Tìm hiểu về động cơ Diesel
1. Động cơ Diesel là gì?
Động cơ Diesel hay còn gọi là động cơ nén cháy (compression-ignition) hay động cơ CI, được đặt theo tên của Rudolf Diesel - Cha đẻ của động cơ sử dụng nén không khí chặt đến mức nhiệt độ của không khí sẽ vượt quá nhiệt độ của quá trình đốt cháy thay cho động cơ nhiệt truyền thống.
Động cơ Diesel là một loại động cơ đốt trong, trong đó việc đánh lửa nhiên liệu được gây ra bởi nhiệt độ cao của không khí trong xi lanh do nén cơ học (nén đoạn nhiệt). Điều này trái ngược với các động cơ đánh lửa như động cơ xăng hay động cơ ga (sử dụng nhiên liệu khí) sử dụng bộ đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu-không khí.
2. Cơ thế hoạt động của động cơ Diesel
Động cơ diesel hoạt động bằng cách chỉ nén không khí. Điều này làm tăng nhiệt độ không khí bên trong xi lanh lên cao đến mức nhiên liệu diesel được phun vào buồng đốt tự bốc cháy. Với nhiên liệu được đưa vào không khí ngay trước khi đốt, sự phân tán của nhiên liệu không đồng đều; đây được gọi là hỗn hợp nhiên liệu-không khí không đồng nhất. Mô-men xoắn mà động cơ diesel tạo ra được điều khiển bằng cách điều khiển tỷ lệ nhiên liệu-không khí; thay vì điều tiết khí nạp, động cơ diesel phụ thuộc vào việc thay đổi lượng nhiên liệu được phun và tỷ lệ nhiên liệu-không khí thường cao.
Động cơ diesel có hiệu suất nhiệt cao nhất (hiệu suất động cơ) của bất kỳ động cơ đốt trong hoặc đốt ngoài thực tế nào do hệ số giãn nở rất cao và đốt cháy nghèo vốn có cho phép tản nhiệt bởi không khí dư thừa. Một sự mất mát hiệu suất nhỏ cũng được tránh so với động cơ xăng phun vô hướng hai thì vì nhiên liệu không cháy không có ở chụp xupap và do đó nhiên liệu không đi trực tiếp từ đầu vào ra ống xả. Động cơ diesel tốc độ thấp (như được sử dụng trong tàu và các ứng dụng khác trong đó trọng lượng tổng thể của động cơ tương đối không quan trọng) có thể đạt hiệu suất hiệu quả lên tới 55%.
Động cơ diesel có thể được thiết kế theo chu kỳ hai thì hoặc bốn thì. Chúng ban đầu được sử dụng như là một sự thay thế hiệu quả hơn so với động cơ hơi nước cố định. Từ những năm 1910, chúng đã được sử dụng trong tàu ngầm và tàu thủy. Sau đó, nó còn được sử dụng trong đầu máy, xe tải, máy xây dựng và nhà máy điện. Vào những năm 1930, chúng dần bắt đầu được sử dụng trong một vài chiếc ô tô. Kể từ những năm 1970, việc sử dụng động cơ diesel trong các phương tiện trên đường và xe địa hình lớn hơn ở Mỹ đã tăng lên. Theo Konrad Reif, trung bình ở EU, ô tô diesel chiếm một nửa số ô tô mới đăng ký.
Các động cơ diesel lớn nhất thế giới được đưa vào sử dụng là động cơ diesel thủy phi cơ 14 xi-lanh, hai thì; chúng tạo ra công suất cực đại gần 100 MW mỗi cái.
3. Ý tưởng về động cơ Diesel
Năm 1878, Rudolf Diesel, một sinh viên tại "Polytechnikum" ở Munich, đã tham dự các bài giảng của Carl von Linde. Linde giải thích rằng các động cơ hơi nước có khả năng chuyển đổi chỉ 6-10% năng lượng nhiệt thành công có ích, nhưng chu trình Carnot cho phép chuyển đổi nhiều năng lượng nhiệt hơn thành công bằng phương pháp thay đổi đẳng nhiệt. Theo Diesel, điều này đã nhen nhóm ý tưởng tạo ra một động cơ hiệu quả cao có thể hoạt động theo chu trình Carnot. Diesel cũng đã được tiếp xúc với một piston lửa, một bộ đánh lửa truyền thống sử dụng các nguyên lý nén đoạn nhiệt nhanh mà Linde đã có được từ Đông Nam Á. Sau nhiều năm thực hiện các ý tưởng của mình, Diesel đã xuất bản chúng vào năm 1893 trong bài tiểu luận Lý thuyết và Xây dựng Động cơ Nhiệt thuần túy.
Diesel đã bị chỉ trích nặng nề vì bài luận của mình, nhưng chỉ một số ít thấy được sai lầm mà ông đã mắc phải; động cơ nhiệt thuần túy của ông được cho là sử dụng chu kỳ nhiệt độ không đổi (với nén đẳng nhiệt) đòi hỏi mức độ nén cao hơn nhiều so với mức cần thiết để nén đánh lửa. Ý tưởng của Diesel là nén không khí chặt đến mức nhiệt độ của không khí sẽ vượt quá nhiệt độ của quá trình đốt cháy. Tuy nhiên, một động cơ như vậy không bao giờ có thể sinh được bất kì công có ích nào. Trong bằng sáng chế năm 1892 của Hoa Kỳ (được cấp vào năm 1895) , Diesel mô tả việc nén cần thiết như thế nào cho chu trình của mình:
- "Không khí sạch trong khí quyển được nén theo đường cong 1 2, ở mức độ mà trước khi đánh lửa hoặc sự cháy xảy ra, áp suất cao nhất của sơ đồ và nhiệt độ cao nhất thu được - nghĩa là nhiệt độ mà tại đó quá trình cháy tiếp theo phải diễn ra, không phải là điểm cháy hoặc điểm bắt lửa. Để làm rõ hơn, giả sử rằng quá trình đốt tiếp theo sẽ diễn ra ở nhiệt độ 700 °. Trong trường hợp đó, áp suất ban đầu phải là sáu mươi tư atm, hoặc ở 800 độ C. áp suất phải là chín mươi atm, v.v. Do đó, không khí sau khi được nén dần dần được đưa vào một lượng nhiên liệu được phân chia thật mịn bên ngoài, sẽ bốc cháy khi đưa vào, vì không khí ở nhiệt độ vượt xa điểm bắt lửa của nhiên liệu. Điểm đặc trưng của chu trình theo sáng chế của tôi là, tăng áp suất và nhiệt độ lên đến mức tối đa, không phải bằng cách đốt, mà trước khi đốt bằng sự nén khí cơ học, và sau đó thực hiện công tiếp theo mà không tăng áp suất và nhiệt độ bằng cách đốt cháy dần dần trong một phần của chu trình được xác định bởi dầu ướt".
Đến tháng 6 năm 1893, Diesel đã nhận ra chu kỳ ban đầu của mình sẽ không hoạt động và ông đã áp dụng chu trình đẳng áp. Diesel mô tả chu kỳ trong ứng dụng bằng sáng chế năm 1895 của mình. Lưu ý rằng không còn đề cập đến nhiệt độ nén vượt quá nhiệt độ cháy. Bây giờ người ta chỉ đơn giản nói rằng việc nén phải đủ để kích hoạt đánh lửa.
- "1. Trong động cơ đốt trong, sự kết hợp giữa xi lanh và piston được chế tạo và bố trí để nén không khí ở một mức độ tạo ra nhiệt độ trên điểm bắt lửa của nhiên liệu, một nguồn cấp khí nén hoặc ga; một nguồn cấp nhiên liệu, một van phân phối nhiên liệu, một đường dẫn từ nguồn cấp khí đến xi lanh liên kết với van phân phối nhiên liệu, cửa vào xi lanh phải liên kết với việc cấp khí và với van nhiên liệu và dầu ướt. " Xem bằng sáng chế Hoa Kỳ # 608845 đã nộp 1895 / được cấp năm 1898
Năm 1892, Diesel đã nhận được bằng sáng chế ở Đức, Thụy Sĩ, Vương quốc Anh và Hoa Kỳ cho "Phương pháp và thiết bị chuyển đổi nhiệt thành công cơ học".Vào năm 1894 và 1895, ông đã nộp bằng sáng chế và phụ lục về động cơ của mình ở nhiều quốc gia; các bằng sáng chế đầu tiên được cấp ở Tây Ban Nha (số 16.654), Pháp (số 243.531) và Bỉ (số 113.139) vào tháng 12 năm 1894 và ở Đức (số 86.633) vào năm 1895 và Hoa Kỳ (số 608.845) vào năm 1898.
Diesel đã bị tấn công và chỉ trích trong một khoảng thời gian vài năm. Các nhà phê bình đã tuyên bố rằng Diesel không bao giờ phát minh ra một động cơ mới và việc phát minh ra động cơ diesel là gian lận. Otto Köhler và Emil Capitaine là hai trong số những nhà phê bình nổi bật nhất thời Diesel. Köhler đã xuất bản một bài luận vào năm 1887, trong đó ông mô tả một động cơ tương tự như động cơ mà Diesel mô tả trong bài tiểu luận năm 1893 của ông. Köhler cho rằng một động cơ như vậy không thể sinh công.Emil Capitaine đã chế tạo một động cơ dầu với đánh lửa ống phát sáng vào đầu những năm 1890;; ông tuyên bố dù thấy làm như vậy là thiếu khôn ngoan, rằng động cơ đánh lửa ống phát sáng của ông hoạt động giống như động cơ của Diesel. Tuyên bố của ông là không có cơ sở và ông đã thua một vụ kiện bằng sáng chế chống lại Diesel.Các động cơ khác, như động cơ Akroyd và động cơ Brayton, cũng sử dụng chu trình vận hành khác với chu trình động cơ diesel. Friedrich Sass nói rằng động cơ diesel là "công trình rất riêng" của Diesel và bất kỳ "chuyện hoang đường Diesel" nào cũng là "làm sai lệch lịch sử".
4. Tiến trình cải tiến động cơ Diesel
Vào đầu mùa hè năm 1893, động cơ nguyên mẫu đầu tiên của Diesel được chế tạo tại Augsburg. Vào ngày 10 tháng 8 năm 1893, lần đánh lửa đầu tiên diễn ra, nhiên liệu được sử dụng là xăng.
Vào mùa đông 1893/1894, Diesel đã thiết kế lại động cơ hiện có và đến ngày 18 tháng 1 năm 1894, các chuyên viên cơ khí của ông đã chuyển đổi nó thành nguyên mẫu thứ hai.
Vào ngày 17 tháng 2 năm 1894, động cơ được thiết kế lại đã chạy được 88 vòng quay - một phút
Vào ngày 26 tháng 6 năm 1895, động cơ đạt được hiệu suất hiệu quả 16,6% và có mức tiêu thụ nhiên liệu 519 g·kW−1·h−1.Tuy nhiên, mặc dù đã chứng minh được khái niệm, động cơ đã gây ra sự cố, và Diesel không thể đạt được bất kỳ tiến bộ đáng kể nà. T
ừ ngày 8 tháng 11 đến ngày 20 tháng 12 năm 1895, nguyên mẫu thứ hai đã chạy thử nghiệm thành công hơn 111 giờ. Trong báo cáo tháng 1 năm 1896, đây được coi là một thành công.
Vào tháng 2 năm 1896, Diesel đã cân nhắc việc tăng áp cho nguyên mẫu thứ ba.Imanuel Lauster, người được lệnh vẽ nguyên mẫu thứ ba, đã hoàn thành các bản vẽ vào ngày 30 tháng 4 năm 1896. Vào mùa hè năm đó, động cơ được chế tạo, nó được hoàn thành vào ngày 6 tháng 10 năm 1896. Các thử nghiệm được tiến hành cho đến đầu năm 1897.Các thử nghiệm công khai đầu tiên bắt đầu vào ngày 1 tháng 2 năm 1897. Thử nghiệm của Moritz Schröter vào ngày 17 tháng 2 năm 1897 là thử nghiệm chính của động cơ Diesel. Động cơ đạt công suất 13.1 kW với mức tiêu thụ nhiên liệu cụ thể là 324 g·kW−1·h−1, hiệu suất có ích là 26,2%.
Sự thành công của động cơ nén cháy đã đứa Diesel trở thành một triệu phú và đưa tên tuổi của ông gắn với tất cả các nhà sản xuất động cơ trên thế giới.
