كيف يعمل محرك الديزل؟ يضغط الهواء داخل الأسطوانة بقوة كبيرة حتى ترتفع حرارته إلى عدة مئات من الدرجات المئوية، ثم يرش الوقود في ذلك الهواء الساخن، فيشتعل تلقائيًا. يُسمّى ذلك الاشتعال بالانضغاط: لا توجد شمعة إشعال، وتُضبط القدرة بكمية الوقود المحقون بدلًا من خنق الهواء. ولأن محركات الديزل تعمل بنسب انضغاط تتراوح تقريبًا من 14:1 إلى 22:1، فإنها تحوّل قدرًا أكبر من طاقة الوقود إلى شغل مقارنة بمحركات البنزين، ولهذا تُستخدم لتشغيل الشاحنات والسفن ومجموعات التوليد وآلات البناء.
أهم النقاط
- يشعل محرك الديزل الوقود بحرارة الهواء المضغوط، وليس بشرارة؛ وتتراوح نسب الانضغاط المعتادة فيه بين نحو 14:1 و22:1، مقابل نحو 8:1 إلى 12:1 لمحركات البنزين.
- تعمل معظم محركات الديزل بدورة رباعية الأشواط (السحب والانضغاط والقدرة والعادم)؛ وتستخدم محركات السفن الكبيرة جدًا وبعض التصاميم الأقدم دورة ثنائية الأشواط.
- لا تحتوي محركات الديزل على شمعات إشعال؛ ويحتوي كثير منها على شمعات توهج أو مسخّن لهواء السحب للمساعدة على بدء التشغيل البارد فقط.
- مُنح رودولف ديزل براءة اختراعه في ألمانيا عام 1893، وعُرض أول محرك عامل له في أوغسبورغ عام 1897 بكفاءة بلغت نحو 26 بالمئة.
- تصل الكفاءة الحرارية الفرملية لمحركات الديزل الحديثة المخصصة للخدمة الشاقة إلى منتصف نطاق الـ40 بالمئة، وتتجاوز 50 بالمئة في محركات الديزل البحرية الكبيرة منخفضة السرعة.
كيف يعمل محرك الديزل، خطوة بخطوة؟
يُكمل محرك الديزل رباعي الأشواط دورة قدرة واحدة خلال دورتين لعمود المرفق. ويمر كل مكبس بأربعة أشواط، ويضبط نظام الوقود توقيت الحقن ليكون عند نهاية شوط الانضغاط.
- شوط السحب. يتحرك المكبس إلى أسفل مع فتح صمام السحب، ويسحب الهواء فقط. وفي المحرك المزود بشاحن توربيني، يدخل الهواء تحت ضغط، مما يتيح إدخال كمية أكبر من الأكسجين إلى الأسطوانة.
- شوط الانضغاط. يُغلق كلا الصمامين ويرتفع المكبس، فيضغط الهواء إلى جزء صغير من حجمه الأصلي. ويرفع الانضغاط درجة حرارة الهواء إلى مستوى أعلى بكثير من درجة الاشتعال الذاتي لوقود الديزل.
- شوط القدرة. قرب أعلى الشوط، يرش الحاقن وقودًا مذرى بدقة في الهواء الساخن. ويشتعل الوقود بعد تأخير قصير جدًا، ويتمدد الغاز، ويدفع الضغط المكبس إلى أسفل، فيدير عمود المرفق.
- شوط العادم. يفتح صمام العادم ويدفع المكبس الصاعد غازات الاحتراق إلى الخارج، استعدادًا لشوط السحب التالي.
هذه، باختصار، هي طريقة عمل محرك الديزل في كل دورة. ويكمن الفرق الأساسي عن محرك البنزين في الخطوتين 1 و3. فمحرك البنزين يسحب خليطًا من الهواء والوقود ويستخدم شرارة لإشعاله، بينما يسحب محرك الديزل الهواء وحده ويتحكم في قدرته اعتمادًا فقط على كمية الوقود المحقون.
هل تحتوي محركات الديزل على شمعات إشعال؟
لا. لا تستخدم محركات الديزل شمعات إشعال، لأن الوقود يشتعل بفعل حرارة الانضغاط. لكن كثيرًا منها يحتوي على وسيلة مساعدة لبدء التشغيل البارد: شمعات توهج تسخّن غرفة الاحتراق، أو مسخّن شبكي يدفئ هواء السحب.
تزداد أهمية هذه الوسائل في الطقس البارد وفي المحركات الأصغر، حيث تمتص جدران الأسطوانات مزيدًا من الحرارة أثناء الانضغاط. وبعد تشغيل المحرك، تصبح حرارة الاحتراق كافية وتتوقف شمعات التوهج، مع أن بعض المحركات الحديثة تُبقيها قيد التشغيل لفترة وجيزة بعد البدء لتقليل الدخان الأبيض والضوضاء.
كيف يبدأ محرك الديزل العمل؟
يبدأ محرك الديزل العمل عندما يدير بادئ التشغيل عمود المرفق بسرعة كافية لرفع حرارة الهواء بالانضغاط إلى ما فوق درجة الاشتعال. ثم يزوّد نظام التحكم أو مضخة الحقن المحرك بالوقود، ويبدأ الاحتراق في الأسطوانات الأولى، ويزيد المحرك سرعته ذاتيًا.
قد تستخدم المحركات الكبيرة الهواء المضغوط لبدء التشغيل بدلًا من بادئ تشغيل كهربائي. وعادةً ما تشير صعوبة بدء التشغيل إلى أحد أسباب محدودة: انخفاض سرعة التدوير بسبب ضعف البطارية، أو وجود هواء في نظام الوقود، أو تآكل الحاقنات، أو انخفاض الانضغاط بسبب تآكل حلقات المكبس أو الصمامات، أو تعطل وسيلة المساعدة على بدء التشغيل البارد. وبعد كل تغيير لفلتر الوقود، يجب تنفيس الهواء من نظام الوقود أو ملؤه تمهيديًا قبل أن يبدأ المحرك العمل بصورة موثوقة؛ ويشرح دليل استبدال فلتر وقود الديزل هذه الخطوة.
ما المكونات الرئيسية لمحرك الديزل؟
يشترك محرك الديزل في بنيته الأساسية مع أي محرك مكبسي، لكنه يُصنع ببنية أثقل لتحمّل ضغوط الأسطوانات الأعلى. ويقدّم الجدول وصفًا مبسطًا بالكلمات لمخطط محرك الديزل.
| المكوّن | وظيفته | ملاحظات خاصة بمحركات الديزل |
|---|---|---|
| كتلة الأسطوانات وبطاناتها | تضم الأسطوانات وممرات سائل التبريد | غالبًا ما تستخدم بطانات رطبة أو جافة قابلة للاستبدال في محركات الخدمة الشاقة |
| رأس الأسطوانة | يحمل الصمامات والحاقنات ومنافذ السحب والعادم | مصمم لتحمّل ضغوط الذروة العالية؛ وقد يحتوي على شمعات توهج |
| المكابس وحلقاتها | تحكم إغلاق حيز الاحتراق وتنقل القوة | غالبًا ما تحتوي على تجويف احتراق مشغّل في تاج المكبس |
| أذرع التوصيل وعمود المرفق | تحوّل حركة المكبس إلى حركة دورانية | أثقل من نظيراتها في محرك بنزين بالحجم نفسه |
| عمود الكامات وآلية تشغيل الصمامات | يفتحان صمامات السحب والعادم ويغلقانها | تعمل بالمبدأ نفسه المستخدم في محركات البنزين |
| نظام حقن الوقود | يضبط كمية الوقود ويحقنه بضغط عالٍ | مضخة ميكانيكية أو نظام سكة مشتركة إلكتروني |
| الشاحن التوربيني والمبرّد البيني | يدفعان مزيدًا من الهواء إلى الأسطوانات | يُركّبان في معظم محركات الديزل الحديثة التي تتجاوز الأحجام الصغيرة |
| نظام التبريد | يزيل الحرارة بواسطة سائل التبريد أو الهواء | التبريد بالسائل هو الأكثر شيوعًا؛ وقد تكون المحركات الصغيرة مبرّدة بالهواء |
| المعالجة اللاحقة للعادم | تنقّي غازات العادم | مرشحات DPF وأنظمة SCR باليوريا (DEF) ومحفزات الأكسدة في المحركات الحديثة المستخدمة على الطرق وخارجها |
ما أنظمة حقن الوقود التي تستخدمها محركات الديزل؟
تطور حقن وقود الديزل من مضخات ميكانيكية بالكامل إلى أنظمة عالية الضغط ذات تحكم إلكتروني. ولا يزال النوعان مستخدمين، ولا سيما في التطبيقات الصناعية والبحرية.
- المضخات الميكانيكية الخطية أو الدوارة تضبط كمية الوقود باستخدام الكامات والمكابس الضاغطة، وترسله إلى كل حاقن في التوقيت المناسب. وهي بسيطة وقابلة للإصلاح الميداني، مما يُبقيها شائعة في محركات المولدات وقوارب العمل، مثل المحرك سداسي الأسطوانات من نوع 6BT.
- وحدات الحاقن المدمجة تجمع عنصر المضخة والحاقن في جسم واحد عند كل أسطوانة.
- الحقن بالسكة المشتركة يخزّن الوقود بضغط عالٍ جدًا في سكة مشتركة، ويمكن للحاقنات ذات التحكم الإلكتروني أن تحقن عدة مرات في كل دورة. ويتيح ذلك احتراقًا أكثر هدوءًا وانبعاثات أقل واقتصادًا أفضل في استهلاك الوقود، لكنه يتطلب وقودًا نظيفًا وأدوات تشخيص.
تختلف المحركات أيضًا في موضع دخول الوقود. تستخدم معظم محركات الديزل الحديثة الحقن المباشر في تجويف بتاج المكبس. وتستخدم بعض المحركات الأقدم والأصغر الحقن غير المباشر في غرفة أولية، وهو أكثر هدوءًا لكنه أقل كفاءة ويحتاج عادةً إلى شمعات توهج.
لماذا تتمتع محركات الديزل بكفاءة عالية؟
تأتي كفاءة الديزل من ثلاثة عوامل: الانضغاط العالي، والاحتراق بخليط فقير بالوقود، وعدم وجود فواقد الخنق. فنسبة الانضغاط والتمدد الأعلى تستخلص شغلًا أكبر من كمية الحرارة نفسها، ولأن محرك الديزل لا يخنق هواء السحب، فإنه يتجنب فواقد الضخ التي يعانيها محرك البنزين عند الحمل الجزئي.
يحتوي وقود الديزل أيضًا على طاقة أكبر لكل غالون. وتورد إدارة معلومات الطاقة الأمريكية قيمة تقارب 137381 Btu لكل غالون لوقود الديزل مقابل نحو 120214 Btu لبنزين المحركات، أي بزيادة تبلغ نحو 14 بالمئة. ويذكر موقع الحكومة الأمريكية للاقتصاد في استهلاك الوقود أن مركبات الديزل تكون عادةً أكثر كفاءة في استهلاك الوقود بنحو 30 إلى 35 بالمئة من مركبات البنزين المماثلة.
| نوع المحرك | ذروة الكفاءة الحرارية الفرملية المعتادة |
|---|---|
| محركات البنزين الصغيرة | نحو 25–35% |
| محركات ديزل السيارات الحديثة | نحو 35–42% |
| محركات ديزل الشاحنات الثقيلة والمحركات الصناعية | نحو 40–46% |
| محركات الديزل البحرية الكبيرة منخفضة السرعة وثنائية الأشواط | أعلى من 50% |
هذه الأرقام قيم إرشادية للذروة؛ وتعتمد الكفاءة الفعلية على الحمل والسرعة والصيانة. وللمقارنة المباشرة بين نوعي المحركات، راجع محركات الديزل مقارنة بمحركات البنزين.
من اخترع محرك الديزل، ومتى؟
اخترع محرك الديزل المهندس الألماني رودولف ديزل. وقدّم طلب براءة اختراعه عام 1892، ومُنحت له عام 1893، وبعد سنوات من التطوير في مصانع Maschinenfabrik Augsburg (التي أصبحت لاحقًا MAN)، عمل أول محرك عملي عام 1897، مسجلًا كفاءة بلغت نحو 26 بالمئة، متقدمًا بفارق كبير على المحركات البخارية آنذاك.
تصوّر ديزل في البداية تشغيل المحركات بأنواع مختلفة من الوقود، بما فيها غبار الفحم والزيت النباتي. وخلال بضعة عقود، انتشرت محركات الديزل في السفن والغواصات والقاطرات ومحطات القدرة الثابتة، ثم في الشاحنات والجرارات الزراعية.
ما الأنواع المختلفة لمحركات الديزل؟
تُصنَّف محركات الديزل عادةً بحسب الدورة والسرعة والتطبيق. ويُعد التصنيف بحسب السرعة الأكثر فائدة للمشترين لأنه يرتبط بالحجم والوزن والمتانة.
- محركات الديزل عالية السرعة (أعلى من نحو 1000 rpm) تشغّل الشاحنات ومجموعات التوليد وآلات البناء والقوارب الصغيرة إلى المتوسطة.
- محركات الديزل متوسطة السرعة (نحو 300 إلى 1000 rpm) تشغّل السفن الأكبر والقاطرات ومحطات الطاقة.
- محركات الديزل منخفضة السرعة (أقل من نحو 300 rpm)، وهي ثنائية الأشواط في معظم الحالات، تدير مراوح دفع السفن التجارية الكبيرة مباشرةً.
تجمع أنظمة الديزل الكهربائية بين محرك ديزل ومولد ومحركات كهربائية، كما في القاطرات وكثير من العبّارات وسفن العمليات البحرية. وللتعرّف إلى عائلات المحركات المستخدمة في الصناعة، راجع دليل محركات الديزل الصناعية، وللوحدات الصغيرة المبرّدة بالهواء والسائل، راجع دليل محركات الديزل الصغيرة.
هل محركات الديزل أكثر موثوقية؟
في الأعمال الشاقة، تدوم محركات الديزل عمومًا أطول من محركات البنزين ذات القدرة المماثلة. فهي تُصنع بكتل محركات وأعمدة مرفق ومحامل أقوى لتحمّل ضغط الأسطوانات العالي، وتعمل بسرعات rpm أقل، ولا تحتوي على نظام إشعال قد يتعطل.
تظل الموثوقية معتمدة على جودة الوقود وترشيح الهواء والتبريد والالتزام بتغيير الزيت. وتضيف محركات الديزل الحديثة المزودة بأنظمة للتحكم في الانبعاثات مكونات، مثل مرشحات الجسيمات وأنظمة SCR، تحتاج إلى صيانة خاصة بها. توفّر Shanghai Mars Industrial (MARS) محركات ديزل للتطبيقات البحرية ومجموعات التوليد والشاحنات والآلات، ويمكن إجراء اختبار تشغيل لكل محرك قبل الإرسال مع تقرير مكتوب وفيديو؛ اطلب المواصفات لتطبيق محدد.
الأسئلة الشائعة
هل تحتوي محركات الديزل على شمعات إشعال؟
لا. يشتعل وقود الديزل بفعل حرارة الهواء المضغوط، لذلك لا توجد شمعة إشعال. ويحتوي كثير من محركات الديزل على شمعات توهج أو مسخّن لهواء السحب للمساعدة على بدء التشغيل البارد فقط.
ما نسبة الانضغاط في محرك الديزل؟
تعمل معظم محركات الديزل الحديثة بنسب تتراوح بين نحو 14:1 و22:1، بينما تصل بعض تصاميم الحقن غير المباشر الأقدم إلى نحو 23:1 أو أكثر. وتعمل محركات البنزين عادةً بنسب تتراوح من نحو 8:1 إلى 12:1.
هل يمكن تشغيل محرك ديزل بالبنزين؟
لا. للبنزين رقم سيتان منخفض جدًا، ولا يشتعل ذاتيًا بصورة صحيحة في محرك الديزل، كما أنه يفتقر إلى خصائص التزييت التي يحتاجها نظام الحقن. ويمكن أن يؤدي وضع البنزين في خزان الديزل إلى تلف المضخات والحاقنات، لذا يجب تفريغ نظام الوقود قبل بدء التشغيل.
ما الدفع بالديزل والكهرباء؟
هو نظام يدير فيه محرك ديزل مولدًا، وتتولى محركات كهربائية إدارة العجلات أو مراوح الدفع. ويُستخدم في القاطرات وكثير من العبّارات وسفن العمليات البحرية والسفن السياحية، لأنه يتيح مرونة في ترتيب المحركات وتشغيلًا كفؤًا عند الحمل الجزئي.
لماذا تنتج محركات الديزل عزم دوران أكبر؟
تتميز محركات الديزل عادةً بأشواط طويلة وضغوط أسطوانات عالية وشحن توربيني، مما ينتج عزم دوران قويًا عند سرعات rpm منخفضة. وهذا يجعلها مناسبة جدًا للأحمال الثقيلة والقطر ومراوح الدفع.
