Muokataan sivua Diiselmoottorit

     Dieselmoottori
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 700-900 celsiusasteeseen. Polttoaine syttyy tällöin itsestään, kun se ruiskutetaan kuuman ilman sekaan. (wikibedia 2011, autowiki)
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. Dieselmoottori suunniteltiin alunperin toimimaan rypsiöljyn tapaisilla öljyillä, ja se tunnettiin aluksi "öljymoottorina". Aluksi dieselmoottorit kävivätkin ainoastaan kasvirasvoilla. Huonolaatuinen polttoaine voi aiheuttaa ongelmia polttoainelaitteiden voitelussa ja syövyttää moottorin metalli- ja kumiosia.
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 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 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. 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 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.