pienoiskuva|DM 12 - ensimmäisen sukupolven yksisylinterinen dieselmoottori (MAN, Augsburg, 1906, 12 hv) Dieselmoottori on puristussytytteinen polttomoottori, jonka keksi saksalainen Rudolf DieselRudolf Dieselin hämärästä kuolemasta 100 vuotta Yle. 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 nousee 700–900 celsiusasteeseen. Polttoaine syttyy tällöin itsestään, kun se ruiskutetaan kuuman ilman sekaan.
Dieselmoottoria voidaan kutsua myös puristussytytysmoottoriksi erotuksena kipinäsytytysmoottorista, joka on bensiinimoottoreissa tavallista. Dieselmoottorista käytettiin Suomessa aikaisemmin melko yleisesti myös virheellistä nimitystä "tasapainemoottori". Jari Jokilampi (toim.): Autokoulun kuorma-autokirja, s. 153. Helsinki: Suomen Autokoululiitto, 1990.
Dieselmoottorin kehitys Höyrykoneen huono terminen hyötysuhde 10–15 % oli tiedossa 1800-luvulla sen jälkeen, kun Sadi Carnot oli julkaisut omat teoriansa. Carnot'n ideaalikoneen hyötysuhde vaikutti siihen, että alettiin kehittää polttomoottoreita, joissa palaminen tapahtui räjähdyksenä sylinterissä. Ensimmäinen tällainen kone oli Barsanti-Matteuccin polttomoottori, joka sai patentin Englannissa 1857. Kuitenkin vasta Nicolaus Otton kehittämä ottomoottori teki polttomoottorista käyttökelpoisen 1877.Chaline, s. 79–80
Rudolf Diesel tunsi polttomoottorin teorian ja hän uneksi rakentavansa Carnot'n ideaalikonetta paremman koneen. Dieselmoottorin teoreettinen hyötysuhde on 75 %, mutta normaalisti hyötysuhde jää 45 %:iin ja on parhaimmillaan 50–60 %. Koska siinä palamisesta syntyy vain vähän hiilimonoksidia (CO) eli häkää, niin moottori sopii hyvin sukellusveneisiin ja kaivoksiin. Rakenteellisesti dieselmoottoria voi pitää yksinkertaisena, koska siinä ei ole korkeajännitteellä toimivaa sytytysjärjestelmää. Tämä tekee siitä myös luotettavan. Haasteena Dieselillä oli moottoria kehittäessään tehdä riittävän vahva rakenne, joka kesti ottomoottoria korkeammat paineet. Ratkaiseva tekninen ominaisuus oli polttoaineen ruiskutusjärjestelmä, joka sumuttaa öljyn pieninä pisaroina sisään sylinteriin hieman ennen männän yläkuolokohtaa.Chaline, s. 81
Merikuljetuksissa hiili oli vienyt ison osan rahtitilasta, joten pienempi dieselmoottori ja vähemmän tilaa vievä polttoöljy otettiin varsin nopeasti käyttöön varsinkin niissä maissa, joilla oli omia öljyvaroja. Esimerkiksi Etelä-Venäjällä Bakun öljykenttien ympäristössä alettiin varhain käyttää polttomoottoreita tehtaissa ja jokilaivoissa. Ensimmäinen dieselmoottorilla varustettu valtamerilaiva, M/S Selandia, tehtiin Tanskassa Burmeister & Wain -telakalla 1912. Maailman suurin merimahti Iso-Britannia ei kiirehtinyt siirtymisessä dieselmoottoreihin, koska maalla oli suuret hiilivarat, mutta ei öljyä. Britannian laivasto oli luonut maailmanlaajuisen hiilihuollon laivastolleen, mikä myös hidasti muutosta. Vielä toisen maailmansodan aikana valmistettiin suuria sarjoja Liberty- ja osin myös Victory-luokan laivoja höyrykoneilla, mutta sen jälkeen valtamerilaivat on suurimmalta osin tehty dieselmoottoreilla. Maaliikenteessä varhaisten raskasrakenteisten dieselmoottoreiden tehopainosuhde oli liian heikko. Rautateillä dieselvetureita oli testattu jo ennen ensimmäistä maailmansotaa, mutta laajemmin ne tulivat käyttöön vasta 1930-luvulla. Maissa, joissa rautateiden sähköistys oli saatu käyttöön varhemmin, tarve dieselvetureille ei ollut suuri.
Työkierto
Dieselmoottori on neli- tai kaksitahtinen. Vapaasti hengittävässä nelitahtisessa moottorissa imutahdin aikana sylinteriin imetään ilmanpaineista ilmaa. Puristustahdin aikana molemmat venttiilit ovat kiinni ja ilma puristetaan noin 40 barin paineeseen ja se kuumenee yli 500 °C lämpötilaan. Puristustahdin lopussa polttoaine suihkutetaan sylinteriin hienojakoisena sumuna. Polttoaine syttyy itsestään ilman korkeasta lämpötilasta ja paineesta johtuen. Työtahdissa palokaasujen räjähdysmäinen laajeneminen painaa mäntää alaspäin. Kampiakseli muuttaa männän pystysuuntaisen liikkeen pyöriväksi. Pakotahdin aikana palokaasut työnnetään männän palautusliikkeellä ulos aukiolevasta pakoventtiilistä. Kaksitahtisessa dieselmoottorissa huuhtelu tapahtuu männän ohjaamana, ja sylinteriin imetään pelkkää ilmaa, polttoaine suihkutetaan hieman ennen yläkuolokohtaa, kuten nelitahtisessakin dieselmoottorissa.
Polttoaineet Dieselmoottori voi toimia monilla polttoaineilla, dieselöljyn tai polttoöljyn lisäksi erilaisilla teollisuusliuottimilla (yksi Suomessa tunnettu tällainen on LIAV), biodieselillä, jota valmistetaan öljykasveista ja raskaalla polttoöljyllä. Dimetyylieetteri sopii hyvin dieselmoottorin polttoaineeksi korkean setaaniluvun ja puhtaan palamisen ansiosta. Lainaus: "Dimethyl ether has several fuel properties that make it attractive for use in diesel engines. It has a very high cetane number, which is a measure of the fuel's ignitibility in compression ignition engines. The energy efficiency and power ratings of DME and diesel engines are virtually the same. Because of its lack of carbon-to-carbon bonds, using DME as an alternative to diesel can virtually eliminate particulate emissions and potentially negate the need for costly diesel particulate filters." Lainaus: "DME burns so cleanly that the engine needs no exhaust-gas recirculation, a diesel particulate filter or variable geometry turbocharger – all sources of reliability problems and maintenance expense for owners of modern truck diesels, Saxman said. It’s injected at relatively low pressures, so the fuel system needn’t be so stout." Lainaus: "Dimethyl ether can be manufactured from natural gas or from biomass feedstocks, including food, agricultural, and animal waste. It has a cetane number of 55, compared with 40 to 53 for diesel fuel. Burning it yields low emissions of nitrogen oxides and carbon monoxide, and no soot or particulates."Olah; Goeppert; Prakash, 2006. s. 184–185 Dieselöljyn lämpösisältö on hieman korkeampi kuin bensiinillä ja toisaalta öljy on hitaammin höyrystyvänä paloturvallisempi. Dieselmoottorin taloudellisuutta lisää se, että dieselöljyä saadaan öljynjalostuksesta helpommalla kuin bensiiniä. Kevyt polttoöljy erottuu raakaöljyntislauksessa, mutta bensiini joudutaan käyttämään vielä vakiointikolonnissa nestekaasun erottamiseksi. Lisäksi bensiinin oktaanilukua voidaan joutua parantamaan.
Rudolf Diesel yritti ensin tehdä kivihiilipölyllä toimivaa moottoria mutta epäonnistumisten jälkeen hän keskittyi hyvin toimineeseen öljyä polttoaineena käyttävään moottoriin.Pistonheads.com Dieselmoottori suunniteltiin toimimaan rypsiöljyn tapaisilla öljyillä, muun muassa maapähkinäöljyllä, ja se tunnettiin aluksi "öljymoottorina". Aluksi dieselmoottoreita käytettiin pääasiassa kasvirasvoilla. 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 reiän 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 ja muodosta syttymiskelpoista seosta. Sekoittumisnopeutta kasvattavat muun muassa ilman pyörteilyn, suuttimien reikien lukumäärän, moottorin käyntinopeuden 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 ruiskutetaan 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 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. 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. Nykyisin yhteispainesyötössä polttoainetta annostellaan hyvin tarkasti magneettiventtiileillä. Näin palaminen on tasaista ja käynti pehmeää.
Päästöt Dieselmoottorin pakokaasu sisältää tavallisesti typpeä, happea, hiilidioksidia, vesihöyryä, typen oksideja, rikkidioksidia, nokea ja hiilivetyjä. Pakokaasun koostumus riippuu muun muassa polttoaineesta, kuormituksesta, moottorin kunnosta ja iästä. Haitallisimpina päästöinä pidetään yleensä typen oksideja, jotka aiheuttavat esimerkiksi happamoitumista ja hengityselinoireita, ja nokea, joka sisältää syöpää aiheuttavia aineita eli karsinogeeneja. 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.
Euroopan parlamentin raportin mukaan vuonna 2012 noin 72 000 ihmistä kuoli ennenaikaisesti sellaisten päästöjen vuoksi, jotka tulevat pääasiassa dieselautoista.Autoyhtiöiden puistattava testi vuodelta 2014 paljastui – kammioihin laitetut apinat pakotettiin hengittämään pakokaasua, testituloksia vääristeltiin 27.1.2018 Iltalehti
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