Jak działa silnik diesla? Zasada pracy i budowa jednostki

Silnik Diesla działa dzięki zapłonowi samoczynnemu. Najpierw tłok spręża samo powietrze, podnosząc jego ciśnienie i temperaturę, a dopiero później wtryskiwacz podaje olej napędowy. Paliwo zapala się bez iskry, ponieważ trafia do rozgrzanego powietrza.

Jak działa silnik Diesla?

Silnik Diesla, nazywany także silnikiem wysokoprężnym, jest jednostką spalinową o zapłonie samoczynnym. Oznacza to, że do rozpoczęcia spalania nie potrzebuje iskry wytwarzanej przez świecę zapłonową. Energia chemiczna oleju napędowego zostaje zamieniona na ruch tłoka, a następnie na ruch obrotowy wału korbowego.

Najważniejsza różnica względem silnika benzynowego polega na sposobie przygotowania mieszanki. W silniku wysokoprężnym cylinder najpierw napełnia się powietrzem. Tłok mocno je spręża, a podczas tego procesu temperatura gazu gwałtownie rośnie. Jest to przykład sprężania adiabatycznego, czyli procesu, w którym gaz zwiększa temperaturę wskutek zmniejszania jego objętości bez istotnej wymiany ciepła z otoczeniem.

Typowy stopień sprężania silnika Diesla mieści się w zakresie 14:1–25:1. Pod koniec suwu sprężania wtryskiwacz rozpyla olej napędowy w postaci drobnej mgły. Paliwo miesza się z gorącym powietrzem i ulega samozapłonowi. Rozprężające się gazy naciskają na tłok, przesuwając go w dół. Korbowód przekazuje tę siłę na wał korbowy, który wykonuje ruch obrotowy napędzający pojazd lub maszynę.

W nowoczesnych jednostkach dawką i momentem wtrysku steruje elektroniczny układ zarządzania silnikiem. System Common Rail przechowuje paliwo pod wysokim ciśnieniem w listwie i pozwala wykonywać kilka wtrysków podczas jednego cyklu. Dzięki temu można dokładniej kontrolować przebieg spalania, hałas oraz ilość emitowanych zanieczyszczeń.

Cztery suwy pracy silnika wysokoprężnego

W typowym czterosuwowym silniku Diesla jeden cykl pracy obejmuje cztery ruchy tłoka:

• Suw ssania – tłok przesuwa się w dół, a przez otwarty zawór dolotowy do cylindra napływa powietrze.
• Suw sprężania – zawory są zamknięte, tłok porusza się w górę i zmniejsza objętość powietrza, zwiększając jego ciśnienie oraz temperaturę.
• Suw pracy – pod koniec sprężania wtryskiwacz podaje paliwo, które zapala się samoczynnie. Rozprężające się spaliny wypychają tłok w dół.
• Suw wydechu – zawór wydechowy zostaje otwarty, a tłok przesuwa się w górę i usuwa spaliny z cylindra.

W silniku czterosuwowym wał korbowy wykonuje dwa obroty podczas jednego pełnego cyklu pracy danego cylindra. W silnikach wielocylindrowych suwy poszczególnych tłoków są przesunięte w czasie, aby zapewnić równomierne przekazywanie momentu obrotowego.

Silnik Diesla a silnik benzynowy – najważniejsze różnice

Obie jednostki wykorzystują spalanie wewnętrzne i podobny układ mechaniczny, ale różnią się przygotowaniem mieszanki oraz sposobem jej zapłonu:

Wyższy stopień sprężania i praca przy dużych ciśnieniach wymagają mocnych elementów mechanicznych. Zwiększają też sprawność termodynamiczną, ponieważ większa część energii paliwa może zostać zamieniona na pracę mechaniczną. Nie oznacza to jednak, że każdy diesel zużywa mniej paliwa w każdych warunkach. Wynik zależy między innymi od masy pojazdu, przełożenia skrzyni biegów, obciążenia i sposobu jazdy.

Z czego składa się silnik Diesla?

Podstawowa budowa silnika wysokoprężnego przypomina konstrukcję jednostki benzynowej, ale poszczególne części muszą wytrzymywać wyższe ciśnienia oraz obciążenia. Najważniejsze elementy to:

• Blok silnika – tworzy główną konstrukcję jednostki i zawiera cylindry oraz kanały oleju i płynu chłodzącego.
• Tłoki, korbowody i wał korbowy – tłoki odbierają siłę rozprężających się gazów, korbowody przekazują ją na wał, a wał zmienia ruch posuwisto-zwrotny na obrotowy.
• Głowica i zawory – zamykają cylindry oraz sterują dopływem powietrza i odprowadzaniem spalin.
• Wtryskiwacze wysokiego ciśnienia – rozpylają dokładnie odmierzoną dawkę paliwa w komorze spalania.
• Układ Common Rail – pompa wysokiego ciśnienia, listwa paliwowa i sterowane elektronicznie wtryskiwacze tworzą układ precyzyjnego zasilania silnika.
• Turbosprężarka – wykorzystuje energię spalin do wtłaczania większej ilości powietrza do cylindrów. Dzięki temu silnik może uzyskać wyższą moc i moment obrotowy bez proporcjonalnego zwiększania pojemności.
• Świece żarowe – nie wywołują zapłonu podczas normalnej pracy, lecz pomagają rozgrzać komorę spalania podczas uruchamiania zimnego silnika.

Współczesne diesle mają także układy oczyszczania spalin, między innymi filtr cząstek stałych oraz, w części konstrukcji, system SCR wykorzystujący AdBlue. Elementy te nie odpowiadają za samo wytwarzanie mocy, lecz ograniczają emisję cząstek stałych i tlenków azotu.

Dlaczego silniki Diesla są wydajne?

O ich sprawności decyduje przede wszystkim wysoki stopień sprężania oraz sposób dozowania paliwa. Silnik nie spręża gotowej mieszanki paliwowo-powietrznej, lecz samo powietrze, a paliwo pojawia się dopiero wtedy, gdy w cylindrze panują warunki sprzyjające zapłonowi. Wysokie ciśnienie robocze i duża ilość energii uzyskiwana z oleju napędowego sprzyjają osiąganiu wysokiego momentu obrotowego przy niskich obrotach.

Ta cecha sprawia, że silniki wysokoprężne dobrze sprawdzają się w ciężarówkach, autobusach, maszynach roboczych, statkach i generatorach. Ich mocna budowa ma jednak swoją cenę – większa masa oraz wyższe obciążenia elementów mechanicznych wynikają bezpośrednio z warunków, w jakich pracuje jednostka.

Silnik Diesla działa więc według prostej zależności: sprężanie powietrza podnosi jego temperaturę, wtrysk paliwa wywołuje samozapłon, a rozprężające się spaliny poruszają tłokiem. To właśnie brak świecy zapłonowej i wykorzystanie wysokiego sprężania odróżniają go od silnika benzynowego.