Silnik wysokoprężny działa poprzez zasysanie powietrza i sprężanie go do bardzo wysokiego współczynnika (zwykle pomiędzy 14:1 i 23:1 ), a następnie wtryskiwanie paliwa bezpośrednio do tego gorącego, sprężonego powietrza, tak aby samo się zapaliło, bez świecy zapłonowej. Proces ten, znany jako zapłon samoczynny, jest cechą odróżniającą silnik wysokoprężny od silnika benzynowego i to jest powód, dla którego elektrownie wysokoprężne są preferowane w ciężarówkach, generatorach, statkach morskich i ciężkim sprzęcie budowlanym, gdzie moment obrotowy i zużycie paliwa liczą się bardziej niż osiągi przy wysokich obrotach.
Cztery suwy stojące za każdym silnikiem Diesla
Każdy silnik wysokoprężny, niezależnie od wielkości, charakteryzuje się tą samą czterosuwową sekwencją, która przekształca energię chemiczną zawartą w paliwie w mechaniczną rotację wału korbowego.
Skok wlotowy
Tłok porusza się w dół wewnątrz cylindra, podczas gdy zawór dolotowy otwiera się, zasysając wyłącznie świeże powietrze, bez domieszki paliwa. Różni się to od silnika benzynowego, w którym paliwo i powietrze są zwykle mieszane przed wejściem do komory.
Udar kompresyjny
Zawór wlotowy zamyka się, a tłok porusza się w górę, ściskając powietrze do znacznie mniejszej objętości. Ponieważ stopień sprężania oleju napędowego jest tak wysoki, temperatura powietrza wewnątrz cylindra może wzrosnąć powyżej 700 stopni Celsjusza , która jest wystarczająco gorąca, aby zapalić olej napędowy bez iskry zewnętrznej.
Udar mocy
W górnej części suwu sprężania wtryskiwacz paliwa rozpyla drobną mgiełkę oleju napędowego bezpośrednio do przegrzanego powietrza. Paliwo zapala się niemal natychmiast, a powstałe rozprężenie powoduje cofnięcie tłoka w dół, generując siłę obrotową, która ostatecznie dociera do kół lub wału napędowego.
Skok wydechu
Tłok ponownie podnosi się, zawór wydechowy otwiera się, a zużyte spaliny są wypychane z cylindra przez kolektor wydechowy, po czym cykl rozpoczyna się od nowego suwu dolotowego.
Dlaczego czas wtrysku paliwa decyduje o wydajności
Układ wtrysku paliwa jest prawdopodobnie najważniejszy część samochodowa w silniku wysokoprężnym, ponieważ czas i ciśnienie wtrysku bezpośrednio kontrolują moc wyjściową, hałas i emisję spalin.
Nowoczesne silniki wysokoprężne wykorzystują układ wtryskowy Common Rail, w którym paliwo utrzymywane jest pod niezwykle wysokim ciśnieniem, często pomiędzy 1500 i 2500 barów , wewnątrz wspólnej szyny przed rozdzieleniem do poszczególnych elektronicznie sterowanych wtryskiwaczy. Taka konfiguracja umożliwia jednostce sterującej silnika wygenerowanie wielu małych impulsów wtrysku na cykl zamiast jednego dużego impulsu, co wygładza spalanie i zmniejsza charakterystyczne stuki w oleju napędowym.
| Układ wtryskowy | Typowe ciśnienie | Powszechne zastosowanie |
|---|---|---|
| Common Rail | 1500 do 2500 barów | Samochody osobowe, SUV-y |
| Wtryskiwacz jednostkowy | Do 2000 barów | Ciężkie ciężarówki autostradowe |
| Pompa dystrybutora | 300 do 1000 barów | Starsze silniki Diesla, sprzęt rolniczy |
Turbosprężarki i powietrzna strona spalania
Silnik wysokoprężny spala się z taką wydajnością, jak dostarczane do niego powietrze, dlatego prawie każdy nowoczesny silnik wysokoprężny wykorzystuje turbosprężarkę, która wtłacza dodatkową ilość powietrza do cylindrów. Turbosprężarka obraca się, wykorzystując energię gazów spalinowych, która w przeciwnym razie zostałaby zmarnowana, a wirujące koło sprężarki tłoczy więcej tlenu przy każdym suwie dolotowym.
- Więcej powietrza umożliwia spalenie większej ilości paliwa na cykl, zwiększając moc bez powiększania bloku silnika.
- Chłodnica międzystopniowa często znajduje się pomiędzy turbosprężarką a kolektorem dolotowym w celu chłodzenia sprężonego powietrza, ponieważ gęstsze, chłodne powietrze zawiera więcej cząsteczek tlenu niż gorące powietrze o tej samej objętości.
- Turbosprężarki o zmiennej geometrii dostosowują kąt łopatek, aby zapewnić doładowanie w szerszym zakresie prędkości obrotowych silnika, pomagając silnikowi wysokoprężnemu silniej szarpać od niskich obrotów.
Jest to jeden z powodów, dla których silniki wysokoprężne wytwarzają wysoki moment obrotowy przy niskich prędkościach obrotowych, często osiągając wartości maksymalne znacznie poniżej 2000 obr./min , co czyni je dobrze przystosowanymi do prac holowniczych i ciągnięcia.
Części samochodowe umożliwiające zapłon samoczynny
Kilka części samochodowych współpracuje ze sobą, aby podtrzymać proces zapłonu samoczynnego w silniku wysokoprężnym, a każda z nich odgrywa odrębną rolę mechaniczną.
- Świece żarowe ogrzewają komorę spalania podczas rozruchu zimnego silnika, ponieważ samo zimne powietrze może nie osiągnąć temperatury zapłonu, gdy silnik jest zimny.
- Wtryskiwacze paliwa rozpylają olej napędowy w postaci drobnego strumienia, dzięki czemu miesza się on równomiernie ze sprężonym powietrzem.
- Wał korbowy i korbowody przekładają ruch tłoka w górę i w dół na moc obrotową.
- Zawór recyrkulacji spalin kieruje część spalin z powrotem do wlotu, aby obniżyć temperaturę spalania i ograniczyć powstawanie tlenku azotu.
- Filtr cząstek stałych wychwytuje cząsteczki sadzy ze strumienia spalin, zanim gazy opuszczą rurę wydechową.
Dlaczego silniki wysokoprężne działają wydajniej niż silniki benzynowe
Przewaga w zakresie sprawności cieplnej silnika wysokoprężnego wynika bezpośrednio z jego wyższego stopnia sprężania. Według danych technicznych opublikowanych przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych, silniki wysokoprężne mogą ulegać konwersji w przybliżeniu 30 do 35 procent energii paliwa w użyteczną pracę, w porównaniu z około 20 do 25 procent w przypadku typowych silników benzynowych, ponieważ wyższe sprężanie umożliwia pełniejsze rozprężenie gazów spalinowych w stosunku do tłoka.
Olej napędowy niesie ze sobą więcej energii na galon niż benzyna, co dodatkowo zwiększa przebieg. To połączenie wyższej wydajności sprężania i gęstszej energii paliwa wyjaśnia, dlaczego ciężarówki do transportu długodystansowego, silniki morskie i generatory stacjonarne niemal powszechnie korzystają z oleju napędowego, a nie benzyny.
Typowe punkty zużycia, które właściciele powinni obserwować
Utrzymanie płynnej pracy silnika wysokoprężnego zależy od monitorowania kilku części samochodowych, które z biegiem czasu podlegają największym obciążeniom.
Filtry paliwa
Wtryskiwacze oleju napędowego działają z bardzo wąskimi tolerancjami, więc nawet niewielkie ilości zanieczyszczeń lub wody w paliwie mogą powodować zużycie wtryskiwaczy. Filtry paliwa należy wymieniać z częstotliwością podaną w instrukcji obsługi, aby chronić układ wtryskowy.
Uszczelki turbosprężarki
Ponieważ turbosprężarka obraca się z prędkościami, które mogą przekroczyć 100 000 obr./min , jego wewnętrzne łożyska i uszczelki są wrażliwe na jakość oleju. Stosowanie oleju o klasie określonej przez producenta sprawia, że turbosprężarka będzie działać tak długo, jak reszta silnika wysokoprężnego.
Stan świec żarowych
Zużyta świeca żarowa może znacznie utrudnić rozruch na zimno, szczególnie w niskich temperaturach, ponieważ bez pomocy komora spalania nie osiągnie temperatury zapłonu tak szybko.
