Het geheim van de turbodiesel onthuld
Hoe werkt nu eigenlijk een dieselmotor? Waarin verschilt deze van de benzinemotor en hoe zijn de ontwikkelingen van deze motor gegaan? In dit artikel vind je de antwoorden. En meer.
De werking van een viertakt benzinemotor is alom bekend. Je weet dat deze lucht en brandstof in een cilinder zuigt, deze cilinder afsluit en het mengsel samendrukt in een steeds kleiner wordende ruimte aan de bovenkant van de cilinder. Vervolgens wordt dat mengsel ontstoken met een vonkje van de bougie, zodat de cilinder een slag maakt en de wagen in beweging komt. Dit proces blijft zich steeds opnieuw herhalen. Maar: hoe werkt nu een dieselmotor en waarin verschilt deze van een benzinemotor?
Dieselmotor is anders
Een dieselmotor heeft ook een viertakt cyclus, maar de compressie en ontsteking verschillen aanmerkelijk ten opzichte van de benzinemotor. Zo wordt het mengsel van diesel en lucht nog veel verder samengeperst dan bij een benzinemotor. Ook de ontsteking is anders, want een dieselmotor heeft geen ontstekingssysteem. Een dieselmotor is wat we een compressieontstekingsmotor noemen. Dit betekent dat het brandstofmengsel in vlammen opgaat zodra het in de motor wordt gespoten.
Compressieontsteking
Diesel is speciaal ontworpen om door verhitting pas in de motor te ontsteken. Het grote mechanische verschil tussen een explosiemotor en een motor met compressieontsteking is dat de laatste een zeer hoge mechanische compressieverhouding, meestal tussen 15 en 20: 1, heeft. Diesel brandstofdampen worden puur door hitte ontstoken. We genereren deze warmte door lucht in een zeer kleine zuigerholte samen te drukken. Wanneer de zuiger het ‘Top Dead Center’ nadert, is de samengeperste lucht al meer dan 550 graden Celsius heet. Op dat moment wordt de dieselbrandstof onder zeer hoge druk geïnjecteerd in de verbrandingskamer.
Karakteristiek geluid
De damp uit de diesel wordt vervolgens ontstoken door de warmte van de perslucht in de verbrandingskamer. De druppels diesel blijven verdampen en verbranden tot steeds kleiner wordende druppels totdat alle brandstof is verbrand.
De start van deze verdamping veroorzaakt een korte vertragingsperiode in de ontstekingsfase, vandaar het karakteristieke kloppende dieselgeluid dat wordt veroorzaakt als de damp haar ontstekingstemperatuur bereikt. De snelle expansie van de verbrandingsgassen stuurt vervolgens de zuiger naar beneden, die op zijn beurt de krukas in beweging brengt, waarna de rest van de cyclus vergelijkbaar is met die van de benzinemotor.
Het is in dit opzicht wel handig te weten dat dieselbrandstof een hoger moleculegewicht dan benzine heeft en dus veel langzamer verdampt en verbrandt. Dit belemmert de snelheid waarmee de zuiger door het verbrandingsproces kan worden voortbewogen. Zo hier de belangrijkste reden waarom dieselmotoren niet zo veel toeren kunnen maken als hun benzinetegenhangers.
Tegenwoordig maken dieselauto’s gebruik van de zogenoemde ‘common rail’-technologie. In common railsystemen slaat een hogedrukpomp brandstof onder extreem hoge druk op. Deze druk is zelfs hoger dan 2.000 bar (29.000 psi). De term “common rail” verwijst naar het feit dat alle inspuitventielen via een gemeenschappelijke brandstofrail van brandstof worden voorzien. De hogedrukpomp wordt mechanisch of elektronisch aangestuurd. De nieuwe diesel injectoren zijn piëzo-elektrisch en volledig ECU gestuurd.
Piëzo verstuivers maken gebruik van de verlenging van het pïezo-element, dat in lengte toeneemt als er een elektrische spanning op wordt gezet. Het openen en sluiten van de naald wordt geregeld door het toepassen van de juiste elektrische aansturing en mechanische versterking.
Voordelen van de piëzo verstuiver zijn dat een hogere naald snelheid, nog nauwkeuriger aansturing en daarmee een beter te controleren inspuittijd wordt verkregen. Verstuivers zijn belangrijke onderdelen van je motor, die aan slijtage onderhevig zijn.
Het common railsysteem kan in potentie meerdere keren per slag branden. Dit is een van de belangrijkste kenmerken van common rail en een van de redenen dat dit systeem zo goed scoort ten opzichte van de ouderwetse dieselmotor. Het gemeenschappelijke rail systeem met zijn piëzo-elektrische brandstofinjectoren stelt de ECU in staat om iedere verstuiver afzonderlijk te bedienen en maakt het mogelijk meer dan één brandstofinjectie per motorcyclus af te vuren. Er kunnen maar liefst vijf inspuitingen per slag zijn, maar doorgaans beperken de motoren zich tot drie inspuitingen.
De manier waarop een common rail diesel systeem de brandstof injecteert is veel complexer dan bij een benzinemotor. Om de paardenkrachten, het koppel en het bereik van de dieselmotor te verhogen, hebben ontwerpers gezocht naar steeds betere manieren om de brandstof sneller en efficiënter te verbranden. Dat leverde uiteindelijk de moderne dieselmotor op met enkele belangrijke noviteiten.
Voorinspuiting
Door voorinspuiting van diesel kan de ECU, net voor de hoofdinspuiting, een kleine hoeveelheid diesel injecteren. Dit biedt aanmerkelijke voordelen, waaronder het verminderen van geluid en trillingen, en het optimaliseren van de cilindertemperatuur voor de volgende hoofdinspuiting. Het biedt ook een betere koude start.
Na-inspuiting
Een speciaal ‘na-injectie systeem’ ondersteunt de roetverbranding. Deze techniek zorgt, samen met de ECU, voor minder uitstoot van uitlaatgassen en verhoogt de motorefficiëntie. De meeste Europese en Japanse fabrikanten hebben common rail diesels in hun nieuwste modellen. Interessant is dat de voor- en na-injectie bewerkingen vaak zo kort zijn, dat zij worden gemeten in microseconden (die dus duizend maal korter is dan een milliseconde)!