Jak działają silniki wysokoprężne

4,5-litrowy silnik V-8 Duramax poprawia wydajność o 25 procent w porównaniu z silnikami benzynowymi, jednocześnie zmniejszając zanieczyszczenia i emisje. Zobacz więcej zdjęć silników Diesla. 2008

-Jednym z najpopularniejszych artykułów jest Jak działają silniki samochodowe, który wyjaśnia podstawowe zasady spalania wewnętrznego, omawia cykl czterosuwowy i omawia wszystkie podsystemy, które pomagają silnikowi twojego samochodu wykonywać swoją pracę. Przez długi czas po opublikowaniu tego artykułu jednym z najczęściej zadawanych pytań (i jedną z najczęstszych sugestii w polu sugestii) było: „Jaka jest różnica między silnikiem benzynowym a wysokoprężnym?”

Historia Diesela faktycznie zaczyna się od wynalezienia silnik benzynowy. Nikolaus August Otto wynalazł i opatentował silnik benzynowy do 1876 roku. W wynalazku wykorzystano czterosuwową zasadę spalania, znaną również jako „cykl Otto” i jest to podstawowe założenie większości dzisiejszych silników samochodowych. Na wczesnym etapie silnik benzynowy nie był zbyt wydajny, a inne główne metody transportu, takie jak silnik parowy wypadło źle. Tylko około 10 procent paliwa używanego w tego typu silnikach faktycznie przemieszczało pojazd. Reszta paliwa po prostu wytwarzała bezużyteczne ciepło.

-W 1878 r. Rudolf Diesel uczęszczał do niemieckiej politechniki (odpowiednik szkoły inżynierskiej), kiedy dowiedział się o niskiej sprawności silników benzynowych i parowych. Ta niepokojąca informacja zainspirowała go do stworzenia silnika z rozszerzeniem wyższa wydajność, i poświęcił wiele czasu na opracowanie „silnika spalinowego”. W 1892 roku Diesel uzyskał patent na to, co obecnie nazywamy silnikiem Diesla.

-Jeśli silniki diesla są tak wydajne, dlaczego nie używamy ich częściej? Możesz zobaczyć słowa „silnik wysokoprężny” i pomyśleć o dużych, potężnych ciężarówkach towarowych wypluwających czarny, okopcowany dym i wytwarzających głośny stukot. Ten negatywny obraz ciężarówek i silników z silnikiem Diesla sprawił, że olej napędowy stał się mniej atrakcyjny dla zwykłych kierowców w Stanach Zjednoczonych - chociaż olej napędowy świetnie nadaje się do przewożenia dużych przesyłek na duże odległości, nie był najlepszym wyborem dla osób dojeżdżających codziennie do pracy. Zaczyna się to jednak zmieniać, ponieważ ludzie ulepszają silnik wysokoprężny, aby był czystszy i mniej hałaśliwy.

Jeśli jeszcze tego nie zrobiłeś, prawdopodobnie zechcesz najpierw przeczytać Jak działają silniki samochodowe, aby poznać podstawy spalania wewnętrznego. Ale pośpiesz się - w tym artykule odkrywamy sekrety silnika wysokoprężnego i poznajemy kilka nowości.

-W teorii silniki wysokoprężne i silniki benzynowe są dość podobne. Są oboje silniki z zapłonem wewnętrznym przeznaczony do zamiany energii chemicznej dostępnej w paliwie na energię mechaniczną. Ta energia mechaniczna porusza tłoki w górę iw dół wewnątrz cylindrów. Tłoki są połączone z wałem korbowym, a ruch tłoków w górę iw dół, znany jako ruch liniowy, tworzy ruch obrotowy potrzebny do skręcenia kół samochodu do przodu.

Zarówno silniki wysokoprężne, jak i silniki benzynowe przekształcają paliwo w energię poprzez serię małych wybuchów lub zapłonów. Główną różnicą między olejem napędowym a benzyną jest sposób, w jaki dochodzi do tych eksplozji. W silniku benzynowym paliwo jest mieszane z powietrzem, sprężane przez tłoki i zapalane przez iskry ze świec zapłonowych. Jednak w silniku wysokoprężnym najpierw sprężane jest powietrze, a następnie wtryskiwane jest paliwo. Ponieważ powietrze nagrzewa się, gdy jest sprężone, paliwo się zapala.

Poniższa animacja przedstawia cykl diesla w akcji. Możesz to porównać do animacji silnika benzynowego, aby zobaczyć różnice.

Silnik Diesla © .com 2019

Silnik wysokoprężny wykorzystuje czterosuwowy cykl spalania, podobnie jak silnik benzynowy. Cztery pociągnięcia to:

1. Skok wlotu - Zawór dolotowy otwiera się, wpuszczając powietrze i przesuwając tłok w dół. -
2. Skok kompresyjny - Tłok cofa się i spręża powietrze.
3. Udar spalania - Gdy tłok osiąga szczyt, paliwo jest wtryskiwane w odpowiednim momencie i zapalane, zmuszając tłok z powrotem do dołu.
4. Skok wydechu - Tłok cofa się do góry, wypychając spaliny powstałe w wyniku spalania z zaworu wydechowego.

Pamiętaj, że silnik diesla nie posiada świecy zapłonowej, że zasysa powietrze i je spręża, a następnie wtryskuje paliwo bezpośrednio do komory spalania (wtrysk bezpośredni). To ciepło sprężonego powietrza rozpala paliwo w silniku wysokoprężnym. W następnej sekcji przyjrzymy się procesowi wtrysku oleju napędowego.

Kompresja

Pracując nad swoimi obliczeniami Rudolf Diesel wysunął teorię, że wyższa kompresja prowadzi do wyższej wydajności i większej mocy. Dzieje się tak, ponieważ gdy tłok ściska powietrze z cylindrem, powietrze ulega koncentracji. Olej napędowy ma wysoką zawartość energii, więc prawdopodobieństwo reakcji oleju napędowego ze stężonym powietrzem jest większe. Można o tym myśleć inaczej, gdy cząsteczki powietrza są tak blisko siebie, że paliwo ma większe szanse na reakcję z jak największą liczbą cząsteczek tlenu. Rudolf miał rację - silnik benzynowy kompresuje w stosunku od 8: 1 do 12: 1, a silnik wysokoprężny w stosunku 14: 1 do 25: 1..

Zdjęcie dzięki uprzejmości 6-cylindrowego silnika wysokoprężnego DaimlerChrysler Atego

Jedną dużą różnicą między silnikiem wysokoprężnym a gazowym jest proces wtrysku. Większość silników samochodowych wykorzystuje wtrysk do portu lub gaźnik. Układ wtrysku na wylocie wtryskuje paliwo tuż przed suwem dolotu (poza cylindrem). Gaźnik miesza powietrze i paliwo na długo przed wejściem powietrza do cylindra. Dlatego w silniku samochodowym całe paliwo jest ładowane do cylindra podczas suwu ssania, a następnie sprężane. Sprężanie mieszanki paliwowo-powietrznej ogranicza stopień sprężania silnika - jeśli zbyt mocno spręża powietrze, mieszanka paliwowo-powietrzna zapala się samoczynnie i powoduje pukanie. Stukanie może spowodować uszkodzenie silnika, ponieważ powoduje nadmierne ciepło.

Silniki wysokoprężne wykorzystują bezpośredni wtrysk paliwa - olej napędowy jest wtryskiwany bezpośrednio do cylindra.

Wtryskiwacz silnika wysokoprężnego jest jego najbardziej złożonym elementem i był przedmiotem wielu eksperymentów - w każdym konkretnym silniku może znajdować się w różnych miejscach. Wtryskiwacz musi wytrzymywać temperaturę i ciśnienie wewnątrz cylindra i nadal dostarczać paliwo w postaci drobnej mgły. Problemem jest również doprowadzenie do cyrkulacji mgły w cylindrze tak, aby była równomiernie rozprowadzona, dlatego w niektórych silnikach wysokoprężnych stosuje się specjalne zawory zasysające, komory wstępnego spalania lub inne urządzenia, które zawirowują powietrze w komorze spalania lub w inny sposób usprawniają proces zapłonu i spalania.

Niektóre silniki wysokoprężne zawierają świeca żarowa. Gdy silnik wysokoprężny jest zimny, proces sprężania może nie podnieść powietrza do wystarczająco wysokiej temperatury, aby zapalić paliwo. Świeca żarowa to elektrycznie podgrzewany drut (pomyśl o gorących przewodach, które widzisz w tosterze), który podgrzewa komory spalania i podnosi temperaturę powietrza, gdy silnik jest zimny, aby silnik mógł się uruchomić. Według Cleya Brothertona, technika sprzętu ciężkiego Journeyman:

Wszystkie funkcje w nowoczesnym silniku są kontrolowane przez ECM komunikujący się z rozbudowanym zestawem czujników mierzących wszystko od R.P.M. do temperatury płynu chłodzącego silnik i oleju, a nawet położenia silnika (tj. T.D.C.). Świece żarowe są obecnie rzadko stosowane w większych silnikach. Moduł ECM wyczuwa temperaturę powietrza otoczenia i opóźnia rozrząd silnika w niskich temperaturach, więc wtryskiwacz rozpyla paliwo w późniejszym czasie. Powietrze w cylindrze jest bardziej sprężone, wytwarzając więcej ciepła, co pomaga w uruchomieniu.

Mniejsze silniki i silniki, które nie mają tak zaawansowanego sterowania komputerowego, używają świec żarowych do rozwiązania problemu zimnego rozruchu.

Oczywiście mechanika nie jest jedyną różnicą między silnikami wysokoprężnymi i benzynowymi. Jest też kwestia samego paliwa.

Próbka oleju napędowego Staff / Getty Images

-Paliwo ropopochodne zaczyna się jako ropa naftowa naturalnie występująca na Ziemi. Gdy ropa naftowa jest przetwarzana w rafineriach, można ją rozdzielić na kilka różnych rodzajów paliw, w tym benzynę, paliwo lotnicze, naftę i oczywiście olej napędowy.

Jeśli kiedykolwiek porównałeś olej napędowy i benzynę, wiesz, że są różne. Z pewnością pachną inaczej. Olej napędowy jest cięższy i bardziej oleisty. Paruje znacznie wolniej niż benzyna - jej temperatura wrzenia jest w rzeczywistości wyższa niż temperatura wrzenia wody. Często można usłyszeć olej napędowy nazywany „olejem napędowym”, ponieważ jest tak oleisty.

Olej napędowy paruje wolniej, ponieważ jest cięższy. Zawiera więcej atomów węgla w dłuższych łańcuchach niż benzyna (benzyna to zazwyczaj C9H20, a olej napędowy to zazwyczaj C14H30). Do wytworzenia oleju napędowego potrzeba mniej rafinacji, dlatego kiedyś był on tańszy niż benzyna. Jednak od 2004 r. Popyt na olej napędowy wzrósł z kilku powodów, w tym zwiększonej industrializacji i budownictwa w Chinach i USA [źródło: Energy Information Administration].

Olej napędowy ma wyższa gęstość energii niż benzyna. Średnio 1 galon (3,8 l) oleju napędowego zawiera około 155x10⁶ dżule (147 000 BTU), podczas gdy 1 galon benzyny zawiera 132x10⁶ dżule (125 000 BTU). To, w połączeniu z lepszą wydajnością silników wysokoprężnych, wyjaśnia, dlaczego silniki wysokoprężne mają lepsze przebiegi niż równoważne silniki benzynowe.

Olej napędowy jest używany do napędzania wielu różnych pojazdów i operacji. Oczywiście napędza ciężarówki z silnikiem Diesla, które stoją na autostradzie, ale pomaga również w przemieszczaniu łodzi, autobusów szkolnych, autobusów miejskich, pociągów, dźwigów, sprzętu rolniczego oraz różnych pojazdów ratowniczych i generatorów prądu. Pomyśl o tym, jak ważny jest olej napędowy dla gospodarki - bez jego wysokiej wydajności zarówno budownictwo, jak i gospodarstwa rolne ucierpiałyby ogromnie na inwestycjach w paliwa o niskiej mocy i wydajności. Około 94 procent ładunku - niezależnie od tego, czy jest on przewożony ciężarówkami, pociągami czy statkami - opiera się na oleju napędowym.

Jeśli chodzi o środowisko, olej napędowy ma pewne zalety i wady. Zalety - olej napędowy emituje bardzo małe ilości tlenku węgla, węglowodorów i dwutlenku węgla, co prowadzi do globalnego ocieplenia. Wady - ze spalania oleju napędowego uwalniane są duże ilości związków azotu i cząstek stałych (sadza), co prowadzi do kwaśnych deszczy, smogu i złego stanu zdrowia. Na następnej stronie przyjrzymy się niektórym ostatnim ulepszeniom wprowadzonym w tych obszarach.

Czystsze paliwo i surowsze poziomy emisji powinny zmniejszyć liczbę przedwczesnych zgonów spowodowanych zanieczyszczeniem silnika diesla. Zdjęcie dzięki uprzejmości Mario Tama / Getty Images

-Podczas wielkiego kryzysu naftowego w latach siedemdziesiątych europejskie koncerny samochodowe zaczęły reklamować silniki Diesla do użytku komercyjnego jako alternatywę dla benzyny. Ci, którzy go wypróbowali, byli nieco rozczarowani - silniki były bardzo głośne, a oni wracali do domu, aby znaleźć swoje samochody pokryte od przodu do tyłu czarną sadzą - ta sama osoba odpowiedzialna za smog w dużych miastach.

Jednak w ciągu ostatnich 30-40 lat poczyniono znaczne postępy w osiągach silnika i czystości paliwa. Urządzenia z wtryskiem bezpośrednim są teraz kontrolowane przez zaawansowane komputery, które monitorują spalanie paliwa, zwiększając wydajność i redukując emisje. Lepiej rafinowane paliwa do silników wysokoprężnych, takie jak olej napędowy o bardzo niskiej zawartości siarki (ULSD), zmniejszą ilość szkodliwych emisji, a ulepszanie silników, aby były kompatybilne z czystszym paliwem, staje się prostszym procesem. Inne technologie, takie jak filtry cząstek stałych CRT i konwertery katalityczne, spalają sadzę i redukują cząstki stałe, tlenek węgla i węglowodory nawet o 90 procent. [źródło: Forum Technologii Diesla]. Ciągłe ulepszanie norm dotyczących czystszego paliwa z Unii Europejskiej zmusi również przemysł motoryzacyjny do cięższej pracy nad obniżeniem emisji - do września 2009 r. UE ma nadzieję, że emisje cząstek stałych zostaną obniżone z 25 mg / kilometr do 5 mg / kilometr [źródło: EUROPA].

Być może słyszałeś również o czymś, co nazywa się biodieslem. Czy to to samo co diesel? Biodiesel jest alternatywą lub dodatkiem do oleju napędowego, który może być stosowany w silnikach wysokoprężnych z niewielkimi lub żadnymi modyfikacjami samych silników. Nie jest wytwarzany z ropy naftowej - zamiast tego pochodzi z olejów roślinnych lub tłuszczów zwierzęcych, które zostały zmienione chemicznie. (Ciekawy fakt: Rudolf Diesel początkowo uważał olej roślinny za paliwo do swojego wynalazku). Biodiesel można łączyć ze zwykłym olejem napędowym lub stosować samodzielnie. Możesz przeczytać więcej o biodieslu w Jak działa Biodiesel.

Aby uzyskać więcej informacji na temat silników wysokoprężnych i powiązanych tematów, zapoznaj się z linkami na następnej stronie.

Powiązane artykuły

• Jak działają dwusuwowe silniki wysokoprężne
• Jak działają silniki samochodowe
• Jak działają silniki dwusuwowe
• Jak działają silniki turbin gazowych
• Jak działają silniki obrotowe
• Jak działają silniki rakietowe
• Jak działają silniki Stirlinga
• Jak działają silniki parowe
• Jak działa rafinacja ropy naftowej
• Jak działa hybryda Aptera 
• Jeśli silniki wysokoprężne są bardziej wydajne, dlaczego większość samochodów ma silniki benzynowe?

Więcej świetnych linków

• Caterpillar: Silniki i systemy zasilania
• Rejestr Turbo Diesel
• Silnik Fairbanks Morse Antique Diesel Oil
• National Biodiesel Board: Clean Burning Fuel