Dieselmoottori

DM 12 - ensimmäisen sukupolven yksisylinterinen dieselmoottori (MAN, Augsburg, 1906, 12 hv)

Dieselmoottori on puristussytytteinen polttomoottori, jonka keksi saksalainen Rudolf Diesel. Diesel valmisti ensimmäisen toimivan dieselmoottorin vuonna 1897, ja sai sille patentin vuonna 1898 Dieselmoottorissa sylinteriin tuotu ilma puristetaan noin 1/16:aan alkuperäisestä tilavuudestaan. Puristuksen aikana ilman lämpötila kasvaa satoja asteita. Polttoaine syttyy tällöin itsestään, kun se ruiskutetaan kuuman ilman sekaan.

Polttoaineet

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

Seoksenmuodostus

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

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

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

Polttoainesuihkun uloin osa syttyy ensinnä 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. Kuitenkin koska kokonaisilmakerroin on suuri, muodostunut noki palaa enimmäkseen sitä mukaa kun se ilman pyörteilyn seurauksena sekoittuu palamattomaan ilmaan. Osa noesta kuitenkin jää palamatta, mistä syystä dieselmoottori tuottaa merkittävästi hiukkaspäästöjä.

Päästöt

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

Dieselmoottori soveltuu hyvin turboahdettavaksi. 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

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.

Dieselvoimalaitos

Erityinen dieselmoottorin käyttökohde on sähköntuotannossa johtuen suurien ja hitaasti käyvien kaksitahtikoneiden pitkästä iästä, edullisesta hankintahinnasta ja monipuolisesta valikoimasta polttoaineita. Tavallisin polttoaine on maakaasu, harvinaisempi hiilipöly: hiili jauhetaan pölyksi ja syötetään moottoriin esilämmitetyn ilman kanssa seoksena. Dieselvoimalaitokset tuottavat sähkön lisäksi ylijäämälämpöä, jota hyödynnetään yleisesti kaukolämmössä sekä polttoaineen ja imuilman esilämmitykseen. Dieselkoneen pakokaasuilla voidaan lämmittää höyrykattilaa, jolla edelleen käytetään höyrykonetta tai höyryturbiinia. Parhaimmillaan dieselvoimaloiden hyötysuhde on jopa 60 prosenttia ja ne kilpailevat tavanomaisten hiilivoimalaitosten kanssa.

Laivakäyttö

Dieselmoottoreita käytetään lähes poikkeuksetta laivojen voimanlähteenä, koska ne muuntavat polttoaineen tehokkaimmin ja taloudellisimmin työksi. Vain erikoistapauksissa, kuten sota-aluksissa ja nopeakulkuisissa matkustaja-aluksissa, käytetään kaasu- ja höyryturbiineja. Erityisaluksissa, kuten jäänmurtajissa, on jo pitkään käytetty dieselsähköistä voimansiirtoa. Tämä käyttötapa on yleistynyt myös risteilyaluksissa sekä aluksissa, joille nopea ja monipuolinen tehonsäätely on tärkeää (lyhyitä matkoja ajavat lautat, tutkimus- ja ruoppausalukset yms.) Dieselsähköisen voimansiirron etuna on, että moottori voi käydä koko ajan optimaalisella kierrosluvulla, ja samalla voidaan luopua erillisistä sähköä tuottavista generaattoreista. (Mahdollista hätävirtaa lukuun ottamatta) Lisäksi erityisesti risteilyaluskäytössä melun ja värinöiden väheneminen on merkittäviä valintaperuste.

Raideliikenne

Sähkökäyttö on pitkälti syrjäyttänyt dieselmoottorin raideliikenteessä, mutta sähköistämättömillä radoilla dieselvetureita käytetään edelleen. Pitkien etäisyyksien maissa, kuten Yhdysvalloissa, dieselvetureiden käyttö on edullisempaa kuin ratojen sähköistäminen.

Dieselvetureiden haittoja ovat monimutkainen rakenne ja suhteellinen kalleus. Verrattuna vastaavankokoiseen sähköveturiin dieselveturin teho on yleensä huomattavasti alempi.

Dv12-veturin päädieselmoottori, Tampella-MGO V16 BSHR.

Veturidieselmoottorit ovat yleensä kokoisekseen sekä tehokkaita että toisaalta mahdollisimman kestäviä. Moottorit ovat tyypillisesti korkeasti turboahdettuja ja välijäähdyttimin varustettuja nelitahtikoneita. Merkittävä poikkeus tähän on GM, joka on valmistanut vuodesta 1939 alkaen menestyksekkäästi kaksitahtisia veturidieselmoottoreita, joita on käytetty paitsi Yhdysvalloissa, myös eurooppalaisvetureissa sekä myös muissa maanosissa.

Suomessa merkittävää dieselkalustoa on ollut vuodesta 1952, jolloin ensimmäiset raskaat ja linjaliikenteeseen soveltuvat moottorivaunut ja moottoriveturit tulivat liikenteeseen. Samoihin aikoihin alkoi tunnettujen paikallisliikenteen moottorivaunujen, ns. lättähattujen valmistus ja käyttö. Höyryvetureiden hallitsema linjaliikenne siirtyi dieselvetureille n. vv. 1960–1973. Tämän jälkeen on Suomen tärkeimpiä ratoja sähköistetty, jolloin puolestaan sähköveturit ovat siirtyneet valta-asemaan linjaliikenteessä pääradoilla.

Ajoneuvokäyttö

Dieselautot ovat kasvattaneet voimakkaasti suosiotaan Euroopassa pienen kulutuksen, parantuneen kiihtyvyyden 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 [1]. 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.

Ilmailukäyttö

Junkers Jumo 205 ilmailudieselmoottori

Dieselmoottorin jäykkyysvaatimukset ovat yleensä johtaneet ottomoottoria huomattavasti raskaampaan rakenteeseen, jolloin teho-painosuhde on jäänyt ilmailukäyttöön liian alhaiseksi. Viime vuosina dieselmoottoreita on kuitenkin alettu valmistaa kevytmetalliseoksista, ja painoa on voitu vähentää merkittävästi. Tunnetuin ilmailudieselmoottorien valmistaja on Thielert-konserni.

Etuja ja haittoja

• Edut
  • hyvä hyötysuhde, myös osakuormilla
  • voidaan käyttää edullisempaa polttoainetta kuin ottomoottorissa ja kaasuturbiinissa
  • pakokaasut ovat kilpailijoita saasteettomampia
  • sopii hyvin turboahdettavaksi
  • vääntöominaisuudet verrattuna ottomoottoreihin

• Haitat
  • pienhiukkaspäästöt ilman erityistä suodatusta
  • ottomoottoriin verrattuna dieselmoottori asettaa tiukemmat vaatimukset rakenteiden jäykkyydelle, mikä johtaa korkeampaan painoon ja hintaan
  • polttoainelaitteet on vaikeampi valmistaa kuin ottomoottorissa, mikä johtaa korkeampiin valmistuskustannuksiin
  • sylinteripaine nousee nopeammin kuin ottomoottorissa, mikä johtaa voimakkaampiin värähtelyihin
  • typen oksidien hallinta on vaikeampaa kuin ottomoottorissa
  • tehokas pyörimisnopeusalue on pienempi kuin ottomoottorin, mikä vaikeuttaa ajoneuvokäyttöä

Dieselmoottorien valmistajia:

• Wärtsilä
• Sisudiesel
• MAN B&W Diesel Group (englanniksi)