Tekniken i en modern dieselmotor

Tekniken i en modern dieselmotor

Dieselmotorn har genomgått en teknisk revolution de senaste 20 åren. Med modern teknik ger en diesel på 150 hk idag i princip samma prestandaupplevelse, vad gäller acceleration och praktisk toppfart, som en turboförsedd bensindriven bil på uppåt 200 hk. Men med betydligt lägre bränsleförbrukning och utsläpp av koldioxid.

Den bensindrivna fyrtaktsmotorn uppfanns av Nikolaus August Otto 1867, medan dieselmotorn uppfanns av Rudolf Diesel, 1898. Båda arbetsprinciperna är alltså gamla, väl beprövade och tillämpas i konstruktioner som genom alla år vidareutvecklats.

Medan bensinmotorn i mer än 100 år utvecklats steg för steg, hade dieselmotorn under 50 års tid en långsammare utveckling med, inledningsvis, tvåventils förkammarteknik och med mekaniskt styrd lågtryckinsprutning. Det gav måttliga specifika prestanda jämfört med Ottomotorer.

Försprånget inhämtat
Dieseln har tidigare uppfattats som ett sämre alternativ, sett till prestanda och miljöpåverkan. Stinkande, knackande och kladdigt bränsle, har varit omdömena. I stora delar av Europa har dock diesel sedan länge åtnjutit stor popularitet tack vare sin höga bränsleeffektivitet. Men i Grekland, Sverige och kanske främst USA och Japan – praktiskt taget de enda länder där det fortfarande finns ett motstånd mot dieseln – kan en del av dessa negativa åsikter finnas kvar.

Eftersom dagens dieselmotor är något helt annat än gårdagens, har sannolikt en del av dessa  åsikter levt kvar som något av myter. De senaste 10-15 åren har en intensiv och kraftfull omställning skett till direktinsprutad diesel med turboöverladdning och fyrventilsteknik. På kort tid har bensinmotorernas relativa försprång nästan helt hämtats in.

En turbodieselmotors specifika vridmoment är väsentligt högre än för bensinmotorer. Det innebär att deras praktiska dragkraft och acceleration oftast är högre än för motsvarande bensinmotorer.

Dagens dieseldrivna bilar accelererar bra samt har hög marsch- och toppfart, vilket är viktigt på en del europeiska nyckelmarknader. Dieselknack kan bara noteras vid kall motor eller på tomgång. De är körglada och allra gladast blir bilägaren för att han behöver tanka så sällan.

En automatväxlad Volvo V70 D5, med 185 hk, kan köras på landsväg med en förbrukning av  5 liter diesel per 100 kilometer. Lika tyst och bekvämt som någonsin medtrafikanten i en bensindriven Volvo V70.

Utsläppen av växthusgasen koldioxid är cirka 20 procent lägre per förbrukad enhet bränsle jämfört med bensin. Ihop med den lägre förbrukningen, och effektiv förbränning med luftöverskott, blir utsläppen totalt låga, även av andra avgasemissioner. I takt med att nya dieslar utrustas med partikelfilter, är partikelutsläppen i princip lika bra som för bensindrivna bilar medan NOx-utsläppen fortfarande är något högre.

Nyckeltekniker
Dieselmotorn är i grunden uppbyggd som bensinmotorn, med skillnaden att den är mekaniskt något kraftigare för att hantera högre förbränningstryck. Enbart luft sugs in i motorns insugskanaler, istället för en förblandning av luft och bensin. Kanalerna utformas för att ge stark rotation och därmed för att anpassas till den specifika dieselförbränningen. Vid kallstart används glödstift för att få igång förbränningen – något som idag i praktiken sker lika snabbt som i en bensinmotor.

Medan bensinen antänds i cylindern av ett tändstift, självantänds dieseln efter insprutning via multihålsspridare under mycket högt tryck in i den snabbt roterande, heta och komprimerade luften. Efter antändningen av den allra första förblandade luft-bränsleblandningen sker diffusionsförbränning av fortsatt insprutat bränsle. En diesel har alltid luftöverskott och motorn behöver inte gasspjäll – laststyrning sker enbart med insprutad bränslemängd.

En nyckelteknik i moderna dieslar är flexibla insprutningssystem – ”common rail” – som har en högtrycksbränslepump med en tryckackumulator. Trycket är reglerbart mellan 500 till uppåt 1 500-2 000 bar och insprutningen sker helt elektroniskt. En liten förinsprutning (pilot injection) initierar förbränningen, vilket möjliggör att nå låga emissioner och mjukare förbränning samt lägre ljud. Spridarna har numera 5-7 ytterst små och noggrant utformade hål för att ge bästa spraybildning i cylindrarna och därmed ett högt luftutnyttjande.

Minst 20% effektivare
Annan nyckelteknik är avancerad turboöverladdning. Variabel turbingeometri och ställbara ledskenor före turbinen möjliggör bästa verkningsgrad och högre laddtryck över hela varvtalsområdet. I turbon påverkas ledskenornas vinkel av en pneumatisk eller elektrisk aktuator. Systemet ger möjlighet till effektiv överladdning och luftfyllning samt insprutning av mer bränsle. Det kan ge högre prestanda med bättre verkningsgrad och dessutom lägre avgasutsläpp!

En dieselmotor är 20-30 procent effektivare än en bensinmotor, sett till verkningsgraden. Den utför alltså mer arbete per enhet bränsle. Eftersom dieselbränslet inte har begränsning med knackning som bensin, kan dieselmotorer ha högre kompression, runt optimala 16-19:1 jämfört med cirka 10,5:1 för bensinmotorn.

I bensinmotorn sker alltså första tändningen med tändstift, varefter förbränning sker gradvis med så kallad flamfrontutbredning. Lasten regleras med ett gasspjäll och den stökiometriska blandningen styrs av en syresensor – lambdasond. Detta, tillsammans med en trevägskatalysator, ger bensinmotorn extremt effektiv rening av emissionerna NOx, CO och HC (kväveoxider, kolmonoxid och kolväten).

En exemplifiering kan göras med aktuella cerrtifieringsdata för ett par olika Volvobilar: De summerade utsläppen av kväveoxider och kolväten (NOx + HC) är för en bensindriven bil idag 0,05 gram/km jämfört med 0,22 g/km för dieseln. För utsläpp enbart kolväten är siffrorna likvärdiga. För kolmonoxid (CO) släpper Volvos D5 idag ut 0,205 g/km medan den jämförbara bensinturbon 2,5T har nivån 0,216 g/km.

EGR reducerar NOx
NOx bildas vid förbränningen då den vid hög temperatur genom att syre (O2) binds med kväve (N2). Bildandet är beroende av ”lokala” topptemperaturer vid förbränningen och det ökar med ökande last, alltså vid mer acceleration, högre hastighet och mer last i bilen.

• Kväveoxiderna reduceras  på tre sätt:
• genom styrning av insprutning och förbränning,
• med tillförsel av icke brännbar gas via avgasrecirkulation (EGR),
• samt, i mindre utsträckning, med efterbehandlingseffekter i oxiderande katalysatorer.

EGR innebär alltså att delar av bilens avgaser styrs tillbaka in i förbränningen. Det medför  att även om den resulterande blandningen blir varmare än uteluften, så går specifikt värme upp, och den relativa syrehalten sänks, samt att insuget luftmassaflöde minskar. Nettoeffekten blir en något långsammare och kallare förbränning med totalt lägre temperatur. Därigenom blir de avgaser, som släpps ut, renare med avseende på mängden kväveoxider. Med kyld EGR möjliggörs ännu större inblandning av avgaser, vilket ger lägre förbränningstemperatur och ännu bättre NOx-minskningseffekt.

När en oxidationskatalysator dessutom kopplas till systemet, minskar mängderna kolväten (HC) och kolmonoxid (CO) kraftigt.

Partikelfilter det senaste
Ovannämnda system har i princip alla dieselbilar idag. Det senaste i dieseltekniken är partikelfiltersystem. Dessa finns av två huvudtyper – ADPF respektive CDPF. De tre sista bokstäverna står för Diesel Particulate Filter – dieselpartikelfilter – medan A betyder ”additiv” och C står för "catalyzed".

Dessa fällor har ett substrat, som ser ut som en normal katalysator. Avgaserna leds som i en oxiderande katalysator in i ett stort antal små kanaler. Skillnaden är att i filtret är varje kanals bortre ända stängd. Därför tvingas avgaserna passera genom de porösa väggarna till den andra hälften av kanalerna, som istället är stängda i framkant. Därigenom binds sotpartiklarna på kanalernas väggar.

Bokstaven C i CDPF betyder som sagt catalyzed (katalytiskt belagd), medan A i det andra alternativet betyder additiv. Här doseras ett ofarligt additiv till bränslet, som tillsammans med EGR-systemet ger samma rena avgaser som vid katalysator-systemet. Den katalytiska beläggningen (alternativt additivet) sänker temperaturen för fribränningen av sotet

Med jämna mellanrum bränns de samlade sotpartiklarna bort under en automatiskt styrd avbrännings/regenererings-process. Det sker utan att föraren märker något och ungefär var 50:e mil.

I det första fallet har partikelfällan nästan samma livslängd som bilen själv (240.000 km), medan fällan i fallet med additiv måste ha service då och då för tömning av oförbränd aska  och påfyllning av additiv.

Med användning av partikelfilter, är koncentrationen av stora och små partiklar i nivå eller till och med lägre än i en bensindriven bils avgaser, även med avseende på de skadliga små partiklarna.

Biltillverkarna gör alltså ett omfattande arbete för att minska partikelhalterna i dieselavgaserna. Det sker både i utveckling av ännu effektivare förbränningssystem och efterbehandlingstekniker, och i framtiden kommer sannolikt även oljebolagen att kunna göra en insats genom att utveckla bättre och renare bränslen. Exempel finns på prov med syntetisk diesel, som beräknas kunna ge ytterligare 20% NOx- och 30% partikelreduktion.

Bildtexter:

1. Förenklad bild av principen för ett katalytiskt dieselpartikelsystem (CDPF). Från turbomotorn leds avgaserna genom först en närmonterad oxidationskatalysator innan de fortsätter in i filtret. Hela processen övervakas av bland annat temperatur- och tryckgivare och en lambda-(syre)-sensor.

2. Principen för en dieselpartikelfälla (DPF). I ingångsänden är varannan kanal stängd, medan övriga kanaler är stängda i utgångsänden. Därmed tvingas avgaserna passera genom fällans (”substratets”) porösa väggar. Där fastnar mer än 95% av sotet, också de fina partiklarna.

3. Lagkraven i Europa för maximalt tillåtna utsläpp av olika emissioner har genom åren skärpts i flera steg. Den procentuella minskningen har 1990 års nivå som utgångspunkt. För kolväten (HC) och kväveoxider (NOx) räknas siffrorna samman. Blå siffror är värden för bensindrivna bilar. Alla värden anges i gram per kilometer. För NOx+HC har diesel nästan dubbla utsläpp jämfört med en bensinbil, medan det omvända gäller för koloxid (CO).

4. Partikelfilter av CDPF-typ i genomskärning. P2005_1918

5. Insprutningssystemet i Volvos nya version av dieselmotorn D5 har injektorer med sju mycket små spridarhål, mot tidigare fem. Det ger en mer finfördelad bränsleblandning och som resultat mer effektiv förbränning. Insprutningen kan nu styras  noggrant  i tre steg: förinsprutning, huvudinsprutning och efterinsprutning. Det sista steget är ett viktigt bidrag  till att motorn effektivt kan bränna bort sot ur avgaserna. P2005_2096

6. Liksom tidigare utnyttjas rotationen på insugen luft i cylindrarnas förbränningsrum (”swirl”) i D5-motorn, men med hjälp av ett nytt spjäll kan rotationen nu regleras steglöst och förbränningen därmed justeras ytterst noggrant till körsituationen och motorns aktuella belastning. P2005_2093

7. De variabla ledskenorna i Volvos nya D5-motor har fått en strömningsoptimerad form (vingprofil) och kan dessutom vinklas mer vilket skapar effektivare gasströmning och ökad turboverkningsgrad. Förbättringarna bidrar till både snabbare acceleration och bättre högfartsresurser. P2005_2094

50245/HM, CR