Gasmotor

Een gasmotor is een zuigermotor die werkt volgens het thermodynamisch principe van de ‘Otto-cyclus’. Bij de viertakt Otto-motor of mengselmotor kunnen vier afzonderlijke slagen onderscheiden worden in het kringproces, namelijk:

• de inlaatslag;
• de compressieslag;
• de arbeidsslag;
• de uitlaatslag.

Tijdens de slagen beweegt de zuiger tussen het onderste dode punt (ODP) en het bovenste dode punt (BDP).

Figuur 8: Geïdealiseerd p-V diagram van de Otto-cyclus

In het viertaktproces kunnen eigenlijk 6 deelprocessen onderscheiden worden:

0-1: inlaatslag

1-2: gasmengsel wordt adiabatisch (zonder warmte-uitwisseling) gecomprimeerd

2-3: gasmengsel wordt isochoor (constant volume) verbrand

3-4: verbrandingsgassen expanderen adiabatisch

4-1: de verbrandingsgassen worden isochoor afgevoerd

1-0: de zuiger beweest terug naar het BDP

Door de ligging van ODP en BDP liggen de volumina V_c (volume verbrandingsruimte) en V_s (het slagvolume) vast. Samen bepalen deze de compressieverhouding:

ε = (V_c + V_s)/V_c

Bij aardgasmotoren komen in de praktijk compressieverhoudingen voor tussen 8 en 12,5. Deze compressieverhouding bepaalt uiteindelijk het theoretisch rendement van de Ottocyclus, waarbij

η = {1-(1/ε)^κ-1}x100%

met κ de specifieke warmteverhouding.

Zuiver thermodynamisch gezien is het theoretisch mechanisch rendement van de Ottomotor dus afhankelijk van 1 grootheid, namelijk de compressieverhouding. Voor een gasmotor worden bij een courante compressieverhouding van 10-12 theoretische rendementen van 55-60% bereikt. In werkelijkheid zijn de mechanische rendementen van Ottomotoren aanzienlijk lager. De voornaamste verliezen die optreden zijn onder andere een onvolledig benutte compressieverhouding, warmteverliezen van het koelwater, een niet ideaal gasmengsel, onvolledige verbranding, wrijvingsverliezen, smoorverliezen, etc. Deze verliesposten zijn de oorzaak voor een aanzienlijk lager rendement in werkelijkheid dan wat theoretisch haalbaar is.

Om het motorvermogen te vergroten moet de effectieve druk verhoogd worden. In moderne gasmotoren wordt daarom vaak een drukvulling of turbo toegepast. Bij ‘drukvulling’ wordt door de wegstromende uitlaatgassen een turbine aangedreven, die op haar beurt een compressor aandrijft, namelijk de ‘turbo-compressor’. Hierdoor kan de zuiger met een aanzienlijk hogere druk gevuld worden waardoor ongeveer het dubbele mechanische vermogen behaald kan worden.

Een turbocompressor verhoogt de compressie-einddruk en de compressie-eindtemperatuur. Dit kan leiden tot ‘spontane ontbranding’ van het mengsel, ook wel ‘kloppen van de motor’ genoemd. Om dit te vermijden wordt het opgewarmde mengsel gekoeld met een tussenkoeler voor het de cilinder ingaat. Ook het resultaat van de turbocompressie wordt hierdoor verbeterd door de hogere dichtheid van het mengsel.

(COGEN Vlaanderen, 2006)