دورة الديزل

تعتمد الكفاءة الحرارية القصوى لدورة ديزل على نسبة الانضغاط ونسبة القطع. وتُحسب وفقًا للصيغة التالية في ظل التحليل القياسي للهواء البارد:

${\displaystyle \eta _{th}=1-{\frac {1}{r^{\gamma -1}}}\left({\frac {\alpha ^{\gamma }-1}{\gamma (\alpha -1)}}\right)}$

أين

${\displaystyle \eta _{th}}$الكفاءة الحرارية

${\displaystyle \alpha }$هي نسبة القطع${\displaystyle {\frac {V_{3}}{V_{2}}}}$(النسبة بين حجم نهاية مرحلة الاحتراق وحجم بدايتها)

r هي نسبة الانضغاط${\displaystyle {\frac {V_{1}}{V_{2}}}}$

${\displaystyle \gamma }$هي نسبة الحرارة النوعية (C _p /C _v ) ^{[ 2 ]}

يمكن التعبير عن نسبة القطع بدلالة درجة الحرارة كما هو موضح أدناه:

${\displaystyle {\frac {T_{2}}{T_{1}}}={\left({\frac {V_{1}}{V_{2}}}\right)^{\gamma -1}}=r^{\gamma -1}}$

${\displaystyle \displaystyle {T_{2}}={T_{1}}r^{\gamma -1}}$

${\displaystyle {\frac {V_{3}}{V_{2}}}={\frac {T_{3}}{T_{2}}}}$

${\displaystyle \alpha =\left({\frac {T_{3}}{T_{1}}}\right)\left({\frac {1}{r^{\gamma -1}}}\right)}$

${\displaystyle T_{3}}$يمكن تقريب درجة حرارة اللهب إلى درجة حرارة اللهب للوقود المستخدم. ويمكن تقريب درجة حرارة اللهب إلى درجة حرارة اللهب الأديباتية للوقود مع نسبة الهواء إلى الوقود وضغط الانضغاط المناسبين.${\displaystyle p_{3}}$. ${\displaystyle T_{1}}$يمكن تقريبها إلى درجة حرارة الهواء الداخل.

لا تُعطي هذه الصيغة سوى الكفاءة الحرارية المثالية. أما الكفاءة الحرارية الفعلية فستكون أقل بكثير بسبب فقدان الحرارة والاحتكاك. وتُعدّ هذه الصيغة أكثر تعقيدًا من معادلة دورة أوتو (محرك البنزين) التي تُعطى بالصيغة التالية:

${\displaystyle \eta _{otto,th}=1-{\frac {1}{r^{\gamma -1}}}}$

تكمن التعقيدات الإضافية في معادلة ديزل في أن إضافة الحرارة تتم عند ضغط ثابت، بينما تتم عملية طرد الحرارة عند حجم ثابت. أما دورة أوتو، على النقيض من ذلك، فتتم فيها كل من إضافة الحرارة وطردها عند حجم ثابت.

بمقارنة الصيغتين، يتضح أنه عند نسبة انضغاط معينة ( r )، تكون دورة أوتو المثالية أكثر كفاءة. مع ذلك، يكون محرك الديزل الحقيقي أكثر كفاءة بشكل عام لقدرته على العمل بنسب انضغاط أعلى. فلو كان لمحرك البنزين نفس نسبة الانضغاط، لحدثت ظاهرة الطرق (الاشتعال الذاتي)، مما يقلل الكفاءة بشكل كبير، بينما في محرك الديزل، يُعد الاشتعال الذاتي سلوكًا مرغوبًا. إضافةً إلى ذلك، تُعتبر كلتا الدورتين مثاليتين، ولا ينقسم السلوك الفعلي بينهما بوضوح أو حدة. علاوة على ذلك، لا تتضمن صيغة دورة أوتو المثالية المذكورة أعلاه خسائر الخنق، والتي لا تنطبق على محركات الديزل.

تتميز محركات الديزل بأقل معدل استهلاك للوقود بين جميع محركات الاحتراق الداخلي الكبيرة أحادية الدورة، حيث يبلغ 0.26  رطل/حصان·ساعة (0.16  كجم/كيلوواط ساعة) للمحركات البحرية الضخمة (محطات توليد الطاقة ذات الدورة المركبة أكثر كفاءة، ولكنها تستخدم محركين بدلاً من محرك واحد). وتشكل محركات الديزل ثنائية الأشواط المزودة بنظام شحن قسري عالي الضغط، وخاصة الشحن التوربيني ، نسبة كبيرة من أكبر محركات الديزل.

في أمريكا الشمالية ، تُستخدم محركات الديزل بشكل أساسي في الشاحنات الكبيرة، حيث تؤدي دورة التشغيل منخفضة الإجهاد وعالية الكفاءة إلى إطالة عمر المحرك وخفض تكاليف التشغيل. هذه المزايا تجعل محرك الديزل مثالياً أيضاً للاستخدام في بيئات النقل الثقيل بالسكك الحديدية وأعمال الحفر.

تستخدم العديد من الطائرات النموذجية محركات بسيطة تعمل بالوقود السائل (الوقود المتوهج) والديزل (الوقود العادي). تستخدم محركات الوقود المتوهج شمعات التسخين ، بينما تتميز محركات الديزل بنسب انضغاط متغيرة. ويعتمد كلا النوعين على أنواع وقود خاصة.

استخدمت بعض المحركات التجريبية التي تعود إلى القرن التاسع عشر أو ما قبله لهبًا خارجيًا، يتم كشفه بواسطة صمامات، للاشتعال، لكن هذه الطريقة تصبح أقل فعالية مع زيادة الضغط. (وقد أثبت بحث نيكولا ليونارد سادي كارنو القيمة الديناميكية الحرارية للضغط). ومن الآثار التاريخية المترتبة على ذلك أنه كان من الممكن اختراع محرك الديزل دون الحاجة إلى الكهرباء. انظر إلى تطور محرك المصباح الساخن والحقن غير المباشر لمعرفة الأهمية التاريخية.