Động cơ Diesel hoạt động trên các nguyên tắc cơ bản giống như động cơ đốt trong, nhưng chúng hoạt động theo cách có một sự khác biệt.
Câu chuyện về động cơ Diesel thực sự bắt đầu với việc phát minh ra động cơ xăng. Nikolaus August Otto đã phát minh và được cấp bằng sáng chế cho động cơ xăng vào năm 1876. Phát minh của ông sử dụng nguyên lý đốt cháy bốn thì, còn được gọi là “Chu trình Otto” và đó là tiền đề cơ bản cho hầu hết các động cơ ô tô ngày nay. Trong giai đoạn đầu, động cơ xăng không hiệu quả lắm và các phương thức vận chuyển chính khác, chẳng hạn như động cơ hơi nước, cũng kém hiệu quả. Chỉ khoảng 10 phần trăm nhiên liệu được sử dụng trong các loại động cơ này thực sự di chuyển một chiếc xe. Phần còn lại của nhiên liệu chỉ đơn giản là tạo ra nhiệt vô ích.
Năm 1878, Rudolf Diesel đã tạo ra một động cơ có hiệu suất cao hơn và ông đã dành nhiều thời gian để phát triển một “động cơ đốt trong”. Đến năm 1892, Diesel đã nhận được bằng sáng chế cho cái mà ngày nay chúng ta gọi là động cơ Diesel.
Trong nhiều thập kỷ, động cơ Diesel nổi tiếng là có muội than, bẩn và kêu to. Trong khi châu Âu áp dụng công nghệ này khá rộng rãi, hầu hết các tài xế ở Hoa Kỳ đều nói không với động cơ Diesel. Tuy nhiên, đến thế kỷ 21, động cơ Diesel đã trở nên sạch hơn, êm hơn và thậm chí hiệu quả hơn, nhưng chúng đã gặp phải một trở ngại trong quan điểm của nhiều người vì vụ bê bối động cơ Diesel của Volkswagen vào năm 2014. Tuy nhiên, nhờ hiệu quả đã được chứng minh của chúng, động cơ Diesel đang lấy lại được vị thế nhất định.
Nguyên lý hoạt động của động cơ Diesel
Về lý thuyết, động cơ Diesel và động cơ xăng khá giống nhau. Cả hai đều là động cơ đốt trong được thiết kế để chuyển đổi năng lượng hóa học có sẵn trong nhiên liệu thành năng lượng cơ học. Năng lượng cơ học này di chuyển các pít-tông lên xuống bên trong xi-lanh. Các pít-tông được nối với một trục khuỷu thông qua thanh truyền và chuyển động lên xuống của các pít-tông — được gọi là chuyển động tuyến tính — tạo ra chuyển động quay cần thiết để quay các bánh xe ô tô về phía trước.
Cả động cơ Diesel và động cơ xăng đều chuyển đổi nhiên liệu thành năng lượng thông qua một loạt các vụ nổ nhỏ — hay quá trình đốt cháy. Sự khác biệt chính giữa dầu diesel và xăng là cách những vụ nổ này xảy ra. Trong động cơ xăng, nhiên liệu được trộn với không khí, được nén bởi các pít-tông và được đốt cháy bằng tia lửa điện từ bugi. Tuy nhiên, trong động cơ Diesel, không khí được nén trước, sau đó nhiên liệu được phun vào dưới áp suất cao. Do không khí nóng lên khi bị nén nên nhiên liệu sẽ bốc cháy.
Động cơ Diesel sử dụng chu trình đốt cháy bốn kỳ giống như động cơ xăng:
- Hành trình nạp: Van nạp mở ra, piston di chuyển từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới, hút không khí vào xilanh.
- Hành trình nén: Pít-tông di chuyển ngược lên và nén không khí.
- Hành trình đốt cháy: Khi pít-tông lên đến đỉnh điểm chết trên, nhiên liệu được phun vào đúng thời điểm và đốt cháy, buộc pít-tông quay trở lại.
- Hành trình xả: Pít-tông di chuyển lên phía trên, đẩy khí thải sinh ra từ quá trình đốt cháy ra khỏi van xả.
Khi thực hiện các tính toán của mình, Rudolf Diesel đã đưa ra giả thuyết rằng độ nén cao hơn dẫn đến hiệu quả cao hơn và nhiều công suất hơn. Điều này xảy ra bởi vì khi pít-tông ép không khí với xi-lanh, không khí sẽ bị cô đặc. Nhiên liệu diesel có hàm lượng năng lượng cao nên khả năng diesel phản ứng với không khí đậm đặc càng lớn. Một cách khác để nghĩ về nó là khi các phân tử không khí được xếp quá gần nhau, nhiên liệu có cơ hội tốt hơn để phản ứng với càng nhiều phân tử oxy càng tốt. Hóa ra Diesel đã đúng — động cơ xăng nén với tỷ lệ từ 8:1 đến 12:1, trong khi động cơ diesel nén với tỷ lệ từ 14:1 đến cao nhất là 25:1.
Phun nhiên liệu Diesel
Một sự khác biệt lớn giữa động cơ Diesel và động cơ xăng là trong quá trình phun nhiên liệu. Hầu hết các động cơ ô tô sử dụng kết hợp phun cổng, phun nhiên liệu ngay trước hành trình nạp (bên ngoài xi lanh) và phun nhiên liệu trực tiếp. Đối với động cơ xăng, phun cổng được sử dụng ở tốc độ động cơ thấp hơn vì nó có hỗn hợp không khí và nhiên liệu ổn định hơn. Hệ thống phun trực tiếp được sử dụng ở tốc độ cao hơn để cung cấp nhiều năng lượng hơn và ít khả năng gây kích nổ hơn, đó là khi không khí bị nén quá nhiều và nhiên liệu tự bốc cháy.
Trong động cơ Diesel chỉ sử dụng công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp – nhiên liệu Diesel được phun trực tiếp vào xi lanh.
Kim phun trên động cơ Diesel là bộ phận phức tạp nhất của nó và là đối tượng của rất nhiều thử nghiệm — trong bất kỳ động cơ cụ thể nào, nó có thể được đặt ở nhiều nơi khác nhau. Kim phun phải có khả năng chịu được nhiệt độ và áp suất bên trong xi lanh mà vẫn cung cấp nhiên liệu dưới dạng sương mịn. Làm cho sương lưu thông trong xi lanh để nó phân bố đều cũng là một vấn đề, vì vậy một số động cơ Diesel sử dụng van cảm ứng đặc biệt, buồng đốt trước hoặc các thiết bị khác để xoáy không khí trong buồng đốt hoặc cải thiện quá trình đánh lửa và đốt cháy.
Một số động cơ Diesel có bugi sấy (glow plug). Khi động cơ Diesel nguội, quá trình nén có thể không nâng không khí lên nhiệt độ đủ cao để đốt cháy nhiên liệu. Bugi sấy là một sợi dây nhiệt điện làm nóng buồng đốt và tăng nhiệt độ không khí khi động cơ nguội để động cơ có thể khởi động. Hiện nay, công nghệ phun trực tiếp đã phát triển đủ xa để các bugi sấy thường không cần thiết để có thể khởi động nữa, nhưng dù sao thì nhiều ô tô vẫn có chúng. Nhiệt của chúng giúp đốt cháy nhiên liệu hiệu quả hơn.
Nhiên liệu Diesel
Nhiên liệu dầu mỏ bắt đầu từ dầu thô được tìm thấy tự nhiên trên trái đất. Khi dầu thô được xử lý tại các nhà máy lọc dầu, nó có thể được tách thành nhiều loại nhiên liệu khác nhau, bao gồm xăng, nhiên liệu máy bay, dầu hỏa và dĩ nhiên là dầu Diesel.
Nếu bạn đã từng so sánh nhiên liệu Diesel và xăng, thì bạn sẽ biết rằng chúng khác nhau. Nhiên liệu Diesel nặng hơn và nhờn hơn. Nó bay hơi chậm hơn nhiều so với xăng – điểm sôi của nó thực tế cao hơn điểm sôi của nước.
Nhiên liệu Diesel bay hơi chậm hơn vì nó nặng hơn. Nó chứa nhiều nguyên tử carbon trong chuỗi dài hơn xăng. Cần ít quá trình tinh chế hơn để tạo ra nhiên liệu Diesel, đó là lý do tại sao nó từng rẻ hơn xăng. Theo Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ, dầu Diesel chiếm khoảng 24 phần trăm các sản phẩm dầu mỏ được sử dụng ở Hoa Kỳ; xăng chiếm 56 phần trăm.
Nhiên liệu Diesel có mật độ năng lượng cao hơn xăng. Trung bình, 1 gallon (3,8 lít) nhiên liệu Diesel chứa khoảng 139.000 BTU, trong khi 1 gallon xăng chứa 124.000 BTU. Điều này, kết hợp với hiệu quả cải thiện của động cơ Diesel, giải thích tại sao động cơ Diesel đi được quãng đường tốt hơn so với động cơ xăng tương đương.
Nhiên liệu Diesel được sử dụng để cung cấp năng lượng cho nhiều loại phương tiện và hoạt động. Tất nhiên, nó cung cấp nhiên liệu cho những chiếc xe tải diesel mà bạn thấy đang ì ạch trên đường cao tốc, nhưng nó cũng giúp di chuyển thuyền, xe buýt trường học, xe buýt thành phố, xe lửa, cần cẩu, thiết bị nông nghiệp và nhiều phương tiện ứng phó khẩn cấp và máy phát điện.
Về mặt môi trường, động cơ Diesel có một số ưu và nhược điểm. Ưu điểm – động cơ Diesel hiệu quả hơn, do đó cần ít sự tinh chế hơn và thải ra lượng khí carbon dioxide thấp hơn, dẫn đến biến đổi khí hậu. Nhược điểm – một lượng lớn các hợp chất nitơ được giải phóng từ quá trình đốt cháy nhiên liệu Diesel, dẫn đến mưa axit, khói bụi và tình trạng sức khỏe kém. Tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét một số cải tiến gần đây được thực hiện trong các lĩnh vực này.
Cải tiến Diesel và Diesel sinh học
Trong cuộc khủng hoảng dầu mỏ lớn vào những năm 1970, các công ty ô tô châu Âu bắt đầu quảng cáo động cơ Diesel cho mục đích thương mại thay thế cho xăng. Những người đã dùng thử hơi thất vọng – động cơ kêu rất to, và họ về đến nhà sẽ thấy ô tô của mình phủ đầy muội đen từ trước ra sau – muội cũng chính là nguyên nhân gây ra khói bụi ở các thành phố lớn.
Kể từ đó, những cải tiến lớn đã được thực hiện về hiệu suất động cơ và độ sạch của nhiên liệu. Các thiết bị phun nhiên liệu trực tiếp hiện được điều khiển bởi máy tính giám sát quá trình đốt cháy nhiên liệu, tăng hiệu quả và giảm lượng khí thải. Tuy nhiên, sự tinh vi của những chiếc máy tính này hóa ra lại là con dao hai lưỡi, vào năm 2014 rằng Volkswagen đã sử dụng công nghệ này để gian lận trong kiểm tra khí thải. Công ty đã phải mua lại những chiếc xe chạy bằng động cơ Diesel mà họ đã bán với lời hứa là một loại nhiên liệu thay thế sạch hơn và trả hàng tỷ đô la tiền phạt, và trong một số trường hợp, các giám đốc điều hành của VW đã phải ngồi tù.
Kể từ năm 2010, tất cả nhiên liệu Diesel ở Hoa Kỳ đều là dầu Diesel có hàm lượng lưu huỳnh cực thấp (ULSD), chứa rất ít lưu huỳnh. Tại sao lại là vấn đề đó? Các thiết bị làm giảm ô nhiễm và khí thải từ động cơ Diesel có thể bị hư hại bởi lưu huỳnh, do đó, càng ít nguyên tố đó thì nhiên liệu đốt càng sạch. Bộ chuyển đổi xúc tác hiện đại cho động cơ diesel có hiệu suất 90 phần trăm, vì vậy chúng không bốc mùi hoặc tạo ra những đám khói đen nữa.
Nhưng những thay đổi này có thể không đủ. Diesel vẫn thải ra nhiều hạt có thể gây hại cho con người và môi trường của họ, đặc biệt là ở các khu vực đô thị đông đúc. Đó là lý do tại sao một số thành phố, tiểu bang và thậm chí cả các quốc gia đã quyết định cấm xe chạy bằng động cơ Diesel trong vòng một thập kỷ tới. Mặc dù trong các xe động cơ Diesel hiện đại đều được trang bị bộ lọc hạt Diesel.
Bạn cũng có thể đã nghe nói về một thứ gọi là dầu Diesel sinh học. Nó có giống như động cơ Diesel không? Dầu Diesel sinh học là một chất thay thế hoặc phụ gia cho nhiên liệu Diesel có thể được sử dụng trong động cơ Diesel mà không cần sửa đổi gì nhiều đối với bản thân động cơ. Nó không được làm từ dầu mỏ; thay vào đó, nó đến từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật đã bị biến đổi về mặt hóa học. (Sự thật thú vị: Rudolf Diesel ban đầu coi dầu hạt thực vật là nhiên liệu cho phát minh của mình.) Dầu Diesel sinh học có thể được kết hợp với dầu Diesel thông thường hoặc trong một số động cơ được sử dụng hoàn toàn bằng chính nó.
