Động cơ Diesel là gì? Cấu tạo, nguyên lý và ứng dụng

Động cơ Diesel – một phát minh mang tính cách mạng của Rudolf Diesel vào cuối thế kỷ 19 đã trở thành trái tim của ngành công nghiệp và vận tải. Vậy động cơ Diesel là gì? Điều gì đã khiến nó trở nên phổ biến và mạnh mẽ đến vậy? Cùng Ô tô Ngọc Dũng khám phá trong bài viết này bạn nhé!

Có thể bạn quan tâm:

• Động cơ Turbo là gì? Nguyên lý, ưu nhược điểm và những lưu ý
• Momen xoắn là gì? Công thức tính, đơn vị đo và ý nghĩa

Động cơ Diesel là gì?

Động cơ diesel là một loại động cơ đốt trong, sử dụng nhiên liệu diesel. Điểm khác biệt chính là quá trình đốt cháy nhiên liệu: không khí được nén ở áp suất rất cao, làm tăng nhiệt độ, sau đó nhiên liệu được phun vào buồng đốt và tự bốc cháy do nhiệt độ cao này, không cần bugi đánh lửa.

Cấu tạo của động cơ Diesel

Động cơ Diesel được cấu tạo từ 6 bộ phận chính.

• Piston: Được thiết kế chắc chắn để chịu được áp suất nén, nhiệt độ đốt cháy và áp suất đốt cao. Vành chắn nhiệt (làm bằng FRM – hợp kim nhôm và sợi gốm) được đặt ở rãnh xéc-măng số 1 hoặc trên đầu piston để bảo vệ. Một số piston có rãnh làm mát bên trong đầu, dầu được phun vào từ vòi phun để làm mát rãnh xéc-măng số 1.
• Xéc-măng: Đóng vai trò quan trọng trong chu trình hoạt động của động cơ Diesel. Gồm các loại phổ biến:

• • Xéc-măng có vát mặt trên
  • Xéc-măng dầu
  • Xéc-măng côn
  • Xéc-măng có lò xo
  • Xéc-măng loại 3 vòng

• Buồng đốt: Nơi nhiên liệu được phun vào dưới dạng sương mù từ vòi phun, trộn với không khí và đốt cháy. Hai loại buồng đốt phổ biến:

• • Buồng đốt phun trực tiếp
  • Buồng đốt phụ xoáy lốc

• Áo xi-lanh: 

• • Xi-lanh có áo: Đỉnh áo nhô ra trên đỉnh mặt thân máy để hạn chế rò rỉ.
  • Xi-lanh không có áo: Sử dụng gang hợp kim đặc biệt chống mòn, cấu tạo gọn nhẹ hơn.

• Gioăng nắp quy lát: Đặt giữa thân máy và nắp quy lát, ngăn khí cháy, nước làm mát và dầu rò rỉ.
• Cơ cấu phối khí: Điều khiển quá trình nạp và xả, thường sử dụng xunap cho mỗi xi-lanh.

Nguyên lý hoạt động của động cơ Diesel

Quá trình hoạt động của động cơ Diesel thường được mô tả thông qua hai chu trình chính: chu trình hai kỳ và chu trình bốn kỳ. Mỗi chu trình có những đặc điểm và ứng dụng riêng biệt.

Chu trình hai kỳ

Trong động cơ Diesel hai kỳ, một chu trình làm việc được hoàn thành chỉ trong hai hành trình của piston (một lần lên và một lần xuống). Chu trình này bao gồm ba giai đoạn chính:

• Giai đoạn xả và nạp: Khi piston di chuyển xuống, các cổng xả và nạp được mở. Khí thải từ quá trình đốt cháy trước đó được đẩy ra ngoài đồng thời không khí mới được thổi vào xi-lanh để chuẩn bị cho chu kỳ tiếp theo.
• Giai đoạn nén: Khi piston di chuyển lên các cổng xả và nạp đóng lại. Không khí trong xi-lanh bị nén mạnh mẽ làm tăng nhiệt độ và áp suất lên rất cao.
• Giai đoạn sinh công: Khi piston đạt đến điểm chết trên (vị trí cao nhất), nhiên liệu diesel được phun vào buồng đốt dưới dạng sương mù. Do nhiệt độ và áp suất cao, nhiên liệu tự bốc cháy tạo ra lực đẩy piston xuống, sinh công năng lượng.

Động cơ diesel hai kỳ có ưu điểm là cấu trúc đơn giản, gọn nhẹ và khả năng sinh công lớn trong một đơn vị thời gian. Tuy nhiên chúng cũng có nhược điểm là hiệu suất không cao bằng động cơ bốn kỳ và tiêu thụ nhiên liệu nhiều hơn.

Chu trình bốn kỳ

Động cơ Diesel bốn kỳ phổ biến hơn và hoàn thành một chu trình làm việc trong bốn hành trình của piston (hai lần lên và hai lần xuống). Chu trình này bao gồm bốn giai đoạn:

• Kỳ nạp: Piston di chuyển xuống, van nạp mở, van xả đóng và Không khí được hút vào xi-lanh.
• Kỳ nén: Piston di chuyển lên, cả van nạp và van xả đều đóng. Không khí trong xi-lanh bị nén mạnh mẽ làm tăng nhiệt độ và áp suất.
• Kỳ cháy (sinh công): Khi piston đạt đến điểm chết trên, nhiên liệu Diesel được phun vào buồng đốt. Do nhiệt độ và áp suất cao, nhiên liệu tự bốc cháy tạo ra lực đẩy piston xuống, sinh công.
• Kỳ xả: Piston di chuyển lên, van xả mở, van nạp đóng. Khí thải từ quá trình đốt cháy được đẩy ra ngoài.

Động cơ diesel bốn kỳ có ưu điểm là hiệu suất cao, tiết kiệm nhiên liệu và ít gây ô nhiễm hơn so với động cơ hai kỳ. Tuy nhiên chúng có cấu trúc phức tạp hơn và giá thành cao hơn.

Ưu nhược điểm của động cơ Diesel

Ưu điểm

• Tiết kiệm nhiên liệu: Một trong những ưu điểm nổi bật nhất của động cơ Diesel chính là khả năng tiết kiệm nhiên liệu đáng kể so với động cơ xăng. Điều này có được nhờ hiệu suất đốt cháy nhiên liệu cao hơn giúp giảm chi phí vận hành, đặc biệt là đối với các phương tiện vận tải đường dài.
• Mô-men xoắn lớn: Động cơ Diesel thường sản sinh mô-men xoắn lớn, đặc biệt là ở vòng tua máy thấp. Ưu điểm này giúp xe có khả năng kéo tải mạnh mẽ, vượt trội so với động cơ xăng, rất phù hợp cho xe tải, xe buýt và các loại xe chuyên dụng.

• Tuổi thọ cao: Động cơ Diesel được chế tạo với cấu trúc chắc chắn, các bộ phận chịu lực và chịu nhiệt tốt hơn so với động cơ xăng. Nhờ đó chúng thường có tuổi thọ dài hơn, ít hỏng hóc và giảm chi phí bảo trì.

• Hiệu suất cao ở tốc độ cao: Động cơ Diesel duy trì hiệu suất tốt ngay cả ở tốc độ xe cao, điều này rất quan trọng đối với các phương tiện vận tải hành khách và hàng hóa trên đường cao tốc.

• Khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt: Động cơ Diesel thể hiện sự bền bỉ và mạnh mẽ trong những điều kiện môi trường khắc nghiệt như thời tiết nóng bức, lạnh giá hoặc trong môi trường bụi bẩn. Điều này làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ngành công nghiệp khai thác, xây dựng và nông nghiệp.

Nhược điểm

• Nhiên liệu dễ bị nhiễm bẩn: Dầu Diesel dễ bị nhiễm bẩn bởi glycol, bồ hóng hoặc độ ẩm gây ảnh hưởng đến hiệu quả đốt cháy và có thể gây hư hỏng động cơ. Bộ lọc nhiên liệu giúp loại bỏ chất ô nhiễm nhưng cần được thay thế thường xuyên để đảm bảo hiệu quả.
• Dầu động cơ dễ bị oxy hóa: Dầu động cơ Diesel dễ bị oxy hóa, đặc biệt khi không sử dụng trong thời gian dài tạo bọt khí làm mất độ nhớt và giảm khả năng bôi trơn. Vì vậy bạn cần khởi động xe thường xuyên hoặc thay dầu trước khi sử dụng lại sau thời gian dài không hoạt động.
• Khó khởi động: Động cơ Diesel có thể khó khởi động, đặc biệt trong thời tiết lạnh hoặc sau thời gian dài không sử dụng. Nguyên nhân có thể do mất khả năng nén động cơ, nhiên liệu bị đông cứng, bộ lọc hoặc kim phun bị tắc hoặc sự cố hệ thống điện.
• Tiếng ồn lớn: Động cơ Diesel thường ồn hơn động cơ xăng do tỷ số nén cao hơn, trọng lượng các bộ phận bên trong và các yếu tố khác. Tiếng ồn có thể tăng lên khi động cơ gặp sự cố.
• Khói thải: Động cơ Diesel có thể thải ra khói đen, đặc biệt khi có vấn đề về hỗn hợp nhiên liệu, van tuần hoàn khí thải, bộ tăng áp, bơm kim phun, lọc gió hoặc cài đặt thời gian không chính xác. Khói đen là dấu hiệu cần kiểm tra và xử lý kịp thời.

>>Xem thêm: Xupap là gì? Nguyên lý hoạt động và chức năng của Xupap

Phân loại động cơ Diesel

Động cơ diesel rất đa dạng về chủng loại, được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau phản ánh cấu tạo và nguyên lý hoạt động riêng biệt.

Theo số xy lanh

• Động cơ 1 xi-lanh: Loại động cơ đơn giản, nhỏ gọn, thường được sử dụng trong các thiết bị nhỏ như máy phát điện mini, máy bơm nước hoặc các loại máy móc nông nghiệp.
• Động cơ nhiều xi-lanh: Động cơ có từ hai xi-lanh trở lên, phổ biến trong các loại xe tải, xe khách, ô tô, máy công trình, tàu thủy,… Động cơ nhiều xi-lanh mang lại hiệu suất cao, vận hành mạnh mẽ và êm ái hơn so với động cơ 1 xi-lanh.

Theo buồng đốt

• Buồng đốt trực tiếp: Nhiên liệu được phun trực tiếp vào buồng đốt, nơi diễn ra quá trình cháy. Thiết kế này giúp tối ưu hóa quá trình cháy, tăng hiệu suất động cơ và giảm hao phí nhiên liệu.
• Buồng đốt gián tiếp: Nhiên liệu được phun vào một buồng phụ (buồng đốt trước) trước khi hòa trộn với không khí nén trong buồng đốt chính. Thiết kế này giúp giảm tiếng ồn và độ rung của động cơ nhưng hiệu suất thường thấp hơn so với buồng đốt trực tiếp.

Theo chu kỳ hoạt động

• Động cơ hai thì (Two-Stroke): Hoàn thành một chu trình hoạt động trong hai hành trình của piston (một lần lên và một lần xuống).
• Động cơ bốn thì (Four-Stroke): Hoàn thành một chu trình hoạt động trong bốn hành trình của piston (hai lần lên và hai lần xuống).

Theo phương pháp nạp

• Turbo nạp: Sử dụng bộ tăng áp để nén không khí trước khi đưa vào xi-lanh, giúp tăng công suất và mô-men xoắn của động cơ.
• Không turbo nạp: Động cơ hút không khí tự nhiên vào xi-lanh mà không có sự hỗ trợ của bộ tăng áp.

Động cơ dầu Diesel và động cơ xăng có gì khác nhau?

Dưới đây là những điểm khác nhau cơ bản của 2 loại động cơ này.

Nên dùng động cơ dầu hay động cơ xăng?

Việc lựa chọn giữa động cơ Diesel và động cơ xăng ảnh hưởng đến hiệu suất, chi phí vận hành và tác động môi trường. Để đưa ra quyết định đúng đắn, hãy cân nhắc kỹ lưỡng các yếu tố sau:

• Vận tải hàng hóa và công nghiệp nặng:

Với ưu thế về mô-men xoắn cao ngay từ vòng tua thấp, Diesel là lựa chọn tối ưu cho xe tải, xe buýt và các phương tiện vận tải hàng hóa nặng. Khả năng chịu tải và độ bền của động cơ Diesel cũng rất phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp như máy móc xây dựng, máy phát điện và thiết bị nông nghiệp.

• Xe ô tô cá nhân và di chuyển hằng ngày:

Nhờ khả năng tăng tốc nhanh và vận hành êm ái ở vòng tua cao, động cơ xăng thường được ưa chuộng cho xe ô tô cá nhân. Nếu bạn ưu tiên sự linh hoạt trong di chuyển hàng ngày và khả năng tăng tốc vượt trội, động cơ xăng sẽ mang lại trải nghiệm lái xe thú vị hơn.

• Tiêu chuẩn khí thải và bảo vệ môi trường:

Với sự phát triển của công nghệ xử lý khí thải, động cơ xăng ngày càng đáp ứng tốt hơn các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt. Nếu bạn quan tâm đến việc giảm thiểu tác động môi trường, đặc biệt là ở các khu vực đô thị có quy định khắt khe thì động cơ xăng là lựa chọn thân thiện hơn.

• Hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu và chi phí vận hành:

Mặc dù chi phí ban đầu và chi phí bảo dưỡng có thể cao hơn nhưng động cơ Diesel tiết kiệm nhiên liệu hơn đáng kể, đặc biệt khi vận hành ở tải nặng hoặc quãng đường dài. Nếu bạn chú trọng đến việc giảm chi phí nhiên liệu trong dài hạn, Diesel là một lựa chọn kinh tế.

>>Xem thêm: Chassis là gì? Cấu tạo và vai trò của sắt xi xe tải

Cần lưu ý gì khi sử dụng động cơ dầu?

Để đảm bảo động cơ dầu Diesel hoạt động bền bỉ, bạn nên lưu ý một số điều quan trọng khi sử dụng như sau:

• Tuyệt đối tránh tiếp xúc trực tiếp với các bộ phận đang hoạt động hoặc bề mặt nóng của động cơ.
• Lựa chọn vị trí lắp đặt khô ráo, thoáng mát, tránh ẩm ướt và bụi bẩn.
• Kiểm tra kỹ lưỡng mức nước làm mát và dầu bôi trơn trước mỗi lần sử dụng.
• Đảm bảo nhiên liệu Diesel đạt mức cần thiết và không bị lẫn tạp chất.
• Quan sát và lắng nghe động cơ trong suốt quá trình hoạt động để phát hiện các dấu hiệu bất thường.
• Bảo quản nhiên liệu trong thùng chứa sạch sẽ, có nắp đậy kín để tránh bụi bẩn và nước xâm nhập.
• Thực hiện bảo dưỡng định kỳ theo khuyến cáo của nhà sản xuất, bao gồm thay dầu, lọc gió, lọc nhiên liệu.
• Nếu động cơ không được sử dụng thường xuyên, hãy khởi động và chạy không tải định kỳ để bôi trơn các bộ phận.

Ứng dụng của động cơ dầu Diesel

Động cơ diesel là nguồn động lực chính trong nhiều lĩnh vực then chốt nhờ hiệu suất, độ bền và sức mạnh vượt trội.

• Hàng hải: Động cơ diesel cung cấp năng lượng cho tàu thuyền (bao gồm tàu vận tải và tàu cá), giúp chúng vận hành ổn định trong điều kiện biển khơi khắc nghiệt, đảm bảo hoạt động vận tải và đánh bắt hải sản hiệu quả.
• Công nghiệp: Động cơ diesel được sử dụng rộng rãi để vận hành các thiết bị công nghiệp nặng như máy phát điện, máy nén khí, máy đào… Khả năng chịu tải lớn và hoạt động bền bỉ khiến chúng trở thành lựa chọn hàng đầu trong môi trường công nghiệp.
• Nông nghiệp: Động cơ diesel cung cấp sức kéo mạnh mẽ cho máy nông nghiệp (máy cày, máy gặt lúa…), giúp tăng năng suất và hiệu quả công việc trên đồng ruộng nhờ mô-men xoắn cao và tiết kiệm nhiên liệu.
  Xây dựng: Các loại máy móc xây dựng hạng nặng (máy xúc, máy ủi…) thường sử dụng động cơ diesel. Sức mạnh và độ tin cậy của động cơ diesel đảm bảo hiệu suất thi công, góp phần đẩy nhanh tiến độ các công trình.

Hy vọng rằng qua bài viết này của Ô tô Ngọc Dũng bạn đã có cái nhìn tổng thể về động cơ Diesel. Động cơ Diesel là một phát minh mang tính cách mạng đóng vai trò then chốt trong nhiều lĩnh vực của đời sống. Từ giao thông vận tải đến công nghiệp nặng, sức mạnh và hiệu quả của động cơ Diesel là không thể phủ nhận.