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 nousee 700–900 celsiusasteeseen. Polttoaine syttyy tällöin itsestään, kun se ruiskutetaan kuuman ilman sekaan.
Dieselmoottoria voidaan kutsua myös puristussytytysmoottoriksi erotuksena otto- eli kipinäsytytysmoottorista. Dieselmoottorista käytettiin Suomessa aikaisemmin melko yleisesti myös virheellistä nimitystä "tasapainemoottori".

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 nelitahtinen moottori, joka sai patentin Englannissa 1857. Kuitenkin vasta Nicolaus Otton kehittämä ottomoottori teki polttomoottorista käyttökelpoisen 1877.
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 parhammillaan 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.
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. 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. 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.

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 parlamenttin raportin mukaan vuonna 2012 noin 72 000 ihmistä kuoli ennenaikaisesti sellaisten päästöjen vuoksi, jotka tulevat pääasiassa dieselautoista.

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 1 000 kierrosta minuutissa) käytetään yleisesti työkoneiden, vetureiden, ajoneuvojen ja veneiden voimanlähteenä. Myös ilmailumoottoreita on nopeakäyntisiä. Keskinopeita moottoreita (200–1 000 kierrosta minuutissa) käytetään esimerkiksi laivoissa ja vetureissa. Hidaskäyntisiä moottoreita (alle 200 kierrosta minuutissa) käytetään laivoissa ja voimalaitoksissa.

Dieselvoimalaitos

Erityinen dieselmoottorin käyttökohde on sähköntuotannossa, mikä johtuu suurien ja hitaasti käyvien kaksitahtikoneiden pitkästä iästä, edullisesta hankintahinnasta ja monipuolisesta valikoimasta polttoaineita. Tavallisin polttoaine on maakaasu, harvinaisempi hiilipöly, joka saadaan jauhamalla hiili pölyksi, ja se syötetään moottoriin seoksena esilämmitetyn ilman kanssa. 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.

Laivakäyttö

Laivojen voimanlähteenä käytetään lähes poikkeuksetta dieselmoottoreita, koska ne muuntavat polttoaineen työksi tehokkaimmin ja taloudellisimmin. Kaasu- ja höyryturbiineja käytetään vain erikoistapauksissa, kuten sota-aluksissa ja nopeakulkuisissa matkustaja-aluksissa. Erityisaluksissa, kuten jäänmurtajissa, on jo pitkään käytetty dieselsähköistä voimansiirtoa. Tämä käyttötapa on yleistynyt myös risteilyaluksissa sekä aluksissa, joille nopea ja monipuolinen tehonsäätely on tärkeää (lyhyitä matkoja ajavat lautat, tutkimus- ja ruoppausalukset yms.) Dieselsähköisen voimansiirron etuna on, että moottori voi käydä koko ajan optimaalisella kierrosluvulla, ja samalla voidaan luopua erillisistä sähköä tuottavista apukoneista (mahdollista hätägeneraattoria lukuun ottamatta). Lisäksi erityisesti risteilyaluskäytössä melun ja värinöiden väheneminen on merkittävä valintaperuste.

Raideliikenne

Sähkökäyttö on pitkälti syrjäyttänyt dieselmoottorin raideliikenteessä, mutta sähköistämättömillä radoilla dieselvetureita käytetään edelleen. Pitkien etäisyyksien maissa, kuten Yhdysvalloissa, dieselvetureiden käyttö on edullisempaa kuin ratojen sähköistäminen.
Dieselveturien etuja ovat yksinkertainen polttoainehuolto, soveltuvuus kaikenlaiseen työskentelyyn, hyvä hyötysuhde ja kaluston pitkä elinkaari. Suomessa ajetaan yhä (2016) linja-ajoa Dv 12-kalustolla, joka otettiin käyttöön 1963. Useimmat linja-ajoon tarkoitetut dieselveturit ovat dieselsähkövetoisia: niissä dieselmoottori pyörittää generaattoria, joka syöttää virtaa ajokoneiston sähkömoottoreille. Tällöin dieselmoottori toimii aina optimikierrosluvulla, eikä erillistä mekaanista vaihteistoa tarvita.
Dieselvetureiden haittoja ovat monimutkainen rakenne ja suhteellinen kalleus. Verrattuna vastaavankokoiseen sähköveturiin dieselveturin teho on yleensä huomattavasti alhaisempi.
Veturidieselmoottorit ovat yleensä kokoisekseen sekä tehokkaita että toisaalta mahdollisimman kestäviä. Moottorit ovat tyypillisesti korkeasti turboahdettuja ja ahtoilmanjäähdyttimin varustettuja nelitahtikoneita. Merkittävä poikkeus tähän on GM, joka on valmistanut vuodesta 1939 alkaen menestyksekkäästi kaksitahtisia veturidieselmoottoreita, joita on käytetty eri puolilla maailmaa.
Suomessa merkittävää dieselkalustoa on ollut vuodesta 1952, jolloin liikenteeseen tulivat ensimmäiset raskaat ja linjaliikenteeseen soveltuvat moottorivaunut ja moottoriveturit. Samoihin aikoihin alkoi tunnettujen paikallisliikenteen moottorivaunujen eli lättähattujen valmistus ja käyttö. Höyryvetureiden hallitsema linjaliikenne siirtyi dieselvetureille noin 1960–1973. Tämän jälkeen on Suomen tärkeimpiä ratoja sähköistetty, ja linjaliikenteessä pääradoilla valta-asemaan ovat tulleet sähköveturit.

Ajoneuvokäyttö

MAN-yhtiö toi ensimmäisen dieselmoottorilla varustetun kuorma-auton myyntiin Saksassa vuonna 1924. Henkilöautoissa dieselmoottori pääsi sarjatuotantoon vuonna 1936, kun markkinoille tuli Mercedes-Benz 260 D. Pienemmän kokoluokan autoissa dieselin läpimurto alkoi vuonna 1975, kun markkinoille tuli VW Golf Diesel.
Dieselautot ovat kasvattaneet suosiotaan Euroopassa pienen kulutuksen ja parempien vääntöominaisuuksien vuoksi. Suomessa ja Ruotsissa dieselkäyttöisten osuus on pysynyt pienenä, koska näissä maissa verotus suosii bensiinikäyttöisiä autoja.
Dieselautoissa käytetään polttoaineena pääsääntöisesti dieselöljyä. Suomessa autoissa ei saa käyttää dieselöljyä tai bensiiniä lievemmin verotettuja polttoaineita, kuten kevyttä polttoöljyä. Lievemmin verotettujen polttoaineiden käytöstä on maksettava sanktiona polttoainemaksu, joka on autoilla 330–1 500 euroa/päivä ja muilla ajoneuvoilla 100–670 euroa/päivä . Traktorilla voidaan käyttää sanktioitua polttoainetta maksamalla 5 euroa päivältä. Polttoöljyä saa käyttää esimerkiksi työkoneissa, paikallismoottoreissa, generaattoreissa ja lämmöntuotannossa. Veneissä polttoöljyä ei saa enää käyttää.
Dieselmoottorilla varustettuja moottoripyöriä käytetään mm. Intiassa, jossa välimatkat ovat pitkiä ja polttoaineen myyntipaikat harvassa. Dieselkäyttöinen moottoripyörä on hyvin taloudellinen: polttoaineen kulutus on luokkaa 1 l/100 km, jolloin jo 10 litran tankillisella pystyy ajamaan 1 000 km. Dieselkäyttöisen moottoripyörän suorituskyky on yleensä vaatimaton bensiinikäyttöiseen verrattuna, mistä syystä dieselkäyttöiset moottoripyörät ovat harvinaisia Euroopassa.

Ilmailukäyttö

Dieselmoottorin jäykkyysvaatimukset ovat yleensä johtaneet ottomoottoria huomattavasti raskaampaan rakenteeseen, jolloin teho-painosuhde on jäänyt ilmailukäyttöön liian alhaiseksi. Viime vuosina dieselmoottoreita on kuitenkin alettu valmistaa kevytmetalliseoksista, ja painoa on voitu vähentää merkittävästi. Tunnetuin ilmailudieselmoottorien valmistaja on Thielert-konserni.