Inleiding bootaandrijving

Je wilt een boot voortbewegen over het water. Als je dat achterstevoren bekijkt zijn er een aantal logische kernpunten waar je op moet letten. Die kernpunten bieden ieder houvast voor optimalisatie.

Het romptype bepaalt de mogelijkheden

Een monohull met een vlakke bodem, een V-bodem, een kiel of een werkboot die in zijn geheel dieper steekt brengen alle vier een ander nat oppervlak met zich mee. Het nat oppervlak bepaalt de waterweerstand. Je kunt het nat oppervlak verminderen door ‘lift’ te ontwikkelen. Lift betekent dat de romp uit het water komt.

De mooie klassieke S-spant is gemaakt om door het water gedrukt te worden. Heel comfortabel bij een beetje golfgang, en geheel ongeschikt om de romp omhoog te drukken. Dat betekent een plafond in de snelheid op grond van de lengte door het water. Wil je sneller, dan moet je lengte toevoegen. Een bulbsteven voorop 😉 en, wat meer realistisch, een zwemplatform dat de romp verlengt achterop. ‘Lengte loopt’ wisten onze voorvaders al te vertellen.

Pleziervaartuigen zijn gedefinieerd als boten tussen 2,50 en 24 meter lang. Als we die maten als waterlijn beschouwen dan moet een 2,50 meter lang bootje minstens 3,8 knopen (7,5 km/uur) halen. Een schip dat 24 meter lengte door het water drukt haalt in theorie bijna 12 knopen (22 km/uur). (Zie calculatie module ) Om ‘op het water’ in plaats van ‘door het water’ te varen moet je sneller gaan dan de rompsnelheid. De 2,5 meter korte rubberboot met een stijve V-bodem voorzien van een 6 PK buitenboordmotor doet dat in seconden. Het superjacht van 24 meter krijgt dat alleen voor elkaar met een uitzonderlijk motorvermogen.

Lift door duwen

Een V-bodem voorzien van naar elkaar toelopende balkjes genereert veel lift. Luchtbellen onder de bodem blazen ook, al is dat meer iets experimenteels voor de beroepsvaart. Draagvleugels onder de V-bodem geeft en extreem effect. Want water is 1000 keer dikker dan lucht. Een vliegtuig heeft veel meer spanwijdte en snelheid nodig om te zweven dan een vleugeltje onder water dat enkele tonnen omhoog drukt.

Lift door trekken

Het nieuwste experiment is een kitesail aan de romp van een jacht bevestigen. Die trekt de boot tegelijkertijd vooruit en omhoog. Doordat een kite geen mast nodig heeft en het aangrijpingspunt zich op de romp bevindt, is er ook geen ballastkiel nodig. Over deze innovatie komen meer artikelen. Een kite kan van elk bestaand motorjacht op groot water een zeiljacht maken, zonder de tuigage en ballast van een traditioneel zeiljacht.

Waterverplaatsing vereist vermogen

Het gewicht bepaalt hoeveel vermogen je nodig hebt om het geheel in beweging te brengen. Een zware boot reageert aangenaam traag bij deining. In een licht bootje voel je iedere golf. Een zware boot verliest zijn snelheid niet door golven, een lichte boot kan bijna tot stilstand komen door een flinke golf maar komt daarna weer razendsnel op gang. Het nadeel van een wat lagere zware boot is dat die nogal ‘nat’ kunnen varen. Dat lijkt spectaculair maar wordt niet door ieder bemanningslid op prijs gesteld.

Minder gewicht = sneller op snelheid komen, ongeacht het romptype. Dit heb je zelf in de hand.

Gewichtsverdeling is nog belangrijker

De gewichtsverdeling speelt een grote rol. Alles in het midden (ballast, motor, tanks, stuurstand) en je duwt de boot naar beneden op de plek waar het golfdal achter de boeggolf het diepste is. Alles achterop bij een kleine boot (buitenboordmotor, tank/accu, stuurman) en je krijgt die niet in plané. Als je op de boeggolf wil varen dan zul je het gewicht gelijk moeten verdelen over de boot.

Het draait om de scheepsschroef

99,99% van de mechanische bootaandrijvingen laten een schroef ronddraaien, ook straalbuizen en waterjets. De schroef is een combinatie van diameter, spoed en aantal bladen. De spoed (pitch) is, populair vertaald, de mate waarin de bladen ‘scheef staan’ om het water weg te drukken. Net als een wiel aan de auto moet een schroef gebalanceerd zijn. Aangroei op de schroef vermindert zowel de balans als de werking.

Een schroef heeft last van ‘slip’ (40% is geen uitzondering), ventilatie (lucht aanzuigen) en cavitatie (bellen die imploderen). Cavitatie leidt tot schade en komt alleen bij snel ronddraaiende schroeven voor.

De hoeveelheid water die door de schroef naar achteren wordt gepompt bepaalt de stuwdruk. Een grote diameter met een vier of vijf blads schroef en een kleine spoed kan met weinig toeren draaien en de boot makkelijk op kruissnelheid brengen. Die heeft weinig last van slip en cavitatie. Een grotere diameter zit ook per definitie dieper onder water, waardoor de kans op het aanzuigen van lucht (bijvoorbeeld van de motoruitlaat) ook afneemt.

Een kleinere diameter door bijvoorbeeld ruimtegebrek kan je compenseren met meer bladen of door de schroef sneller te laten draaien. Maar bij sneller draaien neemt de kans op cavitatie toe. Naarmate een schroef sneller draait zorgen vier of vijf bladen voor minder rendement dat twee of drie bladen. Een kleinere spoed bij meer bladen betekent dan weer minder slip, maar als het extra aantal toeren ten opzichte van de vaarsnelheid te groot wordt levert die een veel lager rendement. Het bepalen van een geschikte schroef is geen wetenschap, een ervaren scheepsschroef fabrikant kan adviseren. Ons simulatiemodel berekent 9 verschillende mogelijkheden, klik hier .

Relatie tussen toeren en verbruik

Met minder toeren op kruissnelheid varen bespaart brandstof en vermindert de CO2 uitstoot. Dat is in het voordeel van de vierbladsschroef met een iets grotere diameter en minder spoed. Vervolgens kun je nog van kruissnelheid naar rompsnelheid en dan stopt het.

Accelereren voorbij de rompsnelheid, of wegscheuren en een paar waterskiërs uit het water trekken betekent dat je een kleinere schroef, meer spoed en meer toeren nodig hebt. Daarbij komt het brandstofverbruik op de tweede plaats. Logisch een dag toervaren is een andere sport dan drie uur waterskieën.

De boten ertussen, de semi-waterverplaatsers, hebben een flinke schroef met veel spoed nodig. Met groot water want op de kleine vaarwegen is die snelheid nergens toegestaan.

Voor ieder romptype wordt een ondergrens en een bovengrens bepaald tussen de diameter en de spoed. Zie de calculatie bootaandrijving .

Enkelschroefs of dubbele schroef?

Een dubbele schroef plaatst de schroeven uit elkaar waardoor het water beter aanstroomt. Een dubbele schroef betekent minder vermogen per motor nodig, en daardoor kunnen twee lichtere motoren worden toegepast. Die zijn, bij grotere schepen, samen lichter en goedkoper dan een enkele reus. Bij uitval van één motor blijft er eentje als reserve over.

Er zijn Atlantische oversteken gemaakt die alleen mogelijk waren vanwege het toenemen van de actieradius op één motor bij een dubbelschroefs motorjacht. Ook het onderhouden van één motor tijdens het varen is voor de beroepsvaart en bij oversteken belangrijk. Een ander argument is de manoeuvreerbaarheid. De schroeven draaien tegengesteld, een linksom de ander rechtsom. Met eentje in de vooruit en de ander in de achteruit draai je de boot om de as.

Een dubbele schroef heeft vooral zin als het benodigde motorvermogen voor een enkele schroef een reus van een motor veroorzaakt. Een hele leuke zinvolle variant is een dubbele schroef in een catamaran die hydraulisch wordt aangedreven door een enkele kleine motor. Dat is een perfecte oplossing.

De schroefas

Lang niet alle boten hebben een schroefas, al is dit bij de standaard motorboten wel het geval. Vetgesmeerde lagers zijn uit de mode (werkt prima, ook zonder een druppel vet te verliezen) en watergesmeerd is ‘in’.

Bij oudere boten of omgebouwde werkboten kan de schroefas van een behoorlijke lengte zijn. Het deel van de schroefas dat niet wordt ondersteund mag niet te lang zijn. Want als die gaat ‘zwiepen’ bij een wat groter toerental krijg je bijgeluiden, kapotte lagers of schade aan de keerkoppeling.

Je hebt er een specialist voor nodig, naar mijn bescheiden mening is een 25-30mm as circa anderhalve meter vrij laten ronddraaien buiten de schroefaskoker het maximum. Vanaf twee meter lengte moet er een lager tussen.

Het vergeten onderdeel, de stuwdruklager

Bij veel jachten is de schroefas rechtstreeks verbonden met de keerkoppeling/motor. Wat veel booteigenaren over het hoofd zien is dat de voortstuwing van de boot daardoor via de motorsteunen op het schip wordt overgebracht. Bij een boot van duizend kilo is dat geen probleem, maar een stalen kruiser weegt al snel enkele tonnen en de pk’s om die vooruit en achteruit te duwen zijn navenant. Er kan zo maar even een ton aan druk op de draaiende motor worden uitgeoefend. Zowel de keerkoppeling als de motorsteunen vangen de klappen op.

Een stuwdruklager vanaf circa 25 pk motorvermogen is geen overbodige luxe. Die wordt op de spanten gemonteerd. Dat heeft meteen een bijkomend voordeel dat de motor niet in exact dezelfde hoek als de schroefas moet zijn uitgelijnd. Doordat de motor vrij draait, trilt de romp minder en leven de motorsteunen jaren langer.

Een stuwdruklager, in feite ieder lager op de schroefas,  ‘consumeert’ slechts 1,5% van het motorvermogen.

Het kan allemaal nog mooier door een homokinetische koppeling te monteren, waardoor de hoek tussen schroefas en motor nog wat verder mag afwijken. Dat is een uitkomst als de schroefas een grotere hellingshoek vereist dan waarvoor de fabrikant het motorblok voor heeft bedoeld.

De keerkoppeling doet meer dan omkeren

De krukas van een verbrandingsmotor draait in een enkele richting, linksom of rechtsom. De keerkoppeling laat toe om de draairichting te veranderen zodat je ook achteruit kunt varen. Een minstens zo belangrijke functie van de keerkoppeling is de reductie. Want als de motor 1500 toeren draait en daarbij 30 pk levert, dan betekent een reductie van 2:1 dat de schroef 750 toeren draait met een kracht van 60 pk. En bij een reductie van 3:1 zelfs 500 toeren met 90 pk.

Op die manier kun je een grotere diameter schroef met meer schroefbladen monteren bij een kleinere zuinige snellopende motor. Of andersom, 3000 toeren op een kleinere schroef met veel spoed zetten om te kunnen wegspuiten met twee waterskiërs achter de boot.

Een keerkoppeling heeft (vaak) verschillende reducties in de vooruit en achteruit, zodat je bij een rechtsom draaiende motor een daarvoor geschikte keerkoppeling moet gebruiken en andersom.

Bij de berekening van een scheepsschroef wordt standaard 3% vermogensverlies ingecalculeerd voor de keerkoppeling.

Prachtige alternatieven die de keerkoppeling kunnen vervangen zijn de aandrijving van de schroefas met een hydraulische pomp en de elektromotor, tenminste als die voldoende power kan leveren. Een elektromotor is weliswaar omkeerbaar, maar heeft vanaf circa 3 kW een reductie nodig om het het vermogen op de schroef op te drijven.

Welke motor is de beste?

Er spelen nogal wat variabelen mee die bepalen welke motor je nodig hebt. De rompvorm, lengte van de waterlijn, waterverplaatsing en het doel van de eigenaar (sight seeing of racen) levert het aantal benodigde pk’s op de schroef op. De combinatie van motor en keerkoppeling het aantal toeren. Met wat simuleren kom je snel in de juiste richting, zie de calculatie bootaandrijving .

Het toerental is bepalend voor het motorlawaai. Ook bij elektromotoren met koolborstels (die ik niet geschikt vind als scheepsmotor). Dit wordt nog wel eens genegeerd met allerlei onverwachte geluidsisolatie problemen tot gevolg.

Net als bij een automotor kan een scheepsmotor niet langdurig volbelast draaien. Staar je niet dood op het maximale motorvermogen en het bijbehorende toerental dat je in de praktijk hooguit 15 seconden gebruikt voor een paniekstop in de achteruit. Als de fabrikant geen andere gegevens verstrekt kun je beter uitgaan van 500 toeren onder het maximum vermogen. Bij een gemariniseerde tweedehands automotor 25%, Scania adviseert zelfs 30% eronder te blijven. In verhouding levert de motor in dat gebied meer koppel.

Over de motorselectie volgen meer artikels: korte slag / lange slag,  voorkamer of directe inspuiting, common rail, turbo, alles heeft voor- en nadelen. Wel goed om te weten dat er slechts weinig fabrikanten van motorblokken zijn. Dezelfde motor wordt in een gewijzigde opbouw voor heel verschillende prijzen verkocht. Hyundai, Kubota, Lombardini en Mitsubishi zijn bekende fabrikanten van motorblokken. Maar bijvoorbeeld Hyundai en Mitsubishi ontwikkelen en produceren samen. Voor de zogenaamde goedkope Chinese diesels geldt dit nog meer, die komen allemaal uit hetzelfde kanaal. Met andere woorden laat je niet teveel beïnvloeden door de merknaam. Die brengt de marinisatie aan, je koopt toch dezelfde motor.

En de CE-normen?

Heel recent zijn de uitstootnormen van scheepsdiesels voor recreatievaartuigen opnieuw aangescherpt. Het wordt door geen enkele leverancier hardop gezegd, maar in feite is de nieuwe norm de doodssteek voor alle gereviseerde autodiesels in nieuwe vaartuigen. Eigenlijk nog een stap verder, geen enkele revisie kan de nieuwe norm halen met een oud motorblok. Er komt ooit een moment dat de inspectie een sonde in je uitlaat steekt, zoals bij de APK. Tegen die tijd is de accu bottleneck hopelijk opgelost, en gebruik je de scheepsmotor alleen nog als generator.

PTO en dynamo

De motor heeft een tweede functie die net zo belangrijk is, het opwekken van elektriciteit. Meestal met een  12V dynamo, soms een 24V. Die worden verkocht met een bepaald amperage. Wat er niet wordt bijgezegd is dat het amperage alleen gehaald wordt bij het maximale toerental, wat je zelden draait. Dit is een belangrijk punt om bij stil te staan als je van plan bent zware verbruikers van stroom te voorzien, zoals een waterkokers, elektrische kookplaten en airco.

PTO staat voor Power Take Off. Een voorziening aan de motor en aan sommige keerkoppelingen om een bijkomend apparaat door de krukas te laten aandrijven. Zoals een generator en een hydraulische pomp. Op dit moment worden dit soort opties nauwelijks gebruikt in de recreatievaart, maar stel je eens het volgende scenario voor.

Het accu probleem is opgelost, accu’s kosten in 2024 een kwart van de prijs vandaag en borstelloze permanent magneet elektromotoren koop je in elke garage. Daar hoeft niets aan gemariniseerd te worden. Je zet die met een V-snaar aan de huidige schroefas en haalt de keerkoppeling er tussenuit. De scheepsmotor blijft, maar aan de PTO-uitgang komt een generator te hangen. Dan heet de scheepsmotor een generator en mag getankt worden met goedkope rode diesel. Zolang je niet rechtstreeks (hybride) de schroefas daarmee aandrijft. Je vaart elektrisch voor een paar duizend euro investering, zonnecellen laden de accu’s gratis op terwijl je de boot niet gebruikt.

Hergebruik van energie

Voor mij heeft de scheepsmotor nog twee belangrijke functies. Mijn motor, een nieuwe Mitsubishi S4S, wordt dit jaar uitgebreid met twee extra warmtewisselaars. Een voor de boiler, de tweede voor CV-radiatoren pas daarna volgt de aansluiting op de kielkoeling.

De motor is namelijk zo zuinig, stationair draaiend ongeveer 2 liter per uur, dat mijn oude Kabola CV-ketel de dubbele hoeveelheid diesel gebruikt. Inderdaad zou een nieuwe Kabola Combi ketel beter presteren met 1,8 liter per uur, maar dat is opnieuw een forse investering en die produceert geen elektriciteit. Bovendien is mijn boiler groter. De motor laadt tegelijkertijd de 24V accu’s bij die via een omvormer ook 230V kunnen leveren.

Door ook een silent demper toe te passen en een optimale geluidsisolatie wordt de enige aanpassing een elektrische start/stop op de watertemperatuur voor als we stil liggen. Daar wil ik een stukje software tussen zetten zodat thermostaten de waterpomp aandrijven en de scheepsmotor starten als de radiatoren te koud worden.

Ik ben heel benieuwd of het lukt en zal dit artikel bijwerken met de resultaten.

2 Comments

  • Sjoerd siebenga schreef:

    Hoi, ik ben zelf in het bezit van een Rego Newlander van 11mtr-11ton en met een Yanmar dieseltje van 75pk. Ik ben toevallig op je colums gekomen door dat ik informatie zocht over elektrisch varen voor in de verre toekomst als die milleu teroristen hun zin krijgen. En heb het met grote intresse je verhaaltjes gelezen. Erg leuk geschreven en veel van op gestoken. Over een paar jaar wil ik ook met mijn boot door Europa gaan zwerven. Groeten Sjoerd

    • Gerjan schreef:

      Hoi Sjoerd,
      Dank voor je reactie. Als je een oogje op de (internationale) ontwikkelingen van elektrisch aandrijven houdt, zie je een waanzinnige stroom toepasbare uitvindingen op ons af komen. De prijzen zullen kelderen, en hoe je doe-het-zelf elektro motoren kunt bouwen staat nu al op Youtube. Die technologie is natuurlijk ook ouder dan verbrandingsmotoren. Wanneer je het aantal onderdelen van een dieselmotor (1000+) en een elektromotor (+/-50) vergelijkt, vraag je je af waar de huidige prijzen vandaan komen.

      Vandaag heb ik geen keus en moet ik wel op diesel varen. Maar mijn nieuwe motor gaat qua economische levensduur geen 30 jaar meer mee. We gaan in West-Europa binnen 10 tot 15 jaar (volgens mij) naar een aandrijvingstechnologie waarbij energieopslag nauwelijks een rol meer speelt.

      Dus geniet van het gebrom van je Yanmar – je bent de laatste generatie voordat die technologie na het post-stoomtijdperk wordt geklasseerdin de geschiedenisboekjes 😉

      Mvg,
      Gerjan

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *