dieselmotor

Dieselmotor i et svenskt HHJ diesel-lokomotiv. Motoren ble bygget i 1921 av Asea Mekaniska verkstad og hadde 250 hestekrefter.
Av .
Lisens: CC BY NC 3.0

Fra 1. utgave av Aschehougs leksikon (1906–13).

Av .
Lisens: Begrenset gjenbruk

Dieselmotor, selvtennende forbrenningsmotor, oppkalt etter Rudolf Diesel. Brukes i skip, lokomotiver, kraftanlegg, i store anleggsmaskiner og nyttekjøretøyer, samt i økende grad i personbiler. I 2017 var andelen dieseldrift i registrerte personbiler i Norge på 48 prosent, men andelen er fallende.

Virkemåte

Dieselmotoren virker etter selvtenningsprinsippet, og til forskjell fra andre forbrenningsmotorer tilføres sylindrene ren luft. Det høye kompresjonsforholdet i dieselmotorene (1:22) fører til et kompresjonstrykk i forbrenningsrommet på over 3 MPa (over 30 bar), og en temperatur som er tilstrekkelig høy (cirka 600 °C) til at brennoljen selvtenner når den sprøytes inn i forbrenningsrommet omkring stempelets øvre vendepunkt. Den kraftige ekspansjonen som følger av forbrenningen, driver stempelet nedover i sylinderen med stor kraft. Stempelets lineære bevegelse overføres til roterende kraft via et veivsystem.

Hos den moderne dieselmotoren foregår første del av forbrenningen under en markert trykkstigning fra endekompresjonstrykket. Derfor benyttes som teoretisk arbeidsdiagram en blandet Otto–Diesel-prosess (også kalt Seiliger-prosess) der forbrenningen tenkes å foregå dels ved konstant volum Vc, dels ved konstant trykk pf.

Totakts- og firetaktsmotor

Dieselmotoren bygges både som totakts- og firetaktsmotor.

Totaktsmotorer brukes i hovedsak som fremdriftsmotor i større skip. Disse har sylinderdiameter opp til en meter, slaglengde over tre meter og opp til tolv sylindere i rekke. De bygges med opp til 4500 kW (6200 effektive hestekrefter) per sylinder og normale driftsturtall ned til 80 omdreininger per min (1,3 omdreining 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 opp til 65 cm, sylinderytelse 1500 kW (cirka 2000 effektive hestekrefter) og inntil atten 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.

Turboladning

Ved høy-ytelses 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 av 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 totaktsdieselmotorer. 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 opp til 54 000 kW (74 000 effektive hestekrefter).

Dieselmotorens arbeidsforløp

For å gjennomføre en komplett forbrenning med et minimum av skadelige eksosgasser, stilles det store krav til de forberedende prosessene før forbrenningen tar til. Arbeidsforløpet er inndelt i flere faser.

Luftinntak. Motorens luftinntakskanaler er formet slik at luften blir «skrudd» inn i sylinderen. Det oppstår en kraftig rotasjon i luften som gir en sykloneffekt i sylinderen. Lufthastigheten øker gjennom kompresjonstakten.

Blandingsfasen. Like før stempelet når sitt øvre vendepunkt sprøytes finforstøvet dieseldrivstoff inn i motsatt retning av den roterende luftstrømmen. En mikroturbulens oppstår i hele blandingen, og drivstoffet som er kommet inn, blander seg optimalt i 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 som går fra innsprøytningen starter til selvantenning skjer. Varigheten er avhengig av drivstoffets tennvillighet (se cetantall), kvaliteten på forstøvningen av drivstoffet samt kompresjonstemperaturen.

Forbrenningen av drivstoffet skjer i to faser; primærfasen er antenningen av drivstoffet som på forhånd var blandet 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 pga. 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 et av dieselmotorenes kjennetegn. Flammefronten i sekundærfasen brenner under vesentlig lavere oksygentetthet, og derved med mindre intensitet.

Arbeidsforløpet i en firetakts dieselmotor.

Av /Store norske leksikon ※.
Lisens: Gjengitt med tillatelse

Drivstofforbruk

Forbruket av brennstoff er lavt sammenlignet med andre forbrenningsmotorer, ned til under 47 g/MJ (under 170 g per effektiv kWh), noe som innebærer at mer enn 50 prosent av den tilførte energimengden i brennstoffet omsettes til akseleffekt.

Dieselmotoren kan operere på billige og lite ildsfarlige brennoljer, fra dieselolje til – for større motorer – høyviskøse restoljer (tungoljer) fra oljeraffinerier. For militære formål kan den utformes som flerstoffmotor som kan benytte forekommende brennstoffer, til og med vanlig bensin.

Avgasser

De uønskede avgassene fra dieselmotorer består i hovedsak av nitrogenoksider (NOx) og hydrokarboner (HC), i form av sotpartikler og minimale mengder karbonmonoksid (CO). Faktorer som påvirker utslippsnivået er motorens tekniske tilstand, drivstoffkvaliteten, tilstanden til innsprøytningsdysene for drivstoffet, forstøvingen av drivstoffet og, kanskje viktigst, justeringen av tidspunktet for innsprøytningen.

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

Partikkelutslippet fra dieselmotorer er et betydelig problem i byer, blant annet fordi slike partikler kan være allergifremkallende. For å redusere mengden sotpartikler til et minimum, benyttes et keramisk filter som fanger opp partikler. Når det keramiske filteret blir varmet opp av eksosgassene til temperaturer over 550 °C, vil sotpartiklene brenne helt opp. Partikkelfiltrene har varierende effekt; den er for eksempel dårlig på kalde motorer.

Dieselmotorer i kjøretøy

I 1995 hadde cirka 10 prosent av nye personbiler dieselmotor, og denne prosenten økte betydelig de etterfølgende år. I 2017 var dette tallet 48 prosent (SSB), men andelen er fallende. I mai 2019 var andelen nyregistrerte biler med dieselmotor nede i cirka 17 prosent (OFV).

Etter at det ble innført strenge krav til avgassutslipp på biler med bensinmotor i 1989, ble bensinmotorene vesentlig dyrere, og dermed ble prisforskjellen mellom dieselmotorer og bensinmotorer mindre. Andelen begynte da å øke. Det har også skjedd en viktig videreutvikling av dieselmotorene; blant annet gir turbolader og ladeluftkjølerøkt ytelse og raskere akselerasjon.

Dieselmotoren har vært, og er, mer enerådende i nyttekjøretøyer og arbeidsmaskiner enn i personbiler. Dette skyldes mindre driftskostnader på grunn av billigere drivstoff og lavere drivstofforbruk, bedre slitestyrke og mindre vedlikeholdsbehov. Samtidig er ikke kravene til komfort de samme som for en personbil.

Hovedtyper dieselmotorer for kjøretøy

Alle dieselmotorer for kjøretøy er firetaktsmotorer, og det finnes to hovedtyper av motorer: forkammermotor og direkteinnsprøytningsmotor (DI-motor).

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 1200 bar.

På forkammermotoren har topplokket et ekstra forbrenningsrom, det såkalte forkammer. Forkammeret 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 øker i volum etter hvert. 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 % lavere enn i forkammermotorene, mens forkammermotorene har en mer komplett forbrenning, og avgassene er derfor renere enn fra DI-motorene.

DI-motorene brukes i hovedsak til nyttekjøretøy – fra varebiler til de største vogntog og anleggsmaskiner, mens forkammermotorene mest er brukt som personbilmotorer.

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.

Historikk

Rudolf Diesel fikk godkjent sitt første patent på dieselmotoren i 1892. Hans opprinnelige forslag var basert på en modifisert Carnots kretsprosess. Varme ble tilført og ført bort fra arbeidsmediet i sylinderen ved en høy, hhv. lav, konstant temperatur og kompresjon og ekspansjon av sylinderladningen foregikk tilnærmet uten tilførsel eller bortførsel av varme (dvs. adiabatisk) ved at sylinderen var ukjølt. Han foreslo også en meget høy kompresjon av luften (25 MPa, dvs. over 250 bar) for å gi en høy endetemperatur og derved oppnå den gunstige termiske virkningsgrad han mente dette innebar. Kompresjonen skulle følges av en forbrenning med en så liten brennoljetilførsel at temperaturen under forbrenningsfasen holdt seg tilnærmet konstant.

Denne opprinnelige prosessen var ikke gjennomførbar i praksis, og da Diesel i samarbeid med patentinnehaverne bygde forsøksmotorer, måtte man etter hvert fjerne seg nokså langt fra de tanker som lå bak det første patentet. I perioden frem til 1897 ble den klassiske dieselmotoren utviklet. I denne ble ikke kompresjonstrykket drevet høyere enn det som krevdes for å sikre en effektiv selvtenning av brennoljen. Brennoljen ble blåst inn i sylinderen og finfordelt i forbrenningsluften ved hjelp av trykkluft. I praksis ble brennoljen tilført slik at forbrenningen foregikk ved et nesten konstant trykk som bare lå litt over kompresjonens endetrykk, alt etter innblåsningshastigheten.

Produksjon av trykkluft for innblåsningen krevde tilbygging av en luftkompressor. Dette kompliserte anlegget, stjal av motorens effekt, og gjorde dieselmotoren uegnet for lavere sylinderytelser. Fra 1920-årene lyktes man i å fremstille innsprøytningssystemer for brennolje til dieselmotorer slik at man kunne oppnå en effektiv forstøvning av brennoljen direkte, og luftkompressoren kunne sløyfes. Metoden tilskrives McKechie fra Vickers i Storbritannia (som fikk patent i 1910). Motortypen som i begynnelsen ble kalt kompressorløs dieselmotor, var i forhold til kompressor-dieselmotoren betydelig enklere, hadde et lavere brennoljeforbruk og et utvidet bruksområde fordi motorene kunne bygges mindre og mer hurtigløpende. Den klassiske kompressor-dieselmotor forsvant derfor ut av produksjon.

De første dieselmotorene var grovbygde, og det var en fremmed tanke at dieselprinsippet kunne brukes i biler. Mulighetene var derimot store for stasjonær drift. Allerede i 1898 ble den første dieselmotoren montert i en fabrikk, og året etter ble verdens første dieseldrevne kraftverk åpnet i Kiev.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg