Dieselmotor Uitleg

vrijdag 12 mei 2023

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie

Eerste generatie stationaire eencilinderdieselmotor (MAN, Augsburg, 1906, 12 pk)

Patent van Rudolf Diesel 1932▲

Het originele patent dat Rudolf Diesel kreeg voor de dieselmotor in februari 1892.

Een dieselmotor is een zuigermotor die werkt volgens het principe van zelfontbranding.

Hij wordt ook wel luchtcomprimerende motor genoemd, omdat de lucht die nodig is voor de verbranding, eerst door de zuiger in de cilinder wordt gecomprimeerd, waarna de brandstof ingespoten wordt.

De lucht die ten gevolge van de samenpersing sterk verhit is, doet de brandstof dan spontaan ontbranden.

Geschiedenis

Het dieselprincipe is uitgevonden in 1892 door Rudolf Diesel.

De allereerste licentie om dieselmotoren te bouwen, is verleend aan de Gentse fabriek van Carels in 1894.

In 1897 werd door Moritz Schröter de eerste dieselmotor afgenomen bij Maschinenfabrik Augsburg.

Diesel had zich gebaseerd op het Carnot-proces.

Hij wees het Otto-proces af vanwege de problemen met klopverschijnselen bij hogere compressieverhoudingen.

Hij gaf er de voorkeur aan alleen de lucht te comprimeren en pas daarna de brandstof te injecteren, waardoor veel hogere drukken bereikt konden worden dan bij het Otto-proces.

Bruikbaar voor de automobielindustrie werd de dieselmotor pas na ontwikkeling van de inspuitpomp door Robert Bosch.

Door deze inspuitpomp, die naar zijn uitvinder soms ook boschpomp wordt genoemd, konden toerental en opbrengst door middel van een regulateur naar wens worden ingesteld.

Tot dan konden diesels alleen draaien met een vast toerental, waardoor ze alleen geschikt waren voor stationaire toepassingen, zoals in de mijnbouw.

Sinds de toepassing van de inspuitpomp en de oplossing van betrouwbaarheidsproblemen, is de verbreiding van

de dieselmotor in voertuigen steeds nauw verbonden geweest met het succes dat ingenieurs boekten bij het onschadelijk maken van de inherente nadelen van dit motortype.

Naarmate het gewicht van de motor teruggebracht werd, en trillingen en lawaai ingeperkt werden, verspreidde de diesel zich in steeds kleinere voertuigtypen: van vrachtwagen tot grote personenwagen, en vanaf de jaren zeventig in kleine personenauto's.

Hoewel Peugeot al veel langer kleine diesels produceerde, wordt de Volkswagen Golf Diesel uit 1976 beschouwd als een mijlpaal in deze ontwikkeling.

De motor van deze auto was als eerste licht, krachtig en stil genoeg om de leidende positie van de mengselmotor in de markt voor compacte auto's serieus te bedreigen.

Animatie van 4-takt Dieselmotor met inspuiting

Historie van de personenwagendiesel

In de jaren twintig van de twintigste eeuw was de hoofdreden voor de toepassing van een dieselmotor de economische waarde.

Het constante motorlawaai, de trillingen, en de aanvankelijk beperkte motorprestaties maakten het succes van de eerste dieselmotor in vrachtwagens minimaal.

De Zweedse ingenieur Jonas Hesselman ontwiep in 1925 de Hesselmanmotor om de aanvankelijke nadelen het hoofd te bieden.

Deze motor startte op benzine en ging over op diesel als de bedrijfstemperatuur was bereikt.

Aan het begin van de jaren dertig probeerden de Duitse ingenieurs nog om de betrouwbaarheidsproblemen van de dieselmotor op te lossen.

De hoge compressie en andere beperkingen van de dieselmotoren dwongen de Duitsers om de lagers, de krukas

en de zuigers groter uit te voeren in vergelijking met een benzinemotor van gelijk volume.

De Duitse ingenieurs konden het bruikbare toerental niet verhogen zonder aantasting van de levensduur van de motor.

In 1926 rustte Daimler-Benz zijn vrachtwagens uit met een dieselmotor met zes cilinders die 1300 toeren per minuut kon draaien, terwijl een viercilinderdiesel, die van nature een onrustiger loop heeft, slechts 1000 toeren bereikte.

Het was toen nog niet mogelijk om verder te gaan.

Daarvoor was de uitvinding van de lichtere Mahle zuigers en de Bosch injectiepompen nodig om 2000 t/min en later een bruikbare 2800 t/min met 82 pk in het jaar 1933 te bereiken met een zescilindermotor.

In die tijd echter kon het chassis van een relatief lichte personenauto de trillingen niet verwerken die door deze zware motoren werden gegenereerd.

In november 1934 beslisten de ingenieurs van Mercedes om de verdere ontwikkelingen te concentreren op dieselmotoren met vier cilinders.

Ze slaagden erin om de trillingen te verminderen door de verbrandingskamers te herontwerpen en verbeterden de motoroutput door het zijklepprincipe te verlaten en een kopklepmotor te ontwikkelen.

Het resultaat was een dieselmotor die 45 pk bij een toerental van 3200 t/min ontwikkelde, met een verbruik van slechts 9,5 l/100 km (tegen 13 l/100 km voor de standaard viercilindermotoren uit die tijd).

Derhalve kon de motor in het chassis van de Mercedes 200 taxi worden geïnstalleerd.

De duizenden kilometers die daarmee tot 1935 werden afgelegd, bewezen spoedig de zuinigheid en betrouwbaarheid van deze diesel.

Dit was genoeg om de interesse van particulieren te wekken.

In 1936 kwam Mercedes aan deze vraag tegemoet met een passagiersversie, de Mercedes-Benz 260D, waarbij 260 naar de cilinderinhoud 2600 cc. en D naar het dieselprincipe verwijst.

In 1936 stelden de Franse autofabrikanten Peugeot en Citroën gelijkwaardige, lichte dieselauto's voor, echter slechts als bedrijfswagens en taxi's.

In Frankrijk ontwikkelde Peugeot in 1938 een dieselversie van de Peugeot 402, maar door het uitbreken van de Tweede Wereldoorlog is dit type nooit op de markt gekomen.

In 1959 probeerde Peugeot het opnieuw met een 1,8 liter dieselmotor voor de Peugeot 403.

Hoewel Fiat in 1953 al een Fiat 1400 met dieselmotor op de markt bracht, werd de dieselmarkt voor personenwagens tot de jaren zeventig volledig gedomineerd door Mercedes-Benz en Peugeot.

In 1972 kwam Opel met een 2,1 liter dieselmotor voor de Opel Rekord.

In de jaren daarop kwamen ook andere autofabrikanten met dieselmotoren.

De Audi R10 werd in 2006 winnaar van de 24 uur van Le Mans, de eerste overwinning van een door een dieselmotor aangedreven raceauto.

Werkingsprincipe

Een dieselmotor is gewoonlijk een motor volgens het zuigerprincipe, waarbij een ontbrandend mengsel in een cilinder uitzet en zo de zuiger in de cilinder naar beneden drukt.

Ook andere motortypen kunnen gebruikmaken van zelfontbranding, zo heeft Rolls-Royce in de jaren zestig en zeventig geëxperimenteerd met wankel-diesels.

Volgens de Wet van Boyle-Gay-Lussac wordt lucht bij compressie warmer; bij grote compressie zelfs heet genoeg om brandstof spontaan te laten ontbranden.

Bij de dieselmotor wordt de lucht daarom eerst gecomprimeerd tijdens de compressieslag, waarna de brandstof wordt ingespoten.

Deze ontsteekt daarna vrijwel direct spontaan door zelfontbranding, waarna de arbeidsslag volgt.

Dit in tegenstelling tot de mengselmotor die brandstof en lucht vooraf mengt en dit mengsel veel minder samenperst, juist om vroegtijdige zelfontbranding te voorkomen.

De verbranding in een dieselmotor vindt plaats bij veel hogere druk en temperatuur dan bij een mengselmotor, en de ontbranding verloopt zeer snel, wat een zware motorconstructie nodig maakt en hoorbaar is in het karakteristieke dieselgeluid.

Het hoge rendement staat hier als voordeel tegenover.

Dit rendement hangt vooral samen met de compressieverhouding, de verhouding tussen de druk vòòr en nà de arbeidsslag.

Bij alle motoren die gebaseerd zijn op drukverschillen, hangt het rendement volgens de wetten van de thermodynamica direct af van het temperatuurverschil vòòr en nà de arbeidsslag.

Dit verschil is volgens de al genoemde wet van Boyle-Gay-Lussac direct verbonden met de compressieverhouding, die bij een diesel veel hoger is dan bij mengselmotoren mogelijk is.

Onder deellast wordt het verschil in rendement tussen diesels en mengselmotoren nog groter omdat bij mengselmotoren het vermogen getemperd wordt door minder mengsel in de cilinder te brengen, wat resulteert in een kleinere daadwerkelijke compressieverhouding.

Bij diesels is dit veel minder het geval.

Hierbij wordt het vermogen verhoogd door de gemiddelde effectieve druk omhoog te brengen door een grotere compressieverhouding of door drukvulling.

Viertakt- of vierslagdieselmotoren werken volgens het principe:

Inlaatslag (zuiger ↓): de inlaatklep opent iets voor het bovenste dode punt (BDP), nog tijdens de uitlaatslag.

Zowel de inlaat- als de uitlaatklep is nu geopend.

Tijdens deze spoelperiode daalt de druk van iets boven de atmosferische druk naar iets onder de atmosferische druk in het geval van een zelfaanzuigende motor.

Door gebruik te maken van drukvulling kan deze druk omhoog worden gebracht.

Nadat de uitlaatklep gesloten is, wordt de cilinder gevuld met de aangezogen lucht; compressieslag (zuiger ↑): iets na het onderste dode punt (ODP) sluit de inlaatklep en begint de compressie van de lucht, waardoor de druk en temperatuur sterk stijgen, waarbij door de hoge compressieverhouding drukken van 35 à 40 bar en temperaturen van 550 à 600 °C worden bereikt bij zelfaanzuigende motoren.

Bij drukvulling worden aanmerkelijk hogere drukken en vooral temperaturen bereikt.

Vlak voor het einde van deze compressieslag begint de brandstofinspuiting.

Na een korte inspuit- en ontstekingsvertraging verbrandt de brandstof spontaan.

Er volgt een onbeheerste verbranding met een snelle druk- en temperatuursstijging tot 45 à 50 bar en 1500 à 1600 °C.

Ondanks dat de inspuiting voortduurt, neemt de drukgradiënt af, doordat het luchtoverschot afneemt, zodat er een gedeeltelijk beheerste verbranding plaatsvindt;

Arbeidsslag (zuiger ↓): vlak na het begin van de arbeidsslag stopt de brandstofinspuiting.

Er vindt nu een naverbranding plaats van de resterende brandstof.

Door het toenemende volume neemt de druk af, maar door de verbranding ligt deze hoger dan de compressiedruk. het einde van deze slag is de druk 3 à 4 bar en de temperatuur 600 à 700 °C;

Uitlaatslag (zuiger ↑): vlak voor het einde van de arbeidsslag opent de uitlaatklep, waardoor de druk daalt tot iets boven de atmosferische druk waarmee de uitlaatgassen uit de cilinder worden verdreven tijdens de uitlaatslag.

Aan het einde hiervan begint het proces opnieuw.

Tweetakt Dieselmotoren

Tweetakt- of tweeslagdieselmotoren worden toegepast in sommige schepen, dieselhydraulische en dieselelektrische locomotieven en Detroit diesel vrachtauto's.

Een tweetaktdiesel heeft cilinders die onderin over de volle omtrek voorzien zijn van spoelpoorten waardoor de spoellucht wordt toegevoerd.

Deze wordt afgesloten door de zuiger.

Oudere motoren hebben daarboven uitlaatpoorten waardoor de uitlaatgassen afgevoerd worden.

Vooral bij langeslagmotoren is de vulling bij deze lusspoeling problematisch.

Langsspoeling met een uitlaatklep bovenin het cilinderdeksel zorgt hier voor een hogere spoelluchtfactor, zodat moderne motoren hier mee zijn uitgerust.

Compressieslag (zuiger ↑): iets na het onderste dode punt (ODP) sluit de zuiger de spoelpoorten, terwijl vrijwel tegelijkertijd de uitlaatklep sluit.

Hoewel de compressie iets later begint doordat de spoelpoorten nog afgesloten moeten worden, verloopt het proces verder gelijk aan dat bij de vierslagmotor;

Arbeidsslag (zuiger ↓): deze slag verloopt aanvankelijk ook als bij de vierslagmotor.

Op zo'n 20% van het onderste dode punt opent de uitlaatklep en daalt de druk dusdanig snel dat deze al weer lager is dan de spoeldruk op het moment dat de spoelpoorten geopend worden.

Indirecte inspuiting

Veel oudere dieselmotoren werken volgens het indirecte principe: de brandstof wordt daarbij niet rechtstreeks boven de zuiger ingespoten maar in een aparte voorkamer of wervelkamer.

De combinatie van druk en temperatuur bleef bij die oude machines onvoldoende om te kunnen starten.

Vaak werd daarbij in de voorkamer dan ook een gloeispiraal (in zeer oude motoren met Gloeikop of met gloeilonten) geplaatst die de motor bij een koude start mee moet helpen aanslaan.

Bij een koude motor en koude voorkamer vindt de spontane zelfontbranding van de dieselbrandstof niet plaats zonder enige hulp.

Deze motoren werden tot voor kort zonder uitzondering in lichte dieselmotoren voor 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.

De oudste typen Lanz Bulldog trekkers hadden een gloeikop.

Lanz Bulldog ▲

Lanz Bulldog met gloeikopmotor

De gloeikopmotor is een zelfontbrandende verbrandingsmotor met binnenin de vorming van het verbrandingsmengsel en met een lage compressieverhouding (3:1).

De meest gebouwde motoren werkten volgens het 2-taktprincipe met voorcompressie in het carter.

De brandstof wordt ingespoten tijdens de inlaatslag en niet zoals bij de dieselmotor aan het eind van de compressieslag.

Akroyd-Stuart's motor was echter een viertaktmotor en Hornsby en verschillende andere Britse fabrikanten zoals Blackstone en Crossley bouwden viertakt gloeikopmotoren.

De gloeikopmotor werd door de Engelsman Herbert Akroyd Stuart uitgevonden.

Het eerste patent stamt uit 1886, maar het belangrijkste patent is uit 1890.

De door Akroyd Stuart uitgevonden gloeikopmotor werd vanaf 1891 door Richard Hornsby & Sons in Grantham gebouwd.

De gloeikopmotor stelt weinig eisen aan de ontsteking en klopvastheid van de brandstof en behoort tot de eerste motoren die met verschillende brandstoffen werkten.

De kogelvormige voorkamer, de eigenlijke gloeikop, wordt voorverwarmd en tijdens het lopen niet actief gekoeld.

De in de gloeikop gespoten brandstof verdampt en het tangentiële verbindingskanaal naar de cilinder zorgt tijdens de compressieslag dat de binnenstromende lucht een krachtige werveling en verdamping geeft.

Door de trage verdamping duurt het lang tot een goed ontstekingsmengsel van brandstof en lucht ontstaat.

Hierdoor is een zeer vroege inspuiting van de brandstof noodzakelijk, ongeveer op 130 graden van de krukas voor het bovenste dode punt, veel vroeger dan bij de dieselmotor.

▲

Een brander gebruikt voor het voorverwarmen

Gloeikopmotoren kunnen met normale dieselolie, met stookolie, walvistraan, paraffine, met alle plantaardige oliën en zelfs op teerolie lopen.

Alvorens de motor gestart kan worden moet de gloeikop met een brander voorverwarmd worden.

Er zijn ook motoren met een aparte kleine benzinetank en een bougie in de gloeikop, waardoor de motor met benzine gestart kan worden.

Na het bereiken van de bedrijfstemperatuur wordt vervolgens overgeschakeld op stookolie of petroleum.

De tractors die op petroleum liepen hadden dit systeem.

Lang onbelast laten draaien van de motor is niet mogelijk, omdat dan de gloeikop te veel afkoelt en de motor stopt.

Het afkoelen kan vertraagd of verhinderd worden door de vorm van de gloeikop (zogenaamde ontstekingszak) en met een verdraaibare inspuithoek van de sproeier.

Gloeikopmotoren werden als één- en meercilinders gebouwd en gedurende lange tijd als grote scheepsmotoren.

Beroemd en tot op heden bekend is de legendarische Bulldog gloeikop motor van de firma Heinrich Lanz in Mannheim.

De Engelse firma Hornsby was in 1896 de eerste, die een tractor met 20 pk in licentie gebouwde Akroyd-gloeikopmotor bouwde.

Het was ook Hornsby, die in 1905 de eerste rupsbandentractor met gloeikopmotor bouwde.

De grote spoelverliezen van deze motoren gaven bij het gebruik als tractor een bijzonder probleem: zo zouden vele Lanz-Bulldog tractoren door hun onverbrande uitlaatgassen en vonkenregen akkers en schuren in brand hebben gestoken.

Dit probleem werd met speciale uitlaten opgelost.

De Russische firma Mamin had vanaf 1903 gloeikopmotoren gebouwd en ging vanaf 1912 tractoren met gloeikopmotor produceren.

In dat zelfde jaar begon de Zweedse firma J.V. Svensons Motorfabrik in Augustendal motorploegen met gloeikopmotor te bouwen.

In 1913 kwam een andere Zweedse fabrikant, Munktells Mekaniska Värkstads AB, in Eskilstuna met een grote, 8,3 ton zware tweecilinder-gloeikopmotor-tractor op de markt.

De eerste Lanz Bulldog, de Lanz HL, kwam eerst vanaf 1921 beschikbaar.

De gloeikopmotoren werden veel gebruikt op het moment dat de eerste dieselmotoren opkwamen.

De grote voordelen boven benzinemotoren waren de eenvoud van het systeem, de gemakkelijke opslag van de brandstof, omdat deze minder gevaarlijk was als benzine en de lage brandstofkosten.

Scheepsmotoren konden naast stookolie ook op afgewerkte motorolie lopen.

Bij de modelbouw van bijvoorbeeld modelvliegtuigen hebben kleine verbrandingsmotoren tot ongeveer 30 cm³ cilinderinhoud een gloeiplug.

Ze werken net zoals gloeikopmotoren.

Tijdens het starten van de motor wordt de gloeiplug met een batterij voorverwarmd.

Bekende producenten van gloeikopmotoren zijn of waren Bolinder, Schlüter, Landini, Lanz, Ursus, Pampa Bulldog en vele anderen.

Waterinjectie

Op de wervelkamer werd ook wel een deksel met een holle gloeibol gemonteerd, die met petroleum of gas voor het starten eerst roodheet diende te worden gestookt.

Vandaar de naam gloeikopdiesel.

Om bij gloeikopmotoren extra vermogen op te wekken werd er in de wervelkamer naast de brandstofinspuiting ook een waterinspuiting gemonteerd, die werd gevoed met koud, schoon buitenwater via een speciale waterpomp met excentriek op de hoofdas.

Dat water werd opgepompt als koelwater en afgeleid via een apart leidinkje van het koelsysteem naar een speciaal watervat in de machinekamer.

De inspuiting van water leverde ongeveer 10% extra vermogen.

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 pompverstuiver en common-rail dieselmotoren.

Tegenwoordig nemen de direct ingespoten diesels een steeds grotere plaats bij 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 groot lawaai, wat vooral van oudere grote vrachtwagen- of tractormotoren bekend is.

Bron:

https://nl.wikipedia.org/wiki/Dieselmotor

vrijdag 12 mei 2023