Động cơ diesel

Động cơ Diesel hay còn gọi là động cơ nén cháy (compression-ignition) hay động cơ CI, được đặt theo tên của Rudolf Diesel. 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.
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 (λ); 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.
Lịch sử.
Ý tưởng của 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) #542846, Diesel mô tả việc nén cần thiết như thế nào cho chu trình của mình:
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.
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".
Động cơ diesel đầu tiên.
Diesel đã tìm kiếm các công ty và nhà máy sẽ che tạo động cơ của mình. Với sự giúp đỡ của Moritz Schröter và Max Friedrich Gutermuth, ông đã thành công trong việc thuyết phục cả Krupp ở Essen và Maschinenfabrik Augsburg. Hợp đồng được ký vào tháng 4 năm 1893, và 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; với tin tức này, cổ phiếu của Maschinenfabrik Augsburg đã tăng 30%, cho thấy nhu cầu dự đoán rất lớn đối với động cơ hiệu quả hơn. 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 nào. Do đó, Krupp đã cân nhắc việc hủy bỏ hợp đồng mà họ đã thực hiện với Diesel. Diesel đã buộc phải cải tiến thiết kế động cơ của mình và vội vã chế tạo động cơ nguyên mẫu thứ ba. Từ 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%. Đến năm 1898, Diesel đã trở thành triệu phú.
Nguyên lý hoạt động.
Đặc điểm.
Các đặc điểm của động cơ diesel là 
Chu kỳ của động cơ diesel.
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:
Ứng dụng.
Thủy phi cơ.
Các yêu cầu cho động cơ diesel hàng hải rất khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng. Đối với ứng dụng quân sự và thuyền cỡ trung bình, động cơ diesel bốn thì tốc độ trung bình là phù hợp nhất. Những động cơ này thường có tới 24 xi-lanh và đi kèm với đầu ra công suất trong khu vực Megawatt một chữ số. Thuyền nhỏ có thể sử dụng động cơ diesel xe tải. Các tàu lớn sử dụng động cơ diesel hai thì cực kỳ hiệu quả, tốc độ thấp. Chúng có thể đạt hiệu suất lên tới 55%. Không giống như hầu hết các động cơ diesel thông thường, động cơ thủy phi cơ hai thì sử dụng dầu nặng có độ nhớt cao. Tàu ngầm thường sử dụng động cơ diesel-điện.
Các động cơ diesel đầu tiên dùng cho tàu được chế tạo bởi A. B. Diesels Motorer Stockholm vào năm 1903. Những động cơ này là các đơn vị ba xi-lanh 120 PS (88 kW) và bốn xi-lanh 180 PS (132 kW) và được sử dụng cho tàu Nga. Trong Thế chiến I, đặc biệt là phát triển động cơ diesel tàu ngầm tiến bộ nhanh chóng. Vào cuối Chiến tranh, các động cơ hai thì kiểu piston hoạt động kép với công suất lên tới 12.200 PS (9 MW) đã được chế tạo để sử dụng trên biển.
Hàng không.
Chẳng hạn, động cơ diesel đã được sử dụng trong máy bay trước Thế chiến II, trong chiếc khinh khí cầu "LZ 129 Hindenburg", được trang bị bốn động cơ diesel Daimler-Benz DB 602, hoặc trong một số máy bay Junkers có động cơ Jumo 205. Cho đến cuối những năm 1970, vẫn chưa có bất kỳ ứng dụng nào của động cơ diesel trong máy bay. Năm 1978, Karl H. Bergey lập luận rằng, "khả năng của một động cơ diesel hàng không nói chung trong tương lai gần khá mơ hồ". Trong những năm gần đây (2016), động cơ diesel đã được sử dụng trong máy bay không người lái (UAV) do có độ tin cậy, độ bền và mức tiêu thụ nhiên liệu thấp. Đầu năm 2019, AOPA đã báo cáo rằng một mô hình động cơ diesel cho máy bay hàng không nói chung đang "tiến tới vạch đích".
Động cơ diesel địa hình.
Động cơ diesel địa hình thường được sử dụng cho các thiết bị xây dựng. Hiệu quả nhiên liệu, độ tin cậy và dễ bảo trì là rất quan trọng đối với các động cơ như vậy trong khi công suất cao và hoạt động yên tĩnh là không đáng kể. Do đó, phun nhiên liệu điều khiển cơ học và làm mát không khí vẫn còn rất phổ biến. Công suất chung của động cơ diesel xe địa hình khác nhau rất nhiều, với các đơn vị nhỏ nhất là từ 3 kW và động cơ mạnh nhất là động cơ xe tải hạng nặng.
Động cơ diesel cố định.
Động cơ diesel cố định thường được sử dụng để phát điện nhưng cũng để cung cấp năng lượng cho máy nén dàn lạnh hoặc các loại máy nén hoặc máy bơm khác. Thông thường, các động cơ này chạy vĩnh viễn với hầu hết tải một phần hoặc không liên tục với đầy tải. Động cơ diesel cố định cung cấp năng lượng cho máy phát điện tạo ra dòng điện xoay chiều, thường hoạt động với tải xoay chiều, nhưng tần số quay cố định. Điều này là do tần số cố định của nguồn chính là 50 Hz (Châu Âu) hoặc 60 Hz (Hoa Kỳ). Tần số quay trục khuỷu của động cơ được chọn sao cho tần số của nguồn điện là bội số của nó. Để phù hợp với thực tế, tần số quay của trục khuỷu là 25 Hz (1500 mỗi phút) hoặc 30 Hz (1800 mỗi phút).
Động cơ thải nhiệt thấp.
Một dòng nguyên mẫu động cơ đốt trong kiểu piston đặc biệt đã được phát triển trong nhiều thập kỷ với mục tiêu cải thiện hiệu quả bằng cách giảm tổn thất nhiệt. Những động cơ này được gọi là động cơ đoạn nhiệt do sự giản nở đoạn nhiệt tốt hơn; động cơ thải nhiệt thấp, hoặc động cơ nhiệt độ cao. Chúng thường là động cơ piston với các bộ phận buồng đốt được lót bằng lớp phủ cách nhiệt bằng gốm. Một số sử dụng piston và các bộ phận khác làm bằng titan có độ dẫn nhiệt và mật độ thấp. Một số thiết kế có thể loại bỏ việc sử dụng hệ thống làm mát và tổn thất ký sinh liên quan. Phát triển chất bôi trơn có thể chịu được nhiệt độ cao hơn có liên quan là một rào cản lớn đối với thương mại hóa.
Sự phát triển trong tương lai.
Vào giữa những năm 2010, các mục tiêu phát triển chính cho động cơ diesel trong tương lai được mô tả là cải thiện khí thải, giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và tăng tuổi thọ (2014). Người ta nói rằng động cơ diesel, đặc biệt là động cơ diesel cho xe thương mại, sẽ vẫn là động cơ xe quan trọng nhất cho đến giữa những năm 2030. Các biên tập viên cho rằng độ phức tạp của động cơ diesel sẽ tăng hơn nữa (2014). Một số biên tập viên mong đợi sự hội tụ trong tương lai của các nguyên lý hoạt động của động cơ diesel và Otto do các bước phát triển động cơ Otto được thực hiện theo hướng đánh lửa nén nạp đồng nhất (2017).