المبدأ الأساسي: الاشتعال بالضغط
محرك الديزل هو محرك احتراق داخلي يعتمد على الاشتعال بالضغط بدلاً من الاشتعال بالشرارة. في محرك البنزين، تشعل شمعة الإشعال خليطاً مُعداً مسبقاً من الهواء والوقود. أما في محرك الديزل، فيُسحب الهواء إلى الأسطوانة ويُضغط إلى ضغط ودرجة حرارة مرتفعين. ثم يُحقن الوقود مباشرة في الهواء الساخن المضغوط، حيث يشتعل تلقائياً.
هذه العملية ممكنة لأن ضغط الغاز يرفع درجة حرارته. في محرك الديزل، تتراوح نسبة الضغط عادة بين 14:1 و25:1، وهي أعلى بكثير من 8:1 إلى 12:1 في محرك بنزين نموذجي. نسبة الضغط العالية هذه هي مفتاح كفاءة دورة الديزل.
- نسبة الضغط: عادة من 14:1 إلى 25:1
- الاشتعال: بحرارة الضغط، وليس بشمعة إشعال
- الوقود: الديزل (زيت وقود مقطر)
- الهواء: غير مقيّد في معظم التصاميم، يُسحب بحرية
دورة الديزل رباعية الأشواط
تعمل معظم محركات الديزل بدورة رباعية الأشواط، وتُكمل شوط قدرة واحد كل دورتين لعمود المرفق. تتكون الدورة من أشواط السحب والضغط والقدرة والعادم. يُوصف كل شوط أدناه.
شوط السحب: يتحرك المكبس لأسفل من النقطة الميتة العليا (TDC) إلى النقطة الميتة السفلى (BDC). يكون صمام السحب مفتوحاً، ويُسحب الهواء إلى الأسطوانة. على عكس محرك البنزين، لا توجد صفيحة خنق لتقييد تدفق الهواء في محرك ديزل تقليدي، لذا يسحب المحرك شحنة كاملة من الهواء.
شوط الضغط: يكون كلا الصمامين مغلقين. يتحرك المكبس لأعلى من BDC إلى TDC، ضاغطاً الهواء إلى ضغط ودرجة حرارة مرتفعين. في نهاية هذا الشوط، يمكن أن تصل درجة حرارة الهواء إلى 700 إلى 900 درجة مئوية (حوالي 1300 إلى 1650 درجة فهرنهايت)، وهي أعلى بكثير من درجة حرارة الاشتعال التلقائي لوقود الديزل.
شوط القدرة: قرب TDC، يرش الحاقن رذاذاً دقيقاً من وقود الديزل في الهواء الساخن. يتبخر الوقود ويشتعل، وتدفع الغازات المتمدد المكبس لأسفل. هذا هو الشوط الوحيد الذي ينتج شغلاً.
شوط العادم: يفتح صمام العادم، ويتحرك المكبس لأعلى من BDC إلى TDC، دافعاً الغازات المحترقة خارج الأسطوانة.
- السحب: دخول الهواء، المكبس لأسفل
- الضغط: ضغط الهواء، المكبس لأعلى
- القدرة: حقن الوقود، الاشتعال، المكبس لأسفل
- العادم: خروج الغازات، المكبس لأعلى
المكونات الرئيسية لمحرك الديزل
بينما يتشارك محرك الديزل العديد من المكونات مع محرك البنزين، مثل عمود المرفق وقضبان التوصيل والمكابس، فإنه يمتلك عدة أجزاء فريدة أو معززة للتعامل مع الضغوط الأعلى.
حاقنات الوقود: حاقنات الديزل أجهزة دقيقة تُذرّي الوقود عند ضغوط تتراوح من حوالي 300 بار في الأنظمة القديمة إلى أكثر من 2500 بار في أنظمة السكة المشتركة الحديثة. يجب أن يوصل الحاقن الوقود في الوقت الصحيح وبالكمية الصحيحة.
مضخة الوقود عالية الضغط: تضغط هذه المضخة وقود الديزل وتوصله إلى الحاقنات. في أنظمة السكة المشتركة، توفر مضخة عالية الضغط واحدة سكة تغذي جميع الحاقنات.
شمعات التوهج: على عكس شمعات الإشعال، تُستخدم شمعات التوهج فقط لبدء التشغيل البارد. فهي تسخن غرفة الاحتراق مسبقاً لمساعدة المحرك على البدء عندما يكون بارداً. بمجرد تشغيل المحرك، لم تعد هناك حاجة إليها.
الشاحن التوربيني: تستخدم العديد من محركات الديزل شاحناً توربينياً لدفع مزيد من الهواء إلى الأسطوانات، مما يزيد القدرة والكفاءة. يُدار الشاحن التوربيني بواسطة تيار غاز العادم.
- حاقنات الوقود (ضغط عالٍ، توقيت دقيق)
- مضخة الوقود عالية الضغط (سكة مشتركة أو حاقن وحدة)
- شمعات التوهج (مساعدة البدء البارد)
- الشاحن التوربيني (شحن قسري، شائع في محركات الديزل الحديثة)
أنظمة حقن الوقود: من الميكانيكية إلى السكة المشتركة
استخدمت محركات الديزل المبكرة أنظمة حقن ميكانيكية، مثل المضخات الخطية أو مضخات الموزع، حيث يتحكم عمود الكامات والمكبس في توصيل الوقود. كانت هذه الأنظمة متينة لكنها محدودة في التحكم بالتوقيت والضغط.
تستخدم محركات الديزل الحديثة في الغالب حقن السكة المشتركة. في نظام السكة المشتركة، تضغط مضخة عالية الضغط الوقود وتخزنه في سكة. تحقن حاقنات ملف لولبي أو كهرضغطية، تُدار بواسطة وحدة التحكم بالمحرك (ECU)، الوقود في فترات موقوتة بدقة. يتيح ذلك حقنات متعددة لكل دورة، مما يقلل الضوضاء والانبعاثات.
نظام آخر هو حاقن الوحدة، حيث يكون لكل أسطوانة حاقنها الخاص الذي يُشغَّل بواسطة عمود الكامات ويولّد الضغط محلياً. كان هذا شائعاً في بعض سيارات الركاب والمحركات الثقيلة.
- الحقن الميكانيكي: مضخة خطية أو موزع
- السكة المشتركة: سكة عالية الضغط، حاقنات تُدار إلكترونياً
- حاقن الوحدة: يُشغَّل بعمود الكامات، ضغط عالٍ لكل أسطوانة
الديزل مقابل محركات البنزين: الاختلافات الرئيسية
تختلف محركات الديزل والبنزين في عدة نواحٍ أساسية. يساعد فهم هذه الاختلافات في تفسير سبب تفضيل محركات الديزل للتطبيقات الثقيلة.
الاشتعال: يستخدم الديزل الاشتعال بالضغط؛ ويستخدم البنزين الاشتعال بالشرارة.
سحب الهواء: محركات الديزل غير مقيّدة (سحب الهواء غير مقيّد)، بينما تستخدم محركات البنزين صفيحة خنق للتحكم بتدفق الهواء.
نسبة الضغط: تمتلك محركات الديزل نسب ضغط أعلى، مما يؤدي إلى كفاءة حرارية أكبر.
الوقود: وقود الديزل أثقل وأكثر زيتية من البنزين، وله كثافة طاقة أعلى بالحجم.
الانبعاثات: تميل محركات الديزل إلى إنتاج المزيد من أكاسيد النيتروجين (NOx) والجسيمات الدقيقة (PM)، بينما تنتج محركات البنزين المزيد من أول أكسيد الكربون (CO) والهيدروكربونات (HC). تُستخدم أنظمة المعالجة اللاحقة مثل الاختزال الحفزي الانتقائي (SCR) ومرشحات الجسيمات الديزل (DPF) لتقليل انبعاثات الديزل.
- الاشتعال: ضغط مقابل شرارة
- التحكم بالهواء: غير مقيّد مقابل مقيّد
- نسبة الضغط: أعلى للديزل
- الانبعاثات: NOx وPM مقابل CO وHC
أمثلة عملية على عمل محرك الديزل
لتوضيح كيفية عمل محرك الديزل، تأمل هذه الأمثلة.
المثال 1: البدء البارد. عند تشغيل محرك ديزل في صباح بارد، قد تحتاج إلى الانتظار حتى تسخن شمعات التوهج. تسخن شمعات التوهج غرفة الاحتراق، مما يسمح للهواء بالوصول إلى درجة حرارة عالية كافية ليشعل الوقود. بمجرد تشغيل المحرك، تنطفئ شمعات التوهج.
المثال 2: تعزيز التوربو. تحت التسارع، يدور الشاحن التوربيني أسرع، دافعاً مزيداً من الهواء إلى الأسطوانات. تزيد وحدة التحكم بالمحرك كمية حقن الوقود لتتناسب مع الهواء المتزايد، منتجة قدرة أكبر. لهذا السبب غالباً ما تبدو محركات الديزل قوية عند الدورات المنخفضة.
المثال 3: التجديد. يلتقط مرشح الجسيمات الديزل (DPF) السخام. بشكل دوري، ينفذ المحرك دورة تجديد، بحقن وقود إضافي لرفع درجات حرارة العادم وحرق السخام. هذا جزء طبيعي من تشغيل الديزل الحديث.
- البدء البارد: شمعات التوهج تسخن الغرفة مسبقاً
- تعزيز التوربو: هواء أكثر، وقود أكثر، قدرة أكبر
- تجديد DPF: يحرق السخام المحتجز
الكفاءة والتطبيقات
محركات الديزل أكثر كفاءة حرارياً من محركات البنزين، وغالباً ما تحقق كفاءة 30 إلى 40 بالمئة في سيارات الركاب وحتى 50 بالمئة في المحركات البحرية أو الثابتة الكبيرة. تأتي هذه الكفاءة من نسبة الضغط العالية وغياب خسائر الخنق.
بفضل كفاءتها وخصائص عزمها، تُستخدم محركات الديزل في مجموعة واسعة من التطبيقات: سيارات الركاب، والشاحنات، والحافلات، والقطارات، والسفن، والمولدات. وهي شائعة أيضاً في الآلات الزراعية وآلات البناء.
- الكفاءة الحرارية: 30-40% عادة، حتى 50% في المحركات الكبيرة
- التطبيقات: السيارات، الشاحنات، السفن، المولدات، الآلات












