beter: compressieontstekingsmotor. De verbranding in moderne motoren verloopt geheel anders dan in de motoren waarvoor Rudolf Diesel in 1892 octrooi heeft aangevraagd. De meest karakteristieke eigenschap van de dieselmotor is de toepassing van de hoge temperaturen die ontstaan bij het onder zeer hoge druk brengen van lucht, om een relatief niet-vluchtige brandstof spontaan tot ontbranding te brengen (zelfontbranding).
Deze brandstof wordt vlak voor het eind van de compressieslag in de verbrandingskamer gespoten door het brandstofinspuitsysteem. Het rendement van het proces neemt toe met de compressieverhouding; de druk in de cilinder mag echter ook weer niet te hoog worden. De dieselmotor varieert qua grootte en vermogen van kleine luchtgekoelde motoren met één cilinder van ca. 220 cm3 cilinderinhoud met een vermogen van ca. 1 kW (ongeveer 1,5 pk) tot enorme, langzaamlopende scheepsmotoren met een vermogen tot 30.000 kW in 10 cilinders; ontwerpen liggen klaar voor eenheden van 12 cilinders die 35.000 kW kunnen ontwikkelen. Het toerental varieert van 106 omw min−1 voor de grootste motoren tot 4000 omw min−1 voor sommige van de allerkleinste.
De dieselmotor is over de gehele wereld de voornaamste krachtbron voor industriële doeleinden, voor eenheden oplopend tot ca. 750 kW. De meeste vrachtauto’s en autobussen die zich tegenwoordig op de weg bevinden worden aangedreven door dieselmotoren, evenals de meeste zwaardere tractoren in landbouw en bouwnijverheid. Bij de spoorwegen worden dieselmotoren toegepast in lichte treinstellen met een vermogen van 75 kW, tot dieselelektrische locomotieven met een vermogen van 2600 kW. Op het water worden schepen van allerlei soorten en afmetingen door dieselmotoren aangedreven, zelfs tot de grootste oceaanschepen toe met 60.000 kW verdeeld over twee schroeven. Tot nu toe is de dieselmotor slechts weinig toegepast in personenauto’s en dan nog vooral in taxi’s. De reden hiervoor is dat de diesel in vergelijking met de conventionele motoren met vonkontsteking een hoger specifiek gewicht heeft en hogere aanschafkosten en dit, te zamen met het feit dat hij minder soepel loopt, vaak niet opweegt tegen de lagere exploitatiekosten. In de vliegtuigindustrie zijn dieselmotoren nooit met succes toegepast.
Het viertaktproces is zowel op de dieselmotor van toepassing als op motoren die werken volgens het ottoprincipe (vonkontsteking). Hetzelfde geldt ook voor het tweetaktproces, doch dit is beter toepasbaar in de dieselmotor dan in motoren met vonkontsteking omdat alleen lucht gebruikt wordt bij de spoeling van de cilinders, waarbij dus geen brandstof verloren gaat. In moderne tweetaktdieselmotoren met natuurlijke aanzuiging worden ‘blowers’ van het type-Roots gebruikt voor de aanvoer van spoellucht.
Bijna alle dieselmotoren die gebruikt werden in de Verenigde Staten toen men bij de spoorwegen op dieselmotoren overschakelde, en dat zijn er duizenden, zijn tweetaktmotoren, evenals alle grote 3750...30.000 kW langzaamlopende scheepsmotoren met directe aandrijving.
Afb. 1 laat een representatief p, V- of indicateurdiagram zien voor een moderne dieselmotor. Het ideaal proces voor de motor is zodanig dat de warmtetoevoer gedeeltelijk bij constant volume en gedeeltelijk bij constante druk geschiedt (gemengd verbrandingsproces). Bij de moderne middelsnel- of snellopende motoren geschiedt het inspuiten van de brandstof in een dermate vroeg stadium, dat een groot gedeelte van de brandstof onder ongeveer constant volume verbrand wordt. Een diagram voor dezelfde motor, maar met een later (vertraagd) inspuitmoment, zou van boven afgeronder zijn, zoals aangegeven door het stippellijntje in afb. 1. De vorm van het diagram wordt ook beïnvloed door de vorm van de verbrandingskamer. Afb. 2 geeft kleppendiagrammen weer die typerend zijn voor twee- en viertaktdieselmotoren.
Afb. 3 geeft het gemengde proces A weer, met ter vergelijking het ideale gelijke-druk(diesel)proces B en het ideale gelijkvolume(otto)proces C; als rv de volumecompressieverhouding V1/V2 is, ⍺ de verhouding p3/p2, β de uitzettingscoëfficiënt tot het eind van de warmtetoevoer (β = V4/V3) en k de isentropische index, dan wordt ηtha, het standaardluchtrendement van het gemengde proces, gegeven door:
ηtha = 1 − (1/rᵥ)k−1 (⍺βᵏ−1)/(( ⍺−1) + k⍺ (β−1))
In het oorspronkelijke dieselproces is ⍺ = 1, terwijl voor de moderne snellopende dieselkringloop β hier zo nauw mee overeenkomt, dat men de ottokringloop redelijk nauwkeurig als vergelijkingsnorm kan nemen. Gezien de hoge waarden van rv zullen zowel het ideaal als het werkelijk thermisch rendement van dit proces de waarden voor een vergelijkbaar ottoproces met zijn lagere compressieverhouding overtreffen.
Het brandstofinspuitsysteem (afb. 4) moet in staat zijn om de kleine hoeveelheden brandstof nodig voor elke injectie accuraat en uniform te doseren op het juiste moment tijdens het proces, om de vereiste verbrandingseigenschappen onder alle bedrijfsomstandigheden, van stationair tot vollast, te bewerkstelligen. De brandstof uit de tank wordt gefilterd, daarna toegevoerd aan de pomp en de afgepaste hoeveelheid wordt naar de verstuiver gevoerd die gemonteerd is in de verbrandingskamer. De druk die in de inspuitpomp ontwikkeld wordt, moet hoog zijn (tot 275 maal de atmosferische druk) om een goede verstuiving te bewerkstelligen en voldoende verdringing (penetratie) in de kamer te bereiken. De hoeveelheid brandstof die bij elke inspuiting in de cilinder komt, wordt bepaald door de regelstang van de inspuitpomp. De moderne manier van brandstofinspuiting zonder lucht, ofwel ‘solid’ brandstofinspuiting, geschiedt meestal met een aparte brandstofpomp voor elke cilinder. Deze brandstofinspuitpomp, een onderdeel dat met zeer veel precisie wordt samengesteld, bestaat uit een pompcilinder en een door een nok aangedreven plunjer. De pomp perst gedurende een klein gedeelte van elke persslag, en daardoor slechts gedurende een zeer klein tijdsinterval, brandstof onder hoge druk door de verstuiver. In iedere cilinder bevindt zich een aparte pomp voor de verstuiver. De hoge druk in de verstuiver maakt een zeer nauwkeurige passing van de plunjer in de cilinder noodzakelijk om lekkage te voorkomen. De plunjer in de pomp heeft een constante slag en over het algemeen wordt een methode van dosering toegepast die gebruik maakt van een door de plunjer geregelde afvoerpoort in de cilinder (afb. 5). In de plunjer bevindt zich een spiraalvormige groef, waarvan de bovenste rand het vrijkomen van de afvoerpoort regelt. Doordat de plunjer, door een tandheugelmechanisme, in de cilinder roteert kan het moment waarop de poort vrijkomt gevarieerd worden in overeenstemming met de vereiste belasting, en dit kan automatisch of met de hand geregeld worden terwijl de motor draait. Als de plunjer tot zijn uiterste stand is gedraaid in de cilinder kan de pomp geen brandstof leveren aan de motor (‘stop’-stand).
De veerbelaste verstuivernaald wordt zodanig gemonteerd dat hij bij een vooringestelde druk in de brandstofinspuitleiding opengaat. De brandstofinspuitleiding bevat brandstof met een hoge restdruk.
Men kan vier fasen onderscheiden in het verbrandingsproces:
de verbrandingsvertraging;
de periode van snelle en ongecontroleerde verbranding;
de gecontroleerde verbranding;
en het zgn. nabranden.
Afb. 6 geeft een diagram van het verloop van de druk in de cilinder bij het bovenste dode punt, op een krukhoek- of tijdbasis. Bij benadering constante brandstofinspuiting geschiedt tussen 1-3 en hangt af van de belasting. De ingespoten brandstofdruppeltjes moeten verdampen en zich mengen met de zuurstof om tot een ontbrandbaar mengsel te komen. Fase 1 is de ontstekingsvertraging, afhankelijk van soort en kwaliteit van de brandstof, gedurende welke chemische reacties (vooralsnog zonder ontbranding) optreden die geen drukstijging tot gevolg hebben. Een brandstof met een korte ontstekingsvertraging, of een hoge ‘ontsteekbaarheid’, is vereist; dit wordt uitgedrukt met het cetaangetal. De ‘ontsteekbaarheid’ van een brandstof wordt uitgedrukt als een gegeven mengselverhouding, in volumeprocent cetaan (C16H34; hoge ontsteekbaarheid) met ⍺-methylnaptaline (C11H10; lage ontsteekbaarheid), met dezelfde ontsteekbaarheid als de brandstof.
Bij fase 2 vindt er een spontane en praktisch ongecontroleerde ontbranding bij nagenoeg constant volume plaats, van de tijdens de periode van ontstekingsvertraging ingespoten brandstof. Dit is de verspreiding van de verbranding van de eerste vuurkern naar het grootste deel van de vulling, welke een snelle drukstijging tot gevolg heeft, waarvan de grootte in enige mate afhangt van de aanvoer van zuurstof naar de plaats van inspuiting, hetgeen op zijn beurt weer afhankelijk is van de turbulentie in de cilinder. De voornaamste factor is echter de verbrandingsvertraging. Een grote vertraging houdt in dat zich meer ontbrandbaar mengsel kan vormen, zodat een grotere vulling ontstaat voor de ontbranding in fase 2.
Fase 3 stelt de verbranding onder nagenoeg constante druk voor van de rest van de brandstof terwijl deze ingespoten wordt. Eén van de belangrijkste factoren gedurende deze fase is de mate van werveling die teweeggebracht wordt door de vormgeving van de verbrandingskamer. De bereikte lucht-brandstofverhouding ligt tussen 20:1 en 25:1. Daar dit betekent dat er altijd een overschot aan lucht moet zijn, is er een beperking op de gemiddelde zuigerdruk. Tijdens fase 4 verbrandt de brandstof die nog niet onmiddellijk met zuurstof in aanraking is gekomen.
De temperatuur na de compressie moet belangrijk hoger zijn dan de zelfontbrandingstemperatuur van de brandstof, dit om verzekerd te zijn van een goed ‘koudestart’-vermogen om stationair te kunnen draaien (weinig toeren bij minimale brandstoftoevoer), en om ervoor te zorgen dat verbranding van de ingespoten brandstof met een minimum aan vertraging geschiedt. Hierdoor wordt een minimumdrukverhouding opgelegd van ca. 12:1. Daar alleen lucht wordt samengeperst en de ontsteking niet van één punt afhankelijk is, treden beperkende factoren (zoals voorontsteking en/of detonatie bij motoren met vonkontsteking) niet op.
In de moderne kleine snellopende motoren overheerst fase 2 in die mate dat het indicateurdiagram bijna identiek wordt aan dat van het ottoproces onder constant volume. Het vereiste cetaangetal voor snellopende motoren is ca. 50, voor middelsnellopende motoren ca. 40 en voor langzaamdraaiende motoren ca. 30. Moderne verbrandingskamers kunnen grofweg onderverdeeld worden in categorieën, naarmate de oplossing gezocht is in de vorm van een hogere graad van turbulentie of werveling voor een maximaal vermogen of minimale inspuitverliezen voor een maximaal rendement, rekening houdend met het probleem van een kritische temperatuur waarbij het volumetrisch rendement nadelig wordt beïnvloed. Deze categorieën zijn de volgende.
Verbrandingskamer met directe inspuiting.
Dit omvat veelal een uitholling in de zuigerbodem, een platte cilinderkop en een verstuiver in (of niet ver van) het midden. Luchtwerveling wordt opgewekt tijdens de inlaat- en compressieslag. De inspuitdruk is hoog, in de orde van grootte van 275 maal de atmosferische druk. Verstuiverkoppen met 5 tot 8 gaten worden gebruikt met een totale inspuitkegel van 130...150° om een minimale inspuitsnelheid van ca. 200 m s−1 te bewerkstelligen en om ervoor te zorgen dat de brandstof penetreert in de lucht. Deze opstelling werkt zeer bevredigend in middelsnel- en langzaamlopende motoren en levert het grootste thermische rendement op, gekoppeld aan een uitstekend ‘koude-start’vermogen en een gelijkmatige warmteverdeling in de cilinder. Het feit dat er geen systemen zijn voor het opwekken van kunstmatige werveling vereenvoudigt de constructie. De kleinere cilinders van dit ‘kalme’ (weinig werveling) type verbrandingskamer vereisen verstuivers met zeer veel gaten, waarvan de diameter zo klein is dat de kwestie van onderhoud onoplosbaar wordt. Om het aantal gaten tot bijv. 2 of 4 terug te brengen, de diameter te vergroten en de inspuitdruk te verlagen, is een matige en geregelde werveling noodzakelijk. Een aanzuigwervel kan verkregen worden door een schuin inlaatkanaal of door de inlaatklep te voorzien van een scherm, zodat de lucht de cilinder tangentieel binnenkomt tijdens de inlaatslag. Hierdoor wordt een werveling opgewekt die aanhoudt tot ten minste het inspuitmoment. Tweetaktmotoren en schuivenmotoren moeten met tangentiële poorten uitgerust zijn om deze matige werveling te verkrijgen. Dit type verbrandingskamer heeft een dermate hoge graad van ontwikkeling bereikt, dat het de ‘kalme’ verbrandingskamer ten aanzien van rendement en startvermogen evenaart.
Voorkamertype.
Bij dit type wordt de verbrandingskamer gedeeltelijk gevormd door een ondiepe uitholling van de zuigerbodem en in een aparte kamer die met de eigenlijke cilinder in verbinding staat door middel van een of meer gaten. De brandstof wordt in de voorkamer gespoten en de verbranding vindt hier gedeeltelijk plaats, waarvandaan de hete lading van het brandend mengsel met een warrige turbulentie via de gaten overgaat in de eigenlijke cilinder, waar de verbranding verder verloopt. Dit type verbrandingskamer is minder efficiënt dan dat met directe inspuiting en geeft meer moeilijkheden bij ‘koude start’ door warmteverliezen in de nauwe doorlaat tijdens de compressieslag. Gloeispiralen kunnen dan ook noodzakelijk zijn. De voornaamste voordelen van dit type zijn een hoge prestatie per cm3 cilinderinhoud, hetgeen een hoger gemiddelde zuigerdruk oplevert, en de mogelijkheid van een lage inspuitdruk en verstuiverkoppen met slechts één gat, waardoor het inspuitsysteem onder minder zware omstandigheden opereert. Niettegenstaande wordt dit type in steeds mindere mate toegepast. De voorkamer neemt slechts een klein gedeelte van de luchtvulling voor zijn rekening (30...40%). Dit systeem met hoge turbulentie, waarbij de lucht zijn weg moet vinden naar de brandstof, wordt tegenwoordig alleen toegepast voor automobielmotoren. Het laat zeer hoge toerentallen toe.
Brandstof.
De brandstoffen voor dieselmotoren kunnen in vier categorieën worden verdeeld; ruwe oliesoorten, destillaten, afvalbrandstoffen (residuals) en gassen (aardgas of gassen die ontstaan als bijprodukt bij de produktie van andere brandstoffen). Ruwe olie kan verbrand worden in de grote langzaamlopende motoren na gecentrifugeerd te zijn om het water en zand te verwijderen. De destillaten of gasoliesoorten (zoals ze in de petrochemische industrie genoemd worden) worden uit ruwe olie verkregen nadat de vluchtige fracties die gebruikt worden bij de produktie van gasoline en kerosine uitgedestilleerd zijn. De gasoliesoorten variëren van lichte destillaten, die weinig verschillen van kerosine, tot de zwaardere destillaten met kookpunten van ca. 175...345 °C. In middelsnellopende motoren worden veelal wat men noemt ‘dieseloliesoorten’ verbrand. Dit zijn mengsels van verschillende gasoliesoorten, verkregen uit verschillende ruwe oliesoorten, of vermengd met stookoliesoorten. Afvalbrandstoffen bevatten alle samenstellende componenten van ruwe olie, nadat gasoline en de destillaten uitgedestilleerd zijn. Residuals zijn goedkoper dan de destillaten, maar kunnen niet in snellopende motoren verbrand worden.
Het is ook mogelijk aardgas te gebruiken als brandstof voor vele motoren en dit wordt dan ook gedaan, vooral in stationaire motoren. De weerstand van deze gassen tegen zelfontsteking houdt in dat daar waar geen vonkontsteking wordt toegepast, hulpontsteking door middel van een kleine hoeveelheid vloeibare brandstof (ca. 5% van de hoeveelheid brandstof voor vollast als de motor als een gewone dieselmotor zou draaien) nodig is. Wanneer de motor op zowel 100% gas met hulpontsteking, als op 100% vloeibare brandstof kan lopen, of op een willekeurige mengverhouding van deze brandstoffen tussen deze twee uitersten, en wanneer omschakeling van de ene brandstof op de andere en regeling van de hoeveelheid automatisch kan geschieden zonder de belasting of het toerental te verstoren, spreekt men van een ‘dual fuel’ motor.
Drukvulling.
Gebruik van drukvulling in de dieselmotor kent niet de beperkingen die de toepassing ervan op motoren met vonkontsteking heeft. Integendeel, door het reduceren van de verbrandingsvertraging ondervindt zowel de twee- als de viertaktdieselmotor voordelen van drukvulling. Deze wordt op grote schaal verwezenlijkt door turbocompressie met uitlaatgassen. Bij dit laatstgenoemde proces (uitgevonden door Büchi in 1926) wordt de kracht nodig voor het comprimeren van de gassen geleverd door een gasturbine die de energie in de uitlaatgassen benut. Lagedrukvulling door middel van turbocompressie (tegenwoordig niet meer toegepast) doet het vermogen van de desbetreffende motor met 50% toenemen, resulterend in een afname van de verhoudingen vermogen-gewicht en volume-gewicht, en een daling van de specifieke kosten. De gemiddelde zuigerdruk bij vollast ligt voor het viertaktproces in de orde van grootte van 9 maal de atmosferische druk, gekoppeld aan zuigersnelheden van 8,9...10,7 ms−1.
Hoge drukvulling door middel van turbocompressie kan het vermogen met 100...200% doen toenemen, met gemiddelde zuigerdrukken tot 19,3 maal de atmosferische druk; deze waarden zijn voor het tweetaktproces iets lager. Deze drukvulling onder hoge druk is een nogal recente ontwikkeling en de druk in de drukvulling kan oplopen tot 3,5 maal de atmosferische druk; de huidige ontwikkelingen wijzen op toekomstige waarden voor een gemiddelde zuigerdruk van meer dan 21 maal de atmosferische druk. De maximaal bereikbare gemiddelde zuigerdruk voor de allergrootste scheepsmotoren bedraagt ca. 9 maal de atmosferische druk met toerentallen van ca. 120 omw min−1.
Prestatie.
De tabel geeft prestatiegegevens bij vollast voor een representatieve groep middelsnellopende motoren, en één snellopende personenwagenmotor. Opgemerkt kan worden dat alle motoren, behalve de laatste, voorzien zijn van drukvulling uitgevoerd met turbocompressie, en dat de gemiddelde zuigerdruk, het thermische rendement, de gemiddelde zuigersnelheid, de maximale brandstofdruk en de verhouding vermogen-gewicht van deze motoren alle hoog zijn. Afb. 7 geeft de Stork-Werkspoor TM 620 motor weer.
Een representatieve energiebalans voor de dieselmotor bij vollast zou cijfers te zien geven van de volgende orde van grootte: 40% naar de zuigerdruk, 20% naar het koelwater, 30% naar de uitlaat en 10% naar straling enz. De warmte die verloren gaat via de mantel naar het koelwatercircuit kan men herwinnen, evenals ongeveer 18% van de brandstofenergie uit de uitlaatgassen. Deze herwonnen warmte kan gebruikt worden voor het verwarmen van gebouwen, en/of warm water voor huishoudelijke doeleinden en/of voor industriële processen waarbij stoom met een lage druk of warm water vereist wordt. Een totaal brandstofrendement van ongeveer 75% kan verkregen worden door gebruik te maken van dergelijke gecombineerde kracht- en warmteopwekkingsinstallaties (total energy concept).
De prestatie van de motor is afhankelijk van de atmosferische omstandigheden waarbij hij draait. Gegevens omtrent de toelaatbare belasting worden gewoonlijk gegeven voor standaardomstandigheden, zoals vastgesteld door ISO of CIMAC, bijv. een buitenluchttemperatuur van 30 °C en een barometrische druk op 150 m boven de zeespiegel; met lagere temperaturen en hogere drukken wordt gewoonlijk niet gerekend. Tabellen zijn beschikbaar met ‘correctiefactoren’, maar over het algemeen kan men zeggen dat de prestatieafname ca. 3% per 300 m boven de eerder vermelde 150 m per 5 °C boven 30 °C bedraagt. De prestatieafname die optreedt ten gevolge van veranderingen in de relatieve vochtigheidsgraad kan tot 6% oplopen.