Energie- & milieu-informatiesysteem voor het Vlaams Gewest

MVV - Dieselmotor

Benzinemotor  | Dieselmotor  | LPG  | Aardgas  | Waterstof  | Bio  | Elektrisch  | Brandstofcel | Hybride

In dieselmotoren of compressieontstekingsmotoren start het verbrandingsproces doordat de temperatuur in de verbrandingskamer door de compressie zo hoog wordt opgevoerd dat de brandstof spontaan ontbrandt. Bij het starten van een dieselmotor is de verbrandingskamer nog te koud voor spontane ontbranding. Daarom wordt bij het starten van een diesel de verbrandingskamer voorgegloeid. Als de motor draait, is de temperatuur hoog genoeg en wordt de gloeiplug uitgeschakeld.

Het brandstofinspuitsysteem is een belangrijk onderdeel van een moderne dieselmotor omdat daarmee in hoge mate het verloop van het verbrandingsproces wordt bepaald. Het moment van inspuiting is cruciaal voor het verbrandingsproces en heeft grote invloed op vermogen, geluid en emissies. Het inspuiten van diesel kan op twee manieren: direct en indirect.

Indirecte injectie
Hier wordt de brandstof in de voorkamer geïnjecteerd en tot ontbranding gebracht waarna de gassen in de hoofdkamer expanderen. De efficiëntie van een IDI is lager dan die van een DI maar hij kan een hoger toerental halen en is uitgerust met een eenvoudiger en goedkoper injectiesysteem. Indirecte injectie was standaard voor light duty dieselvoertuigen tot een stuk in de jaren ’90.

Directe injectie
Hierbij wordt vernevelde diesel direct in de verbrandingskamer ingespoten. Directe injectie wordt al langere tijd toegepast in motoren voor bussen en vrachtwagens, maar was tot voor enkele jaren niet aanwezig in motoren voor personenwagens. Sinds 1989 zijn er direct geinjecteerde dieselmotoren voor personenwagens op de markt (met Volkswagen als voortrekker). Tegenwoordig is directe injectie bij alle voertuigfabrikanten de standaard voor dieselmotoren.

Om een optimale verbranding te krijgen is het nodig dat de brandstof goed vermengd wordt met de lucht. Een goede verstuiving van de brandstof wordt verkregen door deze op hoge druk in te spuiten. De hoge druk wordt verkregen via de brandstofpomp. Nieuwe ontwikkelingen met verhoogde druk zijn common rail systemen en pompinjectoren.

Common rail
De common rail is een brandstofreservoir op hoge druk gemeenschappelijk voor alle cilinders. In plaats dat de druk word opgebouwd door individuele injectoren, zorgt nu een robuuste pomp ervoor dat brandstof op hoge druk (1350 bar voor eerste generatie of 1600 bar voor tweede generatie) beschikbaar is. De injectoren werken in dit geval als ventielen, die elektronisch kunnen aangestuurd worden. Hierdoor ontstaat een grotere vrijheid in het kiezen van het inspuitpatroon van de brandstof. Op deze manier kan een wezenlijke brandstofbesparing worden gerealiseerd. Ook de geluid en uitlaatgasemissies nemen sterk af.

Pompinjectoren
Door het gebruik van pompinjectoren kan de inspuitdruk nog verder worden verhoogd (tot 2050 bar), wat resulteert in een nog efficiëntere verbranding. Ook pompinjectoren worden elektronisch aangestuurd. Deze techniek wordt toegepast door Volkswagen.

Dieselmotoren zijn over het algemeen robuuster maar ook zwaarder dan benzinemotoren. Daardoor zijn de onderhoudskosten van de motor lager en heeft de motor een langere levensduur. Herstellingskosten zijn daarentegen hoger.

Een dieselmotor heeft voor een zelfde cilinderinhoud een lager piekvermogen dan een benzinemotor. Om dit (deels) te compenseren worden de meeste dieselversies van een automodel uitgerust met een grotere motor dan de benzineversie. Dieselmotoren (zeker de nieuwste modellen) hebben doorgaans wel een hoger koppel bij lagere toerentallen. Het vermogen van benzinemotoren ligt doorgaans hoger omdat bij hogere toerentallen kan gewerkt worden. Veel dieselmotoren zijn voorzien van een druklader (turbo). Een druklader gebruikt energie uit de uitlaatgassen om meer lucht in de verbrandingskamer te persen. Als dan ook meer brandstof ingespoten wordt, wordt hierdoor het vermogen van de motor verhoogd. Door de gecomprimeerde lucht te koelen voor hij de verbrandingskamer ingaat (intercooling) kan er nog meer lucht in de verbrandingskamer geperst worden.

Emissiereductietechnieken

De emissies van dieselmotoren kunnen op verschillende manieren verlaagd worden. We geven de technieken die op dit moment gebruikt worden of die een groot potentieel hebben in wat volgt weer.

Uitlaatgasnabehandeling

• Oxidatiekatalysator :  Een oxidatiekatalysator kan de emissies van koolwaterstoffen (HC) en koolmonoxide (CO) met meer dan 90% verlagen. Ook de deeltjesemissies worden ongeveer met 30 tot 40% verminderd in een oxidatiekatalysator.
• DeNO_x catalysator : Bij een SCR systeem (Selective Catalytic Reduction) wordt ammoniak in de vorm van ureum met het uitlaatgas vermengd. Vervolgens worden ammoniak en stikstofoxyden in de katalysator omgezet in stikstofgas en water. Deze systemen kunnen de NO_x emissie met meer dan 80% verlagen. Nadelen zijn de tank met ureum aan boord en de kosten. De eerste demonstratiesystemen van dit type worden vooral bij heavy duty toegepast. Voor light duty zullen eerder NO_x adsorbers worden toegepast. Bij een NO_x adsorber (of opslagkatalysator) wordt NO_x in de katalysator opgeslagen totdat de samenstelling van het uitlaatgas tijdelijk verrijkt wordt (hetgeen op verschillende manieren kan) en NOx gereduceerd wordt tot stikstofgas. Ook aan deze techniek kleven nog nadelen. De belangrijkste beperking is dat het zwavelgehalte van de brandstof zeer laag moet zijn (<10ppm).
• Roetfilter Deeltjes (Particulate Matter) kunnen met behulp van een filter uit de uitlaatgassen gefilterd worden. Om te voorkomen dat het filter verstopt is regeneratie van de filter nodig door het verbranden van het roet. De uitlaatgastemperatuur van een personenwagen is echter meestal te laag om passieve regeneratie mogelijk te maken. Daarom is actieve regeneratie vereist. PSA ontwikkelde een systeem waarin een combinatie van passieve en actieve regeneratie wordt toegepast. Een additief wordt toegevoegd aan de brandstof dat dienst doet als katalysator en de roetverbrandingstemperatuur met 100°C verlaagt. De temperatuur in de deeltjesfilter wordt bovendien verhoogd door een postinjectie van de brandstof in de expansiefase van de motor zodat naverbranding optreedt en de temperatuur in de uitlaat verhoogt met 200 tot 250°C. Daarenboven wordt een oxidatiekatalysator stroomopwaarts van de deeltjesfilter geplaatst die CO en onverbrande KWS oxideert en een bijkomende verhoging van de uitlaatgastemperatuur tot gevolg heeft.