Dieselmotoren houden de wereld al meer dan 100 jaar in beweging. Ze zijn zuinig in verbruik en duurzaam. Dit artikel laat zien hoe een dieselmotor werkt en wat de toekomst in petto heeft.
Hoe werkt een dieselmotor?
Een dieselmotor is, net als een benzinemotor, een zuigermotor. De op- en neergaande beweging van de zuigers in de cilinders wordt via drijfstangen en een krukas omgezet in een draaiende beweging. Tijdens de opwaartse beweging van de zuigers wordt de lucht in de cilinder sterk samengeperst. De compressie verhit de lucht tot een temperatuur van 700 à 900 graden Celsius. Deze temperatuur is voldoende om de toegevoerde brandstof te doen ontbranden.
Compressieontsteking
De explosiedruk duwt de zuiger naar beneden, waardoor de krukas gaat draaien. Dit principe wordt compressieontsteking genoemd. Dieselmotoren hebben geen bougies nodig om het brandstof-luchtmengsel te doen ontbranden. Daarom worden ze ook wel motoren met compressieontsteking genoemd. Dieselmotoren worden zowel in tweetakt- als in viertaktuitvoering vervaardigd. In motorvoertuigen worden echter vrijwel uitsluitend viertaktdieselmotoren gebruikt. Rudolf Diesel (1858 – 1913) gaf deze motoren hun naam. Rudolf Diesel was niet de uitvinder van het principe van de dieselmotor, maar hij was wel de eerste die een functionerende motor met compressieontsteking bouwde.
Alleen de voorkamer maakte een dieselmotor mobiel
De eerste dieselmotoren gebruikten een blower om de cilinders te vullen. Door dit ontwerp waren deze motoren zeer groot en zwaar, met een gewicht van ongeveer 250 kg per pk. Ze waren niet geschikt voor gebruik in voertuigen.
In een voorkamermotor is de verbrandingskamer verdeeld in de cilinder en de voorkamer. De voorkamer is ongeveer een derde van de grootte van de gehele verbrandingskamer. De brandstof wordt in deze voorkamer ingespoten. Daar wordt het in de voorkamer door een speciaal ontwerp gemengd met de verbrandingslucht. De brandstof wordt zo ver mogelijk in de richting van het verbindingskanaal tussen de cilinder en de voorkamer ingespoten. Slechts een deel van de brandstof verbrandt in de voorkamer. Door de expansie tijdens de verbranding wordt het mengsel in de cilinder verdeeld. In de cilinder vindt het grootste deel van de verbranding van het brandstof-luchtmengsel plaats.
Tot het einde van de jaren tachtig waren dit soort motoren overheersend in personenauto’s. Pas in de jaren negentig werden dieselmotoren met directe inspuiting ook in personenauto’s ingebouwd, en tegenwoordig worden ze vrijwel uitsluitend gebruikt. MAN had reeds in 1924 de eerste dieselmotor met directe inspuiting voor vrachtwagens ontwikkeld en in serie geproduceerd.
Dieselmotoren met directe inspuiting – meer vermogen en minder verbruik
Dieselmotoren met directe inspuiting hebben geen voorkamer. De brandstof wordt rechtstreeks in de verbrandingskamer geïnjecteerd. De bekendste is de common rail-technologie. Common rail-diesels zijn uitgerust met een hogedrukpomp die de brandstof tijdens het gebruik constant onder een hoge druk van maximaal 3.000 bar houdt in een leidingsysteem. Het leidingsysteem dient als drukreservoir ter compensatie van drukschommelingen die door de hydraulische pomp worden veroorzaakt. Alle injectoren, inspuitsproeiers genaamd, zijn met dit buizensysteem en dus met elkaar verbonden. De druk is in het hele systeem gelijk. Door de hoge druk kan de brandstof rechtstreeks in de cilinder worden geïnjecteerd en fijn worden verdeeld. Dit vermindert het brandstofverbruik en de uitstoot van verontreinigende stoffen.
Nog meer vermogen dankzij de turbocompressor
Het vermogen van een dieselmotor wordt gevarieerd door de hoeveelheid ingespoten brandstof. Daarom heeft een dieselmotor in principe geen gaskleppen nodig om de hoeveelheid lucht te veranderen. Moderne diesels zijn nog steeds uitgerust met gaskleppen om de motor nauwkeurig te kunnen regelen. Het vermogen van een diesel wordt beperkt door de hoeveelheid lucht in de cilinder. Dit betekent dat slechts zoveel brandstof kan worden verbrand als er zuurstof als reactiepartner beschikbaar is. Door een turbocompressor te gebruiken, kan de hoeveelheid lucht en dus de hoeveelheid zuurstof in de cilinder worden verhoogd en kan meer brandstof worden ingespoten voor meer vermogen.
Minder CO2 maar meer stikstofoxiden – Voor- en nadelen van de dieselmotor
Een voordeel van de dieselmotor ten opzichte van een benzinemotor is de lagere CO2-uitstoot. Hoewel dieselbrandstof een hoger koolstofgehalte heeft, zorgen de hoge verbrandingstemperaturen ervoor dat de CO2-uitstoot van een dieselmotor lager is. Anderzijds zijn de hogere verbrandingstemperaturen verantwoordelijk voor een hogere uitstoot van stikstofoxiden (NOx) in vergelijking met een benzinemotor. Stikstofoxiden irriteren de luchtwegen en worden beschouwd als de oorzaak van vroegtijdige sterfgevallen. Dit conflict, dat de NOx-uitstoot toeneemt bij een lage CO2-uitstoot, kan niet worden opgelost door technische veranderingen aan de motor. Om de NOx-uitstoot te verminderen, moeten de uitlaatgassen van een dieselmotor worden gereinigd.
Ureum- en opslagkatalysatoren voor schone dieseluitlaatgassen
Fabrikanten gebruiken bijvoorbeeld NOx-opslagkatalysatoren of SCR-technologie om de uitlaatgassen van dieselmotoren te reinigen. Bij de SCR-technologie wordt een vloeibare ureumoplossing, AdBlue genaamd, in de uitlaatgasstroom geïnjecteerd. De ureumoplossing bindt de stikstofoxiden in de uitlaatgassen en zet ze om in waterdamp en onschadelijke stikstof. Dankzij deze technieken zijn dieseluitlaatgassen relatief schoon. Op voorwaarde dat niemand het uitlaatgaszuiveringssysteem manipuleert.
Het dieselschandaal – het begin van het einde van de dieselmotor?
Het diesel- of emissieschandaal kwam op gang door de ontdekking van illegale manipulaties van de uitlaatgaszuivering van dieselmotoren in 2015 in de VS. De manipulaties werden ontdekt door het US Environmental Protection Agency. Er werd ontdekt dat de dieselvoertuigen van Volkswagen AG alleen op de testbank de door de fabrikant opgegeven lage uitlaatgasemissiewaarden konden bereiken. Wanneer met de voertuigen werd gereden, stegen de uitlaatwaarden tot 30 maal de toegestane waarden. De reden hiervoor was een illegale deactivering van het uitlaatgaszuiveringssysteem.
Vervolgens werden talrijke andere fabrikanten eveneens schuldig bevonden aan manipulatie. Voor Volkswagen was dit schandaal zeer duur en ook gênant. VW had zijn dieselmotoren in de VS aangeprezen en verkocht als bijzonder schone “schone diesels”. Het zogenaamde Dieselgate heeft er uiteindelijk toe geleid dat steeds meer autofabrikanten nadenken over alternatieve brandstoffen voor hun dieselmotoren om de levensduur van deze technologie te verlengen. Daaronder zijn biodiesel en synthetische dieselbrandstoffen.
Zorgen biodiesel en synthetische dieselbrandstof voor de toekomst van de dieselmotor?
Enkele jaren geleden werd biodiesel beschouwd als de oplossing voor de uitlaatproblemen van dieselmotoren. In principe is biodiesel omgezette plantaardige olie. Een voordeel is dat bij de verbranding slechts evenveel CO2 vrijkomt als de planten aan de lucht hebben onttrokken om de olie te produceren. Biodiesel heeft echter een probleem. Er is het conflict tussen tank en teller.
Synthetische diesel wordt geproduceerd uit waterstof en CO2. De waterstof is in onbeperkte hoeveelheden beschikbaar, maar moet worden verkregen door elektrolyse, d.w.z. de splitsing van water in waterstof en zuurstof. Dit proces is zeer energie-intensief. De CO2 kan uit de lucht worden gefilterd. Bij de verbranding van synthetische diesel zou slechts evenveel CO2 vrijkomen als voordien aan de lucht werd onttrokken voor de productie ervan. Synthetische diesel zou dan CO2-neutraal zijn. Maar synthetische diesel is alleen echt CO2-neutraal als de elektriciteit die nodig is voor de elektrolyse afkomstig is van hernieuwbare energiebronnen. Deskundigen gaan ervan uit dat de totale productie van elektriciteit uit hernieuwbare energiebronnen ook in de toekomst niet zal volstaan om aan de vraag naar synthetische brandstoffen te voldoen.
Heeft diesel toekomst?
Waarschijnlijk niet. De EU bepaalt dat de uitstoot van verontreinigende stoffen door motorvoertuigen tegen het jaar 2035 met 100 % moet zijn verminderd. Dit betekent dat alleen emissievrije voertuigen kunnen worden geregistreerd. De meeste autofabrikanten hebben intussen aangekondigd wanneer het laatste voertuig met een verbrandingsmotor van de band zal rollen.
Steeds meer milieuverenigingen dringen ook aan op een verbod op verbrandingsmotoren die fossiele brandstoffen nodig hebben. De ZEV Alliance (Zero Emission Vehicle) heeft op de VN-klimaatconferentie in Parijs in 2015 al overeenstemming bereikt over een concreet plan voor een algemeen verbod op verbrandingsmotoren. De ZEV Alliance omvat Noorwegen, Nederland, Duitsland, Groot-Brittannië en verschillende Amerikaanse staten. Het is de bedoeling tegen 2050 geleidelijk een einde te maken aan verbrandingsmotoren op basis van fossiele brandstoffen en zo de wereldwijde CO2-uitstoot tegen 2050 met 40% te verminderen. De toekomst voor diesel ziet er dus niet bepaald rooskleurig uit.