Nýja dísilvélin:
Tæknileg þróun; afl, snerpa, sparneytni,
mengunarvarnir og umhverfisáhrif

Eftir Leó M. Jónsson iðnaðar- og vélatæknifræðing. © Öll réttindi áskilin.

(Þessi grein er unnin fyrir IB á Selfossi í juní 2005. Vakin er athygli á að einnig er fjallað um nýju dísilvélina í grein um Ford F-250 6.0 PowerStroke - sjá BÍLAPRÓFANIR)

Þýski verkfræðingurinn Rudolf Diesel (1858-1913) fann upp dísilvélina 1893 og fékk skráð einkaleyfi fyrir henni 1897. R. Diesel vann m.a. við tæknilegar úrbætur á gufuvélum sem, þegar best lét, nýttu einungis um 10% af varmaorku eldsneytisins, og varð til þess að hann fór að velta fyrir sér virkari brunavél. Árangurinn varð vél, sem nýtti 34% af varmaorku eldsneytisins sem hreyfiafl, og kom á markaðinn 1902. Eins og eðlilegt er nefndist hún Diesel-vél (en bensínvélin nefndist Otto-vél eftir sínum uppfinnara August Otto). 1893 kom út bók eftir Rudolf Diesel sem nefndist ,,Theorie und Konstruktion eines rationellen Värmemotors". Í henni gerði hann grein fyrir rannsóknum sínum og tilraunum.

Fræðilega séð og frá sjónarhóli varmaaflsfræðinnar er grundvallarmunur á bensínvél og dísilvél sá að bensínvél brennir fljótandi eldsneyti við stöðugt rúmtak (isokor) en dísilvél við stöðugan þrýsting (isobar). Í dísilvél er þjöppun um það bil tvöföld miðað við bensínvél; kveiking verður vegna þrýstings án neistagjafar og eldsneytinu er sprautað inn en ekki sogað inn eins og í bensínvél.

Áratugum saman var dísilvélin lítið breytt. Með auknum mengunarvörnum í Bandaríkjunum upp úr 1970 og síðar í Evrópu og hertum kröfum um mengunarvarnir upp úr 1990, og fyrir tilstilli tölvutækninnar, hófst nýtt skeið tækniþróunar varðandi brunavélar, einkum og sér í lagi dísilvélar. Árangur hefur verið að koma í ljós, einkum frá og með árinu 1999 þegar verulega endurbættar dísilvélar komu með fullkomnari innsprautu- og vélstýribúnað. Sú þróun hefur m.a. gert það að verkum að hjá Efnahagsbandalagi Evrópu er fjölgun dísilbíla liður í umhverfisstefnu, - átaki sem miðar að minnkun loftmengunar frá umferð. Dísilvélin er vistvænni og sparneytnari (30-40%) en bensínvél enda fjölgar fólksbílum með dísilvél í V-Evrópu árlega og samkvæmt markaðsspáma) mun helmingur allra seldra fólksbíla á EBE-markaðnum árið 2008 vera dísilbílar (tilvísun a).

Á 5 árum - gjörbreytt dísilvél
Með nokkurri nákvæmni má tímasetja ákveðin þróunarskil varðandi dísilvélar við árið 1999. Mest hefur þróunin orðið í dísilvélum fyrir þyngri bíla, þ.e. flutningabíla og rútur. Aukin sparneytni flutningabíla hefur þegar sparað gríðarlega fjármuni í Evrópu og Bandaríkjunum og þannig aukið kaupmátt almennings. Þróun, sem hófst í stærri vélum, hefur leitt til framfara á sviði minni dísilvéla svo sem í bandarískum rýmisbílum (SUV), jeppum og pallbílum.

Frá árinu 2000 hefur enginn þáttur í þróun fjórhjóladrifsbíla þróast jafn mikið og dísilvélin - sú þróun hefur verið örari og afdrifaríkari en á sviði bensinvéla. Dísilvélar, sem tóku við upp úr 1999/2000, eru hannaðar til að standast breyttar og verulega hertar kröfur um mengunarvarnir, annars vegar frá 2005 í EBE-löndunum fyrir stærri bíla og hins vegar frá sama tíma í Bandaríkjunum fyrir alla bíla án tillits til stærðar, þyngdar, hönnunar, vélargerðar eða þess eldsneytis sem bílvél brennir. Bandarískir bílar af árgerð frá 2003/2004 eru nánast undantekningarlaust með dísil- og bensínvélum af þessari nýju gerð. Sé ekki annað tekið sérstaklega fram í þessum texta er átt við dísilvélar með slagrými innan við 10 lítra.

Helstu breytingar
Stærsta og merkilegasta breytingin er að dísilvélin er ekki lengur gróf, titrandi, hávær og blásandi frá sér illa lyktandi reyk í bíl sem ekki drattast úr sporunum þótt inngjöfin sé troðin. Dísilvélin er heldur ekki lengur háð þeim annmarka að bíða þurfi vegna forhitunar við gangsetningu heldur eru nýjar dísilvélar gangsettar á nákvæmlega sama hátt og bensínvél og þeim er engin greiði gerður með óþarfa lausagangi frekar en bensínvélum. Nú er dísilvélin þýðgeng, reyklaus og nánast lyktarlaus og ótrúlega sparneytin. Hvað varðar afl og snerpu eru ekki margir bensínbílar sem standast samanburð, t.d. við nýja bandaríska jeppa og pallbíla með dísilvél. Hins vegar er rétt að hafa í huga að tækniþróunin hefur ekki unnið bug á náttúrulögmálum. Eftir sem áður eru afköst dísilvélar háð slagrými í meiri mæli en afköst bensínvélar. Í Evrópu gilda enn reglur sem eiga að takmarka slagrými véla og eru enn sniðnar að eðli bensínvéla. Því er viðbúið að ýmsir þyngri bílar, t.d. jeppar fyrir evrópska markaðinn, verði áfram um stund með of litlar dísilvélar.

Enn sem komið er megnar enginn tæknibúnaður að gera 2,5 tonna jeppa með 3ja lítra dísilvél snöggan eða lipran - til þess þarf slagrýmið að vera um og yfir 4 lítrar. Síðan 1999 hefur nituroxíð í útblæstri bandarískra jeppa/pallbíla með dísilvél minnkað um 95% miðað við árgerðir 2004 og 2005 b). Nituroxíð er sú gróðurhúsalofttegund (GHL) sem mest áhersla er lögð á að minnka í Bandaríkjunum enda eru gróðurhúsaáhrif nituroxíðs 270-föld áhrif koldíoxíðs auk þess sem það er eitrað. Því eru þessir bílar, þrátt fyrir hlutfallslega stórar vélar, með vistvænustu bílum á markaðnum.

Hedd: Véltækileg hönnun og bygging vélanna hefur breyst: Nýjustu dísilvélar eru nánast undantekningarlaust með hedd úr áli sem er fljótara að hitna (minni mengun við gangsetningu), hitnar og kólnar jafnar en hedd úr steypustáli, er mun léttara og jafnvel sterkara með nýjustu álblöndum og tækni við álsteypu. Álheddin eru undantekningarlaust með 4 ventla á hverju brunahólfi sem eykur flæði í gegnum heddið og sumar dísilvélar eru með fleiri en einn kambás.

Innsprautun: Með tilkomu nýrrar tækni er hægt að sprauta dísilolíu beint inn í brunahólf (DI = Direct injection) í stað forbrunahólfs (IDI = Indirect injection, stundum nefnt ,,forkammer", ) eins og áður tíðkaðist. Beina innsprautunin gerist nú með spíss sem er efst í miðju hveli brunahólfsins (HEMI). Árangurinn er betri bruni, aukið afl með minni mengun í útblæstri auk fleiri kosta.

Pústþjappa: Nýju vélarnar eru undantekningarlaust búnar forþjöppu (turbo) sem knúin er með útblæstrinum. Með forþjöppu fæst aukin bruni og eftirbruni sem eykur afl og snerpu og dregur verulega úr mengunarefnum í útblæstri. Pústþjappan minnkar áhrif þynnra lofts þegar ekið er á hálendi sem getur munað töluvert um hjá stærri bílum með farm eða vagn í drætti.

Nýtt olíukerfi: Í stað olíuverks, nálarspíssa og spíssaröra heldur dæla ákveðnum þrýstingi á forðagrein (common rail) sem er áföst spíssunum. Þrýstingur er margfalt meiri en í gömlu olíuverks-kerfunum og spíssarnir opnast með rafboðum en ekki vegna þrýstings sem snúningshraði vélar ræður. Þessi tækni gefur nákvæmari tímun innsprautunar og jafnari gæði ýrunar yfir allt snúningshraðasviðið. Árangurinn er meira afl, meiri snerpa, meiri sparneytni, minna hljóð og minni mengun í útblæstri.

Tölvustýrt vélkerfi: Með nýjustu rafeinda- og tölvutækni er unnt að stýra og aðlaga virkni hinna ýmsu kerfa vélarinnar eftir álagi og aðstæðum. Til þess notar tölva boð frá skynjurum sem nema hitastig kælivatns, snúningshraða vélar, pústþrýsting inn á þjöppu, stöðu inngjafar, stillingu drifbúnaðar, hraðastig og álag á sjálfskiptingu o.s.frv. Stýrikerfið stjórnar m.a. magngjöf spíssanna með mismunandi ,,breiðum" rafpúlsum sem þýðir að skömmtun þeirra verður mjög nákvæm; vélin vinnur með mestri virkni hvert sem álagið er eða aðstæður. Boð, breytur, forrit og stýring eftir forrituðu (closed loop) og reiknuðu með breytum (open loop) ferli tryggir sem bestan bruna á öllu vinnslusviði vélarinnar.

Lykt: Þrátt fyrir framfarirnar finnst enn lykt af útblæstri dísilvélanna þótt hún sé áberandi minni en áður tíðkaðist. Hins vegar er reykurinn horfinn - sé reykur sjáanlegur er það vegna bilunar. Lyktin er ekki dísilvélinni ,,að kenna" heldur myndast hún vegna brennisteins í dísilolíunni. Brennisteinninn mun hverfa úr dísilolíunni á næstu árum í þrepum og brennisteinslaus dísilolía (og bensín) á að vera fáanleg á öllum áfyllingarstöðvum árið 2006 en þar með á lyktin af útblæstri dísilvéla að hverfa með öllu auk þess sem þá verður hægt að nota 3ja-efna hvarfa til að minnka mengun dísilvéla í næstum ekki neitt. (3ja-efna hvarfi vinnur ekki nema með takmörkuðum afköstum séu brennisteinssambönd í afgasi. Efnin 3 sem hvarfinn eyðir með efnahvörfum eru kolmónoxíð, kolvetni og nituroxíð að hluta).

Hljóð: Hvella hljóðið (smellirnir), sem einkennir eldri dísilvélar, einkum í lausagangi, stafar af höggbylgjum sem myndast þegar spíssinn sprautar skammti eldsneytis inn í brunahólfið í einni lotu. Með því að láta spíssinn sprauta inn í forbrunahólf (forkammer = IDI) tókst að minnka hljóðið. Með því að minnka síðan forhólfið tókst að draga enn meir úr hljóðinu. Gallinn við forbrunahólfin er sá að þau draga umtalsvert úr afli (nýtingu) vegna varma sem safnast fyrir og hleðst upp í heddi og veggjum sílindra.

Með nýrri tækni, þ.e. meiri þrýstingi (forðagrein), rafvirkum spíssum, tölvustýringu og beinni innsprautun án forhólfs (DI), eykst nýting varmaorkunnar um 15%. Sú tækni, sem verið hefur við lýði síðan 1999/2000, gerir kleift að hafa beina innsprautun (,,hemi"-innsprautun, þ.e. efst í miðju hveli brunahólfs) sem eykur afl og tog um allt að 40%. Þar að auki minnkar beina innsprautunin eldsneytisnotkun um 30% - sem þýðir að koldíoxíð og kolvetni í afgasi hafa minnkað á nokkrum árum um 30% einungis vegna þeirrar breytingar, þ.e. úr forhólfs-brunahólfi (IDI) í beina innsprautun án forhólfs (DI).

Með því að beita stýrðri innsprautun (pilot injection) hefur tekist að draga úr höggbylgjunum í brunahólfum sem áður mynduðu dæmigerðu smellina - ,,dísilhljóðið". Í stað þess að spíssinn ýri öllum skammtinum í einu er skammtinum deilt á fleiri skot. Með því að stýra og deila ýrun með forskoti, aðalskoti og eftirskotum hverfur höggpúlsinn og dísilhljóðið. Stýrða innsprautunin minnkar ekki einungis hljóðið heldur myndast með henni eftirbruni sem eykur nýtingu og skilar hreinni útblæstri.

Stýrð innsprautun skammtar eldsneytið fyrir hvert aflslag með 4-5 ýrðum skotum. Það þýðir að í 8 sílindra vél, sem snýst 3500 sn/m, þarf hver spíss að ýra 4375 skömmtum af olíu á mínútu. Það segir sig sjálft að það er ekki framkvæmanlegt nema með nýrri tækni, meiri þrýstingi og hraða, og slíkri innsprautun verður ekki stjórnað að gagni nema með tölvu.

Stýrð innsprautun í bandarískum dísilvélum með beinni innsprautun (DI) kom fyrst í 7.3 l PowerStroke 1999/2000, í GM 6.6 lítra DuraMax 2001 og 2003 í Cummins 5,9 lítra og Ford 6 lítra PowerStroke. Beitt er ýrðu forskoti, þ.e. minni eldsneytisskammti á undan aðalskoti; - eins konar undirbúningsbruni myndast áður en aðalbruni hefst; - í stað höggpúlsins sem áður myndaðist koma tveir brunapúlsar í veg fyrir að dæmigerða dísilhljóðið myndist. Tímun og magn forskotsins ræður því hve hljóðdeyfing verður mikil. Tími á milli forskots og aðalskots skiptir máli; - því styttri sem hann er því meiri verður hljóðdeyfingin. Bilið á milli skota er nú 7/10000 úr sekúndu. Stýrð innsprautun auðveldar jafnframt kaldræsingu, minnkar titrun í kaldri vél og dregur úr mengun í útblæstri á meðan vélin nær vinnsluhita (kaldari bruni = minna af nituroxíðum). Það gefur augaleið að stýrðri innsprautun fylgir meira álag á spíssa.

Við samanburð á reglum mengunarstaðla sem nú og á næstunni ganga í gildi fyrir bíla í Bandaríkjunum og hjá Efnahagsbandalagi Evrópu má sjá að kröfur sem gerðar eru í Bandaríkjunum um mengunarvarnir eru meiri, einfaldari og strangari. Heimild: ,,Varnir gegn mengunarefnum í afgasi farartækja í Bandaríkjunum og Evrópu (EBE)". Skýrsla. Nóv. 2004. Leó M. Jónsson iðnaðar- og vélatæknifræðingur, ráðgjafarstofa Reykjanesbæ. (Bls. 19).

Stærsta skrefið (Common rail)
Tæknimenn hafa lengi vitað að ein af helstu forsendum þess að auka mætti snerpu og afl dísilvéla og minnka um leið mengun í útblæstri væri að þrýstingur að spíssum, ýrun og skömmtun eldsneytisins, væru óháð snúningshraða vélar.

Fyrsti búnaðurinn sem uppfyllti þessi skilyrði var þróaður af Denso í Japan og notaður í Hino-vörubílum 1995. Búnaðurinn nefndist ,,Common rail" - á íslensku forðagrein. Í stað olíuverks knýr vélin háþrýstidælu sem heldur stöðugum þrýstingi, 1350 bör (21025 psi), á forðagreininni. Til samanburðar má hafa að algengur opnunarþrýstingur spíssa í eldri olíuverks-kerfum er 140-200 bör (2030-2900 psi). Rafstýrðir spíssar eru tengdir forðagreininni með mjög stuttum rörum. Ýrun eldsneytisins er óháð snúningshraða vélarinnar. Hluti eldsneytisins er á stöðugri hringrás úr og í eldsneytisgeyminn til að kæla kerfið og sumar dísilvélar eru með sérstakan eldsneytiskæli. (Máli skiptir að láta geyminn ekki tæmast nema til hálfs þar sem það minnkar kælingu eldsneytisins).

Forðagreinar frá Bosch, Denso, Stanadyne og Delphi hafa þróast nánast samhliða og á svipaðan hátt:

1. kynslóð forðagreinar fyrir fólksbíla kom 1997. Forðaþrýstingur 1350 bör (21025 psi). Þessi kerfi voru fyrst í Mercedes-Benz og Alfa Romeo (Bosch) og komu endurbætt fyrir vörubíla með 1400 bara forðaþrýstingi 1999 (Bosch/Renault).

2. kynslóð forðagreinar fyrir fólksbíla kom 2001. Forðaþrýstingur 1600 bör (23200 psi). Endurbótin jók afl og sparneytni auk þess sem vélar urðu hljóðlátari og útblástur hreinni. Fyrstu dísilbílarnir með 2. kynslóð voru Volvo og BMW (Bosch). 2. kynslóð forðagreinar fyrir vörubíla kom 2002 með 1600 bara þrýstingi sem jók afl og sparneytni vörubíla auk þess að minnka mengun frá útblæstri.

3. kynslóð kom 2003. Forðaþrýstingur er allt að 1600 bör. Í stað rafstýrðu spíssanna eru ,,piezo-spíssar" (sjá skýringu). Dísilvélar með þessum innsprautubúnaði eru að meðaltali 5% öflugri, 3% sparneytnari, með 20% hreinni útblástur og auk þess hljóðlátari sem nemur 3 dB(A) - miðað við 2. kynslóð. Fyrsti fólksbíllinn með 3. kynslóð forðagreinar var Audi A8 V6 (Bosch).

4. kynslóðin ^c) er væntanleg innan skamms. Forðaþrýstingur mun verða um 2000 bör (29000 psi) og endurbætt tölvustýring mun gera kleift að beita mismunandi forrituðum ýrunarferlum með mismunandi mörgum skotum eftir ýmsum álagsbreytum. Gera má ráð fyrir að 4. kynslóð forðagreinar verði komin við bandarískar dísilvélar ekki seinna en af árgerð 2006 en í ársbyrjun 2007 ganga í gildi nýjar reglur um afgasmengun í Bandaríkjunum (samkvæmt Tier 2) sem eru umtalsvert strangari en Euro IV-staðallinn hjá Efnahagsbandalagi Evrópu.

Yfirlitsmynd sem skýrir forðagrein (Common rail)

Piezoelectric-spíssar. Það gefur augaleið að með stýrðri innsprautun í allt að 5 skotum í stað eins skapast þörf fyrir mun hraðvirkari spíssa. Til að leysa málið er beitt tækni sem felst í notkun sérstakra leiðandi kristalla sem hafa m.a. þann eiginleika að þenjast mjög ört sé rafspennu hleypt á þá. Hreyfiverk spíssins er gert úr nokkur hundruð lögum af örþunnum leiðandi kristallaflögum. Opnunarbúnaðurinn (kristalla-mótorinn) er næst sjálfum ýraranum, þ.e. fremst í spíssnum. Spennupúls veldur núningslausri leiftursnöggri hreyfingu sem opnar þannig að spíssinn ýrir. Piezo-spíssar eru með 75% færri hreyfanlega hluti en rafspíssar og með 75% minni massa. Fyrir bragðið geta þeir ýrt mun örar og nákvæmar en rafsegulvirkir spíssar. Nú þegar er komin 2. kynslóð piezo-spíssa sem geta skammtað með fjölskotum af meiri nákvæmni og með betri ýrun en þeir upphaflegu. Eitt af lykilatriðum er að með piezo-spíssum er hægt að stytta bil á milli ýrunarskota og hafa þau fleiri sem þýðir hljóðlátari, aflmeiri, sparneytnari og ,,hreinni" dísilvél.

Samandregið: Flestar vélar í evrópskum dísilfólksbílum af árgerð 2005 og allar dísilvélar í bandarískum jeppum (SUV) og pallbílum, eru með forðagrein, rafstýrða spíssa eða piezo-spíssa og tölvubúnað til stýringar. Hærri þrýstingur gerir kleift að ná miklu betri ýrun en áður með hraðvirkari spíssum. Tölvustýring gerir kleift að miðla eldsneytinu í fleiri en einu skoti fyrir hvert aflslag, þ.e. með forskoti, aðalskoti og fleiri en einu eftirskoti - allt að 5 skotum með 7/10000 sek. millibili. Árangurinn er betri bruni og minna dísilhljóð: Eldsneytisskömmtunin og tímun er óháð snúningshraða vélarinnar og því mun nákvæmri; ýrun er virkari, örari og sneggri. Tölvustýringin hagar ýrun þannig að sem bestur bruni náist hvert sem álag á vél kann að vera. Tölvustýringin gerir einnig kleift að nota mismunandi innsprautunarferla sniðna að mismunandi beitingu bílsins, t.d. akstri í lága drifinu, kerrudrætti o.s.frv. Mengun í útblæstri hefur minnkað um allt að 95% (nituroxíð), tilvísun b).

Í töflunni hér að neðan má sjá þróunina sem orðið hefur í mengunarvörnum varðandi bandaríska jeppa og pallbíla.

Tafla II. Minni sportjeppar (SUV), ,,minivans" og ,,light trucks"*
Yfirlit: Minnkun gróðurhúsalofttegunda (ghl) í afgasi bandarískra bíla
samkvæmt ,,Clean Air-lögunum" frá 1970 og framkvæmd EPA ^k)

*Pallbílar/jeppar að heildarþyngd (eigin þyngd + leyfileg hleðsla) allt að 2.722 kg (6.000 lbs.)

Heimild: ,,Varnir gegn mengunarefnum í afgasi farartækja í Bandaríkjunum og Evrópu (EBE)". Skýrsla. Nóv. 2004. Leó M. Jónsson iðnaðar- og vélatæknifræðingur, ráðgjafarstofa Reykjanesbæ. (Bls. 16).

Dísilvélin: Ýmis hugtök skýrð
Turbo. Loft inniheldur 21% súrefni en súrefni er nauðsynlegt fyrir bruna. Því meiru súrefni sem ,,troða" má inn í brunahólf því meiru eldsneyti má brenna fyrir hvert aflslag. Öfugt við vatn má þjappa lofti saman. Með því að nota þrýsting í afgasi vélar til að knýja dælu, pústþjöppu, sem þjappar lofti saman og ,,treður" því inn í soggreinina eykst súrefnið í hverjum rúmmetra lofts: Vélin skilar auknu afli; útblásturinn verður hreinni auk þess sem orka nýtist sem annars tapaðist = Fundið fé. Pústþjappa er tvískipt, í öðru hólfinu er hverfill sem pústið knýr en í hinu hólfinu, á sama öxlinum, er dæla sem hverfillinn knýr og þjappar saman lofti frá lofthreinsara og veitir því inn í soggreinina. Millikælir nýtir þá eðlisfræðilegu staðreynd að rúmtak lofts minnkar eftir því sem það kólnar. Með því að kæla loft á milli pústþjöppu og soggreinar minnkar mótþrýstingur þjöppunnar og hún getur ,,troðið" meiru súrefni inn í brunahólfin fyrir brunann.

Þjöppuhik sem einkenndi eldri turbo-kerfi stafaði af því að þegar vél snérist hægt var ekki nægur pústþrýstingur til að snúa þjöppunni - hikið varði þar til þjappan fór að virka - hafði náð upp snúningi. Vandann mátti leysa með minni þjöppu (minna þvermál/minni massi) og millikæli - hikið við snögga inngjöf hvarf en á móti þraut þjöppuáhrifin fljótt. Nú er þetta vandamál leyst með því að hafa spíssa með breytilegri virkni á skóflum túrbínunnar (VNT = Variable Nozzle Turbine) d). Í sem stystu máli þá virkar þessi búnaður (sem er tölvustýrðir armar sem virka eins og beinispjöld í túrbínuhúsinu), þannig að pústþjappan bregst við eins og lítil þjappa við inngjöf á lágum snúningi vélar en eins og stór þjappa eftir að snúningur vélar hefur aukist.

Myndin sýnir hreyfanlega arma í pústþjöppu. Tölva stýrir örmunum með tilliti til snúningshraða vélarinnar, þeir mynda eins konar spíss sem beinir þrýstingi á blöð hverfilsins á mismunandi hátt eftir því hver snúningshraði vélarinnar er en með þessu móti nær þjappan fyrr upp snúningshraða og þjappar á breiðara snúningssviði: ,,Þjöppuhik" er svo gott sem úr sögunni. Mynd: Úr grein um nýja Ford F250 6.0 Powerstroke Diesel á www.leoemm.com (Bílaprófanir). Framhjáhlaupsgátt er stjórnað af sömu tölvu og á sinn þátt í því að halda þjöppunni á æskilegum snúningshraða auk þess að koma í veg fyrir yfirsnúning. Í fjórhjóladrifnum dísilsbílum er pústþjöppunni auk þess stýrt með tilliti til þess hvernig bílnum er beitt, t.d. við þyngri vagndrátt, og þá þannig að forþjöppun vélar er samhæfð átaksstillingu sjálfskiptingar (EVRT = Electronic Variable Response Turbocharger).

Togið
Flestir vita að dísilbíll hentar betur en bensínbíll til aksturs með álagi svo sem við flutning, kerrudrátt o.s.frv. - dísilvélin togar betur. Færri vita hvers vegna. Með togi er átt við snúningsátak - afl til að snúa (torque á ensku). Skýringin liggur í því að í dísilvél er sveifin á sveifarásnum lengri - nær lengra út frá miðlínu ássins - þvermál hringsins sem stimpilstöngin fylgir er meira en í bensínvél; armurinn sem magnar átakið (sveifin/átaksarmurinn) er lengri og snúningsátakið, togið, því meira. Meira sveifarátak skýrir því togið. Afleiðing meira sveifarátaks er aukin slaglengd. Meiri slaglengd þýðir að stimpillinn fer lengra upp og niður í sílindranum. Meiri slaglengd þýðir jafnframt að hraði stimpilsins er meiri, á sama snúningshraða, en í vél með minni slaglengd. Stimpilhraðinn takmarkar snúningshraða vélarinnar og þess vegna er eðlilegt snúningshraðasvið dísilvélar minna en bensínvélar, yfirleitt 3000 - 3500 sn/m en þær hraðgengustu ná 4000 sn/m. Flestar dísilvélar eru með slaglengd sem er meiri en þvermál sílindra en í bensínvél er slaglengd oft svipuð eða sama og þvermál sílindra (nefnist ,,square size engine").

Slaglengd dísilvélar eru takmörk sett. Vegna þess að stimpillinn stöðvast uppi og niðri og aukin slaglengd eykur stimpilhraðann, geta átökin við að stöðva stimpilinn í efstu og neðstu stöðu orðið slík að legur á sveifarási gefi sig. Átökin, sem eru því meiri sem slaglengdin/stimpilhraðinn er meira, geta valdið eyðileggjandi titrun. Það skýrir notkun álblandna í fargmótuðum stimplum, í stað stáls sem þyldi þó betur hitann. Álstimplar hafa minni massa og draga því úr titringi vegna stefnubreytinga sem stöðvun stimpilsins í efstu og neðstu stöðu orsakar í slaglangri vél. Togið sem dísilvél hefur umfram bensínvél með svipuðu slagrými er vegna aukins sveifarátaks. Aukin slaglengd er hins vegar afleiðing en ekki orsök.

Forþjöppun með pústþjöppu eykur tog dísilvélar umfram það sem hún gerir í bensínvél vegna hærri þjöppunarþrýstings. Forþjöppunarþrýstingur í óbreyttri túrbódísilvél er 15-30 psi og 30-50 psi í breyttum vélum (kubbur). 15 psi þykir hár þjöppunarþrýstingur í (turbo)bensínvél. (Ástæða þess að hægt er að hækka þjöppunarþrýsting mun meira í dísilvél er að ekki er hætta á miskveikjun (óreglulegri sjálfsíkveikjun eldsneytis = detonation á ensku) en það vandamál fylgir bensínvélum - þótt dregið hafi úr því með beinni innsprautun og tölvustýringu). Til að forða frá misskilningi er eftirfarandi yfirlit um þrýsting sem hafa má sem viðmið:

- Algengur þjöppunarþrýstingur við bruna í dísilvél 268-500 psi.
- Algengur þrýstingur frá pústþjöppu (forþjöppun = boost) er 15-25 psi. (Í sumum tilfellum er forþjöppunarþrýstingur miklu lægri, t.d. 7 psi hjá 6.5 lítra - GM-dísil frá framleiðanda en í öðrum tilvikum miklu hærri, t.d. 46 psi með aflaukandi tölvukubbi í nýlegri amerískum dísilvélum.
- Algengur opnunarþrýstingur mekanískra spíssa í eldri dísilkerfum er 2030 - 2900 psi.
- Algengur þrýstingur í forðagrein nýrri dísilkerfa (að rafspíssum) er 21000 - 29000 psi.

(Af ásettu ráði hef ég kosið að halda mig við eininguna psi yfir þrýsting. Hún er algengust í handbókum og geri ég ráð fyrir að hún sé þeim tömust sem fást við bíla og bílaviðgerðir. Ruglið með þessar mælieiningar (bör, loftþyngdir, kp/cm2 og nú síðast hektópascöl í stað millibara) hefur valdið meiri erfiðleikum og töfum en þessir sérvitringar, sem hafa verið að klúðrast með hvern staðalinn á fætur öðrum, gera sér grein fyrir).

Nýtanleg brunaorka eldsneytis í dísilvél er um 11% meiri en í bensínvél og aukið varmaafl hvers aflslags á þátt í að auka vélartogið. Þar sem eldsneytið brennur við stöðugan þrýsting í dísilvélinni - varir þrýstiafl brunans lengur á leið stimpilsins niður að miðju slaglengdar - sem, með lengri átaksarmi á sveifarási, eykur snúningsátak - tog. Og eins og áður var nefnt er varmavirkni dísilvélarinnar meiri en bensínvélar - hún nýtir varmaorku eldsneytisins betur við myndun hreyfiafls; nýtingarstuðullinn er um 65-66% hærri en hjá bensínvél (21-22% á móti 35-36%). Fræðilegt varmagildi eldsneytis segir ekkert um hvernig og hve vel það blandast lofti en sú blöndun (stósíómetríski punkturinn) er forsenda þess að bruninn verði fullkominn og ræður því hver varmanýting eldsneytisins verður í vélinni (efnafræðilegt varmagildi venjuleg bensíns og dísilolíu er mjög svipað eða 42,7 og 42,5 MJ/kg (steinolía 43,0 MJ/kg). Fræðiegt varmagildi eldsneytis gefur einungis vísbendingu um þá orku sem næst úr því í brunavél af ýmsum tæknilegum ástæðum - nægir að nefna kol og ýmis eldfim lífræn gös með mikið varmagildi (sem erfitt er að blanda lofti) í því sambandi. Hins vegar er algengur misskilningur að blanda vetni í þessa umræðu. Þótt vetni sé áhugavert sem slíkt og hafi ýmsa kosti er það ekki eldsneyti heldur orkuberi (t.d. ákveðin form raforku); varmaorka vetnis nýtist ekki nema að takmörkuðu leyti í hefðbundnum brunavélum en hins vegar vel í svokölluðum vetnis-rafal. Tæknilegur samanburður á bensíni og dísilolíu við vetni er því misvísandi og leiðir ekki til neinnar rökréttrar niðurstöðu - er nánast gagnlaus ef ekki villandi (pólitísk?).

Aflaukning
Bandarískir framleiðendur jeppa/pallbíla með dísilvél fara eftir ákveðnum reglum þegar uppgefið/úttekið afl vélar er ákveðið. Undantekningarlaust er vélaraflið einungis hluti af því hámarksafli sem hægt er að ná út úr viðkomandi vél. Skýring á þessu er m.a. sú að úttekið afl eigi að tryggja endingu og gangöryggi. Alls konar tölvubúnaður er á markaðnum sem eykur afl dísilvéla, oftast með endurbótum á stýriferlum innsprautunar og pústþjöppu og næstum undantekningarlaust með því að auka skammtað magn eldsneytisins. Ákveðnar gerðir aflaukandi eftirbúnaðar (tölvukubbar) gera bílaframleiðendur ekki athugasemdir við þótt notaðar séu á ábyrgðartíma, a.m.k. ekki fyrirfram. Samt er mikilvægt að fara nákvæmlega eftir leiðbeiningum sem fylgja aflaukandi eftirbúnaði - ekki síst vegna verksmiðjuábyrgðar bílsins enda varla við því að búast að ísetning slíks búnaðar liðki fyrir, komi eitthvað upp á sem varðar ábyrgðarkröfu.

Eigi aukið afl að nýtast án hliðarverkana/skemmda þarf að ganga úr skugga um að flæði í gegn um lofthreinsara sé nægilegt. Virk endurbót er að veita kaldara lofti inn á lofthreinsara (kalt loft inniheldur meira súrefni en heitt). Sé lofttilfærsla ófullnægjandi veldur takmarkað súrefni sterkari blöndu í brunahólfum við fulla gjöf/álag; brunahiti eykst og hitastig útblásturs hækkar (teppt útblásturskerfi getur haft sömu áhrif). Það sem fyrst gefur sig er pústþjappan (bræddir kantar á hjólblöðum hverfilsins - sem leiða af sér ójafnvægi - legur gefa sig og þjappan hrynur). Aflaukning án nægs lofts veldur því stundum að stimpilkollar brenna eða springa, sprungur geta myndast í heddi og/eða útventlar brunnið.

Þegar afl hefur verið aukið með eftirbúnaði og því beitt þarf að hafa í huga að eldsneytið í geyminum kælir innsprautukerfið með hringrás - sé bílnum beitt með miklum inngjöfum undir álagi og lítið magn á geyminum getur hitastig dísilolíunnar hækkað verulega, við það minnkar magnið sem spíssarnir ýra (aflmissir) auk þess sem of mikill hiti getur valdið skemmdum á innsprautubúnaðinum.

Kælikerfi vélarinnar er yfirleitt vel við vöxt í bandarískum jeppum/pallbílum, enda flestir með loftkælikerfi (Air condition) sem eykur álag á kælikerfi umtalsvert, sé það í notkun, og því ekki teljandi hætta á yfirhitnun vélar hérlendis þótt afl hafi verið aukið. Öðru máli skiptir með sjálfskiptingu. Hafi afl vélarinnar verið aukið með eftirbúnaði er ástæða til að bæta kælingu skiptingarinnar því ekkert eyðileggur sjálfskiptingu jafn örugglega og yfirhitun. Reyndar er ástæða til að vara við því að nota aflaukandi tölvukubba þegar um sjálfskiptingu er að ræða - reynslan sýnir að þær þola yfirleitt ekki álagsaukninguna.

(Ath. síðan þessi greinh var skrifuð hefur verð á eldsneyti gjörbreyst og þarf að hafa það í huga varðandi útreikninga á hugsanlegri hagkvæmni brunabætandi búnaðar).
Eldsneytisbætir (nítró/própan). Þegar fjallað er um aflaukningu dísilvélar er hér átt við aflaukningu turbódísilvélar. Í dísilvél með tölvustýrðri púst-forþjöppu er inngjöf ekki stýrt með loftspjaldi í inntaki soggreinar - vélin tekur inn á sig eins mikið loft og hún getur torgað og þjappan skilað fyrir hvert aflslag. Afl vélarinnar má því auka með því að sjá henni fyrir eins miklu eldsneyti og hún getur brennt með því lofti (súrefni) sem hún hefur úr að moða fyrir hvert aflslag. Sé reynt að auka afl vélarinnar með því að auka eldsneytið umfram tilgengilegt loft leiðir það til of sterkrar blöndu, ófullkomins bruna, eyðslu, reyks og ofhitnunar brunahólfa sem fyrr en seinna rústar þjöppunni og vélinni.
Hláturgas (di-nituroxíð = hláturgas) inniheldur eina súrefnissameind með tveimur nitursameindum (N2O). Undir þrýstingi er hláturgas vökvi og sé honum veitt inn í soggrein þar sem hitastig er á bilinu 296-302 °C sundrast sameindir gassins og súrefni losnar sem eykur bruna og afl vélarinnar. Með hláturgasi má auka afl turbo-dísilvélar umtalsvert við átök en því er beitt með botngjöf (skotum) þegar aukins afls er þörf og með sérstökum inngjafarbúnaði. Þar til fyrir skömmu var sá búnaður sniðinn að þörfum bensínvéla og ekki talinn öruggur fyrir dísilvélar. Úr því hefur verið bætt. Kostnaður við nítró-kerfi er talsverður (500-600 dollarar + ísetning + gas í Bandaríkjunum).
Própangas getur aukið afl túrbódísilvélar sé því veitt inn í loftrásina með búnaði svipuðum þeim sem notaður er fyrir nítro-inngjöf og sem nú er boðinn fyrir túrbódísilvélar. Auk þess að vera eldsneyti virkar própangasið sem brunahvati en hækkar afgashitann tiltölulega lítið miðað við aflaukningu. Própan-inngjöf er valin með hnappi í mælaborði og búnaður blandar gasinu (algengt hlutfall er 20% af heildarþyngd eldsneytis) í samræmi við færslu inngjafar. Aflaukning getur verið 25-60% og sparneytni sögð aukast um 15-20%. Gera má ráð fyrir að própan auki sótagnir í afgasi. Kostnaður (búnaður og ísetning) er talsverður (150-250 þús. kr.). Ýmsar kenningar hafa verið uppi um að própangas lækkaði reksturskostnað með aukinni sparneytni. Það stóðst ekki hérlendis áður en dísilolía hækkaði með olíugjaldi auk þess sem gasið er miklu dýrar hérlendis en t.d. í Bandaríkjunum. Nú hefur þetta breyst með tilkomu olíugjaldsins og tilheyrandi hækkun á verði dísilolíu. 10 kg af própangasi kosta um 3.200 kr, sem er miklu hærra verð en í nokkru nágrannalandi, Bretlandi eða Bandaríkjunum, og má gera ráð fyrir að 10 kg endist, með 20% íblöndun, sem nemur 800 km akstri bíls með 6-7 lítra vél. Sé eyðsla 16 lítrar og við veljum meðaltal aukinnar sparneytni (16%) minnkar eyðslan í rúma 13 lítra með gasblönduninni. Kosti dísilolían 112 kr. lítrinn má reikna með að própangasið lækki eldsneytiskostnað ofangreinds bíls um 18-19% (kostnaður við kaup og ísetningu búnaðar ekki talinn með í þeim útreikningi). Til að fá própan-inngjöf til að skila viðunandi aflaukningu þarf nákvæma stillingu sem krefst ákveðinnar þekkingar og þolinmæði.

Öryggistæki. Til að girða fyrir skemmdir á dísilvél vegna yfirhitunar er vænlegast að fylgjast með hitastigi pústsins þar sem það kemur úr brunahólfum og áður en það fer inn á pústhverfli þjöppunnar en til þess gerðir mælar eru fáanlegir sem auka- og eftirbúnaður (kælivatnshitinn er ekki nægilega hraðvirk viðvörun). Nemar þessara mæla eru þannig úr garði gerðir að nánast engin hætta er á að þeir geti skemmst og hlutar úr þeim skemmt hverfil þjöppunnar. Hitastig afgass í pústgrein í venjulegum akstri er um 540 °C eða lægra. Við fullt álag á vél er eðlilegt að afgashitinn hækki í 675-700 °C. Hins vegar skapast hættuástand fari afgashitinn að nálgast 750 °C. Með afgashitamæli má forða frá skemmdum með því að beita inngjöf/gírvali.

Inngjöf. Og af því minnst var á inngjöf má nefna að sumir hafa furðað sig á því hvers vegna inngjöf er rafvirk á fjórhjóladrifnum bílum en ekki barkavirk. Sem betur fer gerir vélstýrikerfið kleift að hafa inngjöfina sem hluta af tölvustýrðu álagskerfi. Inngjöfin virkar eftir forriti. FTC (Fast Throttle Control) er forrit sem rafstýrð inngjöfin vinnur eftir í venjulegum akstri en þá er mesta aflið í fyrsta þriðjungi inngjafarfærslunnar (ástigsins) sem gerir bílinn hæfilega sprækan. Það segir sig sjálft að mjög erfitt væri að aka bílnum í fjórhjóla- og lága drifi með inngjöf sem virkaði þannig. Því breytir tölvan forriti inngjafarinnar um leið og sett er í lága drifið; - inngjafarfærslan, ástigið, verður lengri og jafnari sem gefur jafnara og mýkra átak vélarinnar við inngjöf.

EGR = Exhaust Gas Recirculation er búnaður sem veitir hluta afgassins aftur inn í brunahólfin. Gagnstætt því sem sumir virðast halda er EGR kælibúnaður. Vegna þess að ekkert súrefni er í afgasinu í EGR-hringrásinni, veikir það blönduna þannig að bruninn verður við lægra hitastig. Með því að kæla brunahólfin er girt fyrir myndun stórs hluta nituroxíða og þar með skaðlega og hættulega mengun í útblæstri vélar. Á eldri gerðum dísilvéla (sem eru jafnvel enn í nýjum bílum, t.d. sumum bílum frá Kóreu) þarf framleiðandinn að seinka tíma innsprautunar (olíuverks) til að EGR-kerfið skili nægilegum árangri sem mengunarvörn. Í eldri kerfum af þeirri gerð dregur EGR-hringrásin því úr afli vélarinnar. Brögð eru að því að EGR-kerfið, í eldri gerðum véla, sé gert óvirkt (blokkað), tímanum flýtt og inngjöfin skrúfuð upp. Sú aflaukning, sem næst með því ,,inngripi" eykur mengun í útblæstri (og er því ólögleg aðgerð). Inngripið eykur hitasveiflur í heddi og hefur leitt til ótímabærrar eyðileggingar álhedda. Í nýju bandarísku dísilvélunum er sérstakur kælir fyrir afgasið í EGR-rásinni sem gerir það að verkum að hún virkar án þess að seinka þurfi inngjafartímanum og dregur því ekki úr afli. Því er ekkert fengið, nema aukin mengun (og gangtruflanir), með því ,,blokka" hana.

Viðhald: Breyttar forsendur
Stöðugt auknar kröfur um mengunarvarnir hafa ekki einungis breytt vélum heldur hafa breytingarnar haft áhrif á þörf fyrir viðhald/eftirlit og á framkvæmd þess. Nýja dísilvélin er lokað kerfi. Óhreinindi eiga ekki að komast inn í vélina nema með inntakslofti, eldsneyti eða smurolíu - og þá vegna ófullnægjandi síunar.

Betri bruni með minni mengun gerir það að verkum að smurolía mettast síður af sóti og útfellingarefnum. Smursíur innihalda virkara síuefni og sumar dísilvélar eru með tvær smursíur; miðflóttaafls-síu (secondary) sem er endurnýjuð á 20 þúsund km. fresti um leið og smurolían og aðalsíu (primary) sem skipt er um á 60 þús. km. fresti. Síðan 1970 hefur verið á markaðnum mjög einfaldur búnaður til að soga/sprauta vatnsblöndu inn í brunahólf bensín- og dísilvéla. Vatn, sem sprautað er inn í brunahólf rétt fyrir aflslag, breytist við snögga hitun í gufu sem eykur þrýsting snögglega (öfugt við vatn þjappast gufa saman) og fæst þannig aukinn þrýstingur á stimpilkoll í aflslagi. Gufan inniheldur jafnframt súrefni sem bætir brunanna. Innsprautaða efnið er vatn sem blandað er ísvara til þess að það frjósi ekki (oft er efnið litað til að kaupandinn haldi að hann sé að fá eitthvað meira fyrir peningana en vatn blandað frostlegi).

Bæði eldsneytis- og loftsíur hafa verið endurbættar. Eldsneytissíur, sem áður síuðu frá agnir úr olíunni af stærðinni 15-20 mikron (mikron=milljónasti hluti úr mm), sía nú agnir af stærðinni 3-5 mikron auk þess sem sérstakir kælar eru sambyggðir eldsneytissíum sumra véla til að kæla bakrennslið.

Með nýju innsprautukerfi með forðagrein (common rail) minnkar ekki einungis mengun í afgasi verulega heldur á sér stað mun minni myndun sóts og brennisteinssambanda í brunahólfum. Betri bruni veldur því að minna af mengunarefnum nær að komast í smurolíuna niður með stimplum og ventilstýringum. Af því leiðir að smurolía heldur mun lengur eiginleikum sínum í þessum nýju vélum heldur en hún gerir t.d. í eldri gerðum véla með olíuverki og mekanískum spíssum. Annað sem breytist er að eldsneytiseyðsla nýrri dísilvéla er meira háð aksturslagi en áður - munur á eyðslu dísilvélar í borgarakstri og í lengri akstri er nú meiri en áður.

Fyrir einhvern misskilning blanda sumir tvígengisolíu saman við dísilolíu og telja sér trú um að þannig myndist einhver smurning sem ekki næst með dísilolíunni. Í dísilolíu var áður meira magn brennisteinssambanda en hlutverk þeirra var að smyrja hreyfanlega hluti í olíuverki og spíssum. Eftir að brennisteinsinnihaldið var minnkað hefur öðrum efnum verið blandað í dísilolíu til að tryggja smureiginleika hennar í eldri kerfum. Í forðagreinarkerfum er engin þörf á þessari smurningu og eins víst að hún muni valda ótímabærum skemmdum í þeim kerfum. Sé þörf á auknu smurefni í dísilolíu, þ.e. sé um svo gamlar dísilvélar að ræða, ætti að gera það með steinolíu, t.d. 10% íblöndun en ekki með feitri smurolíu sem eykur sót- og afgasmengun.

Tilvísanir:
a) International Green Diesel Technology Vehicles: ,,Diesel in the US. - American dream?". David Fowler. The Engineer (breskt tímarit), 19. mars 2004.

b) (95% minnkun nituroxíða)

c) (4. kynslóð Common Rail frá Bosch)

d) http://www.leoemm.com/ford_f250.htm

e) EVRT er m.a. notað í Ford og International og er skrásett vöruheiti International Harvester Inc.

Aftur á aðalsíðu