besparen
Het vliegwiel en de CVT bestonden al langer. Het ZI systeem is
echter innovatief vanwege de manier waarop deze zaken zijn geïntegreerd
tot een ingenieus transmissiesysteem. Nooit eerder werd gebruik
gemaakt van een mechanische vermogensbron die de motor op parallelle
wijze assisteert. En dat is nog niet alles. Om nog meer energie
te besparen, voegden de onderzoekers een tweede principe toe:
het ZI-Stop-Go systeem.
Ronkend voor het stoplicht verbruikt een automotor nodeloos veel
benzine. Beter zou het zijn de motor tijdelijk uit te zetten.
Helaas kost het, met een conventioneel aandrijfsysteem, te veel
tijd en energie om opnieuw te starten. Het ZI Stop-Go-systeem
biedt hiervoor de oplossing. Bij stilstand van de auto slaat de
motor af, terwijl het vliegwiel blijft draaien. Bij vertrek wordt
het vliegwiel afgeremd, zodat er genoeg vermogen vrijkomt om de
motor opnieuw te starten en tegelijkertijd de wielen in beweging
te brengen. In de stad kan het ZI Stop-Go systeem tot acht procent
brandstof besparen ten opzichte van een gewone auto. Voeg hier
het lage motortoerental en de uitgekiende onderlinge afstelling
van de transmissie-onderdelen aan toe en de totale energiebesparing
loopt op tot bijna twintig procent.
Aandrijflijn
Mechanisch gezien is het nieuwe aandrijfsysteem relatief eenvoudig.
Dankzij deze eenvoud kon Roëll van Druten een zeer compacte
ZI transmissie ontwerpen die zonder al te veel problemen in de
Volkswagen werd gepast. De werking en de besturing van de aandrijflijn
zijn echter uitermate complex.
Alex Serrarens, die een groot deel van het regelsysteem voor zijn
rekening nam, opent de motorkap van de Volkswagen. Hij buigt zich
voorover en laat met een vinger de gasklep open en dicht klapperen.
"Zie je deze gasklep? Die is elektronisch bestuurbaar. Als
de bestuurder op het gaspedaal trapt, wordt dit vertaald naar
een 'vermogenswens'. Dit zorgt voor een bepaalde stand van de
gasklep, die zo precies de juiste overbrengingsverhouding van
de CVT teweegbrengt. Zo blijft het motortoerental optimaal."
Een dergelijk regelsysteem vereist complexe software. In de motorbak
wemelt het dan ook van de draden en de meetinstrumenten. Een computer
in de kofferbak verwerkt en analyseert de meetgegevens. Deze computer
staat weer in verbinding met een laptop voorin de Volkswagen.
Op het scherm is precies te lezen hoe het systeem reageert op
verschillende instellingen. "Met de laptop kunnen we het
gedrag van de auto naar believen wijzigen", licht Serrarens
enthousiast toe. "Dit was vooral interessant tijdens de eerste
testritten, waarbij de auto eenvoudig van een 'oude-mensen-wagentje'
kon worden omgetoverd in een 'sportieve leasebak'."
Het Stop-Go gedeelte van het ZI-systeem is alleen getest op een
proeflijn. Ook de ZI transmissie behoeft nog verdere verbeteringen.
Niettemin is het principe van het ZI systeem in krap vier jaar
volledig tot ontwikkeling gebracht, wat relatief snel is. Bram
Veenhuizen, projectleider bij Van Doorne's Transmissie, was hierdoor
'aangenaam verrast': "Ik had niet verwacht dat het project
zo voorspoedig, volgens budget en tijdsplanning, zou verlopen.
De drie promovendi werkten behoorlijk autonoom en hadden al vrij
snel een heldere route voor ogen. Voor een technische universiteit
is dat meestal moeilijk". Volgens Frans Veldpaus was het
succesvolle verloop van het project ten dele te danken aan de
interdisciplinaire aanpak. Alex Serrarens en Bas Vroemen zijn
afkomstig uit de groep Control Systems Technology, terwijl Roëll
van Druten promoveert binnen de groep Aandrijf- en Tribotechniek.
"Er wordt ontzettend veel gesproken over interdisciplinair
werken, maar uiteindelijk gebeurt het niet zo veel", verzucht
Veldpaus. "Dat is jammer, want het gezamenlijk nadenken over
problemen levert heel veel op." Bas Vroemen, die het regelsysteem
van de CVT ontwierp, voegt toe: "Vaak wordt de regeltechniek
er pas achteraf bijgehaald om een constructie goed te laten functioneren.
Nu waren we er vanaf het begin bij. Dat werkt veel efficiënter
en effectiever".
Patenten
Dat het bedrijfsleven langzamerhand een grotere rol krijgt binnen
het wetenschappelijk onderzoek, is geen nieuws. Met name de technische
universiteiten laten zich voorzichtig inspireren door de behoeften
van de markt. Het EcoDrive-project bewijst dat zowel de universiteit
als het bedrijfsleven hiervan de voordelen plukt. "Wij willen
onze klanten, de autoproducenten, laten zien wat je met een CVT
allemaal kunt", vertelt Veenhuizen. "Bovendien hebben
we er twee patenten aan over gehouden. Middelgrote bedrijven zoals
wij zijn gericht op korte-termijnprojecten. Langdurige, vernieuwende
onderzoeksprojecten overleven de schommelende markt niet. Dan
is het goed als we dergelijk onderzoek kunnen 'beleggen' bij een
universiteit."
Ook de promovendi steken hun enthousiasme over de samenwerking
niet onder stoelen of banken. Vroemen vertelt: "Een groot
deel van de vraagstellingen komt van buiten. We definiëren
niet zelf het probleem om dan maar te wachten tot de interesse
vanzelf komt. Aan de andere kant lossen we natuurlijk niet de
'klussen' van het bedrijfsleven op".
"Bedrijven krijgen steeds beter door wat hun rol kan zijn
bij academisch onderzoek", voegt Serrarens toe. "We
werken op langere termijn, wat veel bedrijven niet kunnen. Het
blijft natuurlijk wel fundamenteel onderzoek, dat is ook voor
de subsidiegevers belangrijk. We willen uiteindelijk geen concurrent
zijn voor ingenieursbureaus."
Anderhalf jaar geleden kreeg de faculteit Werktuigbouwkunde
een nieuwe leerstoel, gericht op CVT-aandrijftechnieken. De functie
wordt bezet door Nort Liebrand, voormalig directeur van VDT. Volgens
Bram Veenhuizen is dit mede te danken aan het succes van het EcoDrive-project.
"De succesvolle samenwerking tijdens het project gaf de aanstelling
zeker een duwtje in de rug. Het is de bedoeling dat de leerstoel
meer van dit soort samenwerkingsprojecten gaat opleveren."
Het lijkt allemaal te mooi om waar te zijn. Brengt de samenwerking
tussen de universiteit en het bedrijfsleven dan enkel rozengeur
en manenschijn? "Natuurlijk botsen de belangen van beide
partijen soms wel", geeft Veenhuizen toe. "De universiteit
is bijvoorbeeld gebaat bij publicaties. Zo komen resultaten soms
voortijdig op straat te liggen. Daarover zijn duidelijke afspraken
met de bedrijfspartner nodig. In ons geval zijn de resultaten
daarom eerst gepattenteerd."
Kruisbestuiving
De kruisbestuiving is de jonge onderzoekers zo goed bevallen dat
het drietal inmiddels zelf een bedrijf heeft opgericht: Drive
Train Innovations (DTI). In samenwerking met Van Doorne's Transmissie,
de TU/e en wellicht andere partners gaan ze hun opgedane kennis
exploiteren en verder uitbreiden. "Tijdens congressen bleek
dat heel veel mensen geïnteresseerd zijn in ons project",
vertelt Serrarens. "Ook mensen die dichter bij de markt staan
dan wij. We denken daarom dat het project een grote commerciële
spin-off kan krijgen."
Het visitekaartje dat Serrarens uit zijn portemonnee plukt, illustreert
zijn ondernemingslust. Is het vooruitzicht van economisch succes
het enige dat de jonge ondernemers drijft, of speelt ook ideologie
een rol? Serrarens laat er geen twijfel over bestaan: "Ik
wil graag iets doen voor de maatschappij, daar leef ik tenslotte
zelf ook in. Het geeft een fijn gevoel mijn ouders te kunnen zeggen
dat mijn werk maatschappelijk nut heeft. Vaak staat wetenschappelijk
onderzoek veel verder van de samenleving af".
Vroemen stemt daar volledig mee in. "Mijn doel is een zuinige
auto te maken die betaalbaar én in grote aantallen te produceren
is. Zo bespaar je misschien minder brandstof per auto, maar bereik
je iets op grotere schaal."
Over de hoeveelheid energie die nog bespaard kan worden, zijn
de wetenschappers optimistisch. "Volgens onze berekeningen
kan de gemiddelde auto nog zeker 53 procent zuiniger worden",
aldus Serrarens. Enige scepsis is echter geboden. "Elke procent
brandstof die je bezuinigt, komt er door andere technologische
vernieuwingen weer bij", merkt Vroemen fijntjes op. "Denk
bijvoorbeeld aan airconditioning."
Terwijl Vroemen en Serrarens over hun plannen vertellen, kijkt
Veldpaus glimlachend toe. Hij is zichbaar tevreden. "Over
dik anderhalf jaar ga ik met pensioen en dit is een van de mooiste
projecten tot nu toe", verklapt hij later. "Het komt
niet vaak voor dat behoorlijk conceptuele projecten een degelijke
uitvoering krijgen in de praktijk."
De euforie waarmee de onderzoekers uitwijden over hun EcoDrive-project,
geeft te denken. Hoe zit het met de gebruikelijke struikelblokken?
De vraag ontlokt een vrolijk gelach. "Overal waren struikelblokken!"
Serrarens maakt een wegwuivend gebaar. "We hadden onophoudelijk
praktische problemen. Zo zaten er op een gegeven moment scheurtjes
in de CVT. Als het ene probleem was opgelost, diende het volgende
zich aan." Veldpaus relativeert: "Er waren regelmatig
praktische problemen in verband met de
protobouw, maar principiële struikelblokken hebben we niet
gehad. Dit komt doordat we het concept heel simpel hebben gehouden
en dit stapje voor stapje hebben uitgewerkt".
Nu het project bijna is afgerond, rest de vraag wat er met
de Volkswagen gaat gebeuren. Veldpaus is nogal in zijn nopjes
met het antwoord. "De auto zou eigenlijk teruggaan naar VDT,
maar de laatste anderhalf jaar is hun aandacht wat verschoven
naar hun kernactiviteit. Hopelijk kunnen we de auto nu hier houden
om verder mee te experimenteren. Zo willen we de CVT verbeteren
en een nieuw vliegwiel inbouwen om een extra besparing te bereiken.
Het geld is er al, nu de promovendus nog."/.
|