Cũng như động cơ Otto, động cơ diesel là động cơ đốt trong nhưng tiêu hao nhiên liệu ít hơn đến 30%. Hiệu suất có thể đạt đến 46%.
Mục lục:
Sơ lược về động cơ Diesel
Cũng như động cơ Otto, động cơ diesel là động cơ đốt trong.
Cấu tạo
Tương tự động cơ Otto, động cơ diesel (Hình dưới) chủ yếu gồm bốn nhóm chính và những thiết bị phụ:
- Nhóm các chi tiết cố định
- Nhóm cơ cấu phát lực
- Nhóm cơ cấu nạp không khí
- Nhóm hệ thống nhiên liệu với trang bị phun, bơm nhiên liệu, lọc nhiên liệu, hệ thống phun cao áp, thí dụ:
- Hệ thống ống phân phối nhiên liệu (common-rail)
- Hệ thống bơm-vòi phun
- Những thiết bị phụ: Hệ thống bôi trơn động cơ, làm mát động cơ, hệ thống xả khí thải, đôi khi là hệ thống nạp, thí dụ với tua bin tăng áp nhờ khí thải, có thể có thêm thiết bị khởi động lạnh, thí dụ thiết bị sấy sơ bộ.
Động cơ diesel với tốc độ quay cao đến khoảng 5.500 vòng/phút được sử dụng cho ô tô cá nhân và ô tô tải nhẹ. Động cơ với tốc độ quay thấp hơn (vòng quay đến khoảng 2.200 vòng/phút) được sử dụng cho ô tô tải nặng.
So với động cơ Otto, động cơ diesel tiêu hao nhiên liệu ít hơn đến 30%. Hiệu suất có thể đạt đến 46%.
Những đặc điểm của động cơ Diesel
- Vận hành: với dầu diesel hay nhiên liệu sinh học.
- Hình thành hòa khí bên trong: Trong thì nạp, chỉ có không khí đi vào xi lanh. Hỗn hợp nhiên liệu và không khí được hình thành trong thì nén do nhiên liệu được phun vào dưới áp suất cao.
- Tự bốc cháy: Nhiên liệu tự bùng cháy ngay khi được phun vào khối không khí rất nóng do bị nén. Nhiệt độ nén cuối cùng cao hơn cả nhiệt độ đốt.
- Điều chỉnh chất lượng: Động cơ không tăng áp không được tiết lưu, nghĩa là trước cửa nạp không có van tiết lưu. Do đó lượng không khí được hút vào không thay đổi suốt khoảng tốc độ động cơ. Việc điều khiển tải được thực hiện bằng cách thay đổi lượng nhiên liệu được phun vào, qua đó hỗn hợp nhiên liệu và không khí thay đổi theo trạng thái vận hành của động cơ.
Nguyên lý hoạt động của động cơ Diesel
Cũng như động cơ Otto, bốn thì của một chu kỳ làm việc trên động cơ diesel là Nạp, Nén, Sinh Công và Thải (Hình dưới). Một chu kỳ làm việc trải qua hai vòng quay của trục khuỷu (720° góc quay trục khuỷu).
| Thì thứ nhất: Nạp |
|---|
| Khi piston di chuyển xuống, vì vùng thể tích trong xi lanh gia tăng tạo ra một sai biệt áp suất từ -0,1 bar đến -0,3 bar so với áp suất bên ngoài. Vì áp suất bên ngoài cao hơn nên không khí bị đẩy vào xi lanh. Luồng không khí tràn vào không được tiết lưu vì thiếu van tiết lưu Để hút được nhiều không khí nhất có thể vào xi lanh, xú páp nạp mở sớm khi GQTK (góc quay trục khuỷu) đạt đến 25° trước ĐCT; chỉ đóng lại khi GQTK đạt đến 28° sau ĐCD. Không khí trong xi lanh được làm nóng lên từ 70 °C đến 100 °C. |
| Thì thứ hai: Nén |
|---|
| Khi di chuyển lên, piston nén không khí lại còn từ 1/14 đến 1/24 vùng thể tích ban đầu trong xi lanh. Qua đó không khí nóng lên, khoảng 600 °C đến 900 °C. Với nhiệt độ cao này nhưng không khí không giãn nở được nên áp suất nén cuối cùng tăng lên, khoảng 30 bar đến 55 bar. Những động cơ có buồng cháy phụ phải được nén cao hơn vì nhiệt lượng bị thất thoát do diện tích bề mặt của buồng cháy lớn hơn, thí dụ như với buồng cháy xoáy lốc. Trong thì nén, xú páp nạp và xú páp thải đều được đóng. |
| Thì thứ ba: Sinh công |
|---|
| Gần cuối thì nén, khi GQTK vào khoảng 15° đến 30° trước ĐCT, nhiên liệu diesel được phun thành sương vào buồng đốt dưới áp suất cao (đến 2.050 bar). Trong không khí nóng, nhiên liệu bốc hơi và trộn lẫn vào không khí. Việc đốt cháy được kích hoạt vì nhiệt độ của không khí nén cao hơn nhiệt độ tự bốc cháy của nhiên liệu diesel, vào khoảng 320 °C đến 380 °C. Khoảng thời gian từ lúc bắt đầu phun đến lúc bắt đầu cháy được gọi là thời gian cháy trễ. Dưới áp suất cháy cao đến160 bar, piston di chuyển xuống ĐCD. Qua đó nhiệt năng được chuyển đổi thành cơ năng. |
| Thì thứ tư: Thải |
|---|
| Xú páp thải mở ra ở GQTK 30° cho đến 60° trước ĐCD, qua đó luồng khí thải thoát ra thuận lợi và tải trọng tác động vào hệ thống truyền động trục khuỷu được giảm nhẹ đi. Do áp suất còn lại vào cuối thời kỳ sinh công vào khoảng 4 bar đến 6 bar, khí thải nóng ở nhiệt độ từ 550 °C đến 750 °C được đẩy ra khỏi xi lanh. Khi piston di chuyển lên, khí thải thừa được đẩy ra với áp suất dư khoảng 0,2 bar đến 0,4 bar. Xú páp thải đóng lại trước hoặc sau ĐCT một chút. Do nhiệt độ khí thải thấp hơn nên nhiệt lượng thất thoát ít hơn so với động cơ Otto (hiệu suất cao hơn). |
Động cơ phun gián tiếp:
Nhiên liệu được phun vào buồng cháy phụ (buồng cháy xoáy lốc, buồng trước). Vì buồng cháy bị chia ra nên bề mặt tiếp xúc lớn hơn, do đó nhiệt lượng thất thoát lớn hơn và hiệu suất nhiệt thấp hơn so với động cơ diesel phun trực tiếp. Đây là lý do vì sao động cơ diesel phun giản tiếp không còn được sản xuất nữa. Tỷ số nén của động cơ phun gián tiếp ở khoảng từ 18 đến 24.
Động cơ phun trực tiếp (động cơ DI):
Nhiên liệu được phun trực tiếp vào buồng đốt. Không khí do bị nén nóng lên đến 900°C, chỉ mất ít nhiệt lượng bởi bề mặt thu gọn của buồng đốt, do đó hiệu suất nhiệt cao hơn động cơ Diesel phun gián tiếp và suất tiêu hao nhiên liệu thể tích thấp hơn. Động cơ phun trực tiếp cho ô tô cá nhân có tỷ số nén nằm trong khoảng 14 đến 27, cho ô tô tải nhẹ trong khoảng 14 đến 19.
Quá trình cháy của động cơ diesel
Ở động cơ diesel, lượng nhiên liệu chính chỉ được phun vào buồng đốt sau khi lượng nhiên liệu đầu tiên đã bốc cháy, vì thế nhiên liệu phun vào liên tục được đốt cháy hết.
Quá trình hình thành hòa khí bên trong:
Sau khi được phun vào, nhiên liệu thể lỏng phải được biến đổi sang một hỗn hợp có thể bốc cháy được. Bảng dưới đây mô tả tiến trình từ lúc bắt đầu phun cho đến giai đoạn tự bốc cháy. Đối với việc hình thành hòa khí bên trong, không khí nóng bị mất nhiệt và nguội bớt đi. Nhưng nhiệt độ không khí phải luôn luôn cao hơn nhiệt độ tự bốc cháy của nhiên liệu.
Đánh lửa trễ ở động cơ diesel:
Khoảng thời gian cần thiết cho quá trình hình thành hòa khí bên trong đến khi phát sinh cháy được gọi là thời kỳ cháy trễ.
Thông thường thời kỳ cháy trễ ở động cơ đã chạy lóng kéo dài khoảng 0,001 giây (1/1000 giây). Thời gian này tùy thuộc đáng kể vào:
- Cấu tạo của phân tử nhiên liệu (tính dễ bốc cháy, chỉ số cetan)
- Nhiệt độ của không khí nén trước khi được phun
- Độ tạo sương khi phun (độ cao của áp suất phun, độ lớn của giọt nhiên liệu)
Áp suất, nhiệt độ và chỉ số cetan càng cao thì thời gian cháy trễ càng ngắn.
Kích nổ ở động cơ diesel:
Khoảng thời gian cần thiết cho việc hình thành hòa khí bên trong sẽ kéo dài khi nhiệt độ của động cơ và không khi hút vào thấp, ví dụ như khi động cơ khởi động lạnh. Thời gian cháy trễ sẽ quá lớn (hơn 0,002 giây) và nhiên liệu ứ đọng sẽ cháy đột ngột tạo ra âm thanh lớn, động cơ diesel bị kích nổ (gõ). Việc cháy đột ngột phát sinh do nhiều tâm lửa xuất phát từ nhiên liệu ứ đọng trong buồng đốt. Các đỉnh áp suất khác nhau sinh ra có thể gây hư hỏng nhóm cơ cấu phát lực. Kích nổ có thể được giảm thiểu qua việc phun một lượng nhiên liệu nhỏ vào trước.
Thời gian cháy trễ quá lớn xảy ra khi:
- Động cơ lạnh/không khí hút vào lạnh
- Độ nén yếu
- Nhiên liệu với chỉ số cetan thấp
- Kim phun nhỏ giọt
