Tìm hiểu về động cơ Diesel phần 2 - Nguyên lí hoạt động

Nguyên lý hoạt động

Đặc điểm

Các đặc điểm của động cơ diesel là 

• Nén đánh lửa: Do nén gần như đoạn nhiệt, nhiên liệu bốc cháy mà không có bất kỳ thiết bị đánh lửa nào như bugi.
• Sự hình thành hỗn hợp bên trong buồng đốt: Không khí và nhiên liệu được trộn trong buồng đốt chứ không phải trong ống dẫn khí vào.
• Điều chỉnh tốc độ động cơ chỉ bằng chất lượng hỗn hợp: Thay vì điều tiết hỗn hợp nhiên liệu-không khí, lượng mô-men xoắn được tạo ra (dẫn đến chênh lệch tốc độ quay của trục khuỷu) chỉ được thiết lập bằng khối lượng nhiên liệu được phun, luôn luôn trộn với càng nhiều không khí càng tốt.
• Hỗn hợp nhiên liệu-không khí không đồng nhất: Sự phân tán không khí và nhiên liệu trong buồng đốt không đồng đều.
• Tỷ lệ không khí cao: Do luôn chạy với không khí nhiều nhất có thể và không phụ thuộc vào hỗn hợp chính xác của không khí và nhiên liệu, động cơ diesel có không khí tỷ lệ nhiên liệu nghèo hơn so với phép đo lường 
• Ngọn lửa khuếch tán: Khi đốt cháy, trước tiên oxy phải khuếch tán vào ngọn lửa, thay vì phải trộn oxy và nhiên liệu trước khi đốt, điều này sẽ dẫn đến ngọn lửa trộn sẵn.
• Nhiên liệu có hiệu suất đánh lửa cao: Vì động cơ diesel chỉ dựa vào nén đánh lửa, nhiên liệu có hiệu suất đánh lửa cao (chỉ số Cetane) là lý tưởng cho hoạt động của động cơ thích hợp, nhiên liệu có khả năng chống va đập tốt (chỉ số octan) như xăng là tối ưu cho động cơ diesel.

Chu kỳ của động cơ diesel

Sơ đồ p-V cho chu trình diesel lý tưởng. Chu trình theo các số 1-4 theo chiều kim đồng hồ. Trục hoành là thể tích của xi lanh. Trong chu trình diesel, quá trình đốt cháy xảy ra ở áp suất gần như không đổi. Trên sơ đồ này, công được tạo ra cho mỗi chu kỳ tương ứng với diện tích trong vòng lặp.

Mô hình động cơ diesel, bên trái

Mô hình động cơ diesel, bên phải

Kỳ nạp

Piston còn nằm ở ĐCT. Lúc này trong thể tích buồng cháy Vc còn đầy khí sót của chu trình trước, áp suất khí sót bên trong xilanh cao hơn áp suất khí quyển. Trên đồ thị công, vị trí bắt đầu kỳ nạp tương ứng với điểm r. Khi trục khuỷu quay, thanh truyền làm chuyển dịch pittông từ ĐCT đến ĐCD, xuppap nạp mở thông xilanh với đường ống nạp. Cùng với sự tăng tốc của pittông, áp suất môi chất trong xilanh trở nên nhỏ dần hơn so với áp suất trên đường ống nạp pk (pk  0,01- 0,03Mpa). Sự giảm áp suất bên trong xilanh so với áp suất của đường ống nạp tạo nên quá trình nạp (hút) môi chất mới (không khí) từ đường ống nạp vào xilanh. Trên đồ thị công, kỳ nạp được thể hiện qua đường r-a. Áp suất môi chất đối với động cơ ta xét bằng với áp suất khí quyển.(lúc này áp suất trong buồng đốt sẽ lớn hơn áp suất khí quyển, như thê không khí bên ngoài sẽ được nạp nhanh và nhiều hơn vào trong xi lanh).

Kỳ nén

Piston chuyển dịch từ ĐCD ,đến ĐCT, các xupap hút và xả đều đóng, môi chất bên trong xilanh bi nén lại. Cuối kỳ nạp khi pittông còn ở tại ĐCD, áp suất môi chất bên trong xilanh pa còn nhỏ hơn pk. Đầu kỳ nén, pittông từ ĐCD đến ĐCT khi tới điểm áp suất bên trong xilanh mới đạt tới giá trị pk. Do đó, để hoàn thiện quá trình nạp người ta vẫn để xupap nạp tiếp tục mở (trước điểm a’). Việc đóng xupap nạp là nhằm để lợi dụng sự chênh áp giữa xilanh và đường ống nạp cũng như động năng của dòng khí đang lưu động trên đường ống nạp để nạp thêm môi chất mới vào xilanh. Sau khi đóng xupap nạp, chuyển động đi lên của pittông sẽ làm áp suất và nhiệt độ của môi chất tiếp tục tăng lên. Giá trị của áp suất cuối quá trình nén pc (tại điểm c) phụ thuộc vào tỷ số nén , độ kín của buồng đốt, mức độ tản nhiệt của thành vách xilanh và áp suất của môi chất ở đầu quá trình nén pa. Việc tự bốc cháy của hỗn hợp khí phải cần một thời gian nhất định, mặc dù rất ngắn. Muốn sử dụng tốt nhiệt lượng do nhiên liêu cháy sinh ra thì điểm bắt đầu và điểm kết thúc quá trình cháy phía ở lân cận ĐCT. Do đó việc phun nhiên liệu vào xilanh động cơ đều được thực hiện trước khi pittông đến ĐCT. Trên đồ thị công kỳ nén được thể hiện qua đường cong a-c.

Kỳ cháy và giãn nở

Đầu kỳ cháy và giãn nở, hỗn hợp không khí-nhiên liệu được tạo ra ở cuối quá trình nén được bốc cháy nhanh. Do có một nhiệt lượng lớn được toả ra, làm nhiệt độ và áp suất môi chất tăng mạnh, mặc dù thể tích làm việc có tăng lên chút ít (đường c-z trên đồ thị công). Dưới tác dụng đẩy của lực do áp suất môi chất tạo ra, pittông tiếp tục đẩy xuống thực hiện quá trình giãn nở của môi chất trong xilanh. Trong quá trình giãn nở môi chất đẩy pittông sinh công, do đó kỳ cháy và giãn nở được gọi là hành trình công tác (sinh công). Trên đồ thị kỳ cháy và giãn nở được biểu diễn qua đường c-z-b.

Kỳ thải

Kỳ thải trong kỳ này, động cơ thực hiện quá trình xả sạch khí thải ra khỏi xilanh. Piston chuyển dịch từ ĐCD đến ĐCT đẩy khí thải ra khỏi xilanh qua đường xupap thải đang mở vào đường ống thải, do áp suất bên trong xilanh ở cuối quá trình thải còn khá cao, nên xupap xả bắt đầu mở khi pittông còn cách ĐCD 430 góc quay của truc khuỷu. nhờ vậy, giảm được lực cản đối với pittông trong quá trình thải khí và nhờ sự chênh áp lớn tạo sự thoát khí dễ dàng từ xilanh ra đường ống thải, cải thiện được việc quét sạch khí thải ra khỏi xilanh động cơ. Trên đồ thị công, kỳ thải được thể hiện qua đường b-r. Kỳ thải kết thúc chu trình công tác, tiếp theo pittông sẽ lặp lại kỳ nạp theo trình tự chu trình công tác động cơ nói trên. Để thải sạch sản phẩm cháy ra khỏi xilanh, xupap xả không đóng tại vị trí ĐCT mà chậm hơn một chút, sau khi pittông qua khỏi ĐCT 170 góc quay trục khuỷu, nghĩa là khi đã bắt đầu kỳ một. Để giảm sức cản cho quá trình nạp, nghĩa là cửa nạp phải được mở dần trong khi pittông đi xuống trong kỳ một, xupap nạp cũng được mở sớm một chút trước khi pittông đến điểm chết trên 170 góc quay trục khuỷu. Như vậy vào cuối kỳ thải và đầu kỳ nạp cả hai xupap nạp và xả đều mở.

Hiệu suất

Do tỷ số nén cao, động cơ diesel có hiệu suất cao và việc không có van tiết lưu có nghĩa là tổn thất trao đổi điện tích khá thấp, dẫn đến mức tiêu thụ nhiên liệu cụ thể thấp, đặc biệt là trong các tình huống tải trung bình và thấp. Điều này làm cho động cơ diesel rất kinh tế. Mặc dù động cơ diesel có hiệu suất lý thuyết là 75%, nhưng  trong thực tế, nó thấp hơn nhiều. Trong bài tiểu luận năm 1893 Lý thuyết và chế tạo động cơ nhiệt thuần túy , Rudolf Diesel mô tả rằng hiệu quả hiệu quả của động cơ diesel sẽ nằm trong khoảng 43,2% đến 50,4%, hoặc thậm chí cao hơn. Động cơ diesel xe khách hiện đại có thể có hiệu suất lên tới 43%, trong khi động cơ trong xe tải diesel lớn và xe buýt có thể đạt hiệu suất cao nhất khoảng 45%. Tuy nhiên, hiệu suất trung bình trong một chu kỳ dẫn động thấp hơn hiệu suất cao nhất. Ví dụ: có thể là 37% cho một động cơ có hiệu suất cao nhất là 44%. Hiệu suất động cơ diesel cao nhất lên tới 55% đạt được nhờ động cơ diesel thủy phi cơ hai kỳ lớn.

Ưu điểm chính

Động cơ diesel có một số lợi thế so với động cơ hoạt động trên các nguyên tắc khác:

• Động cơ diesel có hiệu suất cao nhất trong tất cả các động cơ đốt. 
  • Động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt, không bị hạn chế khí nạp ngoài bộ lọc khí và hệ thống ống khí vào và không có chân không đường ống vào để thêm tải ký sinh và tổn thất bơm do pít-tông bị kéo xuống so với chân không của hệ thống hút. Làm đầy xi lanh với không khí trong khí quyển được hỗ trợ và hiệu suất thể tích được tăng lên vì lý do tương tự.
  • Mặc dù hiệu quả nhiên liệu (khối lượng đốt cháy với mỗi đơn vị năng lượng được tạo ra) của động cơ diesel giảm ở mức tải thấp hơn, nhưng nó không giảm nhanh như động cơ xăng hoặc tua bin thông thường.

• Động cơ diesel có thể đốt cháy một số lượng rất lớn loại nhiên liệu, bao gồm một số loại dầu nhiên liệu, có lợi thế hơn nhiên liệu như xăng. Những ưu điểm này bao gồm:

  • Chi phí nhiên liệu thấp, vì dầu nhiên liệu tương đối rẻ
  • Đặc tính bôi trơn tốt
  • Mật độ năng lượng cao
  • Nguy cơ bắt lửa thấp, vì chúng không tạo thành hơi dễ cháy
  • Diesel sinh học là một loại nhiên liệu không dựa trên dầu mỏ (thông qua transesterification) có thể chạy trực tiếp trong nhiều động cơ diesel, trong khi động cơ xăng cần điều chỉnh để chạy nhiên liệu tổng hợp hoặc sử dụng chúng làm phụ gia cho xăng (ví dụ: ethanol được thêm vào gasohol).
• Động cơ diesel có hành vi thải khí thải rất tốt. Khí thải chứa lượng tối thiểu carbon monoxide và Hiđrôcacbon. Động cơ diesel phun trực tiếp phát ra lượng nitơ oxit như động cơ chu trình Otto. Tuy nhiên, động cơ được bơm vào buồng xoáy và buồng đốt trước, phát ra nitơ oxit ít hơn khoảng 50% so với động cơ chu trình Otto khi chạy đầy tải. So với động cơ chu trình Otto, động cơ diesel phát thải các chất ô nhiễm ít hơn 10 lần và carbon dioxide ít hơn 3 lần.
• Chúng không có hệ thống đánh lửa điện cao áp, dẫn đến độ tin cậy cao và dễ dàng thích nghi với môi trường ẩm ướt. Việc không có cuộn dây, dây bugi, v.v., cũng giúp loại bỏ nguồn phát xạ tần số vô tuyến có thể gây nhiễu cho các thiết bị dẫn đường và liên lạc, đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng hàng hải và máy bay, và để ngăn chặn nhiễu với kính viễn vọng vô tuyến. (Vì lý do này, chỉ các phương tiện chạy bằng diesel mới được phép ở các khu vực của Vùng yên lặng vô tuyến điện quốc gia.) 
• Động cơ diesel có thể chấp nhận áp suất tăng áp hoặc tăng áp tua bin mà không có bất kỳ giới hạn tự nhiên nào, chỉ bị giới hạn bởi thiết kế và giới hạn vận hành của các bộ phận động cơ, chẳng hạn như áp suất, tốc độ và tải. Điều này không giống như động cơ xăng, chắc chắn sẽ phát nổ ở áp suất cao hơn nếu điều chỉnh động cơ và/hoặc điều chỉnh chỉ số octan nhiên liệu không được thực hiện để bù vào.

Phun nhiên liệu