Dizel-motor

Dizel-motor je motor s unutarnjim izgaranjem, koji koristi dizel kao pogonsko gorivo i koji radi Dieselovim ciklusom. Izumio ga je 1892. godine njemački injženjer Rudolf Diesel.

Dizelski motor je karakterističan po tome što nema svjećice, u cilindru se komprimira čist zrak, koji postiže toliku temperaturu da se nakon ubrizgavanja goriva u cilindar motora gorivo samozapaljuje. Tlakovi i temperature u cilindru su veći nego kod benzinskih motora, kao i stupanj iskorištenja.

Historija

Dizelski motor proizveden 1906. godine u firmi MAN AG

Patent izvedbe motora Rudolf Diesela iz 1893. godine

1862: Nicholas Immel razvija svoj motor na ugljen, sličan po principu rada dieselskom motoru.
1892: Rudolf Diesel usavršava princip rada diesel motora, koji vremenom dobiva njegovo ime.
1893: 10 kolovoza Rudolf Diesel proizvodi prvu radnu inačicu svoje zamisli
1896: Hornsby proizvodi traktore i lokomotive s diesel motorom
1897: Winton Motor Carriage Company proizvodi prvi automobil u SAD s dizel motorom
1898: Rudolf Diesel poboljšava svoj motor, te ga takvog patentira. Burmeister & Wain (B & W)Danska kupuje prava izrade dizelskog motora.
1899: Diesel prodava licencu proizvođačima Kruppu i Sulzeru, koji postaju poznati proizvođači.
1904: Francuska gradi prvu podmornicu s dizelskim motorom.
1905: Četiri turbopuhala za dizelske motore i međuhladnjak stlačenog zraka su prvi put proizvedeni (tvrtka Büchl iz Švicarske), kao i prvi superpunjač (tvrtka Creux iz Francuske)
1912: Prvi brod s dizelskim motorom (MS Selandia) je isgrađen.
1914: Njemačke podmornice (U-Boat) se pokreću MAN dizelskim motorima. Motori dokazuju svoju pouzdanost u ratu.
1924: Pojavljuju se prvi kamioni s dizelskim motorom.
1933: Citroën proizvodi Rosalie, prvi putnički auto s dizelskim motorom.
1936: Hindenburg se pokreće dizelskim motorom.

Prijepori oko izuma

Oko motora koji bi radio na neko drugo gorivo, različito od benzinskog motora, istraživanja su se vršila na mnogo mjesta. Jedan od takvih izuma bio je i motor s užarenom glavom kojeg su Herbert Akroyd Stuart i Charles Richard Binney patentirali 1890 za rad s ugljenom prašinom.

Dvije godine nakon njih, Diesel registrira svoj patent koji radi na tekuće gorivo, na diesel. Otada pa do danas, traju prijepori oko stvarnog autora ovog motora, potencirani od strane naučnika engleskog govornog područja, koji pokušavaju dokazati da Diesel nije prvi izumio ovaj tip motora, već da je dizelski motor izumljen u Engleskoj. Naročito se pokušava potencirati izvorna izvedba Rudolfa Diesela s ubacivanjem goriva u cilindar s mlazom toplog zraka, koja je vrlo brzo zamijenjena mehaničkim ubrizgavanjem pod tlakom koji daje sisaljka, što se kao izum pripisuje Stuartu i Binneyu.

Ukoliko pogledamo definiciju procesa Diesel, tada možemo vidjeti koja je njegova osnovna razlika od Otto procesa. To je paljenje goriva u cilindru, koje se vrši na potpuno drugačiji način. Tu se razlikuju i gore spomenuta dva tipa motora. Paljenje goriva se kod motora s užarenom glavom vrši toplinom koju ima dio glave motora, dakle, posrednim utjecajem, dok je kod diesel motora ono samozapaljenje uslijed visoke temperature zraka u cilindru. Na ovom argumentu padaju svi argumenti o ništavnosti Dieselovog patenta, jer je on prvi patentirao motor kojem se izgaranje vrši uslijed samozapaljenja, što je i danas glavna karakteristika dizelskog motora.

Izvorna Dieselova ideja i njen krah

Izvorna izvedba Diesel motora je bila s mlazno-zračnim ubrizgavačima. Mlazno zračni ubrizgavači goriva su dobili ime zbog komprimiranog zraka iz boce pod tlakom koji ulazi u gorivo i tvori sitni atomizirani oblik koji preko igličastog ventila ulazi u komoru izgaranja. Pritisak za mlazne ubrizgavače, koji je bio malo poviše pritiska izgaranja u cilindru, je bio proizveden sa vodom hlađenim kompresorom pokretanim s ojnice preko zglobnog polužja. Rudolf Diesel od trenutka pronalaska osobno nije nikad potpuno bio zadovoljan s ovim konceptom (koji je on zvao samo-mlazno ubrizgavanje), jer je bio složen i stoga sklon kvarovima, ali i također zbog toga što je zračna sisaljka oduzimala i do 15% izlazne snage motora.

Diesel je podnio i zahtijev za patent 1905 godine predviđajući ubrizgavanje goriva, s tlakovima ubrizgavanja od nekoliko stotina atmosfera. Glavna zamisao je bila ugradnja sisaljke i ubrizgača na zajedničko mjesto u glavi cilindra. Ta ideja nije realizirana, a jedini razlog koji je naveden za zanemarivanje razvoja te zamisli je bio nedostatak zanimanja proizvođača motora.

Obnovljeno zanimanje je došlo u 1920 godini kada je Vickers-ov tehnički direktor McKechnie (neovisno o Dieselu, i šest mjeseci kasnije od istoimenog patenta Deutza) predložio u Engleski patent kao „skupni sustav bezračnog direktnog ubrizgavanja“ s tlakom između 140 i 420 bara. Od 1915 on razvija i testira dizel motor s direktnim ubrizgavanjem, i zato se smatra izumiteljem jakih motora s direktnim ubrizgavanjem (pogotovo na engleskom govornom području). Osam godina poslije je postalo moguće izraditi pouzdanu sisaljku za ubrizgavanje koja ostvaruje visoke tlakove, što je značajno proširilo opseg primjene.

Neophodna izmjena tehnologije za ubrizgavanje goriva ima početke u ranim danima razvoja motora(Doxford probni motor je 1911 god. bio pretvoren za ubrizgavanje goriva bez zraka), a odgovarajući materijali i tehnološka izrada su bili stalno razvijani za sve veća naprezanja bregaste osovine, sisaljke, dijelova ubrizgavača. Unapređenje direktnog ubrizgavanja goriva je bilo također bitno za razvoj manjih brzokretnih dizel motora.

Teoretski Diesel proces

Diesel generator na tankeru

Dijagram teoretskog Diesel procesa

Po većini svojih sastavnih dijelova dizelski motor je istovjetan benzinskom motoru. Oba motora imaju klip, košuljicu, glavu, i sustav prijenosa gibanja iz ravnocrtnog u kružni. Obje vrste motora mogu biti izvedene kao dvotaktni i kao četverotaktni motor. Jedina prava razlika je kod sustava goriva i njegovog paljenja, koji se potpuno razlikuju kod ova dva tipa motora.

Kod benzinskog motora, smjesa goriva i zraka se stvara izvan cilindra i tijekom usisa se smjesa ubacuje u cilindar i komprimira. Paljenje komprimirane smjese se vrši svjećicom. Dizelski motor usisava samo zrak, a kako ima veći stupanj kompresije, tlači zrak na veću temperaturu (700 do 900 stupnjeva C) i na veći tlak. Gorivo se pri kraju kompresije ubacuje u cilindar, uz pomoć sisaljke koja postiže veliki tlak (visokotlačna sisaljka) i uređaja koji gorivo raspršuje na sitne kapljice (rasprskač). Sitne kapljice goriva se uslijed visoke temperature okoline samozapaljuju i tako proizvode energiju unutar cilindra.

Osnovne razlike između Otto i Diesel procesa su u krajnjem tlaku kompresije koji je znatno veći kod diesel procesa, a time i u temperaturi na kraju kompresije. Također, vrijeme izgaranja kod Otto procesa je kraće, jer je smjesa već napravljena izvan cilindra, te se ne troši vrijeme na stvaranje smjese, a i samo gorivo se razlikuje po sastavu, te gorivo za Otto motore lakše izgara od goriva za Diesel motore.

Teoretski, ovaj proces možemo opisti na sljedeći način:

1-1' :klip se giba ka GMT, tjerajući zaostale ispušne plinove iz cilindra

1'-1 :klip se giba od GMT ka DMT, stvarajući podtlak u cilindru, koji omogućava usisavanje zraka u cilindar

1-2 :izentropska kompresija zraka u cilindru koja traje sve do GMT

2 :ubrizgavanje goriva u cilindar

2-3 :izgaranje goriva u cilindru po izobari, klip se giba ka DMT

3-4 :izentropska ekspanzija plinova u cilindru

4-1 :ispuh pri izohori

Teoretski Sabathe proces

Dijagram teoretskog Sabathe procesa

Proces koji je naveden u gornjem poglavlju ne odgovara u potpunosti onome što se zbiva u cilindru, mnogo bliži pravom opisu je Sabathe proces koji je prikazan na slici desno.

Sabathe proces možemo opisati:

1-1' :klip se giba ka GMT, tjerajući zaostale ispušne plinove van iz cilindra

1'-1 :klip se giba od GMT ka DMT, stvarajući podtlak u cilindru, koji omogućava usisavanje zraka u cilindar

1-2 :adijabatska kompresija zraka u cilindru koja traje sve do GMT

2 :ubrizgavanje goriva u cilindar

2-3 :izgaranje dijela goriva u cilindru po izohori, tj. trenutno

3-4 :izgaranje drugog dijela goriva u cilindru po izobari, klip se giba ka DMT

4-5 :adijabatska ekspanzija plinova u cilindru

5-1 :ispuh pri izohori

Sustavi ubrizgavanja goriva

Rudolf Diesel je u svoju prvu izvedbu motora napravio s ubrizgavanjem goriva uz pomoć stlačenog zraka, koji je raspršivao gorivo i ubacivao ga u cilindar uz pomoć sapnice. Nedostatak ovog sustava je bio veličina kompresora zraka i velika energija potrebna za njegov pogon. Zbog ovih nedostataka uvedena je dobava goriva mehaničkim putem, odnosno preko sisaljke visokog tlaka, koja je dizala tlak tekućine i kroz raspršivač je ubacivala u cilindar u vidu fine magle goriva.

Danas velika većina dizelskih motora upotrebljava sustav s ubrizgavanjem goriva sisaljkom, koja se izvodi na više načina. Starije izvedbe su imale mehaničku sisaljku pokretanu kvrgom bregaste osovine ili posebnim pogonom izvedenim s koljeniaste osovine, dok nove izvedbe imaju većinom modernine sustave zajedničkog voda (common -rail) ili hidraulične sustave za ubrizgavanje, gdje su u bloku sisaljka i rasprskač.