DIESELMOOTTORI

...HYÖTYSUHDE JO TOISTA SATAA VUOTTA.

Rudolf Diesel halusi kehittää hyötysuhteeltaan mahdollisimman hyvän voimakoneen. Hän onnistui työssään niin hyvin, että vielä yli sata vuotta myöhemmin hänen nimeään kantava moottori on hyötysuhteeltaan paras ihmisen koskaan kehittämä voimakone.

Dieselin kiinnostuessa asiasta, tuotettiin teollisuuden ja liikenteen tarvitsema konevoima liki yksinomaan höyrykoneilla, joilla parhaassakin tapauksessa saavutettiin vain viiden prosentin terminen hyötysuhde ja sinänsä mullistava, vasta keskitty Otton nelitahtimoottorikin oli saavuttanut vain yhdentoista prosentin hyötysuhteen. Diesel ryhtyi ratkomaan ongelmaansa, hyötysuhteen maksimoimista, termodynamiikkaa tutkimalla. Pitkällisen teoreettisen kehitystyönsä tuloksena hän julkaisi kirjan "Taloudellisen polttomoottorin teoria ja rakenne", jossa hän esitti laskelmat uudentyyppiselle polttomoottorille ja sai sille laskennalliseksi hyötysuhteeksi peräti 73 prosenttia. Kuvailemansa moottorin toteuttamista käytännössä ei Diesel itsekään pitänyt mahdollisena, sillä se edellytti siihen aikaan ylivoimaisen suurta paineenkestoa. Niinpä hän lähestyi käytäntöä hyötysuhteen kustannuksella, mutta kuitenkin kehittämässään toimintaperiaatteessa pitäytyen. Tämä johti käytännön kokeiden kautta lopulta toimivaan dieselmoottoriin.

Mikä sitten oikeastaan oli Dieselin keksintö? Se ei ollut polttoaine tai varsinaisesti moottorin rakenne. Dieselin keksintö oli puristaa ilmaa niin suureen paineeseen, että paineennousun aikaansaama lämpötila riitti siihen ruiskutetun polttoaineen itsesyttymiseen. Dieselmoottoriksi nimitetään siis itsesytytyksellä toimivaa lämpövoimakonetta, josta käytetään suomenkielessä myös nimitystä puristussytytysmoottori. Dieselperiaatteen käyttö ei siis ole sidottu mihinkään erityiseen rakenneratkaisuun, vaikkakin käytännössä kaikki toimivat moottorit aina Dieselin ensimmäisistä moottoreista lähtien ovat olleet mäntäkoneita. Käytetyissä polttoaineissa onkin sitten ollut suurempi kirjo ensimmäisen moottorin valopetrolista aina raskaaseen polttoöljyyn ja rypsiöljyyn asti, onpa kokeiluja tehty piimälläkin. Dieselmoottorin eräs valtti onkin sen sovellettavuus mitä erilaisimmilla, tai suorastaan mitä kummallisimmilla kuviteltavissa olevilla polttoaineilla käyväksi.

Rudolf Diesel syntyi vuonna 1858 ja uuden moottorityypin kehittelyn alullepanneen reunahuomautuksen "Selvitä tämä!" hänen väitetään kirjoittaneen vuonna 1879 opiskellessaan Münchenin teknillisessä korkeakoulussa. Siitä alkoi tutkiminen, ideointi ja kehittely joka johti edellä mainitun kirjasen julkaisemiseen sekä dieselperiaatteen patentointiin vuonna 1893. Samana vuonna valmistui myös ensimmäinen prototyyppi. Käytännön konstruktioiden ja kokeiden toteuttamisen Diesel teki Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg nimisen yhtiön (MAN) palveluksessa, jossa sitten vuonna 1897 valmistui ensimmäinen toimiva ja tuotantokelpoinen dieselmoottori. Tässä vaiheessa Dieselillä oli siis käsissään paitsi idea ja patentti, niin myös valmis, sarjatuotantokelpoiseksi hiottu tuote, joka oli testeissä saavuttanut ennenkuulumattoman hyvän 26 prosentin hyötysuhteen. Niinpä hän saikin varsin lyhyessä ajassa solmittua lisenssisopimukset peräti neljäntoista valmistajan kanssa eri puolille teollistunutta maailmaa.

Sen jälkeen dieselmoottorin kehitys on tapahtunut hajautetusti, kun kukin valmistaja on halunnut kevyemmän, kestävämmän, halvemman tai tehokkaamman moottorin. Dieselmoottori on varsin vaativa valmistaa. Korkea paine sylinterissä ja polttoaineen ruiskutuksessa sekä kriittisyys ruiskutuksen kestolle ja alkamisajankohdalle ja suoraruiskutusdieseleissä myös suihkun muodolle vaativat hyvää valmistus- ja materiaalitekniikan hallintaa sekä suurta valmistustarkkuutta. Puutteet näiden tuntemisessa aiheuttivat moottoreiden rikkoontumisia aivan alkuvuosina ja oikeastaan vasta toisen maailmansodan aikana konepajatekniikka kehittyi niin, että taloudellisia dieselmoottoreita kyettiin valmistamaan suuria määriä kohtuukustannuksin. Luonnollisesti muunkin tekniikan kehittyminen on antanut keinoja parantaa dieselmoottoria. Tästä esimerkkejä ovat pakokaasuahtaminen, joka muuten sopiikin dieselmoottorille erinomaisen hyvin sen korkean puristussuhteen tähden, sekä aivan viime vuosina elektroniikan käyttöönotto moottorin ohjauksessa.

Tällä hetkellä kaikkein parhailla dieselmoottoreilla päästään 55 prosentin hyötysuhteeseen, mikä edellyttää suoraruiskutusta ja pakokaasuahtamista sekä moottorin optimoimista tietylle vakiopyörimisnopeudelle. Tällaisia moottoreita käytetään lähunnä laiva- ja voimalaitoskäytössä. Ajoneuvojen moottoreilta edellytetään taloudellista toimimista laajalla pyörimisnopeusalueella ja osakuormituksella, jolloin joudutaan tekemään rakenteellisia kompromisseja, eikä niillä missään käyttötilanteessa ylletäkään yhtä hyvään hyötysuhteeseen. Kehitys ei kuitenkaan ole tiensä päässä, yhä taloudellisemmin toimivia moottoreita kehitellään kaiken aikaa eri puolilla maailmaa.

Dieselmoottori on kamppaillut ja kamppailee kilpailevien voimakoneiden, kuten höyrykoneen, ottomoottorin, kaasu- ja höyryturbiinin sekä sähkömoottorin kanssa. On siis syytä tarkastella, mitä etuja ja haittoja dieselmoottorilla on kilpailijoihinsa nähden.

Etuja ovat:
Dieselmoottorilla on paras hyötysuhde
Dieselmoottoirin hyötysuhde on hyvä myös osakuormilla
Dieselissä voidaan käyttää edullisempaa polttoainetta kuin ottomoottorissa ja kaasuturbiinissa
Dieselin pakokaasut ovat kilpailijoita saasteettomampia
Diesel on ottomoottoria varmatoimisempi ja kestävämpi
Varjopuolia:
Dieselmoottori on raskas
Dieselmoottori on monimutkaisesta ruiskutuspumpusta johtuen kallis ottomoottoriin verrattuna
Dieseliä on vaikea tehdä nopeakäyntiseksi
Moottori tärisee muita voimanlähteitä enemmän
Diesel tuottaa ottomoottoria enemmän typen oksideja, joiden puhdistusta ei vielä hallita
Ajoneuvokäytössä on syytä huomata, että diesel- ja bensiinimoottorin kilpailussa määräävänä tekijänä on polttoaineen ja ajoneuvojen verokohtelu. Suomessa niinsanottu dieselvero antaa bensiinimoottoreille tuntuvan tasoituksen, vaikka kansantaloudelliset ja ympäristölliset näkökohdat tukisivat pikemminkin päinvastaista linjaa.

Missä kaikkialla dieseleitä sitten käytetään? Henkilöautoissa niillä on pitkään ollut verokohtelun takia varsin pieni markkinaosuus useissa länsimaissa. Poikkeuksiakin toki on: Italiassa ja Ranskassa dieseleiden osuus autokannasta on varsin huomattava. Muuallakin ovat uudet verraten tehokaat ja ennenkuulumattoman taloudelliset suorasuihkutusturbodieselit onnistuneet innostamaan jopa vannoutuneita bensiinimoottorin kannattajia siirtymään dieselautoihin ja niinpä dieselien määrä onkin hienoisessa kasvussa.