Launching Innovation and Success 
Tác giả :

NHỮNG PHÁT MINH VÀ SÁNG CHẾ

GÓP PHẦN HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN Ô TÔ (tt)


BÀI 4: ĐỘNG CƠ DIESEL


(Dành cho các em học môn “Introduction to Automotive Engineering” năm 1 ngành CNKT Ô tô)


Động cơ diesel

Động cơ diesel được phát triển bởi Rudolf Diesel. Khác với động cơ đánh lửa cưỡng bức (spark ignition engine), động cơ diesel (compression ignition engine) hoạt động được nhờ nhiên liệu cháy khi phun vào không khí được nén (lên nhiệt độ cao) trong buồng đốt. Nhiệt độ không khí tăng cao đến mức đủ làm bốc cháy dầu diesel một cách tự nhiên. Vì nhiên liệu được phun vào không khí ngay trước khi cháy nên sự phân tán dầu không đều và hỗn hợp (khí – nhiên liệu) không đồng nhất. Moment xoắn mà động cơ sinh ra được điều khiển bởi tỷ lệ hòa khí λ. Thay vì đóng mở bướm ga để thay đổi moment xoắn như trong động cơ xăng, động cơ diesel điều chỉnh qua lượng nhiên liệu phun nên tỷ lệ hòa khí luôn cao.



Hình 1. Rudolf Diesel (18/3/1858-29/9/1913)

Hình 2. Động cơ diesel do Langen và Wolf chế tạo

theo bản quyền năm 1898

Cho đến nay Diesel vẫn là động cơ đốt trong có hiệu suất nhiệt cao nhất (một số động cơ diesel tốc độ thấp hiệu suất nhiệt có thể lên đến hơn 50%) nhờ độ giãn nở của nhiên liệu cao (expanssion ratio) và cháy nghèo. Hiệu suất cũng đỡ mất mát nhờ không có nhiên liệu sót trong khoảng trùng điệp của sú páp (valve overlap) như động cơ xăng, do đó, không có dầu diesel đi trực tiếp từ đường ống nạp đến đường ồng thải. Một số động cơ diesel tốc độ thấp như động cơ tàu thủy có thể đạt hiệu suất lên tới 55%. Động cơ diesel có 2 loại: 2 kỳ và 4 kỳ. Thuở ban đầu nó được thiết kế để thay thế các động cơ hơi nước tĩnh tại. Từ 1910, động cơ diesel bắt đầu được sử dụng trên tàu ngầm và tàu thủy. Sau đó nó được áp dụng lần lượt cho đầu máy xe lửa, máy kéo và máy phát điện. Bắt đầu từ năm 1930, một số ô tô được trang bị động cơ diesel. Từ thập kỷ 1970 động cơ diesel bắt đầu sử dụng rộng rãi trên các phương tiện giao thông.

Hình 3. Động cơ diesel mẫu 2 được thử nghiệm (1895)

Động cơ diesel thế kỷ 19, 20  thường chỉ sử dụng trên xe tải, máy phát điện, tàu thủy do tiếng ồn, khói đen. Kể từ 1997, khi BOSCH áp dụng hệ thống phun dầu điện tử trực tiếp (CDI), động cơ diesel đã trở nên ít ồn, êm dịu và ít khói không khác gì động cơ xăng nhờ phun áp lực cao và phun nhiều lần.

Lịch sử

Vào năm 1878, Rudolf Diesel – sinh viên của trường Đại học kỹ thuật Munchen, dự bài giảng của GS Carl von Linde. Linde đã nói động cơ hơi nước chỉ chuyển được 6-10% năng lượng nhiệt thành công năng nhưng chu trình Carnot cho phép biến năng lượng nhiệt sang công nhiều hơn thông qua sự thay đổi đẳng nhiệt. Sau bài giảng, Diesel nảy ra ý tưởng tạo ra động cơ hiệu suất cao hơn dựa vào chu trình Carnot. Diesel cũng nghiên cứu cái piston lửa – dụng cụ mồi lửa truyền thống của người Đông Nam Á mà Linde đem về sau chuyến đi châu Á. Sau vài năm làm việc với ý tưởng đó, Diesel năm 1893 đã trình bày luận án: “Lý thuyết và cấu tạo của động cơ nhiệt hợp lý”. Diesel bị các giáo sư chỉ trích mạnh mẽ nhưng chỉ ít người tìm thấy điểm sai của ông: “động cơ nhiệt hợp lý” giả định sử dụng chu trình nhiệt độ cố định (với nén đẳng nhiệt) đòi hỏi mức độ nén cao hơn nhiều so với mức cần thiết để cháy nén và không sinh ra công có ích. Dù vậy, ông cũng đăng ký năm 1892 và được cấp bằng sáng chế US 542846 năm 1895.

Vào tháng 6/1893, Diesel nhận ra chu trình ban đầu không đúng và ông đã chuyển sang nghiên cứu chu trình áp suất không đổi. Diesel đã mô tả chu trình trong bản đăng ký sáng chế năm 1895. Ở đó ông không đề cập về nhiệt độ nén vượt nhiệt độ cháy, chỉ nói đơn giản nén đủ để kích hoạt sự cháy.

Vào năm 1892, Diesel nhận bằng sáng chế ở Đức, Thụy sĩ, Vương quốc Anh và Mỹ với tên: “Phương pháp và thiết bị chuyển nhiệt thành công năng”, sau đó, ông còn công nhận bằng sáng chế ở nhiều nước khác như Tây Ban Nha, Pháp, Bỉ…

Diesel bị tấn công và chỉ trích trong suốt mấy năm liền. Người ta nói Diesel chưa bao giờ phát minh ra động cơ diesel, nói động cơ đó là trò lừa đảo…Otto Kohler và Emil Capitaine là 2 người chống đối nổi bật nhất. Kohler công bố một bài báo năm 1887, trong đó ông mô tả một động cơ tương tự động cơ mà Diesel đã mô tả năm 1883 và minh chứng động cơ như vậy không thể sinh công. Capitaine còn kiện Diesel ra tòa.

Động cơ diesel đầu tiên.

Diesel tìm kiếm các công ty và nhà máy để sản xuất động cơ ông phát minh ra. Hợp đồng được ký với công ty Krupp ở Essen và Maschinenfabrik ở Augsburg vào tháng 4/1893 và ngay mùa hè năm đó mẫu động cơ Diesel đầu tiên đã ra đời. Ngày 10/8/1893, động cơ mẫu đã nổ và hoạt động với xăng. 18/2/1894 ông thiết kế lại cho ra mẫu động cơ phiên bản 2, đến 26/6/1895 động cơ đạt hiệu suất 16.6% với suất tiêu hao nhiên liệu 519g/kW/h.  Mặc dù Diesel đã chứng minh thiết kế của mình là đúng nhưng động cơ nảy sinh nhiều vấn đề. Vì vậy, Krupp ngưng hợp đồng với Diesel. Diesel buộc lòng phải thiết kế cải tiến lại và động cơ phiên bản 3 ra đời. 20/12/1895 mẫu 2 đã chạy thử nghiệm thành công liên tục 111 giờ trên băng thử. Mẫu 3 với tăng áp supercharge (tăng áp qua bơm Root) cũng được thử nghiệm thành công với kết quả: công suất đạt 13.1kW, suất tiêu hao nhiên liệu 324g/kW/h, hiệu suất đạt 26.2%. Đến năm 1898, Diesel chính thức trở thành tỷ phú nhờ phát minh này! Tuy nhiên cái chết bí ẩn của ông vào năm 1913 cho đến nay vẫn chưa được làm sáng tỏ: do đối thủ ám sát hay do ông tự vẫn.

Một số cột mốc:

1893: Diesel công bố luận án: “Lý thuyết và cấu tạo động cơ nhiệt hợp lý”. 1/2/1897 Mẫu động cơ thứ ba thử nghiệm thành công. 1897: Busch mua bản quyền động cơ Diesel để sản xuất tại Mỹ và Canada. 1898: động cơ Diesel thương mại đầu tiên được xuất xưởng. 1899: Hugo Guldner phát minh động cơ Diesel 2 kỳ. 1901: Diesel được lắp trên xe tải. 1903: lắp đặt trên tàu thủy và xe tăng. 1904: tàu ngầm chạy bằng diesel đầu tiên ở Pháp. 1905: tăng áp (turbochargers) và làm mát khí nạp (intercoolers) cho động cơ diesel được sản xuất bởi Buchi. 1909: L’Orange đăng ký sáng chế phun trong buồng đốt trước (precombustion chamber injection). 1912: đầu máy xe lửa đầu tiên gắn diesel ở Thụy Sĩ. 1913: Diesel chết bí ẩn, không tìm thấy xác khi qua eo biển Manche trên tàu SS Dresden. 1919: P L’Orange nhận bằng sáng chế về kim phun tích hợp trong buồng đốt trước. Cummins sản xuất động cơ diesel đầu tiên. 1923: chiếc máy kéo đầu tiên sử dụng động cơ diesel (Sendling). 1927: Bosch giới thiệu bơm thẳng hàng đầu tiên. 1929 xe thương mại đầu tiên sử dụng diesel. K. F. Chelpan (Nga) phát triển động cơ diesel V2 dùng cho xe tăng huyền thoại T-34. 1953: buồng đốt xoáy lốc ra đời. 1976: Hệ thống phun Common Rail (CDI –common rail direct injection) được nghiên cứu ở ETH Zurich (Thụy Sĩ). 1986: BMW E28 524td - xe du lịch đầu tiên trang bị phun dầu điện tử của Bosch. 2002: kim phun áp điện (piezo injector) đầu tiên được chế tạo bởi Siemens. 2010: Mitsubishi phát triển diesel với hệ thống điều khiển thời điểm suppap VVT – variable valve timing. 2015: Áp suất phun CDI đạt 2,500 bar. 2015: Vụ bê bối khí thải của Volkswagen (động cơ TDI – turbocharged direct injection) ở Mỹ.

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Đặc điểm

Các đặc tính của động cơ diesel là:

  • - Cháy bằng nén: Nhờ nén đoạn nhiệt (adiabatic compression), nhiên liệu cháy mà không cần bougie
  • - Hỗn hợp nhiên liệu – không khí hình thành bên trong buồng đốt chứ không phải trên đường ống nạp như động cơ xăng.
  • - Moment xoắn sinh ra phụ thuộc vào khối lượng nhiên liệu phun.
  • - Hỗn hợp không đồng đều, phân lớp.
  • - Tỷ lệ hòa khí khá cao, nghèo
  • - Cháy khuếch tán: oxy khuếch tán vào ngọn lửa.
  • - Nhiên liệu có chỉ số cetane cao.

Xem: https://www.youtube.com/watch?v=s2WGFELXPNg

https://www.youtube.com/watch?v=qeGQgPQsJJI

https://www.youtube.com/watch?v=aWeqyAxlM2M

https://www.youtube.com/watch?v=fvysuD5MFow

Chu trình của động cơ diesel

Hình 4. Các kỳ của diesel 4 kỳ

Hình 5. Động cơ diesel 2 kỳ

Hình 6. Hệ thống phun dầu điện tử CDI

Hình 7. Kim phun áp điện (piezo) thay cho kim phun cuộn dây

Do phải nén khí để đạt nhiệt độ cao nên tỷ số nén của động cơ diesel thường rất cao: 15:1 - 23:1. Vào cuối kỳ nén, nhiên liệu được phun thẳng vào không khí nén trong buồng đốt, thường là vào khoảng lõm hình xuyến trên đỉnh piston hoặc buồng đốt trước, tùy theo thiết kế. Kim phun phải đảm bảo tạo ra các hạt nhiên liệu nhỏ như sương và được phân bố đồng đều. Sức nóng của không khí nén sẽ làm bốc hơi các hạt nhiên liệu. Nhiên liệu dạng hơi sẽ bốc cháy bởi nhiệt của không khí nén. Quá trình cháy xảy ra ở áp suất không đổi trong phần đầu kỳ nổ. Diesel có tiếng gõ đặc trưng là do hơi nhiên liệu đạt nhiệt độ bén lửa tạo ra sự tăng đột biến về áp suất trên đỉnh piston. Khi quá trình cháy hoàn tất, khí cháy giãn nở, đẩy piston đi xuống, cung cấp công cho trục khuỷu. Sở dĩ diesel có hiệu suất cao là nhờ tỷ số nén cao dẫn đến sự cháy của nhiên liệu mà không cần hệ thống đánh lửa. Trong động cơ đánh lửa cưỡng bức, khi nhiên liệu và không khí hòa trộn trước khi vào xy lanh, nếu tăng tỷ số nén sẽ dẫn đến hiện tượng cháy sớm (pre-ignition), gây kích nổ và làm hư động cơ. Nhờ chỉ có không khí được nén trong xy lanh diesel, nhiên liệu chỉ phun ra trong thời gian ngắn trước điểm chết trên (TDC – top dead center) nên kích nổ không đáng lo ngại.

Trên hình 8 trình bày đồ thị p-V của chu trình diesel lý tưởng, trong đó p là áp suất còn V là thể tích. Chu trình bao gồm 4 giai đoạn:

Hình 8. Đồ thị p-V của diesel

    • * 1→2: nén đẳng hướng (màu xanh dương)
    • * 2→3: áp suất không đổi, nung nóng thuận nghịch (đỏ)
    • * 3→4: giãn nở đẳng hướng (vàng)
    • * 4→1: làm mát thuận nghịch với thể tích không đổi (xanh lá)

Biểu đồ p-V minh họa chu trình xảy ra trong động cơ. Bắt đầu từ điềm 1, piston đang ở điểm chết dưới và cả 2 supap đều đóng lúc bắt đầu kỳ nén, áp suất trong xy lanh bằng áp suất khí quyển. Giữa 1 và 2 là quá trình nén đoạn nhiệt (không có sự trao đổi nhiệt với môi trường, chỉ có trao đổi nhiệt rất ít với thành xy lanh) khi piston đi lên. Trong quá trình nén, thể tích giảm còn áp suất và nhiệt độ tăng. Trước điểm 2 một ít (TDC) nhiên liệu được phun ra và bốc cháy trong không khí nóng. Sự cháy và sinh nhiệt xảy ra giữa 2 và 3. Trong khoảng này, áp suất không đổi do piston bắt đầu đi xuống và thể tích tăng, nhiệt độ lúc này tăng do quá trình cháy. Tại điểm 3, quá trình phun và cháy hoàn tất, trong xy lanh có nhiệt độ cao hơn điểm 2. Giữa 3 và 4 là quá trinh giãn nở đẳng nhiệt, sinh công cho động cơ (kỳ nổ). Trong pha giãn nở, thể tích khí tăng nhưng áp suất và nhiệt độ giảm. Ở điểm 4, supap thải mở và áp suất giảm đột ngột tới áp suất khí trời (kỳ thải). Hệ thống piston-xylanh hấp thụ năng lượng giữa 1 và 2 vì tiêu tốn công cho việc nén không khí trong xy lanh (công lấy từ năng lượng quán tính của bánh đà). Công sinh ra chủ yếu từ điểm 2 đến 4. 

Hiệu suất

Nhờ tỷ số nén cao nên động cơ diesel có hiệu suất nhiệt cao và việc không có bướm ga cũng giúp tổn thất khi nạp thấp, dẫn đến suất tiêu hao nhiên liệu thấp, đặc biệt là ở vùng tải thấp và tải trung bình. Chính vì vậy, động cơ diesel rất kinh tế. Mặc dù hiệu suất theo lý thuyết có thể lên đến 75% nhưng thực tế thấp hơn nhiều. Trong luận án năm 1893, Rudolf Diesel đã mô tả hiệu suất sẽ đạt 43.2%- 50.4% hoặc hơn. Những động cơ diesel hiện đại trên xe du lịch ngày nay có hiệu suất cỡ 43% còn trên xe tải, xe bus có thể đạt 45%. Động cơ diesel 2 kỳ trên tàu thủy lớn có hiệu suất lên đến 55%.

Các ưu điểm của diesel.

Diesel có nhiều ưu điểm gì so với các loại động cơ khác:

    • - Không có bướm ga nên không có tổn thất đường nạp
    • - Có thể chạy với nhiều loại nhiên liệu
    • - Khí thải ít ô nhiễm hơn: ít CO và HC hơn, buồng đốt xoáy lốc và buồng đốt trước giúp NOx ít hơn 50% so với động cơ xăng ở toàn tải.
    • - Không có hệ thống đánh lửa nên tin cậy hơn trong điều kiện ẩm ướt, giảm nhiễu điện từ (electromagnetic interference).
    • - Có thể dùng turbo tăng áp công suất lớn.

Phun nhiên liệu

Nhiên liệu được phun vào buồng đốt theo 2 kiểu gián tiếp (IDI – indirect injection) hoặc trực tiếp (DI – Direct Injection). Thông thường để tạo áp suất nhiên liệu cao người ta sử dụng bơm. Có nhiều kiểu bơm khác nhau.

    • - Bằng cách phụt khí (airblast). Nhiên liệu được đưa vào xy lanh nhờ dòng khí đẩy.
    • - Nhờ lực lò xo. Nhiên liệu được phun vào nhờ lò xo ép.
    • - Kim phun đơn kiểu cơ khí. Dùng cam đẩy, lượng nhiên liệu được điều khiển bởi thanh răng.
    • - Kim phun đơn kiểu cơ – điện tử. Nhiên liệu được đẩy bằng cam nhưng lượng nhiên liệu được kiểm soát điện tử.
    • - Phun ống chung kiểu cơ khí (mechanical common rail injection). Nhiên liệu áp suất cao chứa trong ống chung nhưng điều khiển phun bằng cơ khí.
    • - Hệ thống phun dầu điện tử (Common rail electronic injection). Nhiên liệu chứa trong ống chung áp suất cao. Điều khiển lượng phun bằng điện tử.

Kiểm soát moment xoắn

Một bộ phận cần thiết cho bất kỳ động cơ diesel nào đó là bộ điều tốc (governor) cơ khí hoặc điện tử, điều chỉnh moment xoắn của động cơ và như vậy kiểm soát tốc độ không tải cũng như tốc độ cực đại thông qua lượng dầu phân bổ, chính là điều chỉnh tỷ lệ λ. Không như động cơ chu trình Otto, trong động cơ diesel không thể điều chỉnh lượng khí nạp vì không có bướm ga. Hệ thống phun nhiên liệu với điều tốc cơ khí thông qua các bánh răng. Hệ thống này sử dụng một tổ hợp gồm các lò xo và quả tạ để kiểm soát sự phân phối nhiên liệu theo tải và tốc độ động cơ. Các động cơ diesel hiện đại điều khiển nhiên liệu bởi ECU. ECU nhận tín hiệu tốc độ động cơ cũng như các thông số hoạt động như áp suất đường ống nạp, nhiệt độ nhiên liệu, nhiệt độ động cơ, điều khiển lượng nhiên liệu, thời điểm, số lần phun của kim để công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất đạt tối ưu cũng như kiểm soát phát thải.

Phát thải của diesel

Động cơ diesel đốt hỗn hợp không khí và nhiên liệu nên khí thải là các hợp chất chứa các nguyên tố hóa học y như nhiên liệu và không khí. Nguyên tố chính của không khí là ni tơ (N2) và oxy (O2), của nhiên liệu là hydro (H2) và carbon (C). Theo lý thuyết,  khí thải gồm CO2, H2O, ni tơ (N2) và oxy (O2) còn sót lại. Tuy nhiên quá trình cháy bên trong buồng đốt không lý tưởng và do sự cháy không hoàn toàn nên khí thải luôn có thêm các chất như CO, muội than (diesel particulate matter - PM) và NOX. Diesel đốt nhiên liệu với tỷ lệ oxy cao nên nhiệt độ cháy và hiệu suất cao nhưng hàm lượng NOX cũng cao. NOX có thể giảm nhờ hệ thống luân hồi khí xả giúp giảm nhiệt độ cháy. Để giảm sự phát thải NOX, bẩy NOX nghèo (LNT - lean NOX trap gồm các chất hấp thụ) và xúc tác SCR –selective catalytic reduction (dùng dung dịch NH3, NH4OH và urea CO(NH2)2 phun vào khí thải tác dụng với NOX để tạo thành khí ni tơ N2 và nước) cũng được áp dụng. Động cơ diesel cũng tạo ra muội than (soot, particulate matter), chủ yếu là carbon không cháy được ở các vùng nhiệt độ thấp trong buồng đốt. Các động cơ diesel hiện đại ngoài việc phun nhiều lần để giảm muội than người ta còn dùng bộ lọc muội (DPF – diesel particulate filter) kết hợp với bộ xúc tác 2 thành phần để đốt cháy muội than bằng oxy.

Khởi động trong thời tiết lạnh

            Một số động cơ diesel gặp khó khăn khi khởi động ở nhiệt độ thấp. Trong trường hợp này hệ thống xông được sử dụng (glow plugs) cho các động nhỏ còn động cơ lớn thì dùng màn lửa (flame-start system). Một số hãng dùng cách điều chỉnh thời điểm mở supap trễ đi khi khởi động lạnh để không khí có thời gian ấm lên khi vào tới buồng đốt.

Đọc thêm và xem phim về cuộc đời của Rudolf Diesel – một tấm gương về đam mê sáng chế.

Có thể áp dụng cùng lúc chu trình Otto và chu trình Carnot trên cùng một đông cơ không?

Tìm hiểu về hệ thống xử lý khí thải SCR.

PGS. TS. Đỗ Văn Dũng



Góp ý
Họ và tên: *  
Email: *  
Tiêu đề: *  
Mã xác nhận:
 
 
RadEditor - HTML WYSIWYG Editor. MS Word-like content editing experience thanks to a rich set of formatting tools, dropdowns, dialogs, system modules and built-in spell-check.
RadEditor's components - toolbar, content area, modes and modules
   
Toolbar's wrapper  
Content area wrapper
RadEditor's bottom area: Design, Html and Preview modes, Statistics module and resize handle.
It contains RadEditor's Modes/views (HTML, Design and Preview), Statistics and Resizer
Editor Mode buttonsStatistics moduleEditor resizer
 
 
RadEditor's Modules - special tools used to provide extra information such as Tag Inspector, Real Time HTML Viewer, Tag Properties and other.
   
 *

ALBUM ẢNH

                         
Copyright © 2014, Khoa Cơ khí Động lực
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh

Địa chỉ: 01 Võ Văn Ngân, Quận Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh.
Điện thoại: (+84 - 8) 3896 4921 - 7 221 223/8340   E-mail: kckdl@hcmute.edu.vn

Truy cập tháng:144,033

Tổng truy cập:2,261,843

Copyright © 2014, Faculty of Vehicle and Energy Engineering
Universty of Technology and Education HCMC

01. Vo Van Ngan Str., Thu Duc Dist., HCMC
Tel: (+84 - 8) 3896 4921 - 7 221 223/8340   E-mail: kckdl@hcmute.edu.vn