Động cơ diesel hoạt động như thế nào? Động cơ nén không khí trong xi lanh mạnh đến mức nhiệt độ tăng lên vài trăm độ C, sau đó phun nhiên liệu vào luồng không khí nóng đó để nhiên liệu tự bốc cháy. Đây được gọi là cháy do nén: không có bugi đánh lửa và công suất được điều chỉnh bằng lượng nhiên liệu phun vào thay vì tiết lưu không khí. Vì động cơ diesel có tỷ số nén khoảng 14:1 đến 22:1, chúng chuyển đổi được nhiều năng lượng của nhiên liệu thành công cơ học hơn động cơ xăng, nên được dùng cho xe tải, tàu thuyền, tổ máy phát điện và máy xây dựng.
Những điểm chính
- Động cơ diesel đốt cháy nhiên liệu nhờ nhiệt của không khí bị nén, không phải tia lửa; tỷ số nén điển hình khoảng 14:1 đến 22:1, so với khoảng 8:1 đến 12:1 ở động cơ xăng.
- Phần lớn động cơ diesel hoạt động theo chu trình bốn kỳ (nạp, nén, sinh công, xả); động cơ tàu thủy rất lớn và một số thiết kế cũ dùng chu trình hai kỳ.
- Động cơ diesel không có bugi đánh lửa; nhiều động cơ có bugi sấy hoặc bộ sấy khí nạp chỉ để hỗ trợ khởi động nguội.
- Bằng sáng chế của Rudolf Diesel được cấp tại Đức năm 1893, và động cơ hoạt động đầu tiên của ông được trình diễn tại Augsburg năm 1897 với hiệu suất khoảng 26 phần trăm.
- Các động cơ diesel hạng nặng hiện đại đạt hiệu suất nhiệt có ích ở khoảng giữa dải 40 phần trăm, còn các động cơ diesel hàng hải cỡ lớn tốc độ thấp vượt 50 phần trăm.
Động cơ diesel hoạt động theo từng bước như thế nào?
Động cơ diesel bốn kỳ hoàn thành một chu trình sinh công sau hai vòng quay trục khuỷu. Mỗi pít-tông trải qua bốn kỳ, và hệ thống nhiên liệu định thời điểm phun vào cuối kỳ nén.
- Kỳ nạp. Pít-tông đi xuống khi xupáp nạp mở và chỉ hút không khí vào. Trên động cơ tăng áp, không khí được cấp dưới áp suất, giúp đưa nhiều ôxy hơn vào xi lanh.
- Kỳ nén. Cả hai xupáp đóng và pít-tông đi lên, nén không khí xuống một phần nhỏ thể tích ban đầu. Quá trình nén làm nhiệt độ không khí tăng cao hơn nhiều so với nhiệt độ tự bốc cháy của nhiên liệu diesel.
- Kỳ sinh công. Gần điểm trên cùng của hành trình, kim phun phun nhiên liệu được tán sương mịn vào không khí nóng. Nhiên liệu bốc cháy sau một khoảng trễ rất ngắn, khí giãn nở và áp suất đẩy pít-tông xuống, làm quay trục khuỷu.
- Kỳ xả. Xupáp xả mở và pít-tông đi lên đẩy khí cháy ra ngoài, chuẩn bị cho kỳ nạp tiếp theo.
Tóm lại, đó là cách động cơ diesel hoạt động trong mỗi chu trình. Khác biệt chính so với động cơ xăng nằm ở bước 1 và 3. Động cơ xăng hút hỗn hợp không khí và nhiên liệu rồi dùng tia lửa để đốt cháy, còn động cơ diesel chỉ hút không khí và điều chỉnh công suất hoàn toàn bằng lượng nhiên liệu phun vào.
Động cơ diesel có bugi đánh lửa không?
Không. Động cơ diesel không dùng bugi đánh lửa vì nhiên liệu bốc cháy nhờ nhiệt sinh ra từ quá trình nén. Nhiều động cơ diesel có thiết bị hỗ trợ khởi động nguội: bugi sấy làm nóng buồng cháy hoặc bộ sấy dạng lưới làm ấm không khí nạp.
Các thiết bị hỗ trợ này quan trọng nhất khi trời lạnh và trên động cơ nhỏ, nơi thành xi lanh hấp thụ nhiều nhiệt hơn trong quá trình nén. Khi động cơ đã chạy, nhiệt từ quá trình cháy là đủ và bugi sấy tắt, dù một số động cơ hiện đại vẫn cho bugi sấy hoạt động một thời gian ngắn sau khi khởi động để giảm khói trắng và tiếng ồn.
Động cơ diesel khởi động như thế nào?
Động cơ diesel khởi động khi mô-tơ đề quay trục khuỷu đủ nhanh để quá trình nén làm không khí nóng vượt nhiệt độ bốc cháy. Hệ thống điều khiển hoặc bơm phun sau đó cấp nhiên liệu, các xi lanh đầu tiên bắt đầu cháy và động cơ tự tăng tốc.
Động cơ lớn có thể khởi động bằng khí nén thay cho mô-tơ đề điện. Khó khởi động thường xuất phát từ một trong vài nguyên nhân: tốc độ quay đề thấp do ắc quy yếu, không khí trong hệ thống nhiên liệu, kim phun mòn, áp suất nén thấp do xéc-măng hoặc xupáp mòn, hoặc thiết bị hỗ trợ khởi động nguội bị hỏng. Sau mỗi lần thay bộ lọc nhiên liệu, hệ thống nhiên liệu phải được xả khí hoặc mồi nhiên liệu để động cơ có thể khởi động tin cậy; hướng dẫn thay bộ lọc nhiên liệu diesel trình bày bước này.
Các bộ phận chính của động cơ diesel là gì?
Động cơ diesel có cấu trúc cơ bản giống các động cơ pít-tông khác nhưng được chế tạo chắc nặng hơn để chịu áp suất xi lanh cao hơn. Bảng này đóng vai trò như một sơ đồ động cơ diesel đơn giản bằng lời.
| Bộ phận | Chức năng | Đặc điểm riêng của động cơ diesel |
|---|---|---|
| Thân máy và ống lót xi lanh | Chứa các xi lanh và đường dẫn nước làm mát | Động cơ hạng nặng thường dùng ống lót ướt hoặc khô có thể thay thế |
| Nắp xi lanh | Lắp các xupáp, kim phun và cửa nạp, xả | Được chế tạo để chịu áp suất đỉnh cao; có thể lắp bugi sấy |
| Pít-tông và xéc-măng | Làm kín buồng cháy và truyền lực | Thường có hõm buồng cháy được gia công trên đỉnh |
| Thanh truyền và trục khuỷu | Biến chuyển động của pít-tông thành chuyển động quay | Nặng hơn so với động cơ xăng cùng kích cỡ |
| Trục cam và cơ cấu phối khí | Đóng mở các xupáp nạp và xả | Cùng nguyên lý với động cơ xăng |
| Hệ thống phun nhiên liệu | Định lượng và phun nhiên liệu ở áp suất cao | Bơm cơ khí hoặc hệ thống phun ống tích áp chung điều khiển điện tử |
| Bộ tăng áp và bộ làm mát khí nạp | Đưa thêm không khí vào xi lanh | Được trang bị trên phần lớn động cơ diesel hiện đại, trừ các cỡ nhỏ |
| Hệ thống làm mát | Tản nhiệt bằng nước làm mát hoặc không khí | Làm mát bằng chất lỏng phổ biến nhất; động cơ nhỏ có thể làm mát bằng không khí |
| Hệ thống xử lý khí thải | Làm sạch khí thải | DPF, SCR dùng urê (DEF) và bộ xúc tác ôxy hóa trên động cơ hiện đại dùng cho phương tiện đường bộ và thiết bị ngoài đường bộ |
Động cơ diesel dùng những hệ thống phun nhiên liệu nào?
Hệ thống phun nhiên liệu diesel đã phát triển từ bơm hoàn toàn cơ khí sang hệ thống áp suất cao điều khiển điện tử. Cả hai loại vẫn đang được sử dụng, đặc biệt trong công nghiệp và hàng hải.
- Bơm cơ khí kiểu dãy hoặc kiểu phân phối định lượng nhiên liệu bằng cam và pít-tông bơm, rồi đưa nhiên liệu đến từng kim phun đúng thời điểm. Chúng đơn giản và thuận tiện sửa chữa tại hiện trường, nên vẫn phổ biến trên động cơ máy phát điện và tàu công tác như động cơ sáu xi lanh kiểu 6BT.
- Cụm bơm-kim phun kết hợp phần tử bơm và kim phun trong cùng một thân tại mỗi xi lanh.
- Hệ thống phun ống tích áp chung tích trữ nhiên liệu ở áp suất rất cao trong một ống chung, và các kim phun điều khiển điện tử có thể phun nhiều lần trong mỗi chu trình. Điều này giúp quá trình cháy êm hơn, giảm phát thải và tiết kiệm nhiên liệu hơn, nhưng đòi hỏi nhiên liệu sạch và dụng cụ chẩn đoán.
Động cơ còn khác nhau ở vị trí phun nhiên liệu. Phần lớn động cơ diesel hiện đại phun trực tiếp vào hõm trên đỉnh pít-tông. Một số động cơ cũ và nhỏ hơn phun gián tiếp vào buồng cháy phụ, giúp vận hành êm hơn nhưng hiệu suất thấp hơn và thường cần bugi sấy.
Vì sao động cơ diesel có hiệu suất cao?
Hiệu suất của động cơ diesel đến từ ba yếu tố: tỷ số nén cao, cháy với hỗn hợp nghèo nhiên liệu và không có tổn thất do tiết lưu. Tỷ số nén và giãn nở cao hơn giúp thu được nhiều công hơn từ cùng lượng nhiệt; do động cơ diesel không tiết lưu khí nạp, chúng tránh được tổn thất bơm mà động cơ xăng gặp phải khi chạy ở tải một phần.
Nhiên liệu diesel cũng chứa nhiều năng lượng hơn trên mỗi gallon. Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ công bố khoảng 137381 Btu trên mỗi gallon nhiên liệu diesel, so với khoảng 120214 Btu của xăng động cơ, cao hơn khoảng 14 phần trăm. Trang web về tiết kiệm nhiên liệu của chính phủ Hoa Kỳ cho biết xe diesel thường tiết kiệm nhiên liệu hơn khoảng 30 đến 35 phần trăm so với xe xăng tương đương.
| Loại động cơ | Hiệu suất nhiệt có ích cực đại điển hình |
|---|---|
| Động cơ xăng nhỏ | Khoảng 25–35% |
| Động cơ diesel ô tô hiện đại | Khoảng 35–42% |
| Động cơ diesel xe tải hạng nặng và công nghiệp | Khoảng 40–46% |
| Động cơ diesel hàng hải hai kỳ cỡ lớn tốc độ thấp | Trên 50% |
Các số liệu này là giá trị cực đại mang tính tham khảo; hiệu suất thực tế phụ thuộc vào tải, tốc độ và bảo dưỡng. Để so sánh trực tiếp hai loại động cơ, xem động cơ diesel và động cơ xăng.
Ai phát minh ra động cơ diesel và vào thời điểm nào?
Động cơ diesel do kỹ sư người Đức Rudolf Diesel phát minh. Ông nộp đơn xin cấp bằng sáng chế năm 1892, được cấp bằng năm 1893, và sau nhiều năm phát triển tại nhà máy Maschinenfabrik Augsburg (sau này là MAN), động cơ thực dụng đầu tiên đã vận hành năm 1897, đạt hiệu suất khoảng 26 phần trăm, vượt xa động cơ hơi nước thời đó.
Ban đầu Diesel hình dung động cơ có thể chạy bằng nhiều loại nhiên liệu, gồm bụi than và dầu thực vật. Trong vài thập kỷ, động cơ diesel đã được sử dụng rộng rãi trên tàu thủy, tàu ngầm, đầu máy xe lửa và các trạm phát điện cố định, sau đó đến xe tải và máy kéo nông nghiệp.
Có những loại động cơ diesel nào?
Động cơ diesel thường được phân loại theo chu trình, tốc độ và ứng dụng. Phân loại theo tốc độ hữu ích nhất với người mua vì liên quan đến kích thước, trọng lượng và độ bền.
- Động cơ diesel tốc độ cao (trên khoảng 1000 rpm) cung cấp động lực cho xe tải, tổ máy phát điện, máy xây dựng và tàu thuyền cỡ nhỏ đến vừa.
- Động cơ diesel tốc độ trung bình (khoảng 300 đến 1000 rpm) dùng cho tàu lớn hơn, đầu máy xe lửa và nhà máy điện.
- Động cơ diesel tốc độ thấp (dưới khoảng 300 rpm), hầu như luôn là loại hai kỳ, dẫn động trực tiếp chân vịt của tàu thương mại cỡ lớn.
Hệ thống diesel-điện kết hợp động cơ diesel với máy phát điện và các động cơ điện, như trên đầu máy xe lửa, nhiều phà và tàu dịch vụ ngoài khơi. Về các dòng động cơ dùng trong công nghiệp, xem hướng dẫn về động cơ diesel công nghiệp; với động cơ nhỏ làm mát bằng không khí và chất lỏng, xem hướng dẫn về động cơ diesel nhỏ.
Động cơ diesel có đáng tin cậy hơn không?
Trong công việc tải nặng, động cơ diesel thường có tuổi thọ dài hơn động cơ xăng có công suất tương đương. Thân máy, trục khuỷu và ổ trục được chế tạo chắc chắn hơn để chịu áp suất xi lanh cao, động cơ chạy ở rpm thấp hơn và không có hệ thống đánh lửa có thể bị hỏng.
Độ tin cậy vẫn phụ thuộc vào chất lượng nhiên liệu, lọc khí, làm mát và việc tuân thủ thay dầu. Động cơ diesel hiện đại có kiểm soát khí thải bổ sung các bộ phận như bộ lọc hạt và hệ thống SCR cần được bảo dưỡng riêng. Shanghai Mars Industrial (MARS) cung cấp động cơ diesel cho tàu thuyền, tổ máy phát điện, xe tải và máy móc; mỗi động cơ có thể được chạy thử trước khi giao hàng kèm báo cáo bằng văn bản và video; hãy yêu cầu thông số kỹ thuật cho ứng dụng cụ thể.
Câu hỏi thường gặp
Động cơ diesel có bugi đánh lửa không?
Không. Nhiên liệu diesel bốc cháy nhờ nhiệt của không khí bị nén, nên không có bugi đánh lửa. Nhiều động cơ diesel có bugi sấy hoặc bộ sấy khí nạp chỉ để hỗ trợ khởi động nguội.
Tỷ số nén của động cơ diesel là bao nhiêu?
Phần lớn động cơ diesel hiện đại có tỷ số nén khoảng 14:1 đến 22:1, trong khi một số thiết kế phun gián tiếp cũ đạt khoảng 23:1 hoặc cao hơn. Động cơ xăng thường có tỷ số nén khoảng 8:1 đến 12:1.
Động cơ diesel có thể chạy bằng xăng không?
Không. Xăng có chỉ số xêtan rất thấp nên không tự bốc cháy đúng cách trong động cơ diesel, đồng thời thiếu tính bôi trơn mà hệ thống phun cần. Đổ xăng vào bình diesel có thể làm hỏng bơm và kim phun, vì vậy cần xả hết nhiên liệu khỏi hệ thống trước khi khởi động.
Hệ động lực diesel-điện là gì?
Đây là hệ thống trong đó động cơ diesel dẫn động máy phát điện, còn các động cơ điện dẫn động bánh xe hoặc chân vịt. Hệ thống được dùng trên đầu máy xe lửa và nhiều phà, tàu dịch vụ ngoài khơi, tàu du lịch vì cho phép bố trí động cơ linh hoạt và vận hành hiệu quả ở tải một phần.
Vì sao động cơ diesel tạo ra mô-men xoắn lớn hơn?
Động cơ diesel thường có hành trình dài, áp suất xi lanh cao và tăng áp, giúp tạo mô-men xoắn lớn ở rpm thấp. Điều này khiến chúng rất phù hợp với tải nặng, kéo và dẫn động chân vịt.
