Diiselmootor

Diiselmootor on kolbsisepõlemismootor, mille iseloomulikud tunnused on küttesegu moodustumine vahetult silindris ja selle isesüttimine.

Erinevalt Otto mootoritest, mille silinder täidetakse väljaspool silindrit (karburaatoris või kütuse elektrooniliselt juhitava pihustamisega õhu sisselasketrakti) moodustatud kütteseguga, täidetakse diiselmootori silinder õhuga.

Survetakti ajal õhk komprimeeritakse rõhuni 4…10 MPa ning õhu temperatuur saavutab 530…730 C, mis 2…3 korda ületab diiselmootorites kasutatavate kütuste isesüttimise temperatuuri. Survetakti lõpus, vahetult enne töötakti algust pihustatakse kõrge surve all silindrisse kütus, mis segunedes õhuga moodustab küttesegu. Kütuseosakeste segunemine õhuga ja kuumenemine vältab 3…5 ms, mille järel küttesegu süttib komprimeeritud õhu kõrge temperatuuri toimel.

Kuna õhk on mittepõlev gaaside segu, võimaldab see diiselmootorites Otto mootoritega võrreldes kasutada kõrgemaid surveastmeid ning sellega kaasnevaid kõrgemaid põlemisprotsessi parameetreid (maksimaalne põlemisrõhk ja –temperatuur), mis loob eeldused kõrgema kasuteguri saavutamiseks. Diiselmootori tööprotsessi eripärad nõuavad küll tugevamat ja seega ka raskemat konstruktsiooni ning piiratud pöörete arvu, kuid võimaldavad kasutada bensiinidega võrreldes ohutumaid ja odavamaid kütuseid (diislikütused, masuudid, raskekütused).

Ajalugu

Diiselmootori leiutaja saksa insener Rudolf Christian Karl Diesel (18. märts 1858 – 29. september 1913) andis Pariisis 27. veebruaril 1892 sisse taotluse patendi saamiseks uut tüüpi kolbsisepõlemismootorile, mis kõrgete tõõparameetrite tõttu tõotas suuremat efektiivsust, kui siis kasutusel olnud soojusmootorid, ja saigi patendi 27. veebruaril 1893. Sama aasta juulis jõudis ta ka oma leiutatud kivisöetolmul töötava eksperimentaalmootori ehitatamiseni, mis katsetamise käigus plahvatas ning peaaegu tappis Dieseli ja ta kolleegid. Et ka edasised katsetused tulemusi ei andnud, jäeti kivisöetolm kütusena kõrvale ja pöörduti tagasi vedelkütuste juurde.

Augsburg-Nürnbergi Masinavabrikus (Maschinenfabrik Augsburg Nürnbergi, alates 1906. aastast MAN AG) Rudolf Dieseli jooniste järgi ehitatud ühesilindriline diiselmootor (13,1 kW, 152 p/min) läbis edukalt katsetuse 17. veebruaril 1897. Katsetel registreeriti mootori kasuteguriks 26,2%, mis ületas tunduvalt teiste soojusmootorite kasuteguri. Edukas katse suurendas huvi uut tüüpi soojusmootori vastu ning diiselmootorite ehituse ja arendusega hakkasid tegelema praeguseni tuntud masina- ja laevaehitusettevõtted (Saksamaal MAN, Taanis Burmeister&Wain, Šveitsis Sulzer, Suurbritannias Mirrlees-Blackstone, Rootsis AB Diesels Motoren jt.).

Esimene diiselmootoriga laev oli 1903. aastal Ludvig Nobeli asutatud Peterburi Nobeli tehases (praegune Russki Diezel) pukseeritavast naftapargasest ümber ehitatud 75 m pikkune 800-se mahutavusega tanker VANDAL. Kolme sõukruviga tankeril oli kolm 3-silindrilist Rootsi firmas AB Diesels Motoren ehitatud diiselmootorit (a' 120 hj, 250 p/min). 1904. aastal lisandus kahe peamasinaga tanker SARMAT juba Nobeli tehases valmistatud diiselmootoritega (a'180 hj, 260 p/min).

Läbimurdeks mootorlaevade kasutuselevõtus said 1912. aastal Kopenhaageni laevatehases Burmeister&Wain ehitatud 117,9 m pikkune kahe sõukruviga kaubalaev SELANDIA, mille peamasinateks olid kaks reverseeritavat neljataktilist ristpeamootorit koguvõimsusega 2500 hj ja sama aasta augustis Šveitsis Sulzeri laevatehases kahe kahetaktilise diiselmootoriga (koguvõimsusega 1700 hj) kaubalaev MONTE PENEDO. Selle tulemusel kasvas maailmas suuresti diiseljõuseadmetega ehitatavate kauba-, reisi- ja sõjalaevade arv. Kui Esimese maailmasõja alguseks oli maailmas ca 300 tsiviillaeva, siis Teise maailmasõja alguseks oli neid 8000, mis oli 25% laevade koguarvust. Teine maailmasõda peatas tsiviilotstarbeliste laevade ehitamise aastateks ja intensiivne meretranspordi areng taastus alles pärast sõda, kusjuures valdavaks laevatüübiks said mootorlaevad. Tänapäeval on 99% maailma tsiviillaevastikust mootorlaevad. Praeguseks on uutest ehitatavatest laevadest aurulaevadele jäänud vaid kaks marginaalset nišši:

• tuumajõuseadmetega laevad, mis on kasutuses vaid üksikute suurriikide sõjalaevastikes suurte lennukikandjate ja piiramatu tegevusraadiusega allveelaevade näol, tsiviillaevadest mõned arktilised jäämurdjad
• kaubalaevadest juba selgelt langeva trendiga veeldatud maagaasi (LNG) tankerid.

Tänapäevaste diiselmootorite agregaatvõimsused ulatuvad 80000 kW-ni, mis katab praktiliselt kogu sõukruvile ülekantava võimaliku võimsuste vahemiku auruturbiinidega võrreldes 30...40% väiksema kütusekulu juures. Seega on aurujõuseadmete kunagine juhtpositsioon laevade jõuseadmetena nüüdseks, kui laevastiku valdava osa moodustavad mootorlaevad, taandunud põhiliselt laeva soojusenergiaga varustamisele ja mõnel laevatüübil lisaks ka mehaanilise energia tootmisele abiturbiinide abil elektrigeneraatorite või pumpade käitamiseks.

Laevadel kasutatavad diiselmootorid

Laeval kasutatavad diiselmootorid liigitatakse:

Kasutusotstarbe järgi:

• peadiiselmootorid (peamasinad) laevale käigu tagamiseks;
• abidiiselmootorid (abidiislid, abimasinad) elektrigeneraatorite käitamiseks;
• autonoomsed diiselmootorid – kantavad pumbad, eraldiseisvad avariituletõrjepumbad, paadimootorid vms.

Tööprotsessi järgi:

• neljataktilised diiselmootorid (töötsükkel igas silindris toimub nelja takti, st. väntvõlli kahe täispöörde kestel).

Neljataktilise diiselmootori gaasijaotusseadmeteks on silindrikaanesse paigaldatud sisse- ja väljalaskeklapid.

• kahetaktilised diiselmootorid (töötsükkel igas silindris toimub kahe takti, st. väntvõlli ühe pöörde kestel).

Kahetaktilise diiselmootori gaasijaotusseadme funktsiooni täidab täielikult (silindri alaosase sissetöödeldud läbipuhke- ja väljalaskeaknad, mis paiknevad perimeetri vastaskülgedel või ühel küljel ülestikku) või osaliselt (silindri alaosas on kogu perimeetri ulatuses sisselaskeaknad, heitgaaside väljalask toimub silindrikaanesse paigaldatud väljalaskeklapi kaudu) mootori kolb. Tänapäeva laevades kasutatakse neljataktilisi diiselmootoreid üldjuhul abimasinatena, kuid paljudes laevades ka peamasinatena, kahetaktilisi peamiselt suuremate kaubalaevade peamasinatena.

4-taktilise mootori töötsükkel

2-taktilise mootori töötsükkel

• ülelaadimiseta diiselmootorid (mootori silindrite täitumine toimub atmosfäärirõhul);
• ülelaadimisega diiselmootorid (mootori silindrite täitmine õhuga toimub ülerõhu all).

Neljataktilised mootorid võivad olla nii ülelaadimiseta kui ülelaadimisega, kuid tänapäeval on need praktiliselt kõik ülelaadimisega. Kahetaktilised diiselmootorid on eranditult ülelaadimisega. Kõigis nüüdisaja diiselmootorites kasutatakse eranditult gaasiturbiinülelaadimist.

Pöörlemissageduse järgi:

• aeglaste pööretega diiselmootor nimipööretega (ettenähtud pöörete arv lubatud maksimaalsel võimsusel) 55 – 250 p/min;
• keskmiste pööretega nimipööretel 250 – 750 p/min:
• suurte pööretega nimipööretega > 750 p/min.

Ehituse järgi on läbi aegade valmistatud mitmeid erinevaid konstruktsioone, kuid vänt-kepsmehhanismi kinemaatilise skeemi lahenduseks on põhimõtteliselt kaks varianti:

• ristpeata diiselmootorid;

Ristpeata diiselmootorites on keps vahetult ühendatud kolviga.

• ristpeaga diiselmootorid;

Ristpeamootorites on kolb jäigalt ühendatud kolvisäärega, kolvialune ruum on mootori karterist eraldatud diafragmaga ja kolvisääre tihendiga. Kolvisääre alumine ots on kinnitatud ristpea tapi külge, tapi keskosa ja kepsu ühendab ristpea laager. Ristpea liikumise rangelt silindri telje sihis tagavad liugurid, see välistab kolvi surumist vastu silindri seina, vähendades sellega kolvigrupi ja silindrihülsi kulumist. Väheste eranditega on kõik keskmiste ja kiirete pööretega laevamootorid (nii abi- kui peamasinad) tänapäeval neljataktilised ristpeata diiselmootorid, valdav enamik keskmiste ja suurte kaubalaevade peamasinatest on kahetaktilised aeglaste pöörete ja pika kolvikäiguga ristpeamootorid.

Ristpeamootori ja ristpeata mootori skeem

Silindrite paigutuse järgi on valmistatud mitmeid variante (tähtmootorid, boksermootorid, vastaskolbidega mootorid), kuid kõige levinumad on nüüdislaevadel ristpea- või ristpeata vertikaalsed üherealised ehk ridamootorid silindrite arvuga kuni 12 (väheste eranditega 14) ja kaherealised eranditult (siiani) ristpeata V-kujulised mootorid silindrite arvuga kuni 22.

Rida- ja V-mootori skeem

Viimastest suundumustest laevamootorite arengus

Ehkki diiselmootorite areng, nii nagu mistahes tehnikavaldkonnas, on katkematu ja pidev protsess, võib alates sajandivahetusest täheldada põhimõttelisi uuendusi. Märksõnadeks on tõusnud merekeskkonna kaitse ja alternatiivid naftast toodetud vedelkütustele, ehkki laiemas plaanis on need teineteisega seotud.

Kuni sajandivahetuseni olid kõik diiselmootorid varustatud väntvõlliga kinemaatiliselt ühendatud nukkvõlli(de)ga, millelt käitatakse gaasijaotusklapid ja kütuse kõrgsurvepumbad. Seega võrdeliselt väntvõlli pöörete arvuga muutub ka kütuse kõrgsurvepumpade plunžerite liikumise kiirus, millest sõltub kütuse pihustusrõhk. Et aga sellest sõltub olulisel määral põlemisprotsessi efektiivsus ja koos sellega mootori ökonoomsus, siis madalatel koormustel ja tühikäigul on iseloomulik kütuse erikulu suurenemine ja väljalaskegaaside suitsusisalduse tõus koos kaasnevate kahjulike emissioonide, põlemiskambri ning gaasitrakti saastumine tahma, kütuse ja silindriõliga.

Selle probleemi lahendus leiti elektrooniliselt juhitavate, nn. "ühtse surveliiniga" (inglise common rail) mootorite näol. Neis mootorites on kas kõigi silindrite või 2…4 silindrist koosnevate silindrigruppide jaoks üks ühtne kõrgsurvepump või pumpade plokk, mis tagab pidevalt kvaliteetseks pihustamiseks vajaliku survega kütuse spetsiaalses survemahutis, sellessamas "ühtses surveliinis" sõltumatult mootori pöörete arvust või koormusest. Ühtsest surveliinist suunab elektrooniline juhtplokk kütuse kas vahetult solenoidventiili või sellega seotud hüdrovõimendi kaudu vajalikul momendil ja vajalikus koguses pihustisse.

Tänapäeval on kõik juhtivad mootoritootjad lisanud oma tootekataloogidesse traditsiooniliste nukkvõlliga mootorite kõrval elektrooniliselt juhitavad versioonid; praeguseks on neid mootoreid ekspluatatsioonis nii laevadel kui ka maismaasõidukeil juba kümneid tuhandeid. Esimesed kokkuvõtted näitasid laevadel 2…3% kütusekulu vähenemist, eeskätt ökonoomsuse suurenemisest töötamisel osakoormustel ning praktiliselt suitsuvaba tööd kõigil töörežiimidel. Tähtis eelis elektrooniliselt juhitavatel mootoritel on võimalus mootori töö ajal reguleerida vastavalt ka kütuse pihustamise ajastust jt. parameetreid.

Keskkonnakaitsega on otseselt seotud teinegi trend mootoriehituses. IMO ja Euroopa Liidu direktiivide kohaselt rakendati alates 1. jaanuarist 2015 Läänemerel, Põhjamerel koos Inglise kanaliga ja Põhja-Ameerika rannikuvetes enam kui 0,1% väävlisisaldusega kütuste kasutamise keeld, et radikaalselt vähendada keskkonnakahjulike vääveloksiidide (SOx) emissiooni, mis on eriti kahjulikud tiheda laevaliiklusega rannalähedastel aladel. Neile tingimustele vastavad destilleeritud diislikütused MGO ja eriti hästi sobib praktiliselt väävlivaba maagaas. Maagaasi säilitamine laevadel vajalikes kogustes on võimalik ainult veeldatud kujul (LNG – Liquified Natural Gas) atmosfäärirõhul. Ehkki LNG kasutamine on ülimadala temperatuuri (-162 C) tõttu tehniliselt vägagi komplitseeritud, nähakse selles lähitulevikus üht peamist alternatiivi naftakütustele. LNG eelisteks on väävli, raskestipõlevate või mittepõlevate lisandite puudumine, suhteliselt madal hind ning u. 25% kõrgem kütteväärtus, mille tõttu CO2 emissioon on samuti vastavalt väiksem.

Ehkki veel on merel sõitmas suhteliselt väike arv LNG-laevu, u. 500 LNG tankerit ja vähem kui 200 muud laeva, on peaaegu kõik juhtivad mootoritootjad välja töötanud ja tootmisse lasknud nn. kahekütuselisi (DF-Dual Fuel) laevamootoreid, nii kahetaktilisi ristpeamootoreid kui ka neljataktilisi. Kõik need mootorid võivad töötada nii vedelkütuse kui ka gaasiga. Neljataktilised kahekütuselised mootorid töötavad seejuures vedelkütusel nagu diiselmootorid, kuid gaasirežiimis töötavad Otto mootoritena, st. lahja küttesegu valmistatakse ette sisselasketraktis ning maagaasi kõrge isesüttimistemperatuuri tõttu toimub selle sundsüütamine kas pilootkütuse (diisli- või raskekütus 1…2% kütuse koguhulgast) või sädesüütega.

Autorid:

• Heino Punab
• Jüri Kask

Allikad

• Heino Punab.Laeva jõuseadmed. Eesti Mereakadeemia 2008. ISBN 978-9985-808-351.
• Jaan Läheb. Laeva diiselmootorite ehitus.Eesti Mereakadeemia 2008.ISBN 978-9985-898-37-5