Dieselmotor
Een dieselmotor is een zuigermotor die werkt volgens het principe van zelfontbranding.
Als lucht wordt samengeperst wordt deze warmer (wet van Charles); bij grote compressie zelfs heet genoeg om de onder hoge druk ingespoten brandstof spontaan te laten ontbranden. De motor is uitgevonden door Rudolf Diesel. Bruikbaar voor de automobielindustrie werd de motor pas na ontwikkeling van de inspuitpomp door Robert Bosch. Door deze inspuitpomp, die soms ook boschpomp wordt genoemd, naar zijn uitvinder, kon het toerental en de opbrengst door middel van een regulateur naar wens worden ingesteld, in plaats van een vast toerental (waardoor de diesel tot dan toe alleen geschikt was in stationaire installaties).
Een dieselmotor is een motor volgens het zuigerprincipe, waarbij een ontbrandend mengsel de zuiger in de cilinder naar beneden drukt. De kracht wordt via een drijfstang en kruktap overgebracht op de krukas. Het grootste verschil met de benzinemotor is dat het mengsel vanzelf ontsteekt en er dus geen aparte ontstekingsinrichting nodig is; daarentegen is er wel altijd een apart inspuitmechanisme nodig (in de vorm van een hogedruk-inspuitpomp) of bij de wat modernere motoren onder zeer hoge druk via injectoren. Er zijn twee soorten dieselmotoren: tweetaktdieselmotoren en viertaktdieselmotoren.
Inhoud |
[bewerk] Tweetaktdieselmotoren
Tweetaktdiesels worden in het algemeen toegepast in schepen, dieselhydraulische en dieselelektrische locomotieven en Amerikaanse vrachtauto's. Mogelijk komt dit omdat al deze machines en voertuigen minder sterke toerentalwisselingen meemaken dan vrachtauto's op Europese wegen. Een tweetaktdiesel heeft cilinders waarvan de cilinderwanden zijn doorboord. Er zitten grote gaten (de spoelpoorten) in die onder een hoek zijn geboord. Als de zuiger in het onderste dode punt staat wordt door deze spoelpoorten lucht naar binnen gepompt. Door de hoek van de poorten gaat de lucht wervelen waardoor een betere vulling ontstaat. Als de zuiger weer naar boven gaat sluit deze de poorten hermetisch af. De lucht wordt samengedrukt (compressie) en wordt daardoor verhit. Als de zuiger bijna het bovenste dode punt heeft bereikt, wordt dieselbrandstof ingespoten. Bij tweetaktdiesels gebeurt dit in het algemeen met pompverstuivers. De brandstof ontbrandt spontaan waardoor de zuiger naar beneden geduwd wordt (arbeidsslag). Voor de spoelpoorten weer vrij komen, worden er één of meer uitlaatkleppen geopend, waardoor de verbrande gassen kunnen ontsnappen. Voordat de zuiger het onderste dode punt bereikt is er alweer schone lucht door de spoelpoorten naar binnen gepompt, en wordt er daardoor nog extra gespoeld om alle uitlaatgassen uit de cilinder te verwijderen. Een compleet arbeidsproces omvat dus alleen één neergaande- en één een opgaande beweging van de zuiger, oftewel twee slagen. Tweetaktdieselmotoren zijn vaak uitgerust met een turbocompressor, maar moeten ook een aparte, mechanisch aangedreven compressor hebben om de lucht in de cilinders te pompen. Een turbocompressor begint immers pas te werken bij een hogere belasting.
[bewerk] Viertaktdieselmotoren
Viertaktdieselmotoren werken volgens hetzelfde principe als viertaktbenzinemotoren: Een inlaatslag (zuiger ↓), waarbij door de geopende inlaatklep echter geen brandstof/luchtmengsel wordt aangezogen, maar alleen lucht Een compressieslag (zuiger ↑), waarbij de lucht wordt samengedrukt (gecomprimeerd). De compressieverhouding is echter zeer hoog, ca. 16:1 i.p.v. ca. 10:1. Hierdoor wordt de lucht heet genoeg om de brandstof spontaan te laten ontbranden. Aan het einde van de compressieslag wordt de brandstof ingespoten. Een arbeidsslag (zuiger ↓): de zuiger wordt door de ontstane verbrandingsdruk omlaag geduwd. Een uitlaatslag (zuiger ↑): de uitlaatgassen ontsnappen door de uitlaatklep, geholpen door de omhooggaande zuiger. Omdat elke op- of neergaande beweging van de zuiger een slag genoemd wordt, is dit dus een vierslag- of viertaktmotor. Toch wordt er nog wel een onderscheid gemaakt in deze motoren:
[bewerk] Viertaktdiesel met indirecte inspuiting
Oudere (en tegenwoordig ook nog wel toegepaste) dieselmotoren werken volgens het indirecte principe: de brandstof wordt niet rechtstreeks boven de zuiger ingespoten maar in een aparte voorkamer (ook wel wervelkamer genoemd). Vaak wordt daar dan ook een gloeispiraal in geplaatst die de motor bij een koude start mee moet helpen aanslaan. Bij een koude motor (en een koude voorkamer) zal de spontane zelfontbranding van de dieselbrandstof niet lukken zonder enige hulp. Deze motoren werden tot voor kort zonder uitzondering in lichte dieselmotoren (personenauto's) gebruikt. Zij konden hogere toerentallen bereiken, mede door de toepassing van een roterende inspuitpomp. Deze inspuitpomp levert weer te weinig druk om in een grote dieselmotor te worden gebruikt.
[bewerk] Viertaktdiesel met directe inspuiting
Dit type inspuiting, waarbij de brandstof rechtstreeks in de verbrandingsruimte wordt gespoten, was tot voor kort voorbehouden aan zwaardere dieselmotoren (vrachtauto's en groter). Dit is opgelost door toepassing van elektrische en elektromagnetische motormanagementsystemen, zoals bij common-rail dieselmotoren. Tegenwoordig nemen de direct ingespoten diesels een steeds grotere plaats in de automobielindustrie in. Het voordeel van deze modernere systemen is dat door de elektronische regeling van inspuitmoment en -hoeveelheid de uitstoot van schadelijke gassen (emissies) veel beter beheersbaar zijn. Een nadeel is echter een relatief groter lawaai, wat vooral bij oudere grote vrachtwagen- of tractormotoren bekend is.
[bewerk] Uitvoeringsvormen
[bewerk] Snellopende motoren
Snellopende motoren (n > 16 s-1) worden gebruikt voor de aandrijving van vrachtwagens, autobussen, tractoren, auto's, jachten, compressoren, pompen en kleine generatoren.
[bewerk] Middelsnellopende motoren
Grote generatoren worden aangedreven door middelsnellopende motoren (4 < n < 16). Deze draaien met een vast toerental en zijn in staat om snelle belastingswisselingen op te vangen.
[bewerk] Langzaamlopende motoren
De grootste dieselmotoren worden gebruikt om schepen aan te drijven. Deze enorme motoren hebben vermogens tot 80 MW, draaien met 60 tot 100 omwentelingen per minuut, en zijn tot 15 meter hoog. Ze lopen op goedkope residu brandstof, waardoor het nodig is deze brandstof te verhitten in de bunkertanks en vlak voor injectie vanwege de hoge viscositeit. Bedrijven als MAN B&W en Wärtsilä (Sulzer Diesels) ontwerpen zulke grote langzaamlopende tweeslag motoren. De meest krachtige dieselmotor is de 14 cilinder Wärtsilä-Sulzer RTA96-C met 80 MW (108.800 pk).[1]
[bewerk] Opbouw van het diesel-brandstofsysteem
Het brandstofsysteem van een dieselmotor verschilt sterk van dat van een benzinemotor, omdat de luchttoevoer en de brandstoftoevoer geheel gescheiden zijn. Het diesel-brandstofsysteem ziet er als volgt uit.
[bewerk] Het lagedrukgedeelte
- De brandstoftanks.
Deze bestaan uit de bunkertanks (voorraadtanks, meestal in de dubbele bodem), settlingtank, waarin de brandstof wordt verhit en het water, en eventuele grove vaste bestanddelen bezinken,en de dagtank, waaruit de separatoren (een soort centrifuge) de brandstof zuigen. In de separator worden de vaste bestanddelen en het laatste water uit de brandstof gehaald. De separatoren pompen de gezuiverde brandstof terug naar de dagtank. Vanuit de bunkertanks word de brandstof door middel van transfer- of trempompen naar de selltingtank gepompt, via een grof en fijn brandstoffilter
- Een brandstofopvoer- of boosterpomp die de brandstof uit de settlingtank door een heater naar de motor pompt. In deze heater wordt de brandstof verhit tot ongeveer 150 °C om de viscositeit zodanig te verlagen dat de brandstof verstoven kan worden.
Bij motoren die niet op stookolie draaien zijn de heatersystemen niet nodig omdat de viscositeit laag genoeg is.
[bewerk] Het hogedrukgedeelte
met daarin:
- Een brandstofinspuitpomp die door middel van een klein, ingebouwd nokkenasje de brandstof op exact het juiste moment naar de verstuivers pompt. De juiste hoeveelheid wordt bepaald door de stand van het gaspedaal in samenwerking met een regulateur, die - mechanisch of elektronisch - de hoeveelheid brandstof aanpast aan de aanwezige lucht (zuurstof) in de cilinder. Te veel brandstof zou immers niet verbranden en in de vorm van zwarte rook uit de uitlaat komen.
- Een aantal hogedrukleidingen, voor elke cilinder één, die precies even lang en even dik zijn, om drukverschillen te voorkomen.
- In elke cilinder een verstuiver (of spuitstuk), die de brandstof vernevelt en onder hoge druk in de cilinder spuit. De verstuiver wordt gesloten gehouden door een zware veer, die een naald in het onderste gat van de verstuiver duwt. Komt er een drukgolf vanaf de brandstofinspuitpomp, dan duwt de aanwezige dieselolie onder hoge druk de verstuiver open (tegen deze veerdruk in) en verschaft zich op die wijze zelf een toegang tot de verbrandingsruimte. Indien pompverstuivers worden toegepast, hebben deze een eigen nokkenas die de verstuivers open drukt. De brandstofinspuitpomp komt dan te vervallen.
[bewerk] Het retour- of lekgedeelte
Dit systeem voert overtollige brandstof terug naar de tank. De brandstofopvoerpomp pompt namelijk veel meer brandstof naar de motor dan feitelijk voor de verbranding nodig is. Dit heeft wel nut: Deze brandstof koelt en smeert de onderdelen, maar de grote hoeveelheid voorkomt ook terugval in de druk of zelfs lucht in het systeem. Vaak wordt ongeveer 80% van de opgepompte brandstof weer teruggebracht in de tank. De retour- en lekleidingen halen brandstof weg bij de fijnfilters, de brandstofinspuitpomp en de verstuivers.
[bewerk] Het luchttoevoersysteem
De voor de verbranding noodzakelijke lucht wordt bij dieselmotoren gescheiden van de brandstof aangevoerd via:
- een luchtfilter, dat tevens een vlam- en geluiddempende taak heeft. Het luchtfilter is vaak voorzien van een vervuilingsindicator; een sensor die constateert wanneer er een te grote onderdruk in het systeem ontstaat en een signaal aan de bestuurder geeft.
- In veel gevallen, zeker bij vrachtauto's, een turbocompressor
- Een intercooler
- Het inlaatspruitstuk dat de lucht over de cilinders verdeelt.
[bewerk] Milieutechnische zaken
Een dieselmotor heeft ten opzichte van een benzinemotor meer schadelijke emissie van roetdeeltjes en stikstofoxiden. Binnen Europa gelden voor motoren die nieuw verkocht worden emissie-eisen die vastgelegd zijn in de Euronormen. Vanaf 2005 gaat Euro4 in en in 2010 komt de Euro5 norm. Daarin mag een dieselmotor waarschijnlijk even veel stikstofoxiden en roetdeeltjes uitstoten als een benzinemotor, wat vergaande aanpassingen zal vergen. Op dit moment hebben een aantal automerken (waaronder Peugeot en Toyota) hun motoren uitgerust met roetfilters. Deze vangen de roetdeeltjes op en verbranden die bij verzadiging bij hoge temperatuur, waardoor er geen schadelijke stoffen in het milieu komen. Het rendement van een dieselmotor is hoger dan van een benzinemotor, daarom is het brandstofverbruik bij gelijkblijvende prestaties lager, en daarmee ook de emissie van kooldioxide, het belangrijkste broeikasgas. Naar verwachting zal de combinatie van biodiesel en hoog rendement verbranding de dieselmotor in de toekomst een belangrijke plaats geven in het terugdringen van milieubezwaren van de automobiel.
[bewerk] Referenties
 |
|
motor | stirling | ionen | elektro | draaistroom | verbrandingsmotor | straalmotor |
