Loại động cơ hiện đại
Không giống động cơ xăng, máy dầu không cần hệ thống đốt cháy. Nhờ đặc tính vốn có của dầu diesel, quá trình đốt cháy sẽ tự động diễn ra dưới áp suất kết hợp với nhiệt độ nhất định trong suốt kỳ nén của chu kỳ Otto. Thông thường, chu kỳ này đòi hỏi tỷ số nén cao khoảng 22:1 đối với động cơ không tăng áp. Ngoài ra, cần có vỏ và lốc máy vừa chắc vừa nặng để đương đầu với áp suất. Do đó, động cơ diesel luôn nặng hơn hẳn loại động cơ xăng tương đương.
Sự vắng mặt của hệ thống đánh lửa cũng như van tiết lưu khiến quá trình sửa chữa và bảo dưỡng trở nên đơn giản hơn rất nhiều. Do công suất của động cơ diesel được điều khiển bởi lượng nhiên liệu bơm vào nên hệ thống bơm luôn đóng vai trò quyết định đối với mức độ tiết kiệm nhiên liệu. Nhờ áp suất và độ chính xác cao, hệ thống phun nhiên liệu điện tử cải thiện đáng kể lượng nhiên liệu tiết kiệm.
Dù không có hệ thống phun trực tiếp, động cơ diesel vẫn tiết kiệm nhiên liệu với hỗn hợp khí - nhiên liệu nghèo hơn. Trong khi đó, động cơ xăng lại không thể đốt cháy được với hỗn hợp quá nghèo. Đặc tính tuy có làm giảm công suất đầu ra nhưng khi tải non hoặc tải bộ phận vốn không cần quá nhiều công suất thì động cơ diesel lại chiếm ưu thế lớn về mức độ tiết kiệm nhiên liệu.
Một nguyên do khác giải thích cho việc thua kém về công suất đầu ra là tỷ số nén cực cao. Một mặt, áp suất cao và pittong nặng ngăn cản máy dầu quay với tốc độ lớn như động cơ xăng (mô men xoắn cực đại của phần lớn động cơ diesel chỉ dừng ở mức dưới 4.500 vòng/phút). Mặt khác, khoảng chạy pittong dài do tỷ số nén cao thường thiên vị mô men xoắn hơn công suất. Điều này giải thích vì sao động cơ diesel luôn cho công suất thấp nhưng mô men xoắn lớn.
So với động cơ xăng, động cơ diesel có thể giảm được đáng kể lượng CO và khí nhà kính CO2 nhưng lại tăng lượng hạt phát thải. Để giải quyết vấn đề nêu trên, các nhà sản xuất động cơ diesel buộc phải trang bị thêm bộ tăng áp. Không giống động cơ xăng, công suất tối đa của bộ tăng áp rất phù hợp với đường đặc tính mô men của động cơ diesel. Do đó, động cơ diesel tăng áp hiện nay sở hữu công suất không thua kém gì động cơ xăng có dung tích tương đương mà vẫn tạo ra mô men xoắn cực đại lớn và tiết kiệm nhiên liệu. Các bạn có thể nhìn vào bảng so sánh dưới đây để hiểu rõ hơn:
Mẫu Công suất Mô men xoắn Tốc độ tối đa 0-100 km/h 0-160 km/h 48-112 km/h 80-112 km/h Nhiên liệu tiêu thụ Audi A3 1.8 Sport 125 mã lực 127 lb-ft 196 km/h 9,8 giây 30,2 giây 10,1 giây 10,9 giây 35 mpg Audi A3 1.9 TDi Sport 110 mã lực 166 lb-ft 192 km/h 9,7 giây 30,7 giây 9,4 giây 8,6 giây 54mpg Khi các qui định về khí thải tiếp tục siết chặt tại châu Âu cũng là lúc công nghệ sản xuất động cơ diesel càng tiến bộ và bắt kịp với động cơ xăng. Vì vậy, các nhà sản xuất xe châu Âu không ngừng cho ra đời các loại động cơ diesel khác nhau. Ngày nay, có từ một phần tư đến một phần ba số xe bán ra thị trường được trang bị động cơ diesel. Tại một số quốc gia như Pháp và Italia, số xe sử dụng động cơ diesel chiếm tới 40%. Ở Đức, các kỹ sư của hãng Mercedes bày tỏ lo ngại rằng những qui định siết chặt khí thải trong tương lai sẽ dần “bóp chết” loại động cơ xăng dung tích lớn như V8 và V12. Họ tin rằng động cơ diesel là cách duy nhất để đáp ứng được các qui định đó. Không chỉ Stuttgart mà ngay cả BMW và Audi cũng đã phát triển loại động cơ diesel tăng áp V8 đầu tiên của riêng mình để ứng dụng cho các mẫu xe đỉnh cao.
Công nghệ sản xuất động cơ diesel đang trên đà phát triển. Vấn đề cuối cùng cần làm rõ là tình trạng phát thải các loại hạt trong đó phần lớn là cacbon và hyđrocabon kích thước lớn gây ra hiện tượng sương khói và khói đen. Hãng PSA đã thiết kế thành công một thiết bị lọc hạt dành cho series động cơ phun nhiên liệu điện tử HDi của mình vào năm 2000. Hi vọng rằng thiết bị này sẽ mang đến tương lai tươi sáng hơn cho động cơ diesel cũng như môi trường của chúng ta.
Tại Mỹ, nơi mà xăng rẻ hơn cả nước đóng chai, chẳng ai có ý định sản xuất xe sử dụng động cơ diesel. Thay vào đó, họ đặt cược vào công nghệ pin nhiên liệu. Tuy nhiên, hầu hết các chuyên gia đều đồng ý rằng pin nhiên liệu không thể nào thay thế được động cơ đốt thông thường trong tương lai gần. Đột phá trong công nghệ pin nhiên liệu sẽ không lớn và nhanh như động cơ diesel.
Hệ thống phun nhiên liệu điện tử
Nếu những nhà sản xuất đến từ Nhật Bản đang dẫn đầu trong công nghệ phun xăng trực tiếp thì hãng Bosch của Đức hợp tác với các hãng xe hơi châu Âu lại đi tiên phong trong công nghệ chế tạo hệ thống phun nhiên liệu điện tử dành cho động cơ diesel.
So với xăng, dầu diesel là thành phần kém chất lượng hơn. Các hạt diesel lớn và nặng hơn xăng, do đó khó phun thành bụi. Những hệ thống phun không hoàn hảo tạo ra nhiều hạt không cháy, nhiều chất gây ô nhiễm, kém tiết kiệm nhiên liệu và công suất thấp hơn. Công nghệ common-rail sinh ra để cải thiện quá trình phun này.
Để làm được như vậy, nhiên liệu phải được phun ở áp suất cực cao mà bộ phun nhiên liệu thông thường không đạt được. Trong hệ thống common-rail, nhiên liệu được phun ở áp suất cao thông qua máy bơm công suất lớn thay cho bộ phun nhiên liệu. Nhiên liệu áp suất cao được bơm vào từng bộ phun nhờ một loại ống cứng thông dụng (nguồn gốc của cái tên common-rail). Trong thiết kế thế hệ đầu tiên hiện tại, loại ống này chịu được áp suất khoảng 20.000 psi. Nhiên liệu luôn được phun dưới áp suất tương tự ngay cả trong trạng thái chờ. Mỗi khi bộ phun (hoạt động giống van hơn là máy phát áp suất) mở, nhiên liệu áp suất cao sẽ được phun vào bên trong buồng đốt trong thời gian rất ngắn. Nhờ đó, không chỉ cải thiện quá trình phun ở áp suất nhiên liệu cao hơn mà còn rút ngắn khoảng thời gian phun nhiên liệu và điều khiển chính xác thời điểm.
Với thời điểm chính xác, hệ thống phun nhiên liệu common-rail có thể thực hiện khâu “hậu đốt cháy” trong đó một lượng nhiên liệu không đáng kể được bơm vào giai đoạn giãn nở để tạo ra hiện tượng cháy qui mô nhỏ trước khi bắt đầu quá trình đốt thông thường. Mục đích của khâu này là loại bỏ các hạt không cháy, tăng nhiệt độ dòng khí xả và giảm thời gian đun nóng sơ bộ của bộ chuyển hóa xúc tác. Nói một cách ngắn gọn, “hậu đốt cháy” cắt giảm lượng chất gây ô nhiễm.
Theo báo cáo của PSA, động cơ common-rail mới của hãng (cộng thêm một số cải tiến khác) có thể tiết kiệm 20% lượng nhiên liệu tiêu thụ, nhân đôi mô men xoắn ở vòng tua thấp và tăng công suất lên 25%. Ngoài ra, động cơ này còn giảm đáng kể tiếng ồn và độ rung của động cơ diesel thông thường. Về phương diện phát thải, các loại khí nhà kính (CO2) giảm 20%, CO 40%, hyđrocabon không cháy 50% và hạt 60%.
Sơ đồ miêu tả nguyên lý hoạt động của quá trình tái sinh lọc. Bộ lọc hạt của PSA (PF)
Phát thải hạt luôn là vấn đề đau đầu của động cơ diesel. Trong khi giảm hẳn lượng chất gây ô nhiễm như CO, NOx cũng như khí nhà kính CO2 thì động cơ diesel lại thải ra lượng hạt cực lớn chủ yếu bao cấu tạo từ cacbon và hyđrocacbon. Chúng là nguyên nhân gây ra hiện tượng khói đen và sương khói ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng không khí ở khu vực thành thị chứ chưa nói đến hệ sinh thái của trái đất.
Từ thập niên 1980, các loại xe hơi đều đã giảm 3/4 lượng hạt thải ra nhờ pháp chế của chính phủ cũng như những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ diesel và phun nhiên liệu trực tiếp. Tuy nhiên, động cơ diesel vẫn thải ra lượng hạt lớn hơn động cơ xăng và dường như đây là bản chất vốn có của nó. Do đó, PSA - nhà sản xuất xe hơi ứng dụng động cơ diesel lớn nhất thế giới đã phát triển bộ lọc hạt dành riêng cho gia đình HDi.
Về cơ bản, bộ lọc hạt của PSA (PF) là một khối cacbua silicon xốp bao gồm các đường ống dẫn có chức năng giữ hạt khỏi dòng khí xả. Trước khi bị bề mặt lọc giữ lại, các hạt cacbon/hyđrocacbon này sẽ cháy để trở thành CO2 và nước, sau đó thoát ra ngoài bộ lọc cùng với dòng khí xả. Chúng ta gọi quá trình này là tái sinh.
Thông thường, quá trình tái sinh diễn ra ở nhiệt độ 550ºC. Tuy nhiên, dưới những điều kiện bình thường, không thể tạo ra được nhiệt độ cao như vậy. Theo thông tin từ hãng PSA, nhiệt độ chỉ giao động giữa khoảng 150-200ºC khi đi trong thành phố.
May mắn thay, công nghệ phun nhiên liệu common-rail mới có thể giải quyết được vấn đề này. Nhờ áp suất cao và quá trình phun chính xác diễn ra trong thời gian rất ngắn, hệ thống common-rail có thể tiến hành khâu “hậu đốt cháy” bằng cách bơm một lượng nhiên liệu nhỏ vào giai đoạn giãn nở giúp tăng nhiệt độ dòng khí xả lên khoảng 350ºC.
Sau đó, bộ chuyển hóa xúc tác ôxy hóa được thiết kế chuyên dụng nằm gần lối vào bộ lọc hạt sẽ đốt toàn bộ lượng nhiên liệu không cháy còn lại của khâu “hậu đốt cháy”, từ đó nâng nhiệt độ lên 450ºC.
Để hoàn thành 100°C còn lại, một chất phụ gia gọi là Eolys được đưa vào nhiên liệu. Eolys hạ thấp nhiệt độ hoạt động của quá trình đốt hạt xuống 450° C. Lúc này, quá trình tái sinh bắt đầu diễn ra. Phụ gia ở dạng lỏng chứa trong một bình nhỏ được bơm thêm vào nhiên liệu. Khách hàng nên mang bộ lọc PF đến đại lý để rửa sạch bằng nước áp suất cao nhằm loại bỏ lắng cặn do chất phụ gia gây ra sau khi đi được 80.000 km.
Một vấn đề khác cần được đề cập tới là ảnh hưởng của khâu “hậu đốt cháy”. Khâu này có thể tăng mô men xoắn động cơ không theo mong đợi của các lái xe. Vì vậy, hệ thống quản lý động cơ phải điều hòa mô men xoắn bằng cách điều chỉnh lượng nhiên liệu phun thông thường, lượng nhiên liệu bơm trước vào buồng đốt và áp suất của bộ tăng áp để bù lại.
Không giống động cơ xăng, máy dầu không cần hệ thống đốt cháy. Nhờ đặc tính vốn có của dầu diesel, quá trình đốt cháy sẽ tự động diễn ra dưới áp suất kết hợp với nhiệt độ nhất định trong suốt kỳ nén của chu kỳ Otto. Thông thường, chu kỳ này đòi hỏi tỷ số nén cao khoảng 22:1 đối với động cơ không tăng áp. Ngoài ra, cần có vỏ và lốc máy vừa chắc vừa nặng để đương đầu với áp suất. Do đó, động cơ diesel luôn nặng hơn hẳn loại động cơ xăng tương đương.
Sự vắng mặt của hệ thống đánh lửa cũng như van tiết lưu khiến quá trình sửa chữa và bảo dưỡng trở nên đơn giản hơn rất nhiều. Do công suất của động cơ diesel được điều khiển bởi lượng nhiên liệu bơm vào nên hệ thống bơm luôn đóng vai trò quyết định đối với mức độ tiết kiệm nhiên liệu. Nhờ áp suất và độ chính xác cao, hệ thống phun nhiên liệu điện tử cải thiện đáng kể lượng nhiên liệu tiết kiệm.
Dù không có hệ thống phun trực tiếp, động cơ diesel vẫn tiết kiệm nhiên liệu với hỗn hợp khí - nhiên liệu nghèo hơn. Trong khi đó, động cơ xăng lại không thể đốt cháy được với hỗn hợp quá nghèo. Đặc tính tuy có làm giảm công suất đầu ra nhưng khi tải non hoặc tải bộ phận vốn không cần quá nhiều công suất thì động cơ diesel lại chiếm ưu thế lớn về mức độ tiết kiệm nhiên liệu.
Một nguyên do khác giải thích cho việc thua kém về công suất đầu ra là tỷ số nén cực cao. Một mặt, áp suất cao và pittong nặng ngăn cản máy dầu quay với tốc độ lớn như động cơ xăng (mô men xoắn cực đại của phần lớn động cơ diesel chỉ dừng ở mức dưới 4.500 vòng/phút). Mặt khác, khoảng chạy pittong dài do tỷ số nén cao thường thiên vị mô men xoắn hơn công suất. Điều này giải thích vì sao động cơ diesel luôn cho công suất thấp nhưng mô men xoắn lớn.
Mẫu Công suất Mô men xoắn Tốc độ tối đa 0-100 km/h 0-160 km/h 48-112 km/h 80-112 km/h Nhiên liệu tiêu thụ Audi A3 1.8 Sport 125 mã lực 127 lb-ft 196 km/h 9,8 giây 30,2 giây 10,1 giây 10,9 giây 35 mpg Audi A3 1.9 TDi Sport 110 mã lực 166 lb-ft 192 km/h 9,7 giây 30,7 giây 9,4 giây 8,6 giây 54mpg Khi các qui định về khí thải tiếp tục siết chặt tại châu Âu cũng là lúc công nghệ sản xuất động cơ diesel càng tiến bộ và bắt kịp với động cơ xăng. Vì vậy, các nhà sản xuất xe châu Âu không ngừng cho ra đời các loại động cơ diesel khác nhau. Ngày nay, có từ một phần tư đến một phần ba số xe bán ra thị trường được trang bị động cơ diesel. Tại một số quốc gia như Pháp và Italia, số xe sử dụng động cơ diesel chiếm tới 40%. Ở Đức, các kỹ sư của hãng Mercedes bày tỏ lo ngại rằng những qui định siết chặt khí thải trong tương lai sẽ dần “bóp chết” loại động cơ xăng dung tích lớn như V8 và V12. Họ tin rằng động cơ diesel là cách duy nhất để đáp ứng được các qui định đó. Không chỉ Stuttgart mà ngay cả BMW và Audi cũng đã phát triển loại động cơ diesel tăng áp V8 đầu tiên của riêng mình để ứng dụng cho các mẫu xe đỉnh cao.
Công nghệ sản xuất động cơ diesel đang trên đà phát triển. Vấn đề cuối cùng cần làm rõ là tình trạng phát thải các loại hạt trong đó phần lớn là cacbon và hyđrocabon kích thước lớn gây ra hiện tượng sương khói và khói đen. Hãng PSA đã thiết kế thành công một thiết bị lọc hạt dành cho series động cơ phun nhiên liệu điện tử HDi của mình vào năm 2000. Hi vọng rằng thiết bị này sẽ mang đến tương lai tươi sáng hơn cho động cơ diesel cũng như môi trường của chúng ta.
Tại Mỹ, nơi mà xăng rẻ hơn cả nước đóng chai, chẳng ai có ý định sản xuất xe sử dụng động cơ diesel. Thay vào đó, họ đặt cược vào công nghệ pin nhiên liệu. Tuy nhiên, hầu hết các chuyên gia đều đồng ý rằng pin nhiên liệu không thể nào thay thế được động cơ đốt thông thường trong tương lai gần. Đột phá trong công nghệ pin nhiên liệu sẽ không lớn và nhanh như động cơ diesel.
Hệ thống phun nhiên liệu điện tử
Nếu những nhà sản xuất đến từ Nhật Bản đang dẫn đầu trong công nghệ phun xăng trực tiếp thì hãng Bosch của Đức hợp tác với các hãng xe hơi châu Âu lại đi tiên phong trong công nghệ chế tạo hệ thống phun nhiên liệu điện tử dành cho động cơ diesel.
So với xăng, dầu diesel là thành phần kém chất lượng hơn. Các hạt diesel lớn và nặng hơn xăng, do đó khó phun thành bụi. Những hệ thống phun không hoàn hảo tạo ra nhiều hạt không cháy, nhiều chất gây ô nhiễm, kém tiết kiệm nhiên liệu và công suất thấp hơn. Công nghệ common-rail sinh ra để cải thiện quá trình phun này.
Để làm được như vậy, nhiên liệu phải được phun ở áp suất cực cao mà bộ phun nhiên liệu thông thường không đạt được. Trong hệ thống common-rail, nhiên liệu được phun ở áp suất cao thông qua máy bơm công suất lớn thay cho bộ phun nhiên liệu. Nhiên liệu áp suất cao được bơm vào từng bộ phun nhờ một loại ống cứng thông dụng (nguồn gốc của cái tên common-rail). Trong thiết kế thế hệ đầu tiên hiện tại, loại ống này chịu được áp suất khoảng 20.000 psi. Nhiên liệu luôn được phun dưới áp suất tương tự ngay cả trong trạng thái chờ. Mỗi khi bộ phun (hoạt động giống van hơn là máy phát áp suất) mở, nhiên liệu áp suất cao sẽ được phun vào bên trong buồng đốt trong thời gian rất ngắn. Nhờ đó, không chỉ cải thiện quá trình phun ở áp suất nhiên liệu cao hơn mà còn rút ngắn khoảng thời gian phun nhiên liệu và điều khiển chính xác thời điểm.
Với thời điểm chính xác, hệ thống phun nhiên liệu common-rail có thể thực hiện khâu “hậu đốt cháy” trong đó một lượng nhiên liệu không đáng kể được bơm vào giai đoạn giãn nở để tạo ra hiện tượng cháy qui mô nhỏ trước khi bắt đầu quá trình đốt thông thường. Mục đích của khâu này là loại bỏ các hạt không cháy, tăng nhiệt độ dòng khí xả và giảm thời gian đun nóng sơ bộ của bộ chuyển hóa xúc tác. Nói một cách ngắn gọn, “hậu đốt cháy” cắt giảm lượng chất gây ô nhiễm.
Theo báo cáo của PSA, động cơ common-rail mới của hãng (cộng thêm một số cải tiến khác) có thể tiết kiệm 20% lượng nhiên liệu tiêu thụ, nhân đôi mô men xoắn ở vòng tua thấp và tăng công suất lên 25%. Ngoài ra, động cơ này còn giảm đáng kể tiếng ồn và độ rung của động cơ diesel thông thường. Về phương diện phát thải, các loại khí nhà kính (CO2) giảm 20%, CO 40%, hyđrocabon không cháy 50% và hạt 60%.
Phát thải hạt luôn là vấn đề đau đầu của động cơ diesel. Trong khi giảm hẳn lượng chất gây ô nhiễm như CO, NOx cũng như khí nhà kính CO2 thì động cơ diesel lại thải ra lượng hạt cực lớn chủ yếu bao cấu tạo từ cacbon và hyđrocacbon. Chúng là nguyên nhân gây ra hiện tượng khói đen và sương khói ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng không khí ở khu vực thành thị chứ chưa nói đến hệ sinh thái của trái đất.
Từ thập niên 1980, các loại xe hơi đều đã giảm 3/4 lượng hạt thải ra nhờ pháp chế của chính phủ cũng như những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ diesel và phun nhiên liệu trực tiếp. Tuy nhiên, động cơ diesel vẫn thải ra lượng hạt lớn hơn động cơ xăng và dường như đây là bản chất vốn có của nó. Do đó, PSA - nhà sản xuất xe hơi ứng dụng động cơ diesel lớn nhất thế giới đã phát triển bộ lọc hạt dành riêng cho gia đình HDi.
Về cơ bản, bộ lọc hạt của PSA (PF) là một khối cacbua silicon xốp bao gồm các đường ống dẫn có chức năng giữ hạt khỏi dòng khí xả. Trước khi bị bề mặt lọc giữ lại, các hạt cacbon/hyđrocacbon này sẽ cháy để trở thành CO2 và nước, sau đó thoát ra ngoài bộ lọc cùng với dòng khí xả. Chúng ta gọi quá trình này là tái sinh.
Thông thường, quá trình tái sinh diễn ra ở nhiệt độ 550ºC. Tuy nhiên, dưới những điều kiện bình thường, không thể tạo ra được nhiệt độ cao như vậy. Theo thông tin từ hãng PSA, nhiệt độ chỉ giao động giữa khoảng 150-200ºC khi đi trong thành phố.
May mắn thay, công nghệ phun nhiên liệu common-rail mới có thể giải quyết được vấn đề này. Nhờ áp suất cao và quá trình phun chính xác diễn ra trong thời gian rất ngắn, hệ thống common-rail có thể tiến hành khâu “hậu đốt cháy” bằng cách bơm một lượng nhiên liệu nhỏ vào giai đoạn giãn nở giúp tăng nhiệt độ dòng khí xả lên khoảng 350ºC.
Sau đó, bộ chuyển hóa xúc tác ôxy hóa được thiết kế chuyên dụng nằm gần lối vào bộ lọc hạt sẽ đốt toàn bộ lượng nhiên liệu không cháy còn lại của khâu “hậu đốt cháy”, từ đó nâng nhiệt độ lên 450ºC.
Để hoàn thành 100°C còn lại, một chất phụ gia gọi là Eolys được đưa vào nhiên liệu. Eolys hạ thấp nhiệt độ hoạt động của quá trình đốt hạt xuống 450° C. Lúc này, quá trình tái sinh bắt đầu diễn ra. Phụ gia ở dạng lỏng chứa trong một bình nhỏ được bơm thêm vào nhiên liệu. Khách hàng nên mang bộ lọc PF đến đại lý để rửa sạch bằng nước áp suất cao nhằm loại bỏ lắng cặn do chất phụ gia gây ra sau khi đi được 80.000 km.
Một vấn đề khác cần được đề cập tới là ảnh hưởng của khâu “hậu đốt cháy”. Khâu này có thể tăng mô men xoắn động cơ không theo mong đợi của các lái xe. Vì vậy, hệ thống quản lý động cơ phải điều hòa mô men xoắn bằng cách điều chỉnh lượng nhiên liệu phun thông thường, lượng nhiên liệu bơm trước vào buồng đốt và áp suất của bộ tăng áp để bù lại.
