dieselmotor – selvtennende forbrenningsmotor

Dieselmotor, selvtennende forbrenningsmotor, oppkalt etter Rudolf Diesel. Brukes i skip, lokomotiver, kraftanlegg, i store anleggsmaskiner og nyttekjøretøyer, samt i økende grad i personbiler. Se også forbrenningsmotorer.

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 (ca. 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.

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 ca. 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 (ca. 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.

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).

I Norge bygges dieselmotorer som fremdriftsmaskineri i mindre skip og til kraftgenererende (hjelpemotorer) i skip, på oljeinstallasjoner og i kraftverk på land.

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 (se figur):

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.

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 % 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.

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 eng. 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, bl.a. 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 f.eks. dårlig på kalde motorer.

Videre lesning

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål til artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.