Tìm hiểu động cơ diesel

Động cơ diesel có nhiều ưu điểm như tiết kiệm nhiên liệu, mô-men xoắn cao, tuy nhiên lại gây tiếng ồn và khí thải ô nhiễm.

Trong một bài viết gần đây của GenK về động cơ ô tô, chúng ta đã cùng tìm hiểu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của động cơ đốt trong, loại động cơ được sử dụng trong các xe ô tô hiện nay. Chúng ta đã được biết những hệ thống hỗ trợ cho động cơ hoạt động ra sao, cũng như một số thuật ngữ và ký hiệu cơ bản khi nói về thông số của một chiếc động cơ.

Tuy nhiên trong bài viết trước chúng ta vẫn chỉ đề cập chủ yếu đến loại động cơ chạy xăng, thường dùng trong các loại xe sedan cỡ nhỏ. Còn những chiếc xe tải cỡ lớn hiện nay hầu như đều sử dụng động cơ dầu diesel. Vậy tại sao những chiếc xe cỡ lớn phải sử dụng động cơ diesel, sự khác biệt của nó với động cơ xăng là gì, cấu tạo và nguyên tắc hoạt động như thế nào? Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu trong bài viết này.

Lịch sử phát triển

Rudolf Diesel – kỹ sư tốt nghiệp xuất sắc tại Đại học Kỹ thuật Munich của nước Đức đã sáng chế được một loại động cơ đốt trong và bằng sáng chế cấp cho ông vào năm 1892 bảo hộ quyền tác giả của động cơ mang tên diesel.

Động cơ diesel đầu tiên trên thế giới của Rudolf Diesel.

Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp xe hơi, động cơ diesel đã được cải tiến liên tục. Mặc dù vẫn còn những nghi ngại liên quan đến khả năng vận hành, độ tin cậy, mức tiêu thụ nhiên liệu…, nhưng một số công ty đã cố gắng ứng dụng động cơ diesel vào xe hơi.

Mercedes trở thành nhà sản xuất ô tô đầu tiên trên thế giới trang bị động cơ diesel cho chiếc 260D từ năm 1936. Quá trình thử nghiệm lô taxi 260D tại Đức đã thấy được hiệu quả và tuổi thọ thực sự của động cơ diesel nên động cơ diesel đã thu hút được sự quan tâm của người tiêu dùng thời bấy giờ.

Sự thành công của Mercedes đã khích lệ nhiều công ty tham gia sản xuất và lắp đặt động cơ diesel cho xe hơi, trong đó có Audi, Cadillac, Ford, Buick, Chevrolet, Volvo và BMW. Vai trò của động cơ diesel càng rõ nét hơn khi xảy ra hai cuộc khủng hoảng dầu lửa vào những năm 1970 và 1980.

Dù có nhiều ưu điểm vượt trội, nhất là tiết kiệm nhiên liệu hơn động cơ xăng khoảng 30% nhưng động cơ diesel vẫn ít phổ biến hơn động cơ xăng do những hạn chế cố hữu về tiếng ồn và khí thải.

Động cơ diesel và động cơ xăng

Về cấu tạo, động cơ diesel không có nhiều khác biệt so với động cơ xăng. Điểm khác nhau ở đây nằm ở hệ thống cung cấp nhiên liệu và diễn biến quá trình nạp – nén – nổ – xả.

Động cơ diesel là loại động cơ đốt trong tạo hỗn hợp cháy (nhiên liệu – không khí) ngay bên trong xilanh (giống động cơ GDI), hoạt động trên nguyên tắc tự cháy (tự kích nổ) trong điều kiện môi trường áp suất cao, tỷ số nén lớn (trong khoảng 14:1 đến 25:1) mà không dùng bugi để đốt cháy hỗn hợp không khí-nhiên liệu.

Loại nhiên liệu sử dụng cho động cơ diesel là dầu diesel nên chỉ tiêu nhiên liệu khác với xăng. Nhiên liệu diesel sử dụng chỉ số kích nổ là Cetan trong khi xăng lại là chỉ số Octan, như vậy diesel sử dụng nhiên liệu càng dễ kích nổ càng tốt giúp động cơ sẽ dễ khởi động hơn khi nhiệt độ môi trường xuống thấp.

Hệ thống cung cấp nhiên liệu

Hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ diesel bao gồm các thành phần chính: Thùng nhiên liệu, bơm nhiên liệu thấp áp, bầu lọc thô, bầu lọc tinh, bơm cao áp và kim phun. Bơm thấp áp có nhiệm vụ hút nhiên liệu từ thùng dầu qua các bầu lọc thô để cung cấp nhiên liệu cho bầu lọc tinh và bơm cao áp. Bơm có hai dạng là bơm màng hoặc bơm piston.

Bơm cao áp có nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu cho từng vòi phun đúng định lượng, thứ tự nổ theo chế độ bàn đạp ga. Bơm có dạng piston được dẫn động nhờ trục cam để điều khiển theo thứ tự nổ, được điều khiển đúng định lượng nhờ thanh răng xoay rãnh của piston thông qua dẫn động tới bàn đạp ga và bộ điều khiển theo tải nhờ quả văng ly tâm.

Kim phun có nhiệm vụ tiếp nhận nhiên liệu từ bơm cao áp cung cấp và tán nhuyễn tạo thành sương, phun vào buồng đốt của động cơ với áp suất cao và nhờ hình dạng của đỉnh piston tạo thành vùng xoáy lốc để hòa trộn đều với không khí.

Quá trình nhiên liệu đốt cháy

Ở động cơ xăng, hỗn hợp cháy được đưa vào động cơ để thực hiện hành trình nén và được kích nổ nhờ bu-gi đánh lửa tạo quá trình cháy, dãn nở và sinh công. Do đặc điểm như vậy nên động cơ xăng có thêm hệ thống đánh lửa. Đối với động cơ diesel, sau khi kim phun nhiên liệu thực hiện phun với tốc độ và áp suất cao kết hợp với buồng xoáy lốc trên đỉnh piston tạo ra hỗn hợp cháy. Hỗn hợp này được nén với tỷ số nén cao và tự bốc cháy, dãn nở và sinh công.

Hiệu suất của động cơ diesel lớn hơn khoảng 1,5 lần so với động cơ xăng. Nhiên liệu diesel thường rẻ hơn xăng, 1 lít diesel khi cháy hoàn toàn nhận được khoảng 8.755 calo trong khi 1 lít xăng cháy hoàn toàn cho khoảng 8.140 calo. Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ diesel là 200-285g/kWh nhỏ hơn của động cơ xăng là 260-380g/kWh.

Các công nghệ hiện đại trang bị trong động cơ diesel

Nhờ những cải tiến mạnh mẽ trong công nghệ vật liệu, lọc hóa dầu, động cơ diesel đã có điều kiện khắc phục được những hạn chế của nó. Ngày nay, tiếng ồn của loại động cơ này đã giảm đáng kể và quá trình đốt cháy nhiên liệu tốt hơn, khí thải cũng giảm nhờ các bộ lọc xúc tác, thời gian khởi động nhanh hơn, tương đương với động cơ xăng.

Bước tiến vượt bậc, đóng vai trò quyết định giúp động cơ diesel ngày càng được phổ biến rộng rãi chính là công nghệ tăng áp (T – Turbocharge) và phun nhiên liệu trực tiếp (DI – Direct Injection). Nhờ hai công nghệ chủ lực này, gần đây công suất của động cơ diesel không hề thua kém động cơ xăng trong khi vẫn giữ được ưu thế về tiết kiệm nhiên liệu.

BlueTEC là công nghệ làm sạch khí thải của động cơ diesel, cho phép tạo ra những chiếc xe thải khí ít ô nhiễm nhất hiện nay. Nguyên lý là sử dụng chất xúc tác hoặc bộ chuyển đổi để khử các hợp chất độc hại như CO và HC có trong thành phần khí thải, đồng thời thu gom muội than ở dạng hạt trước khi thải khí ra ngoài môi trường. Được bổ sung các bộ phận đó, tất nhiên giá của xe Mercedes-Benz BlueTEC không thể rẻ.

Tương lai của động cơ diesel

Động cơ diesel với ưu điểm nổi trội là sức kéo lớn, đặc biệt là các chi tiết của động cơ có tuổi thọ và độ bền cao, nên động cơ diesel luôn được các nhà khoa học hướng tới để nghiên cứu nhằm khắc phục những hạn chế.

Trong tương lai, chúng ta sẽ không chỉ thấy những chiếc xe tải cỡ lớn được trang bị động cơ diesel mạnh mẽ mà thậm chí cả những chiếc xe hạng sang hay xe thể thao cũng sẽ có phiên bản động cơ diesel . Hiện nay Mercedes, BMW và Volkswagen là những hãng đi đầu trong ứng dụng công nghệ diesel trên các sản phẩm hạng sang. Mercedes có E320 CDI với mức tiêu hao nhiên liệu 8 lít cho 100 km trong thành phố và 6 lít trên đường trường. Còn các sản phẩm chạy diesel của BMW có kí hiệu “d” dưới mã tên như 318d, 325d, 525d thậm chí cả dòng xe sang cao cấp serie 7 như 730d.

Tham khảo: HowStuffWorks