Nuyên lý làm việc của động cơ diesel hai kỳ dựa vào sự kết hợp thông minh của các giai đoạn khác nhau trong mỗi chu kỳ. Dưới đây là bài viết về chủ đề: Trình bày nguyên lý làm việc của động cơ diesel 2 kỳ thế nào?, mời bạn đọc theo dõi.
Mục lục bài viết
1. Động cơ diesel hai kỳ là gì?
Động cơ diesel hai kỳ là một loại động cơ diesel sử dụng phương pháp đánh lửa nén trong một chu trình đốt cháy kéo dài hai kỳ. Được sáng tạo bởi Hugo Güldner vào năm 1899, loại động cơ này đã đóng góp quan trọng vào tiến bộ của ngành công nghiệp động cơ và vận tải.
Trong quá trình hoạt động, động cơ diesel hai kỳ sử dụng nguyên tắc nén không khí để tạo điều kiện đánh lửa. Ban đầu, không khí được nén và nung nóng bên trong xi lanh. Sau đó, nhiên liệu được bơm vào xi lanh, và do sự nóng chảy của không khí đã được nén trước đó, nhiên liệu tự bốc cháy một cách tự nhiên. Khi nhiên liệu cháy, năng lượng được tạo ra và áp lực tăng cao trong xi lanh, đẩy pít-tông lên lên và dưới.
Sự khác biệt quan trọng giữa động cơ diesel hai kỳ và chu trình đốt cháy bốn kỳ nằm ở việc có một chu kỳ đánh lửa riêng biệt trong chu trình đốt cháy hai kỳ. Trong động cơ bốn kỳ truyền thống, cả hai hành trình nâng lên và hạ xuống của pít-tông đều được sử dụng để tạo các pha của chu trình đốt cháy (hút, nén, đánh lửa/nổ, xả). Tuy nhiên, trong động cơ diesel hai kỳ, việc nén không khí và đánh lửa cháy xảy ra trong cùng một hành trình của pít-tông, giúp tạo ra áp lực cao và nhiệt độ lớn, thúc đẩy quá trình cháy mạnh mẽ hơn.
Tính năng nổi bật của động cơ diesel hai kỳ là hiệu suất cao và khả năng cung cấp mô men xoắn mạnh mẽ. Tuy nhiên, điều này cũng đi kèm với một số hạn chế, như khả năng gây ra ô nhiễm môi trường do việc không thể kiểm soát chính xác việc nạp và xả khí, cũng như hiệu suất nhiên liệu không được tối ưu. Mặc dù vậy, động cơ diesel hai kỳ vẫn là một phát minh quan trọng trong lĩnh vực công nghiệp động cơ và đã có tầm ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của ngành vận tải và máy móc.
2. Chu trình hai kỳ là gì?
Chu trình hai kỳ trong động cơ đốt trong là một hệ thống vận hành đặc biệt, trong đó tất cả các giai đoạn làm việc của động cơ được hoàn thành trong một vòng quay của trục khuỷu, thay vì hai vòng quay như ở động cơ bốn kỳ. Sự đơn giản trong chu trình hai kỳ mang lại hiệu suất cao hơn về mặt lý thuyết, nhưng sự chồng chéo của các giai đoạn làm việc trong chu trình cũng dẫn đến nhiều thách thức về hiệu quả và tổn thất năng lượng.
Trong chu trình này, quá trình nạp bắt đầu khi pít-tông gần đạt đến điểm chết dưới (BDC). Khí nạp được đưa vào xi-lanh qua các lỗ nạp trên thành xi-lanh, thay vì thông qua van nạp như ở động cơ bốn kỳ. Việc cung cấp không khí thường được hỗ trợ bởi máy nén hoặc quạt gió để đảm bảo đủ áp suất. Giai đoạn quét khí xảy ra khi không khí mới được nạp vào xi-lanh, đồng thời đẩy khí thải từ chu kỳ trước ra ngoài qua cổng xả.
Khi pít-tông di chuyển lên điểm chết trên (TDC), không khí trong xi-lanh bị nén, làm tăng nhiệt độ và áp suất. Nhiên liệu được phun vào xi-lanh gần cuối quá trình nén, và sự kết hợp của nhiệt độ và áp suất cao gây cháy hỗn hợp nhiên liệu-không khí. Lực sinh ra từ quá trình cháy đẩy pít-tông trở lại điểm chết dưới, tạo ra công suất cơ học. Sau đó, cổng xả mở ra để loại bỏ khí thải, và chu trình lặp lại.
Hầu hết các động cơ diesel hai kỳ hiện đại sử dụng hệ thống van poppet ở đầu xi-lanh kết hợp với cơ chế quét khí đơn dòng, giúp tối ưu hóa quá trình quét và giảm thiểu sự thất thoát nhiên liệu qua khí thải.
3. Trình bày nguyên lý làm việc của động cơ diesel 2 kỳ thế nào?
Động cơ diesel hai kỳ vận hành dựa trên nguyên lý đánh lửa nén, hoàn thành chu trình làm việc chỉ trong hai giai đoạn (kỳ), nhờ sự kết hợp đồng thời của các bước nạp, nén, cháy, dãn nở và thải khí. Điều này làm cho động cơ diesel hai kỳ trở thành lựa chọn phổ biến trong các ứng dụng đòi hỏi công suất cao và kích thước gọn nhẹ.
a. Kỳ 1: Nạp, cháy – dãn nở, và thải khí
– Pít-tông bắt đầu từ điểm chết trên (TDC) và di chuyển xuống điểm chết dưới (BDC).
– Khí cháy có áp suất cao từ chu kỳ trước đó đẩy pít-tông xuống, sinh công và làm quay trục khuỷu.
– Khi pít-tông mở cổng xả, khí thải áp suất cao được đẩy ra ngoài, bắt đầu quá trình thải tự do.
– Cùng lúc đó, khi pít-tông tiếp tục đi xuống và mở cổng nạp, khí nạp áp suất cao từ cacte hoặc bộ nén được đưa vào xi-lanh. Giai đoạn này còn gọi là quét khí, khi khí mới đẩy khí thải còn sót lại ra khỏi xi-lanh.
– Pít-tông đóng cổng xả và cổng nạp khi hoàn thành giai đoạn quét, chuẩn bị cho kỳ tiếp theo.
b. Kỳ 2: Nén và cháy
– Pít-tông di chuyển từ điểm chết dưới (BDC) lên điểm chết trên (TDC), nén khí nạp trong xi-lanh.
– Khi gần đạt đến TDC, nhiên liệu được phun vào xi-lanh thông qua kim phun. Áp suất và nhiệt độ cao từ quá trình nén kích hoạt quá trình cháy tự nhiên của nhiên liệu, sinh ra lực mạnh đẩy pít-tông xuống trong chu kỳ tiếp theo.
– Trong giai đoạn này, quá trình nạp không khí mới vào cacte hoặc buồng nạp diễn ra nhờ sự chênh lệch áp suất.
Nguyên lý làm việc của động cơ diesel hai kỳ là sự phối hợp nhịp nhàng giữa các giai đoạn nạp, nén, cháy, dãn nở và thải khí trong một chu trình ngắn gọn, diễn ra chỉ trong một vòng quay trục khuỷu. Mặc dù động cơ hai kỳ có thể cung cấp công suất cao hơn động cơ bốn kỳ, nhưng hiệu quả thực tế lại bị giảm do tổn thất năng lượng trong quá trình quét khí và sự chồng chéo giữa các giai đoạn. Để tối ưu hóa, nhiều động cơ hai kỳ hiện đại đã tích hợp các công nghệ tiên tiến như hệ thống van và turbo tăng áp.
4. Nhiên liệu trong hoạt động của động cơ diesel hai kỳ:
Nhiên liệu đóng một vai trò vô cùng quan trọng, không thể thiếu và mang tính quyết định đối với hoạt động của động cơ diesel hai kỳ. Đặc tính và loại nhiên liệu được lựa chọn không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc mà còn quyết định hiệu quả kinh tế và độ bền của động cơ. Thông thường, nhiên liệu sử dụng trong động cơ diesel hai kỳ là các dạng dầu hydrocacbon có đặc tính nặng hơn xăng, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội. Những nhiên liệu này có khả năng bay hơi thấp, điểm chớp cháy cao, mật độ năng lượng lớn, và đặc biệt phù hợp với nguyên lý hoạt động của động cơ diesel hai kỳ, nơi cần áp suất nén cao để kích thích quá trình cháy.
– Nhiên liệu trong ứng dụng hàng hải
Trong lĩnh vực hàng hải và tàu biển, loại nhiên liệu phổ biến được sử dụng là dầu cặn, một dạng dầu nhiên liệu nặng (Heavy Fuel Oil – HFO). Loại nhiên liệu này có giá thành thấp, được sản xuất từ các phần còn lại trong quá trình chưng cất dầu thô tại các nhà máy lọc dầu. Tuy nhiên, do không có tiêu chuẩn đồng nhất trên toàn cầu, dầu cặn được biết đến với nhiều tên gọi khác nhau như Marine Intermediate Fuel (MIF), Marine Bunker Fuel, hoặc Bunker C Fuel.
Dầu cặn có độ nhớt cao và chỉ số cetane thấp, điều này đòi hỏi các động cơ sử dụng loại nhiên liệu này phải được thiết kế đặc biệt để đảm bảo khả năng hoạt động ổn định. Một số động cơ hàng hải hiện đại trang bị các hệ thống tiền xử lý nhiên liệu, như bộ gia nhiệt hoặc thiết bị tách nước, nhằm đảm bảo nhiên liệu đạt được trạng thái lý tưởng trước khi đưa vào buồng đốt.
– Sử dụng dầu nhiên liệu trong lịch sử
Nhiên liệu dầu cặn không chỉ giới hạn trong ngành hàng hải mà còn được ứng dụng trong các lĩnh vực khác. Một ví dụ điển hình là việc sử dụng loại nhiên liệu này trong các động cơ máy bay diesel hai kỳ, như động cơ Jumo 205 nổi tiếng. Đây là loại động cơ được phát triển trong những năm 1930 và đã chứng minh tính hiệu quả của việc sử dụng nhiên liệu nặng trong các ứng dụng đặc thù.
Trong giai đoạn thập niên 1960, dầu cặn được pha chế chủ yếu từ các chất thải còn sót lại từ quá trình chưng cất dầu thô. Mặc dù chất lượng thấp hơn so với các loại nhiên liệu tiêu chuẩn, dầu cặn vẫn được sử dụng rộng rãi nhờ giá thành thấp và tính kinh tế cao. Loại nhiên liệu này thường có độ nhớt rất cao, đòi hỏi phải được gia nhiệt trước khi sử dụng để giảm độ nhớt, từ đó đảm bảo khả năng phun và cháy hiệu quả trong động cơ.
– Lợi ích và thách thức
+ Ưu điểm: Dầu cặn có mật độ năng lượng cao, giá thành rẻ và dễ dàng sản xuất, làm cho nó trở thành lựa chọn hấp dẫn trong các ngành công nghiệp cần năng lượng lớn, như vận tải hàng hải hoặc các nhà máy điện sử dụng động cơ diesel.
+ Thách thức: Việc sử dụng dầu nhiên liệu nặng đi kèm với nhiều thách thức kỹ thuật, bao gồm khả năng tạo muội than cao, sự tích tụ cặn bẩn trong buồng đốt và hệ thống ống dẫn. Để khắc phục, các động cơ thường phải sử dụng hệ thống lọc nhiên liệu, gia nhiệt và kiểm soát khí thải hiện đại để đảm bảo hoạt động bền bỉ và tuân thủ các tiêu chuẩn môi trường ngày càng nghiêm ngặt.
