Icon up Overzicht

Zuigermotoren 6: de dieselmotor

Onderwerp: Kracht en beweging

In de delen 2 en 5 van deze serie kwamen twee verschillende types benzinemotoren voor: de viertaktmotor respectievelijk de tweetaktmotor. Deze twee motoren werken met een verschillende cyclus, maar het basisprincipe is hetzelfde: een lucht-benzine-mengsel wordt samengeperst en vervolgens ontstoken met behulp van een vonk uit een bougie, waarna het expanderende mengsel een zuiger kan aandrijven. Dezelfde soorten cycli kunnen echter ook gebruikt worden in combinatie met een andere brandstof: diesel.

De dieselmotor is qua techniek in grote lijnen gelijk aan de benzinemotor. Er is echter een groot verschil: tijdens de inlaatslag komt er geen brandstof de zuiger binnen, maar alleen lucht. Deze lucht wordt vervolgens samengeperst. Pas nadat de lucht samengeperst is wordt de brandstof in de zuiger gebracht, en wel verneveld, dus in de vorm van vele kleine druppeltjes, zodat de oppervlakte van de brandstof zo groot mogelijk is. Als de lucht ver genoeg gecomprimeerd is, zijn temperatuur en druk zodanig gestegen dat de brandstof vanzelf verbrandt, expandeert en de zuiger aandrijft. Er is dan geen bougie meer nodig.

Dieselmotoren bestaan zowel in de tweecilinder- als in de viercilinder-uitvoering.

Diesel-cyclus

In onderstaande animatie zie je een weergave van een draaiende dieselmotor (in dit geval een viertaktmotor). In de animatie is ook het (p,V)-diagram (druk-volume-diagram) opgenomen.

Figuur 1: Computersimulatie van een draaiende (viertakt-)dieselmotor. De positie in het druk-volume-diagram is ook aangegeven. Op de x-as staat het volume van de cilinder, op de y-as de druk van de brandstof in de cilinder. De eenheden zijn arbitrair.

Zoals je ziet, lijkt de werking van de dieselmotor sterk op die van de benzinemotor. Voor de tweetakt-dieselmotor geldt natuurlijk hetzelfde. Er is echter wel een belangrijk verschil in de thermodynamische cyclus.

De thermodynamische cyclus van een benzinemotor is de Otto-cyclus. Hoe deze precies in elkaar zit lees je in het artikel over de tweetaktmotor. Bij de dieselmotor hoort de Diesel-cyclus, die er iets anders uit ziet, zoals je in figuur 2 ziet. De dieselcyclus bestaat uit vier stappen:

Figuur 2: Druk-volume-diagrammen behorende bij de Otto-cyclus (benzinemotor) en de Diesel-cyclus (dieselmotor).

  • 1. Adiabatische compressie. Dit gebeurt tijdens de compressieslag: de beweging van de zuiger die de lucht samenperst. Bij een benzinemotor wordt op dit punt het brandstof-lucht-mengsel samengeperst.
  • 2. Isobare verwarming. Terwijl de druk gelijkt blijft, begint de lucht alweer uit te zetten, en ondertussen wordt de brandstof bij de gecomprimeerde lucht gespoten. Dit zorgt ervoor dat de brandstof ontbrandt en uitzet.
  • 3. Adiabatische expansie. Dit is de aandrijfslag: de expanderende brandstof zet de zuiger in beweging.
  • 4. Isochore drukafname. Dit is de uitlaatslag, waarbij het verbrande brandstofmengsel (hoge druk) de zuiger verlaat. Dit gaat op dezelfde manier als bij een benzinemotor.

Net als de Otto-cyclus (en de andere cycli die besproken worden in deze serie artikelen) is ook de Diesel-cyclus een geidealiseerde weergave van de werkelijkheid. De 'hoeken' in het (p,V)-diagram zullen in werkelijkheid nooit zo scherp zijn als in de theoretische Diesel-cyclus. Ook dit is weergegeven in figuur 2.

Geschiedenis

Het was in het jaar 1892 dat de dieselmotor werd uitgevonden door de in Frankrijk wonende Rudolf Diesel. De viertakt-benzinemotor bestond al sinds 1876. In het begin waren dieselmotoren niet erg betrouwbaar. Bovendien konden de eerste dieselmotoren maar op één bepaalde snelheid draaien. Dat was dus niet erg handig voor bijvoorbeeld auto's. Pas toen Robert Bosch (die eerder ook al de bougie voor benzinemotoren uitgevonden had) in 1927 de injectiepomp bedacht, werd het mogelijk om de snelheid van een dieselmotor te laten veranderen.

Gedurende de jaren erna werden er steeds meer verbeteringen aangebracht in het principe van de dieselmotor. Dieselmotoren werden rustiger, betrouwbaarder en vooral kleiner. Na de Tweede Wereldoorlog deed de dieselmotor zijn intrede bij locomotieven, om stoomlocomotieven te vervangen op spoorlijnen waar geen elektrische treinen konden rijden.

Gebruik

Dieselmotoren hebben een groot aantal uiteenlopende toepassingen. Zo bestaan er auto's, voornamelijk vrachtwagens, die op diesel rijden. Verder zijn er kleine dieselmotoren voor bijvoorbeeld grasmaaiers, grotere voor treinen en gigantische voor schepen.

Een voordeel van dieselmotoren tegenover andere soorten verbrandingsmotoren is de relatief grote efficiëntie. Er zitten echter ook nadelen aan: dieselmotoren zijn in het algemeen groter en zwaarder dan benzinemotoren en maken ook meer lawaai.