dieselmotor

Dieselmotoren bygges både som totakts- og firetaktsmotor.

Totaktsmotorer brukes i hovedsak som fremdriftsmotor i større skip. Disse har sylinderdiameter på opptil én meter, slaglengde over tre meter og opptil tolv sylindere i rekke. De bygges med opptil 4500 kW (6200 effektive hestekrefter) per sylinder og normale driftsturtall ned til 80 omdreininger per minutt (1,3 omdreininger per sekund).

Firetaktsmotorer grupperes gjerne i middels hurtigløpende dieselmotorer med turtall på cirka 400–1000 omdreininger per minutt, og hurtigløpende dieselmotorer med turtall 1000–5000 omdreininger per minutt.

Middels hurtigløpende dieselmotorer kan ha en sylinderdiameter og slaglengde opptil 65 centimeter, sylinderytelse 1500 kW (cirka 2000 effektive hestekrefter) og inntil 18 sylindere i V-form. Disse benyttes til fremdrift av skip, til kraftgenerering (også på oljeinstallasjoner og i landbaserte kraftverk). Mindre hurtigløpende firetaktsmotorer brukes i mindre båter og i økende grad i kjøretøy.

Ved høyytelses firetaktsmotorer har man lenge brukt avgassturbiner for å utnytte en del av energien i avgassen til å drive luftkompressorer. Ved slik turboladning kan man tilføre motorens sylindre luft med flere bars overtrykk, og på den måten få en større luftvekt i sylinderen. Derved kan man forbrenne et større brennoljevolum og oppnå større sylinderytelse.

Fra midten av 1950-årene ble det vanlig å bruke turboladning også på totakts dieselmotorer. Ved langsomtløpende totakts- og middels hurtigløpende firetakts dieselmotorer er nå turboladning enerådende, og har ført til mer enn en fordobling av sylinderytelsen ved uendret motorstørrelse. Dette har ført til at store dieselmotorer kan levere ytelser over 80 000 kW (mer enn 100 000 effektive hestekrefter).

Motorens luftinntakskanaler er formet slik at luften blir «skrudd» inn i sylinderen. Det er også mulig å oppnå noe liknende effekt ved å benytte seg av såkalt skjermet innsugsventilkonstruksjon. Det oppstår da en kraftig rotasjon i luften som gir en sykloneffekt i sylinderen, og lufthastigheten øker gjennom kompresjonstakten. Dette gjelder i større grad for firetakts- enn for totaktsmotorer.

Like før stempelet når sitt øvre vendepunkt, sprøytes finforstøvet dieseldrivstoff inn i motsatt retning av den roterende luftstrømmen. Det oppstår en mikroturbulens i hele blandingen, og drivstoffet som er kommet inn, blander seg optimalt med forbrenningsluften. Den høye temperaturen gjør at drivstoffet fordamper, og det oppstår en ideell blanding med forbrenningsluftens oksygen. Varmeenergien i forbrenningsrommet er dels avgitt fra veggene i rommet, men er i hovedsak en følge av den kraftige kompresjonen av luften.

Tenningsforsinkelsen er den tiden det tar fra innsprøytningen starter til selvantenning skjer. Varigheten er avhengig av drivstoffets tennvillighet (se cetantall), kvaliteten på forstøvningen av drivstoffet samt kompresjonstemperaturen.

Den kan oftest deles inn i kjemisk tenningsforsinkelse, noe som henger sammen med drivstoffegenskaper og faktorer som påvirker dråpedannelsen, og en mekanisk andel, som beskriver den tiden det tar fra utstyret får et signal om å starte innsprøytningsprosessen til drivstoffet forlater dysehullet.

Forbrenningen av drivstoffet skjer i to faser; primærfasen er antenningen av drivstoffet som er forhåndsblandet med luften i forbrenningsrommet, mens sekundærfasen er forbrenningen av drivstoffet som fortsatt sprøytes inn mens primærblandingen brenner.

Flammefronten i primærfasen brenner med høy hastighet og temperatur på grunn av høy oksygentetthet i forbrenningsluften. Dette medfører en hurtig ekspansjon og trykkøkning over stempelet som skal drives nedover i sylinderen. Den raske trykkøkningen skaper støy og vibrasjon, noe som har vært ett av dieselmotorenes kjennetegn. Flammefronten i sekundærfasen brenner under vesentlig lavere oksygentetthet, og derved med mindre intensitet.

Nitrogenoksider dannes i hovedsak under den høye temperaturen i primærfasen av forbrenningen (over 2300 °C). Ved å redusere oksygenkonsentrasjonen i forbrenningsrommet noe, vil også temperaturen gå ned under den kritiske temperatur for dannelse av NO_x. Dette gjøres rent praktisk ved å føre noe av motorens egen eksosgass tilbake til forbrenningsluften via et system som kalles EGR (engelsk Exhaust Gas Recirculation).

Systemet regulerer mengden eksosgass slik at det er tilstrekkelig med oksygen igjen i forbrenningsluften til å gjennomføre en komplett forbrenning av det innsprøytede drivstoffet.

Hydrokarboner dannes hovedsakelig i sekundærfasen av forbrenningen. Drivstoffet kommer inn bak primærflammen og kan i noen grad ha problemer med å få kontakt med nok oksygenholdig luft. Resultatet kan bli ukomplett forbrenning, selv om det totalt sett er nok oksygen til stede. Ved å åpne eksosventilene på et noe tidligere tidspunkt, er det høyere temperatur i eksosgassen; tilstrekkelig til å sluttføre forbrenningen på vei gjennom eksosanlegget. Dette vil redusere utslippene av hydrokarboner.

I tillegg kan det brukes katalysator av edelmetall, noe som er relativt vanlig på personbiler. Uforbrente hydrokarboner og kullos er et mindre problem for moderne dieselmotorer.

Det finnes mange forskjellige definisjoner på hva en partikkel eller partikler er, basert på blant annet hvordan de måles, hvilken struktur eller oppbygging de har eller hva den opprinnelige prosessen som har ført til partikkeldannelse er.

I forbindelse med forbrenningsprosesser og -motorer skilles det generelt sett mellom krav for størrelsesklassifisert partikkelmasse PM10 (runde partikler med en diameter mindre enn 10 µm), PM2,5 (mindre enn 2,5 µm) og partikkelantall (engelsk PN). For dieseldrivstoffkvaliteter med lavt eller intet innhold av svovel og aske er partikler stort sett sot.

Det er mulig å redusere utslipp av partikler både ved bruk av teknologier relatert til forbrenningsprosessen i motoren, noe som krever et elektronisk styrt innsprøytningssystem, og filtersystemer i eksossystemet. Sistnevnte kan redusere mengden partikler til et minimum, og filteret regenereres ved å varme opp eksosgassene til temperaturer over 550 °C, som fører til at sotpartiklene brennes helt opp.

Alle dieselmotorer for kjøretøy er firetaktsmotorer, og alle moderne er av typen direkteinnsprøytningsmotor (DI-motor) for å tilfredsstille de strengeste utslippskravene (spesielt fra EU og USA). Dieselmotorer med forkammer (IDI – Indirect Diesel Injection) var mye mer vanlig på 1980- og begynnelsen av 1990-tallet, men har totalt blitt erstattet av de mer effektive DI-motorene. Navnene kan være misvisende, da forskjellen mellom de to motorene ikke ligger i hvordan drivstoffet sprøytes inn, men heller hvor innsprøytningen skjer.

På DI-motorer sitter forbrenningsrommet direkte over stempelet, og kompresjonsrommet er som en skålformet fordypning i stempeltoppen. Ved direkteinnsprøytning oppnås perfekt forstøving og blandingsdannelse ved et innsprøytningstrykk på opptil over 2000 bar.

Det drives omfattende utvikling av dieselmotorer til kjøretøy, spesielt når det gjelder utformingen av forbrenningsrom. De senere årene har det skjedd store endringer på innsprøytningsventiler og -pumper, og enkelte nyutviklede dieselmotorer går så stille at de kan forveksles med bensinmotorer. Turboladning av motorene, samt nedkjøling av luften (fortetting) fører til økt fyllingsgrad i sylinderne. Dette gjør det mulig å brenne større mengder drivstoff, slik at motorene får langt høyere ytelser og bedre respons ved akselerasjon. Økt ytelse og mer myke og stillegående DI-motorer gjør det mulig å redusere antall motorsylindere, noe som kan føre til ytterlig reduksjon av drivstofforbruket.

Høyt dreiemoment og jevn gange er noen av de viktigste karaktertrekk for bilmotorer. Innføring av elektronisk styrt innsprøytning og generelt sett elektroniske motorkontrollsystemer har banet vei for betydelige forbedringer i kraftuttak og dreiemomentkarakteristikk av dieselmotorer siden tidlig på 1990-tallet. Det har resultert i at dieselmotoren har kommet inn i flere biltyper, som for eksempel D- og E-segment (som tilsvarer store biler og eksklusive storbiler ifølge EU- og ACEA-klassifiseringen).

I biler brukes det typisk hurtigløpende dieselmotorer med et turtall på opptil 5500 omdreininger per minutt. Avhengig av biltype og -merke kan motorenes størrelse variere fra tre sylindre og under én liter slagvolum til over ti sylindre og mer enn fem liter slagvolum. I Europa er nå alle nye dieselmotorer utstyrt med direkte innsprøytning (DI). I tillegg har nesten alle turbolading. Stadig strengere utslippskrav i tråd med et økende kraftbehov har ført til innsprøytningssystemer med ekstremt høye innsprøytningstrykk, ofte mer enn 2000 bar.

Det viktigste kravet for tunge lastebiler er relatert til økonomi og driftskostnader. Det er grunnen til at dieselmotorer med direkte innsprøytning og turbolader er mest utbredt i dette bruksområdet. Det er typisk hurtigløpende motorer med et turtall på opptil 3500 omdreininger per minutt, og siden utslippskrav ble innført for alle veibaserte kjøretøy er det mye utvikling i etterbehandling av systemer, elektronisk styring og drivstoffinnsprøytning.

Anleggs- og landbruksmaskiner er det klassiske bruksområdet for dieselmotorer siden det her legges spesielt vekt på holdbarhet, pålitelighet og enkelt vedlikehold, i tillegg til økonomisk drift. Effekten for disse kan variere fra noen få kilowatt til opptil den tunge lastebiler har. Mange motorer i denne kategorien har fortsatt mekanisk styrte drivstoffinnsprøytningssystemer og er luftkjølte.

I motsetning til alle andre bruksområder, hvor vannkjølte motorer er normen, spiller robusthet og enkelhet fortsatt viktige faktorer her. Til forskjell fra biler, stilles det her også langt mindre krav til maksimering av motorens effekt og reduksjon av støy.

Lokomotivmotorer, akkurat som marine dieselmotorer, er designet primært med hensyn til kontinuerlig drift og må kunne håndtere dårligere kvalitet på drivstoffet. Størrelsen på motorene kan variere fra en stor lastebilmotor til en mellomstor, middels hurtigløpende, skipsmotor.

Krav som stilles til marine motorer er avhengige av typen skip eller applikasjon de er brukt i. For hurtigbåter eller raske marinefartøy for eksempel er fokus nesten utelukkende på motorer med høy spesifikk ytelse. Her pleier man å bruke firetakts middels hurtigløpende til hurtigløpende raske motorer med opptil 24 sylindre og som typisk operer i et turtallsområde mellom 500 og 2000 omdreininger per minutt. Mindre fartøy bruker ofte motorer opprinnelig designet for og brukt i store nyttekjøretøy, men dette forutsetter at motorstyring tilpasses den nye bruksprofilen.

I den andre enden av skalaen finner man saktegående totaktsmotorer designet for pålitelighet og lavt drivstofforbruk i kontinuerlig drift. Turtallet ligger typisk under 300 omdreininger per minutt, og de største motorene kan oppnå termiske virkningsgrader på opptil 55 prosent, noe som representerer det høyeste oppnåelige nivået for stempelmotorer. Siden disse motorene vanligvis kjøres på tungolje, kreves det forbehandling av drivstoffet om bord. For å redusere viskositeten til et nivå der drivstoffet kan filtreres og pumpes, kan det være nødvendig å varme det opp til temperaturer så høyt som 160 °C. Endelig temperatur er avhengig av type og kvalitet av dieseloljen.

Typiske tall for noen anvendelser av diesel- og bensinmotorer (til sammenligning) finnes i tabellen under. Tabellen gir noen representative områder, og oppramsingen er ikke uttømmende.

Forkortelser:

• FK: forkammermotor
• DI: direkte innsprøytning
• Nl: normalladet
• Tl: turboladet (inkluderer også kompressorlading)
• Ll: ladeluftkjøling

På slutten av 1990-tallet har man sett en overgang fra forkammer- til direkteinnsprøytningsmotor (DI-motor) i bruksområder som for eksempel lette og tunge kjøretøy. Forkammermotorer brukes fortsatt i såkalte små applikasjoner som sittegressklippere eller spesielle anleggsmaskiner.

På forkammermotoren har topplokket et ekstra forbrenningsrom, det såkalte forkammeret. Dette er forbundet med sylinderen og hovedforbrenningsrommet via en buet kanal kalt tenningspassasjen. Under luftfyllingen trekkes luften inn i sylinderen på vanlig måte, men under kompresjonstakten presses luften ut av sylinderen og inn i forkammeret. På grunn av kammerets utforming og tenningspassasjens form og plassering, settes luften i kraftig rotasjon. Like før stempelets øvre vendepunkt sprøytes drivstoffet inn i forkammeret ved et trykk på 100–150 bar.

Innsprøytningsventilene starter innsprøytningen med en tynn drivstoffstråle som etter hvert øker i volum. Dette gir en mykere og mer stillegående forbrenning enn i DI-motorene. Det brennende drivstoffet spyles ut gjennom tenningspassasjen og ut over stempeltoppen. Den resterende forbrenningsluften i stempeltoppen understøtter siste del av forbrenningen.

Innsprøytningssystemet i forkammermotoren sammen med strømningsmotstand i tenningspassasjen fører til at forbrenningstiden i disse motorene er lengre enn i de kraftigere DI-motorene. Kort forbrenningstid må imidlertid veies opp mot mer forbrenningsstøy og vibrasjoner i DI-motorene. På disse motorene er drivstofforbruket 20 prosent lavere enn i forkammermotorene, mens forkammermotorene har en mer komplett forbrenning, og avgassene er derfor renere enn fra DI-motorene.