Dieselmoottori

AutoWiki
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Hehkutuksen merkkivalo.jpg

Dieselmoottori on polttomoottori, jonka keksi saksalainen Rudolf Diesel[1]. Diesel valmisti ensimmäisen toimivan dieselmoottorin vuonna 1897, ja sai sille patentin vuonna 1898. Dieselmoottori käyttää dieselpolttoainetta ja eroaa bensiinimoottoreista siten, että siinä käytetään aina polttoaineen ruiskutusta ja siinä ei ole sytytystulppia, vaan hehkutulpat, jotka eivät kuitenkaan sytytä polttoainetta vaan helpottavat käynnistystä.

Dieselmoottorissa polttoaine ruiskutetaan sylinteriin vasta puristustahdin lopussa juuri ennen yläkuolokohtaa. Sylinterissä oleva kasaan puristettu ilma-polttoaine-seos on niin kuumaa (n. 700–900 astetta), että se syttyy itsestään. Kyseessä on siis puristussytytteinen moottori kun taas bensiinimoottori on niin sanottu ottomoottori. Dieselmoottorin luonne on hyvin erilainen kun bensiinimoottorin; dieselmoottorissa on enemmän vääntöä alhaisemmilla kierroksilla, mutta sen käyntinopeusalue on pienempi.

Dieselmoottorit voidaan jakaa suoraruiskutusdiesel- ja esikammiodieselmoottoreihin. Suoraruiskutus tyyppisissä moottoreissa polttoaine ruiskutetaan suoraan palotilaan ja palotapahtuma tapahtuu kokonaan palotilassa. Esikammiodieselmoottoreissa on varsinaisen palotilan lisäksi pieni kammio, josta on pieni aukko palotilaan. Polttoaine ruiskutetaan aluksi kammioon, jossa se palaa osittain. Esipalanut polttoaine-ilmaseos laajenee ja siirtyy varsinaiseen palotilaan, jossa se palaa lähes täydellisesti. Dieselille ominainen nakuttava käyntiääni syntyy juuri polttoaineen syttymisestä. Esikammiomoottorit ovat tavallisesti käyntiääneltään suoraruiskutusmoottoreita hiljaisempia, sillä niissä palorintaman eteneminen ei ole yhtä äkkinäistä.

Dieselien polttoaineenruiskutusmenetelmiä on kolmea tyyppiä: mekaaninen ruiskutuspumppu (jakaja-/rivipumppu), yhteispaineruiskutus (common rail) ja pumppusuutin.

Turboahtimella varustetuista dieselmoottoreista (turbodiesel) saadaan nykyään lähes yhtä hyvä teho/iskutilavuussuhde, kuin bensiinimoottoreista, mutta dieselmoottorin hyötysuhde on jonkin verran ottomoottoria korkeampi varsinkin pakokaasuahtimella varustettuna. Nykyiset henkilöautojen dieselmoottorit ovat lähes poikkeuksetta varustettu pakokaasuahtimella.

Polttoaineet[muokkaa]

Dieselmoottori voi toimia monilla polttoaineilla, dieselöljyn tai polttoöljyn lisäksi erilaisilla teollisuusliuottimilla (yksi Suomessa tunnettu tällainen on LIAV), biodieselillä, jota valmistetaan öljykasveista, raskaalla polttoöljyllä, rypsiöljyllä ja sinappiöljyllä. Huonolaatuinen polttoaine voi aiheuttaa ongelmia polttoainelaitteiden voitelussa ja syövyttää moottorin metalli- ja kumiosia.

Dieselpalaminen[muokkaa]

Seoksenmuodostus[muokkaa]

Polttoaine ruiskutetaan sylinteriin ruiskutussuuttimen pienten reikien läpi korkealla paineella. Reikien halkaisija riippuu moottorin rakenteesta, iästä ja koosta. Yleensä reiät ovat halkaisijaltaan enintään noin 0,5 mm. Merkittävä tekijä on myös rei'än halkaisijan ja pituuden suhde, joka on yleensä noin 0,25. Ruiskutuspaine on yleensä 20...200 MPa (200...2000 baaria)

Polttoaine tunkeutuu palotilaan suurella nopeudella, joka on yleensä satoja metrejä sekunnissa. Polttoaineeseen kohdistuu suuria aerodynaamisia voimia, jotka saavat polttoainesuihkun hajoamaan pieniksi pisaroiksi. Pisaroiden kokoa voidaan kuvata esimerkiksi Sauterin keskihalkaisijalla, joka on periaatteessa pisaroiden tilavuuden pinta-alalla painotettu keskiarvo. Tavallisesti Sauterin keskihalkaisija on luokkaa 30 µm.

Pisaroiden sisältämän polttoaineen lämpötila kasvaa nopeasti, koska palotilassa olevan ilman lämpötila on korkea. Pisaroiden pinnalta haihtuva polttoainehöyry sekoittuu ilmaan. Polttoainesuihkun uloimmassa osassa sekoittuminen on nopeinta, koska polttoaine on kosketuksissa kuumaan ilmaan.

Syttyminen[muokkaa]

Polttoainesuihkun reuna-alueiden polttoaine höyrystyy ensimmäisenä. Polttoainehöyry ei kuitenkaan syty heti. Syttymisviive johtuu muun muassa kemiallisten reaktioiden äärellisestä nopeudesta. Syttyminen tapahtuu lopulta äkillisesti, mistä syntyy nopea paineennousu, joka on osasyy dieselmoottorin terävään käyntiääneen (nakutukseen). Palamisen nopeaa alkuvaihetta kutsutaan esisekoituspalamiseksi.

Sekoittumisen ohjaama palamisvaihe[muokkaa]

Esisekoituspalamisen jälkeen palamisnopeutta rajoittaa polttoainehöyryn ja ilman sekoittumisnopeus. Polttoainehöyry ei luonnollisesti voi syttyä ellei se sekoitu ilmaan eikä muodostu syttymiskelpoista seosta. Sekoittumisnopeutta kasvattavat muun muassa ilman pyörteilyn, suuttimien reikien lukumäärän, moottorin pyörimisnopeuden ja ruiskutuspaineen ja suihkun nopeuden kasvattaminen.

Perinteisesti pienissä nopeakäyntisissä dieselmoottoreissa valmistusteknisistä syistä on käytetty niin kutsuttuja tappisuuttimia, joissa on vain yksi reikä. Lisäksi nopeakäyntisissä moottoreissa palamiselle on vain vähän aikaa. Tällöin on ollut pakko käyttää riittävän sekoitusnopeuden saavuttamiseksi esi- tai pyörrekammiota, johon polttoaine ruiskutetetaan ja joka on pienen kanavan kautta yhteydessä pääpalotilaan. Haittapuolena olivat massiiviset lämpöhäviöt ja -kuormat. Nykyisin on mahdollista valmistaa pienemmin kustannuksin suoraruiskutustekniikan mahdollistavia reikäsuuttimia, joten pyörre- ja esikammiomoottorit ovat jäämässä historiaan.

Paikallinen ilmakerroin ja noen muodostus[muokkaa]

Polttoainesuihkun uloin osa syttyy ensin ja palaa suhteellisen puhtaasti valkoisella liekillä. Sisin osa ei kuitenkaan saa riittävästi ilmaa, ja paikallinen ilmakerroin on pieni. Suihkun sisin osa palaa ruskealla liekillä ja muodostaa suuren määrän nokea. Koska kokonaisilmakerroin on kuitenkin suuri, muodostunut noki palaa enimmäkseen sitä mukaa kun se ilman pyörteilyn seurauksena sekoittuu palamattomaan ilmaan. Osa noesta jää kuitenkin palamatta, mistä syystä dieselmoottori tuottaa merkittävästi hiukkaspäästöjä.

Päästöt[muokkaa]

Dieselmoottorin pakokaasu sisältää tavallisesti typpeä, happea, hiilidioksidia, vesihöyryä, typen oksideja, rikkidioksidia, nokea ja hiilivetyjä. Pakokaasun koostumus riippuu mm. polttoaineesta, kuormituksesta, moottorin kunnosta ja iästä. Haitallisimpina päästöinä pidetään yleensä typen oksideja, jotka aiheuttavat mm. happamoitumista ja hengityselinoireita, ja nokea, joka sisältää syöpää aiheuttavia aineita. Yleistäen maaöljypolttoaineet tuottavat enemmän haitallisia päästöjä kuin biopolttoaineet. Päästöjä voidaan vähentää esimerkiksi huolellisella palotapahtuman hallinnalla ja pakokaasujen jälkikäsittelylaitteilla kuten hiukkasloukulla, hapetuskatalysaattorilla ja urearuiskutuksella. Suosittu menetelmä typen oksidien vähentämiseksi on pakokaasun takaisinkierrätys, jossa osa pakokaasuista johdetaan imukanavaan.

Ahtaminen[muokkaa]

Dieselmoottori soveltuu hyvin turboahdettavaksi. 2-tahtidiesel jopa vaatii ahtimen toimiakseen. Nykyisin suuri osa dieselmoottoreista on turboahdettu, koska tällä tavoin on helppo kasvattaa hyötysuhdetta ja moottorin tehoa. Ahtamattomat moottorit ovat yleensä pieniä nopeakäyntisiä moottoreita, joiden sovelluskohteessa tehoa ja hyötysuhdetta tärkeämpää on moottorin hinta.

Sovelluksia[muokkaa]

Nopeakäyntisiä dieselmoottoreita (yli 1000 kierrosta minuutissa) käytetään yleisesti työkoneiden, vetureiden, ajoneuvojen ja veneiden voimanlähteenä. On olemassa myös nopeakäyntisiä ilmailumoottoreita. Keskinopeita moottoreita (200–1000 kierrosta minuutissa) käytetään mm. laivoissa ja vetureissa. Hidaskäyntisiä moottoreita (alle 200 kierrosta minuutissa) käytetään laivoissa ja voimalaitoksissa. Commonrail-tekniikka on syrjäyttänyt vanhemmat ruiskutusmenetelmät lähes kaikkialla. Pienin 4-tahtinen sarjatuotantodiesel on Lister Petterin 304 cm³ yksisylinterinen ilmajäähdytteinen AC1, suurin taas MANin 1954,8-litrainen 18-sylinterinen TCA77/88.

Ajoneuvokäyttö[muokkaa]

Dieselautot ovat kasvattaneet voimakkaasti suosiotaan Euroopassa pienen kulutuksen ja erinomaisen väännön ansiosta. Suomessa ja Ruotsissa dieselkäyttöisten osuus on pysynyt pienenä, koska verotus näissä maissa suosii bensiinikäyttöisiä autoja.

Dieselautoissa käytetään polttoaineena pääsääntöisesti dieselöljyä. Suomessa autoissa ei saa käyttää dieselöljyä tai bensiiniä lievemmin verotettuja polttoaineita kuten kevyttä polttoöljyä. Lievemmin verotettujen polttoaineiden käytöstä on maksettava polttoainemaksu, joka on autoilla 330–1.500 euroa/päivä ja muilla ajoneuvoilla 100–670 euroa/päivä. Polttoöljyä saa käyttää esimerkiksi työkoneissa, paikallismoottoreissa, generaattoreissa ja lämmöntuotannossa. Veneissä polttoöljyä ei saa enää käyttää [2]

Dieselmoottorilla varustettuja moottoripyöriä käytetään mm. Intiassa, jossa välimatkat ovat pitkiä ja polttoaineen myyntipaikat harvassa. Dieselkäyttöinen moottoripyörä on hyvin taloudellinen: polttoaineen kulutus on luokkaa 1 l/100 km, jolloin jo 10 litran tankillisella pystyy ajamaan 1.000 km. Dieselkäyttöisen moottoripyörän suorituskyky on yleensä vaatimaton bensiinikäyttöiseen verrattuna, mistä syystä dieselkäyttöiset moottoripyörät ovat harvinaisia Euroopassa.

Historia[muokkaa]

Dieselmoottori on polttomoottori, jonka keksi saksalainen Rudolf Diesel. M.A.N.-yhtiö suostui 1892 Rudolf Dieselin pyyntöön valmistaa kokeilumoottori, johon hän sai patentin n:o 67/207. Siitä parannettua moottoria tutki Münchenin Teknillisen korkeakoulun professori Moritz Schröter 17.2.1897. Moottorin tehoksi koe osoitti 20 hv (14,7 kW) DIN, kierrosluvuksi 172 1/min, kulutukseksi 240 g/hvh ja hyötysuhteeksi 26,2 %.

Tämä oli ensimmäinen toimiva dieselmoottori. Vuosina 1897-1924 dieselmoottoriin puhallettiin polttoaine paineilman avulla sylinteriin. Tarvittava kompressori vei dieselmoottorin tehosta jopa 15 %. Aluksi dieselmoottoreita käytettiin esimerkiksi tehtaissa, suuren kokonsa ja painonsa vuoksi. Ensimmäisen kerran dieselmoottori asennettiin pieneen laivaan vuonna 1903.

Vuonna 1923 M.A.N.-yhtiö valmisti ensimmäisen ajoneuvokäyttöön soveltuvan dieselmoottorin, jossa polttoaine ruiskutetaan (ilman kompressoria) pumpun avulla suuttimen kautta suoraan palotilaan. Tämä 4-sylinterinen moottori on nähtävänä Etelä-Saksan Augsburgissa olevassa M.A.N-tehdasmuseossa. Sen teho on 40 hv (29 kW) DIN kierrosluvulla 900 r/min. (Mobilisti 2/1988, s. 42-43)

Harry Ricardo keksi dieselmoottorin pyörrekammion, joka teki nopeakäyntisten dieselmoottorien toteuttamisen mahdolliseksi. 1909 Prosper L'Orange keksi esikammion.

Katso myös[muokkaa]

Tunnettuja dieseleiden valmistajia[muokkaa]

Lähteet[muokkaa]