Technicalvn Kỹ Thuật Việt Nam
Bạn đã từng bao giờ trầm trồ nhìn một chiếc xe tải bò lên một con dốc ? chắc là không! Vì chuyện này xảy ra hàng ngày. Nhưng có bao giờ bạn thử ngừng lại một chút và suy nghĩ : làm thế nào một đống kim loại với hàng hóa nặng nề như vậy lại có thể thắng được trọng lực để đi chuyển chỉ bằng một ít thứ chất lỏng mà chúng ta gọi là nhiên liệu ? – và nếu bạn đã từng thử suy nghĩ như thế thì bạn sẽ thấy nó cũng có chút gì đó khá là đáng chú ý đúng không. Động cơ Diesel chính là sức mạng đằng sau các cỗ máy khổng lồ mà chúng ta vẫn thường thấy hàng ngày : xe tải, tàu hỏa, tàu thủy, tàu ngầm. Nhìn sơ qua thì chúng có vẻ giống các cỗ máy chạy xăng thông thường nhưng chúng có công suất lớn hơn, hiệu suất cao hơn theo một cách khác hơn một chút. Chúng ta hãy cùng tìm hiểu nhé
Động cơ Diesel là gì ?
Tương tự động cơ chạy xăng, một động cơ diesel cũng là một dạng động cơ đốt trong. Cái tên nói lên tất cả, động cơ đốt trong là động cơ mà nhiên liệu được đốt bên trong xi-lanh, một bộ phần quan trọng của động cơ, nơi mà công suất/năng lượng được tạo ra. Điều này rất khác so với động cơ đốt ngoài mà chúng ta có thể thấy ở những động cơ hơi nước kiểu cũ. Trong các động cơ hơi nước, người ta có một lò đốt ở một đầu bồn nước để đốt nóng và tạo ra hơi nước. Hơi nước đi xuống các ống dài nối với xi-lanh ở đầu đối diện của bồn nước và đẩy các piston tới lùi để làm quay bánh xe. Kiểu động cơ này được gọi là động cơ đốt ngoài vì việc đốt nhiên liệu diễn ra bên ngoài xi-lanh (trên thực tế, thường cách xi-lanh khoảng 6-7m). Đối với động cơ chạy xăng hoặc diếl, nhiên liệu được đốt trực tiếp bên trong xilanh. Quá trình đốt nhiên liệu bên trọng sẽ giúp tiết kiệm nhiên liệu hơn, và nhiệt sinh ra sẽ không bị thất thoát ở bên ngoài xi-lanh. Đây là lý do mà động cơ đốt trong có hiệu suất cao hơn so với động cơ đốt ngoài ( điều này có nghĩa là chúng tạo ra nhiều năng lượng hơn so với cùng một lượng nhiên liệu )
Động cơ diesel và động cơ chạy xăng khác nhau thế nào ?
Động cơ chạy xăng và động cơ diesel đều sử dụng nguyên lý đốt trong, nhưng chúng hơi khác nhau một chút. Ở động cơ chạy xăng, nhiên liệu và không khí được bơm vào một xi-lanh kim hoại nhỏ. Một piston sẽ nén hỗn hợp này lại, làm chúng rất dễ cháy, và một tia lửa điện nhỏ sẽ bộ đánh lửa sẽ mồi lửa cho hỗn hợp này. Điều này làm cho hỗn hợp cháy (gần như nổ), tạo ra năng lượng đẩy piston đi xuống xi-lanh và (Thông qua trục khuỷu và các bánh răng) làm quay bánh xe. Bạn có thể tìm hiêu thêm về nguyên lý này và tham khảo các ví dụ mô phỏng về cách thức vận hành của động cơ xe hơi, có thể search rất nhiều trên mạng.
Động cơ diesel cũng tương tự, nhưng đơn giản hơn. Đầu tiên, không khí được bơm vào xi-lanh và piston nén nó lại, nhưng nén nhiều hơn ở động cơ xăng. Ở động cơ xăng, hỗn hợp xăng-không khí được nén còn khoảng 1/10 thể tích ban đầu. Nhưng ở động cơ diesel, không khí được nén chỉ còn 1/14 đến 1/25 thể tích ban đầu. Nếu bạn đã từng bơm bánh xe đạp, bạn có thể cảm thấy ống bơm bị nóng lên nếu bạn bơm càng lâu. Đó là nhiệt sinh ra do không khí nén. Hãy tưởng tượng, nếu bạn nén một khối khí với áp suất như tren ( 1/14 đến 1/25 thể tích ban đầu ) thì nhiệt lượng sinh ra sẽ là bao nhiêu. Nhiệt độ thông thường mà khối khí nén này đạt được lá khá nóng – có thể đạt đến ít nhất 500 độ C và đôi khi còn nóng hơn. Khi lượng khí này bị nén, một hỗn hợp nhiên liệu sẽ được phun vào trong xi-lanh. Ở các động cơ hiện đại thì lượng nhiên liệu này được bơm vào bằng một hệ thống phun điện tử, tương tự như các vòi phun sương mà bạn có thể thấy ngoài đường vào những lúc trời nóng. (Lượng nhiên liệu được bơm vào sẽ khác nhau tùy vào công suất vận hành của động cơ). Vì khối khí nén đang rất nóng, nên khi nhiên liệu được bơm vào, sẽ ngay lập tức bốc cháy mà không cần bộ phận đánh lửa. Sự bốc cháy này sẽ tạo ra năng lượng đẩy piston xuống dưới xi-lanh, làm quay thiết bị hoặc bánh xe. Khi piston quay trở lại vị trí ban đầu, khí thải được đẩy ra một valve xả, sau đó quy trình đốt lại được lặp lại.
Tại sao động cơ Diesel lại hiệu quả hơn ?
Về lý thuyết, động cơ xăng đánh lửa hiệu quả hơn động cơ diesel. Trong thực tế thì ngược lại: động cơ diesel hiệu quả gấp 2 lần so với động cơ xăng – khoảng 40% hiệu suất. Nói đơn giản, bạn có thể đi xa hơn với cùng một lượng nhiên liêu ( tức là đi xa hơn với cùng một số tiền mua nhiên liệu). Có vài lý do để giải thích được điều này. Đầu tiên, với hệ thống đốt không có bộ phận đánh lửa làm cho hệ thống có thiết kế đơn giản hơn và dễ nén nhiên liệu với hệ số nén cao hơn – và hệ số nén cao hơn sẽ giúp nhiên liệu cháy triệt để hơn với lượng không khí trong si-lanh, giúp tạo ra nhiều năng lượng hơn. Ngoài ra có một lý do khác. Trong động cơ chạy xăng không chạy đầy tải, bạn phải cung cấp nhiều nhiên liêu hơn (hoặc ít không khí hơn) để bảo đảm xi-lanh vẫn hoạt động, động cơ diesel không gặp phải vấn đề này nên có thể vận hành được ở điều kiện tải thấp những vẫn tốn ít nhiên liệu. Một yếu tố quan trọng khác đó là mỗi phân tử diesel mang nhiều năng lượng hơn xăng vì các liên kết diesel chưa nhiều năng lượng hơn (hay nói đơn giản, là mật độ năng lượng của diesel cao hơn xăng, hoặc, một thung diesel chứa nhiều năng lượng hơn một thùng xăng). Diesel cũng “trơn” xăng nên động cơ diesel có thể vận hành với ít ma sát hơn động cơ xăng.
Nhiên liệu Diesel có gì khác ?
Diesel và xăng là khá khác nhau. Bạn sẽ biết rõ điều này nếu bạn đã từng nghe câu chuyện kinh khủng về những người bơm nhầm nhiên liệu cho xe hơi hoăc xe tải của họ. Cơ bản, diesel là sản phẩm cấp thấp và ít tinh chế hơn của dầu mỏ, được tạo nên từ các hydrocacbon nặng hơn (các phân tử được tạo nên từ các nguyên tử cacbon và hydro ). Động cơ diesel thô không có hệ thống phun điện tử, về lý thuyết có thể chạy được bằng gần như tất cả các loại nhiên liệu hydrocacbon – dẫn đến sự phát triển của các loại dầu sinh học ( một dạng nhiên liệu sinh học được làm từ dầu thực vật). Nhà đầu tư của động cơ diesel, Rudofl Diesel, đã thành công trong việc vận hành những động cơ đầu tiên của mình bằng dầu đậu phộng và đã từng cho rằng động cơ của mình có thể giúp con người thoát khỏi sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch như than và xăng.
Điểm mạnh và điểm yếu của động cơ Diesel
Động cơ diesel là loại động cơ đốt nhiên liệu được sử dụng đa dạng nhất ngày nay, có thể được tìm thấy ở mọi nơi, từ tàu hỏa, cần cẩu, đến các xe ủi và tàu ngầm. So với các động cơ xăng, chúng đơn giản hơn, hiệu quả hơn, và kinh tế hơn. Chúng cũng an toàn hơn, vì diesel bay hơi ít hơn và tổn thất do sự bay hơi này cũng sẽ thấp hơn xăng. Không giống các động cơ xăng, chúng rất tiện lợi trong việc di chuyển các tải trọng lớn ở tốc độ thấp, vì vậy rất lý tưởng để sử dụng ở các tàu hàng, xe tải hoặc xe buýt. Vì sử dụng hệ số nén cao nên các bộ phận của động cơ diesel thường phải chịu đựng áp lực lớn hơn nhiều so với động cơ xăng. Đó là lý do động cơ diesel phải to hơn, chắc chắn hơn và theo thời gian, động cơ diesel dần chuyển dịch sang các phương tiện và máy móc lớn. Mặc dù nghe hơi ngược đời so với sự tiên tiến của động cơ xăng, nhưng động cơ diesel vẫn thuộc loại mạnh mẽ và tuổi thọ tốt hơn nhiều so với động cơ xăng.
Ô nhiễm là một trong những điểm trừ lớn nhất của động cơ diesel : chúng rất ồn ào và tạo ra rất nhiều bụi than ( hay còn gọi là bồ hóng ) rất có hại cho sức khỏe. Như đã nói ở trên, động cơ diesel hiệu quả hơn, sử dụng ít nhiên liêu hơn, tức là sẽ thải ra ít khí CO2 hơn. Trên thực tế, vẫn có nhiều tranh cãi về tính đúng đắn của kết luận trên. Một vài thí nghiệm cho thấy mức khí thải trung bình của động cơ diesel chỉ thấp hơn một chút so với động cơ xăng, mặc dù các nhà sản xuất vẫn khẳng định rằng nếu so sánh hai động cơ diesel và xăng tương tự nhau, động cơ diesel sẽ tốt hơn. Theo Cộng đông các nhà sản xuất và buôn bán Motor của Anh :”Xe hơi diesel đã đóng góp đáng kể trong việc hạn chế lượng khí thải CO2. Từ năm 2002, người dùng đã chọn loại xe diesel và giảm bớt gần 3 triệu tấn khí CO2 thải vào bầu khí quyển”. Động cơ diesel có xu hướng mắc hơn động cơ xăng, tuy nhiên chi phí vận hành thấp và tuổi thị lâu dài của nó có thể bù trừ lại cho đầu tư ban đầu.
Không có sự nghi ngờ gì về việc động cơ diesel sẽ tiếp tục sử dụng ở các động cơ công suất lớn, nhưng tương lai của chúng trong các phương tiên đi lại như xe hơi hay các phương tiện nhỏ hơn thì không có gì là chắc chắn. Sự ra đời của xe hơi điện cũng đã mang lại động lực mạnh mẽ để làm động cơ xăng nhẹ hơn, tiết kiêm hơn, và thân thiện môi trường hơn, và những động cơ xăng cải tiến này cũng đang dần đạt được những lợi thế chỉ có ở động cơ diesel. Trong cuộc đua giữa các xe hơi điện và xe hơi chạy xăng cải tiến, các xe hơi diesel có thể sẽ bị lạc loài. Tuy nhiên về mặt hiệu suất, các động cơ diesel vẫn sẽ có thể đứng vững nhiều năm nữa.
