U kent waarschijnlijk de viertaktdieselmotor. Het is het werkpaard onder de motorkap van uw pick-up of het motorblok van uw sedan. Het ademt in, comprimeert, vuurt en ademt uit in een ritmische vierdelige dans. Dan is er nog de tweetaktmotor die je misschien herkent aan het schelle gejank van een kettingzaag of het gebrom van een jetski. Deze kleine motoren zijn eenvoudiger, lichter en vuren bij elke andere revolutie.
Maar wat gebeurt er als je die tweetaktefficiëntie opschaalt naar de grootte van een huis?
Je krijgt de reuzen die de wereldhandel in beweging houden. De enorme dieselmotoren die locomotieven, containerschepen en zelfs grootschalige energieopwekkingsinstallaties aandrijven, gebruiken niet alleen dieselbrandstof. Ze combineren vaak de verbrandingsefficiëntie van diesel met de snelle cyclus van een tweetaktmotor. Deze hybride aanpak creëert enkele van de krachtigste mechanische apparaten die ooit zijn gebouwd.
We gaan duiken in hoe deze gigantische tweetaktdiesels eigenlijk werken. Het is niet alleen een opgeschaalde versie van de motor van uw auto. De natuurkunde, de techniek en de enorme schaal bevinden zich in een geheel andere klasse.
De mechanica van de reuzencyclus
Om te begrijpen waarom deze motoren anders zijn, moet je naar de cyclus zelf kijken. Bij een standaard viertaktdiesel beweegt de zuiger bij elke arbeidsslag twee keer op en neer. Inlaat, compressie, vermogen, uitlaat. Het is betrouwbaar. Het is volwassen. Maar het wordt ook beperkt door het aantal keren dat je die zuiger binnen een uur kunt bewegen.
Een tweetaktmotor halveert dat. Eén omhoog, één omlaag. Zet elke revolutie aan.
Voor een kettingzaag betekent dit meer kracht voor minder gewicht. Voor een scheepsmotor van 60 ton betekent dit een continu, meedogenloos koppel zonder de complexiteit van bovenliggende kleppen en nokkenassen in de traditionele zin van het woord. Maar er zit een addertje onder het gras. Hoe krijg je frisse lucht binnen en uitlaat je eruit als de zuiger al het werk doet?
Het antwoord ligt in het opruimen.
“Scavenging is het proces waarbij uitlaatgassen uit de cilinder worden verwijderd en vervangen door frisse lucht.”
Bij kleine tweetaktmotoren gebeurt dit vaak via poorten in de cilinderwand. De zuiger zelf fungeert als klep. Terwijl het naar beneden beweegt, wordt de uitlaatpoort blootgelegd. Terwijl het omhoog beweegt, bedekt het de inlaatpoort. Het is ruw. Het is rommelig. Er wordt wat brandstof verspild. Maar bij enorme motoren weegt de eenvoud zwaarder dan de inefficiëntie.
Dit zijn echter niet alleen maar grote kettingzagen. Het zijn precisie-instrumenten. De grootte verandert alles. Een 9-cilinder tweetaktdiesel kan zo groot zijn als een huis met drie verdiepingen. De zuiger alleen al kan enkele tonnen wegen. En ze werken met snelheden die veel lager zijn dan die van uw automotor, vaak met een toerental van minder dan 100 tpm.
Waarom tweetakt? Waarom nu?
Je vraagt je misschien af waarom fabrikanten niet voor alles bij viertaktmotoren bleven. Viertaktmotoren zijn immers efficiënter in termen van brandstofverbruik per kilometer in kleinere toepassingen. Ze hebben een betere emissiebeheersing. Ze zijn gemakkelijker af te stemmen.
Dus waarom tweetakt gaan voor de reuzen?
Koppel.
Scheepsmotoren hoeven niet hoog te draaien. Ze hoeven niet te schakelen. Ze moeten duwen
Waarom diesel de benzine verslaat in tweetaktmotoren
Als u de basisprincipes van tweetaktmotoren al kent, kent u waarschijnlijk de belangrijkste statistiek: ze vuren de bougie twee keer zo vaak af als een viertaktmotor. Eenmaal per krukasomwenteling. Dit theoretische potentieel betekent dat een tweetaktmotor tweemaal zoveel vermogen kan leveren als een vergelijkbare viertaktmotor. Maar er is een addertje onder het gras.
De traditionele tweetaktbenzine zuigt een voorgemengde lucht-brandstofvulling aan. Die cyclus is rommelig. Elke keer dat de cilinder wordt opgeladen, lekt er een stuk onverbrande brandstof uit. Het verspilt brandstof en vervuilt.
Voer de dieselaanpak in.
Dieselmotoren comprimeren eerst zuivere lucht. Vervolgens injecteren ze brandstof rechtstreeks in die hete, samengeperste lucht. Deze methode past veel beter bij de tweetaktcyclus. Omdat u geen ruwe brandstof uit de uitlaat pompt, schiet de efficiëntie omhoog. De uitstoot daalt. Dat is de reden waarom grote fabrikanten van grote dieselmotoren deze lay-out gebruiken om krachtige monsters te bouwen.
De anatomie van een tweetaktdiesel
Kijk eens naar de lay-out van een typische tweetaktdieselmotor. Het lijkt in niets op wat je onder de motorkap van een auto zou vinden.
Bovenaan de cilinder zitten twee of vier uitlaatkleppen. Ze barsten allemaal tegelijk open. Daar bevindt zich ook de dieselbrandstofinjector (geel gemarkeerd in diagrammen). De zuiger is langwerpig. Door deze extra lengte kan de zuiger zelf als inlaatklep fungeren. Aan de onderkant van zijn slag onthult de zuiger poorten voor luchtinlaat.
De inlaatlucht wordt onder druk gezet door een turbocompressor of supercharger. Het carter is afgedicht en bevat olie, net als bij een standaard viertaktmotor.
Hier is de tweetaktdieselcyclus in actie:
- De zuiger bevindt zich bovenaan zijn slag. De cilinder bevat sterk gecomprimeerde lucht. De dieselbrandstofinjector spuit brandstof in de kamer. Hitte en druk doen het onmiddellijk ontbranden. Dezelfde ontstekingsfysica als een standaarddiesel.
- De verbrandingsdruk drijft de zuiger naar beneden. Dit is de krachtslag.
- Aan het einde van de slag gaan alle uitlaatkleppen open. Uitlaatgassen stromen naar buiten en verlichten de druk.
- Aan de onderkant maakt de zuiger de luchtinlaatpoorten vrij. Er stroomt lucht onder druk naar binnen, waardoor de resterende uitlaatgassen naar buiten worden geperst.
- Uitlaatkleppen sluiten. De zuiger beweegt weer omhoog, bedekt de inlaatpoorten en comprimeert de frisse lucht. Dit is de compressieslag.
- Bovenaan herhaalt de cyclus zich.
Het verschil met een benzine-tweetaktmotor is groot. Alleen lucht vult de cilinder. Er lekt geen onverbrande brandstof uit. Geen nachtmerries over het milieu. Maar er is een wisselwerking. Een tweetaktdiesel heeft een turbo of supercharger nodig. Dat voegt kosten en complexiteit toe. In een kettingzaag zul je nooit een tweetaktdiesel aantreffen. Het zou overdreven zijn. En veel te duur.
General Motors EMD-motoren
De EMD-motorenlijn van General Motors definieert het tweetaktdieselras. Deze reuzen, geïntroduceerd in de jaren dertig, drijven een groot deel van de diesellocomotieven aan die op Amerikaanse sporen rijden.
Er zijn drie opeenvolgende series geweest: de 567, de 645 en de 710. De cijfers verwijzen naar kubieke inches per cilinder. Een typische opstelling heeft 16 cilinders. Totale verplaatsing? Ongeveer 10.000 kubieke centimeter. Bedenk dat een motor van 5 liter (305 kubieke inch) als enorm wordt beschouwd in een auto. Een EMD-engine is een geheel andere soort.
Neem de EMD 645E3. Hier zijn de specificaties:
- Cilinderdiameter: 9-1/16 inch
- Zuigerslag: 10 inch
- Verplaatsing per cilinder: 654 kubieke inch
- Cilinders: 16 of 20
- Compressieverhouding: 14,5:1
- Uitlaatkleppen per cilinder: 4
- Gewicht (16-cil.): 15.661 kg (34.526 lbs)
- Gewicht (20-cil.): 18.209 kg (40.144 lbs). Opmerking: alleen al de oliecarter weegt meer dan een ton.
- Stationair toerental: 315 tpm
- Volle snelheid: 900 tpm
- Paardenkracht: ~4.300 pk
Dat is geen auto. Dat is een bewegende energiecentrale.
Raadpleeg de links op de volgende pagina voor meer informatie over diesel-tweetaktmotoren en andere motorarchitecturen.
