dieselmotor – Store norske leksikon (original) (raw)

En av flere motorer på en stor oljetanker.

En Mitsubishi 4N14 firetakts dieselmotor. Motortypen brukes i Mitsubishi Outlander, som på 2010-tallet var blant Norges mest solgte dieselbiler.

Dieselmotor under hytte på lastebil

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.

Dieselmotor er en selvtennende forbrenningsmotor, oppkalt etter den tyske ingeniøren Rudolf Diesel. Motortypen brukes hovedsakelig i skip, lokomotiver, kraftanlegg, i store anleggsmaskiner og nyttekjøretøyer som dieselbiler.

I 2016 var andelen dieseldrift av registrerte personbiler i Norge på 48 prosent, og med det høyere enn alle andre driftskilder, men andelen for både diesel- og spesielt bensindrift er fallende i tråd med økning i andelen elektriske biler.

For global sjøfart tegner det seg derimot et helt annet bilde. Langt over 90 prosent av alle skip i drift, målt både i antall skip og tonnasje, har framdrift ved hjelp av dieselmotorer (tall fra DNV, 2022 og 2023). Derimot kan halvparten av den bestilte tonnasjen bruke flytende naturgass (LNG), flytende petroleumsgass (LPG) eller metanol i dual-fuel motorer, som i all hovedsak er totaktsmotorer basert på dieselprinsippet. Det finnes også bi-fuel motorer, som kan benytte seg av to forskjellige drivstoff, for eksempel naturgass og diesel.

Diesel kan brukes både i en liten mengde, noen få prosent med tanke på den totale energimengden, til antenning av naturgass eller et annet drivstoff. Dieselmengden kan også justeres opp til 100 prosent.

Forbruket av brennstoff er lavt i dieselmotorer sammenlignet med andre forbrenningsmotorer, ned til under 47 g/MJ (under 170 gram 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.

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 en blandet Otto–Diesel-prosess (også kalt Seiliger-prosess) der forbrenningen tenkes å foregå dels ved konstant volum _V_c, dels ved konstant trykk _p_f som teoretisk arbeidsdiagram.

Totakts- og firetaktsmotor

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.

Turboladning

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).

Dieselmotorens arbeidsforløp

Arbeidsforløpet i en firetakts dieselmotor.

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, blandingsfase, tenningsforsinkelse og forbrenningen (som igjen er delt inn i en primærfase og en sekundærfase).

Luftinntak

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.

Blandingsfasen

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

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.

Forbrenning

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.

Avgasser

De uønskede avgassene fra dieselmotorer består i hovedsak av nitrogenoksider (NO_x_) 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

Katalysatorer reduserer de skadelige gassene fra dieselmotorer. Systemet inneholder en egen katalyseenhet som samler nitrogenoksider, som dieselmotorer produserer mye av, og uskadeliggjør disse med jevne mellomrom slik at utslippene ikke inneholder nitrogenoksider, bare rent (atomært) nitrogen. Dessuten inneholder moderne dieselbilsystemer gjerne et partikkelfilter, en egen «boks» som samler partikler (PAH) og forbrenner disse med jevne mellomrom.

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

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.

Partikler

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.

Reduksjon av utslipp

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.

Dieselmotorer i kjøretøy

Registrerte personbiler i Norge etter drivstofftype. Kilde: SSB.

Pumpe for diesel på en bensinstasjon

I 1995 hadde om lag ti prosent av nye personbiler dieselmotor, og denne prosenten økte betydelig de etterfølgende år. I 2016 var dette tallet 48 prosent (SSB), den høyeste verdien noensinne. Andelen har siden vært fallende.

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 ladeluftkjøler økt ytelse og raskere akselerasjon.

Dieselmotoren har vært, og er fremdeles, 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.

Diesel har vært, og kommer også til å være, den dominerende andelen for anleggsmaskiner og generelle nyttekjøretøy. For biler og traktorer ser man likevel en reduksjon i dieselandelen, men det må nevnes at tallene er vist i prosent og gir ingen informasjon om det totale antallet kjøretøy. For 2022 er det for eksempel registrert færre busser og lastebiler enn i 2008, mens antall biler og traktorer har sett en betydelig økning (både i det totale antallet og prosentandel elektrisk drevne fartøy).

Registrerte kjøretøy etter andel diesel. Kilde: SSB

Hovedtyper

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.

Personbiler og lette nyttekjøretøyer

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.

Tunge lastebiler

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

I motsetning til alle andre bruksområder, hvor vannkjølte motorer er normen, spiller robusthet og enkelhet en viktig rolle i anleggsmaskiner.

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.

Lokomotiver

Dieselmotor i et svenskt HHJ diesel-lokomotiv. Motoren ble bygget i 1921 av Asea Mekaniska verkstad og hadde 250 hestekrefter.

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.

Skip

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

Historikk

Den tyske ingeniøren Rudolf Diesel som har gitt navn til dieselmotoren. Foto fra rundt 1900.

Fra første utgave av Aschehougs leksikon (1906–1913)

Rudolf Diesel fikk godkjent sitt første patent på dieselmotoren i 1892. Hans opprinnelige forslag var basert på en modifisert carnotsyklus. Varme ble tilført og ført bort fra arbeidsmediet i sylinderen ved henholdsvis høy og lav konstant temperatur og kompresjon, og ekspansjon av sylinderladningen foregikk tilnærmet uten tilførsel eller bortførsel av varme (det vil si adiabatisk) ved at sylinderen var ukjølt. Han foreslo også en meget høy kompresjon av luften (25 MPa, det vil si 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 James McKechnie 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-dieselmotoren 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.

Fra forkammer- til direkteinnsprøytning

Norsk dieselekspresstog fra 1954. Tog som dette skulle avløse damptogene, men ble selv utrangert til fordel for elektriske tog rundt 1970.

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.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer