Nhu cầu động cơ diesel toàn cầu tiếp tục trong bối cảnh tiến bộ công nghệ

Hãy tưởng tượng một thế giới không có động cơ diesel ầm ĩ. Các tàu chở hàng trên biển sẽ mất lực đẩy, các công trường xây dựng sẽ im lặng, thậm chí những chiếc xe buýt chúng ta đi hàng ngày có thể từ chối khởi động. Động cơ tưởng chừng như mạnh mẽ này thực sự thúc đẩy ngành công nghiệp hiện đại với sự tinh vi đáng kể. Bài viết này khám phá các nguyên tắc, loại hình, sự phát triển công nghệ và các ứng dụng đa dạng của động cơ diesel — những cỗ máy làm việc cơ khí giúp duy trì sự chuyển động của nền văn minh.

Được biết đến về mặt kỹ thuật là động cơ đánh lửa nén (CI), các nhà máy điện diesel đóng vai trò là bộ chuyển đổi năng lượng không thể thiếu trong vận tải và công nghiệp. Từ xe tải và tàu thủy đến máy phát điện và thiết bị hạng nặng, sự hiện diện của chúng là phổ biến. Những động cơ này hoạt động bằng cách nén không khí đến nhiệt độ cực cao, sau đó phun nhiên liệu diesel tự bốc cháy, làm cho piston tạo ra công cơ học. Phương pháp đốt này mang lại cho động cơ diesel hiệu suất nhiệt và mô-men xoắn vượt trội, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng hạng nặng.

Động cơ diesel chủ yếu tuân theo hai kiểu hoạt động. Các ứng dụng ô tô áp đảo sử dụng chu trình bốn thì — nạp, nén, công suất và xả — để hoàn thành một chuỗi làm việc. Ngược lại, các hệ thống đẩy hàng hải lớn thường sử dụng thiết kế hai thì, trong đó mỗi hành trình piston kết hợp các pha nén và giãn nở, mang lại mật độ công suất lớn hơn.

Động cơ diesel bốn thì ô tô chiếm ưu thế trong vận tải đường bộ do kiến trúc nhỏ gọn và hiệu quả nhiên liệu của chúng. Các ứng dụng hàng hải phân chia theo quy mô: động cơ tốc độ thấp lớn (lỗ khoan xi lanh 500-1000mm) sử dụng chu trình hai thì để đẩy, trong khi các mẫu tốc độ trung bình (lỗ khoan 200-500mm) thường áp dụng thiết kế bốn thì cho các tàu nhỏ hơn. Các cấu hình bốn thì tương tự cung cấp năng lượng cho máy phát điện và máy móc xây dựng thông qua ổ đĩa trực tiếp hoặc kết nối thủy lực.

Cấu tạo của động cơ diesel bao gồm một số hệ thống quan trọng:

• Cửa hút gió: Bộ lọc, ống góp và van
• Buồng đốt: Piston, xi lanh và đầu
• Cung cấp nhiên liệu: Bơm phun và vòi phun
• Truyền động cơ học: Thanh truyền, trục khuỷu và bánh đà
• Xả: Van và ống góp

Hoạt động bắt đầu với không khí đã lọc đi vào xi lanh trong các hành trình nạp. Sau đó, piston nén không khí này đến nhiệt độ 500-700°C — đủ nóng để đốt cháy nhiên liệu diesel được phun ở áp suất 300-2000 bar. Quá trình đốt cháy kết quả làm cho piston đi xuống, truyền năng lượng qua thanh truyền để xoay trục khuỷu. Các van xả sau đó đẩy khí thải ra để hoàn thành chu trình.

Quá trình đốt cháy diesel xảy ra trong hai giai đoạn riêng biệt. Ban đầu, nhiên liệu được phun trộn một phần với không khí trong thời gian trễ đánh lửa, tạo ra một hỗn hợp trộn trước cháy nhanh. Quá trình đốt cháy khuếch tán tiếp theo xảy ra khi nhiên liệu còn lại dần dần trộn với oxy có sẵn, với tốc độ cháy được điều chỉnh bởi sự trộn lẫn hỗn loạn.

Các kỹ sư tối ưu hóa quy trình này thông qua thiết kế buồng đốt. Các hệ thống phun trực tiếp (DI) phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng trên cùng của piston thông qua vòi phun đa lỗ, thúc đẩy sự trộn lẫn không khí-nhiên liệu kỹ lưỡng. Các lựa chọn thay thế phun gián tiếp sử dụng buồng trước — loại xoáy cho xe chở khách hoặc buồng đốt trước thường thấy trong xe tải hạng nặng — để tạo ra quá trình đốt cháy và giảm lượng khí thải.

Ngành công nghiệp diesel liên tục cân bằng hiệu quả với các mối quan tâm về môi trường. Trong khi thiết kế buồng trước làm giảm lượng khí thải nitơ oxit (NOx), tổn thất nhiệt của chúng làm giảm hiệu quả sử dụng nhiên liệu. Ngược lại, các hệ thống DI mang lại hiệu quả tốt hơn nhưng lượng NOx thải ra cao hơn. Các giải pháp hiện đại bao gồm:

• Thời gian phun chậm hơn để giảm nhiệt độ đỉnh
• Hệ thống tuần hoàn khí thải (EGR)
• Bộ lọc hạt diesel (DPF)
• Giảm xúc tác chọn lọc (SCR) bằng cách phun urê

Áo làm mát bằng nước duy trì nhiệt độ xi lanh tối ưu, ngăn ngừa biến dạng đồng thời đảm bảo độ bền. Các thiết kế tiên tiến sử dụng lớp phủ gốm hoặc piston cách nhiệt để giảm thiểu thất thoát nhiệt, tăng cường hiệu suất nhiệt. Trục khuỷu chuyển đổi chuyển động của piston thành công suất quay, với bánh đà làm mịn chuyển động quay và đối trọng làm giảm độ rung.

Tăng áp đã trở nên phổ biến, sử dụng tuabin dẫn động bằng khí thải để ép thêm không khí vào xi lanh, làm tăng mật độ công suất. Các thiết bị hỗ trợ khởi động nguội như bugi sấy đảm bảo đánh lửa đáng tin cậy trong động cơ buồng trước trong điều kiện giá lạnh.

Mặc dù có sự cạnh tranh từ điện khí hóa, động cơ diesel vẫn duy trì những lợi thế quan trọng trong các ứng dụng nặng. Những tiến bộ liên tục hứa hẹn các nhà máy điện sạch hơn, thông minh hơn thông qua:

• Thuật toán đốt cháy tiên tiến
• Tích hợp lai điện
• Kiểm soát khí thải dự đoán
• Các thông số hoạt động được tối ưu hóa bằng AI

Là một công nghệ trưởng thành nhưng vẫn đang phát triển, động cơ diesel sẽ tiếp tục cung cấp năng lượng đáng tin cậy ở nơi cần thiết nhất — chứng minh rằng ngay cả trong thời đại chuyển đổi năng lượng, một số giải pháp cơ học vẫn không thể thay thế.