Hur dieselmotorer fungerar

Den 4,5-liters V-8 Duramax förbättrar effektiviteten med 25 procent jämfört med bensinmotorer och minskar föroreningar och utsläpp. Se fler bilder på dieselmotorer. 2008

-Ett av de mest populära artiklarna är How Car Engines Work, som förklarar de grundläggande principerna bakom förbränning, diskuterar fyrtaktscykeln och pratar om alla delsystem som hjälper din bil att utföra sitt jobb. Länge efter att vi publicerade den artikeln var en av de vanligaste frågorna (och ett av de vanligaste förslagen i förslagsrutan) "Vad är skillnaden mellan en bensin och en dieselmotor?"

Diesels berättelse börjar faktiskt med uppfinningen av bensinmotor. Nikolaus August Otto hade uppfunnit och patenterat bensinmotorn år 1876. Denna uppfinning använde fyrtaktsförbränningsprincipen, även känd som "Otto Cycle", och det är grundförutsättningen för de flesta bilmotorer idag. I ett tidigt skede var bensinmotorn inte så effektiv och andra viktiga transportmetoder, t.ex. ångmotor klarat sig dåligt också. Endast cirka 10 procent av bränslet som används i dessa typer av motorer flyttade faktiskt ett fordon. Resten av bränslet producerade helt enkelt värdelös.

-I 1878 gick Rudolf Diesel på Polytechnic High School of Germany (motsvarande en ingenjörskollegium) när han fick veta om bensin- och ångmotorernas låga effektivitet. Denna oroande information inspirerade honom att skapa en motor med en högre effektivitet, och han ägnade mycket av sin tid åt att utveckla en "Combustion Power Engine." År 1892 hade Diesel fått patent på det vi nu kallar dieselmotorn.

-Om dieselmotorer är så effektiva, varför använder vi dem inte ofta? Du kanske ser orden "dieselmotor" och tänker på stora, rejäla lastbilar som sprider ut svart, sotig rök och skapar ett högt skingrande ljud. Denna negativa bild av dieselbilar och motorer har gjort diesel mindre attraktiv för tillfälliga förare i USA - även om diesel är bra för att transportera stora transporter över långa sträckor, har det inte varit det bästa valet för dagliga pendlare. Detta börjar dock förändras eftersom människor förbättrar dieselmotorn för att göra den renare och mindre bullrig.

Om du inte redan har gjort det, kommer du förmodligen att vilja läsa Hur bilmotorer fungerar först för att få en känsla av grunderna i förbränning. Men skynd dig tillbaka - i denna artikel låser vi upp dieselmotorns hemligheter och lär oss om några nya framsteg.

-I teorin är dieselmotorer och bensinmotorer ganska lika. De är båda förbränningsmotorer utformad för att omvandla den kemiska energin som finns i bränsle till mekanisk energi. Denna mekaniska energi förflyttar kolvar upp och ner i cylindrarna. Kolvarna är anslutna till en vevaxel, och kolvens upp-och-ner-rörelse, känd som linjär rörelse, skapar den roterande rörelse som behövs för att vrida en bil fram.

Både dieselmotorer och bensinmotorer omvandlar bränsle till energi genom en serie små explosioner eller förbränningar. Den största skillnaden mellan diesel och bensin är hur dessa explosioner inträffar. I en bensinmotor blandas bränsle med luft, komprimeras med kolvar och antänds av gnistor från tändstift. I en dieselmotor komprimeras emellertid luften först och sedan sprutas in bränslet. Eftersom luft värms upp när det är komprimerat antänds bränslet.

Följande animation visar dieselcykeln i aktion. Du kan jämföra det med animationen i bensinmotorn för att se skillnaderna.

Dieselmotor © .com 2019

Dieselmotorn använder en fyrtaktsförbränningscykel precis som en bensinmotor. De fyra slagen är:

1. Intagslag - Inloppsventilen öppnas, släpper in luft och flyttar kolven ner. -
2. Kompressionsslag - Kolven rör sig tillbaka upp och komprimerar luften.
3. Förbränningsslag - När kolven når toppen, insprutas bränsle i precis rätt ögonblick och tänds, vilket tvingar kolven neråt.
4. Avgasslag - Kolven rör sig tillbaka till toppen och skjuter ut avgaserna som skapas från förbränningen ut ur avgasventilen.

Kom ihåg att dieselmotorn inte har någon tändstift, att den släpper in luft och komprimerar den och att den sedan injicerar bränslet direkt i förbränningskammaren (direktinsprutning). Det är tryckluftsvärmen som tänder bränslet i en dieselmotor. I nästa avsnitt undersöker vi dieselinsprutningsprocessen.

Kompression

När han arbetade med sina beräkningar teoretiserade Rudolf Diesel att högre komprimering leder till högre effektivitet och mer kraft. Detta händer eftersom luften koncentreras när kolven pressar luft med cylindern. Dieselbränsle har ett högt energiinnehåll, så sannolikheten för att diesel reagerar med den koncentrerade luften är större. Ett annat sätt att tänka på det är när luftmolekyler är packade så nära varandra, bränsle har en bättre chans att reagera med så många syremolekyler som möjligt. Rudolf visade sig vara rätt - en bensinmotor komprimerar i förhållandet 8: 1 till 12: 1, medan en dieselmotor komprimerar i ett förhållande 14: 1 till så högt som 25: 1.

Foto med tillstånd av DaimlerChrysler Atego sexcylindriga dieselmotor

En stor skillnad mellan en dieselmotor och en gasmotor är injektionsprocessen. De flesta bilmotorer använder portinjektion eller en förgasare. Ett portinjektionssystem injicerar bränsle strax före insugningsslaget (utanför cylindern). En förgasare blandar luft och bränsle länge innan luften kommer in i cylindern. I en bilmotor laddas därför allt bränsle i cylindern under insugningsslaget och komprimeras sedan. Komprimering av bränsle / luftblandningen begränsar kompressionsförhållandet hos motorn - om den komprimerar luften för mycket antänds bränslet / luftblandningen spontant och orsakar knackar. Eftersom det orsakar överdriven värme kan bankning skada motorn.

Dieselmotorer använder direkt bränsleinsprutning - dieselbränslet injiceras direkt i cylindern.

Injektorn på en dieselmotor är dess mest komplexa komponent och har varit föremål för en hel del experiment - i vilken motor som helst kan den vara belägen på olika platser. Injektorn måste kunna motstå temperaturen och trycket inuti cylindern och fortfarande leverera bränslet i en fin dimma. Att få dimman att cirkulera i cylindern så att den är jämnt fördelad är också ett problem, så vissa dieselmotorer använder speciella induktionsventiler, förbränningskamrar eller andra enheter för att virvla luften i förbränningskammaren eller på annat sätt förbättra tändnings- och förbränningsprocessen.

Vissa dieselmotorer innehåller en glödstift. När en dieselmotor är kall kan kompressionsprocessen kanske inte höja luften till en tillräckligt hög temperatur för att antändas bränslet. Glödstiftet är en elektriskt uppvärmd tråd (tänk på de heta ledningarna du ser i en brödrost) som värmer förbränningskamrarna och höjer lufttemperaturen när motorn är kall så att motorn kan starta. Enligt Cley Brotherton, tekniker för tung utrustning på Journeyman:

Alla funktioner i en modern motor styrs av ECM som kommunicerar med en omfattande uppsättning sensorer som mäter allt från R.P.M. till motorns kylvätska och oljetemperaturer och till och med motorns position (dvs. T.D.C.). Glödstift används sällan idag på större motorer. ECM känner av omgivningens lufttemperatur och fördröjer tidpunkten för motorn i kallt väder så att injektorn sprutar bränslet vid en senare tidpunkt. Luften i cylindern komprimeras mer, vilket skapar mer värme, vilket hjälper till att starta.

Mindre motorer och motorer som inte har så avancerad datorstyrning använder glödproppar för att lösa kallstartproblemet.

Naturligtvis är mekanik inte den enda skillnaden mellan dieselmotorer och bensinmotorer. Det finns också frågan om själva bränslet.

Ett prov med dieselbränsle Staff / Getty Images

-Petroleumbränsle börjar som råolja som naturligt finns i jorden. När råolja bearbetas på raffinaderier kan den separeras i flera olika slags bränslen, inklusive bensin, jetbränsle, fotogen och, naturligtvis, diesel.

Om du någonsin har jämfört dieselbränsle och bensin, vet du att de är olika. De luktar verkligen annorlunda. Dieselbränsle är tyngre och oljigare. Det avdunstar mycket långsammare än bensin - dess kokpunkt är faktiskt högre än vattenens kokpunkt. Du kommer ofta att höra dieselbränsle kallas "dieselolja" eftersom det är så fet.

Dieseldrivmedel förångas långsammare eftersom det är tyngre. Den innehåller fler kolatomer i längre kedjor än bensin (bensin är vanligtvis C9H20, medan dieselbränsle vanligtvis är C14H30). Det kräver mindre raffinering att skapa dieselbränsle, varför det brukade vara billigare än bensin. Sedan 2004 har emellertid efterfrågan på diesel ökat av flera skäl, inklusive ökad industrialisering och konstruktion i Kina och USA [källa: Energy Information Administration].

Dieselbränsle har en högre energitäthet än bensin. I genomsnitt innehåller 1 gallon (3,8 L) dieselbränsle ungefär 155x10⁶ joules (147 000 BTU), medan 1 gallon bensin innehåller 132x10⁶ joules (125 000 BTU). Detta i kombination med den förbättrade effektiviteten hos dieselmotorerna förklarar varför dieselmotorer får bättre körsträcka än motsvarande bensinmotorer.

Dieselbränsle används för att driva en mängd olika fordon och funktioner. Det bringar givetvis dieselbilarna som du ser på väg längs motorvägen, men det hjälper också att flytta båtar, skolbussar, stadsbussar, tåg, kranar, lantbruksutrustning och olika nödhjälpmedel och kraftgeneratorer. Tänk på hur viktig diesel är för ekonomin - utan dess höga effektivitet skulle både byggnadsindustrin och jordbruksföretag drabbas enormt av investeringar i bränslen med låg effekt och effektivitet. Cirka 94 procent av frakten - oavsett om det skickas i lastbilar, tåg eller båtar - förlitar sig på diesel.

När det gäller miljön har diesel vissa för- och nackdelar. Proffdieseln släpper ut mycket små mängder kolmonoxid, kolväten och koldioxid, utsläpp som leder till global uppvärmning. Nackdelarna - höga mängder kväveföreningar och partiklar (sot) frigörs från brinnande dieselbränsle, vilket leder till surt regn, smog och dåliga hälsotillstånd. På nästa sida tittar vi på några förbättringar som gjorts inom dessa områden.

Renare bränsle och strängare utsläppsnivåer bör minska antalet tidiga dödsfall på grund av föroreningar med motor från diesel. Foto med tillstånd Mario Tama / Getty Images

-Under den stora oljekrisen på 1970-talet började europeiska bilföretag att marknadsföra dieselmotorer för kommersiellt bruk som ett alternativ till bensin. De som testade det blev lite besvikna - motorerna var mycket höga, och de skulle komma hem för att hitta sina bilar täckta framifrån och bakåt i svart sot - samma soo-t ansvarig för smog i stora städer.

Under de senaste 30 till 40 åren har emellertid stora förbättringar gjorts på motorns prestanda och bränslerenhet. Direktinjektionsenheter styrs nu av avancerade datorer som övervakar bränsleförbränning, ökar effektiviteten och minskar utsläppen. Bättre raffinerade dieselbränslen som ultralåg svaveldiesel (ULSD) kommer att minska mängden skadliga utsläpp och uppgradera motorer för att göra dem kompatibla med renare bränsle blir en enklare process. Andra tekniker som CRT-partikelfilter och katalytiska omvandlare bränner sot och minskar partiklar, kolmonoxid och kolväten med upp till 90 procent. [källa: Diesel Technology Forum]. Att ständigt förbättra standarderna för renare bränsle från Europeiska unionen kommer också att driva bilindustrin att arbeta hårdare för att sänka utsläppen - i september 2009 hoppas EU att få utsläpp av partiklar från 25 mg / kilometer till 5 mg / kilometer [källa: EUROPA].

Du kanske också har hört talas om något som kallas biodiesel. Är det samma som diesel? Biodiesel är ett alternativ eller tillsats till dieselbränsle som kan användas i dieselmotorer med liten eller ingen ändring av själva motorerna. Det är inte tillverkat av petroleum - istället kommer det från vegetabiliska oljor eller animaliska fetter som har förändrats kemiskt. (Intressant faktum: Rudolf Diesel hade ursprungligen betraktat vegetabilisk fröolja som bränsle för sin uppfinning.) Biodiesel kan antingen kombineras med vanlig diesel eller användas helt av sig själv. Du kan läsa mer om biodiesel i hur biodiesel fungerar.

För mer information om dieselmotorer och relaterade ämnen, kolla in länkarna på nästa sida.

relaterade artiklar

• Så fungerar diesel med tvåtaktsmotorer
• Hur bilmotorer fungerar
• Hur tvåtaktsmotorer fungerar
• Hur gasturbinmotorer fungerar
• Hur rotationsmotorer fungerar
• Hur raketmotorer fungerar
• Hur Stirling Motorer fungerar
• Hur Steam-motorer fungerar
• Hur oljeraffinering fungerar
• Hur fungerar Aptera-hybriden 
• Om dieselmotorer är mer effektiva, varför har de flesta bilar bensinmotorer?

Fler bra länkar

• Caterpillar: Motorer och kraftsystem
• Turbo Diesel Register
• Fairbanks Morse Antique Diesel Oil Engine
• National Biodiesel Board: Clean Burning Fuel