Tổng quan về động cơ Diesel

Tổng quan về động cơ diesel

So với động cơ xăng, động cơ diesel tiêu thụ ít nhiên liệu hơn, do đó thải ra lượng khí nhà kính, CO2, NOx và CO khiêm tốn hơn hẳn.

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%.

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.

 

Do đặc thù về quá trình đốt cháy nhiên liệu mà động cơ xăng và diesel có sự khác biệt lớn về khí xả của động cơ. Về cơ bản, khí xả động cơ xăng độc hại hơn động cơ diesel.

 

Bởi vậy, tuy bộ xúc tác 3 thành phần có thể sử dụng trên cả hai loại động cơ, nhưng cấu tạo của chúng thì khác nhau.

Bộ xúc tác ba thành phần trên động cơ xăng

Đây là bộ xúc tác có cấu trúc dạng tổ ong, với tiết diện ống dạng tam giác hay vuông. Xương ống được làm từ hợp kim tốt như inox hoặc làm từ hợp kim gốm sứ. Ngày nay, người ta thường sử dụng xương ống bằng lá kim loại liền có độ dày rất nhỏ, do đó, chúng dẫn nhiệt tốt nên mất ít thời gian để kích hoạt bộ xúc tác. Xương ống được phủ một lớp dạng xốp làm vật mang để kết hợp với các kim loại quý hiếm. Bề mặt được phủ lên này có độ dầy từ 20-60 micromet, khá nhấp nhô để tăng diện tích tiếp xúc của khí xả đối với bề mặt chất xúc tác. Vật mang thường là các ôxit kim loại có tác dụng tăng hoạt tính cho các chất xúc tác hoặc đóng vai trò ổn định cấu trúc bề mặt xúc tác. Các ôxit thường được sử dụng cho vật mang là ôxit Zirconi, ôxit Xêri,…

Các kim loại quý trong bộ xúc tác như Rodi (Rh), bạch kim (Pt), paladi (Pd) đều là những chất xúc tác rất tốt trong khả năng kiểm soát khí xả. Chúng thường được sử dụng vì ít bị “đầu độc” bởi các thành phần độc hại trong khí xả. Mỗi bộ khí xả chỉ sử dụng vài gam khối lượng của chúng để làm chất xúc tác. Rodi có khả năng khử tốt khí NOx, trong khi bạch kim và paladi thì giúp quá trình ôxi hóa CO và H-C dễ dàng hơn. Do đó, trong các bộ xúc tác ngày nay, lớp xúc tác chính là sự kết hợp của bạch kim và Rodi hoặc paladi và Rodi.

Để xử lí thật triệt để, thật sạch các chất độc, nhiệt độ chất xúc tác phải trên 400 độ C. Ở nhiệt độ đó, các chất xúc tác được kích hoạt hoàn toàn, thúc đẩy quá trình phản ứng hóa học, đưa 3 loại chất thải có độc tố cao thành các chất không độc. Ở lớp khử, NOx bị tách thành khí nitơ và khí ôxi. Sau đó, khí ôxi vừa được tách ra cùng với lượng ôxi dư trong khí thải và ôxi cung cấp thêm, dưới tác dụng của chất xúc tác sẽ ôxi hóa CO và H-C thành các chất không độc như khí nhà kính CO2 và hơi nước.

NOx → N2 + O2

O2 + CO → CO2

O2 + HC → H2O + CO2

Vì đặc thù nhiên liệu, động cơ xăng dễ tạo ra khí xả chứa NOx, CO, H-C. Đồng thời, nhiệt độ khí xả động cơ xăng cao, lớn hơn 600 độ C. Do đó, khi đặt bộ xúc tác ở vị trí phù hợp trên đường ống xả, bộ xúc tác sẽ tự động được kích hoạt và chuyển hóa các chất độc thành những chất ít độc hơn thải ra môi trường. Mặt khác, để đạt hiệu quả cao nhất, tỉ lệ khí - nhiên liệu cũng phải dao động thường xuyên trong khoảng tiêu chuẩn cho phép. Nếu hỗn hợp đậm, tạo ra nồng độ CO và H-C trong khí xả cao, sự khử hóa học của NOx sẽ xảy ra, nhưng do thiếu ôxi nên vẫn còn CO và H-C trong khí xả ra ngoài. Hoặc, một hỗn hợp nhạt, với nồng độ ôxi trong khí xả cao thì CO và H-C sẽ bị ôxi hóa nhanh, do đó NOx vẫn còn lại sau phản ứng. Bởi vậy cần đảm bảo tỉ lệ khí-nhiên liệu qua ECU động cơ và cảm biến ôxi trên đường xả. Cảm biến ôxi đo lượng ôxi còn lại trong khí xả. Từ đó xác định được mức độ dư thừa không khí nhằm điều chỉnh cho phù hợp với tỉ lệ lý thuyết.

Mặt khác, khi chạy trên đường, tỉ lệ khí – nhiên liệu luôn thay đổi theo điều kiện hoạt động của xe. Trong trường hợp khởi động lạnh, chạy không tải hay phanh bằng động cơ, nhiệt độ trong buồng cháy thấp, dẫn đến nhiệt độ khí xả trong ống xả thấp. Điều này có thể khiến bộ xúc tác không làm việc. Để hạn chế điều này, người ta sử dụng thêm một bộ xúc tác phụ đặt trước bộ chính, gần động cơ để tận dụng nhiệt từ động cơ tỏa ra làm nóng nhanh bộ xúc tác phụ. Nhiệt độ của bộ xúc tác phụ lúc này có thể lên đến 11000C, đòi hỏi vật liệu cũng phải thật bền và chịu được nhiệt độ cao.

Các bộ xúc tác ba thành phần đều chứa đựng khả năng dự trữ ôxi. Khả năng này nằm trên lớp phủ bao ngoài xương ống. Lớp phủ được làm từ Xêri, Ziconi, Bari… sẽ tác dụng với ôxi dư trong khí xả khi dư thừa không khí trong động cơ tạo thành các ôxit. Khi khí xả trong bộ xúc tác thiếu ôxi, các ôxít này sẽ nhả khí O2 cung cấp cho các quá trình hóa học tiếp theo.

Bộ xúc tác ba thành phần trên động cơ diesel

Đối với động cơ diesel, tuy các thành phần độc hại như CO, H-C, NOx đều thấp hơn so với động cơ xăng nhưng vấn đề của động cơ diesel là các hạt bụi từ khí thải. Do đó, với động cơ diesel, cấu tạo bộ xúc tác về cơ bản là giống động cơ xăng. Tuy nhiên, người ta đặt phía trước bộ xúc tác trên động cơ diesel một bộ lọc để hấp thụ hạt bụi từ khí thải động cơ. Sau đó, các hạt bụi này sẽ được đốt cháy một lần nữa. Tuy nhiên, nhiệt độ khí xả từ động cơ diesel khá thấp, chỉ đạt từ 150 độ C đến 500 độ C, thường là từ 240 độ C đến 350 độ C.

Nếu chỉ dựa vào nhiệt độ khí xả, khó đảm bảo các hạt bụi của động cơ diesel có thể được đốt cháy. Trong khi đó, mục đích chính của các chất xúc tác là giảm nhiệt độ bốc cháy được của các chất độc hại. Do vậy, các chất xúc tác cấu trúc phức tạp từ ôxit của các kim loại kiềm thổ, với khả năng bắt cháy trong khoảng từ 240 độ C đến 315 độ C, được sử dụng để phủ trên bộ lọc.

Tuy vậy, với công nghệ và tiêu chuẩn khí thải tại Việt Nam hiện nay, chất lượng khí xả từ động cơ diesel thậm chí đã không cần đến các biện pháp xử lý trên đường xả.

Hạn chế của bộ xúc tác

Hạn chế của bộ xúc tác là phải sử dụng nhiên liệu chất lượng cao. Nếu nhiên liệu chất lượng kém, các phụ phẩm của nhiên liệu sẽ bám chặt vào cảm biến ôxi và ống xúc tác, ngăn cản sự tiếp xúc của khí xả với cảm biến ôxi và bề mặt xúc tác. Điều này làm giảm tác dụng của bộ xúc tác. Một số thành phần có thể tẩy đi được ở nhiệt độ cao như lưu huỳnh, một số rất khó tẩy đi như chì. Lưu huỳnh có chứa cả trong diesel và xăng. Hàm lượng của lưu huỳnh và các chất khác trong nhiên liệu phụ thuộc vào tiêu chuẩn chất lượng nhiên liệu.

Ở Việt Nam hiện nay, nhiên liệu có chất lượng cao nhất đạt tiêu chuẩn Euro II. Với những chiếc xe nhập khẩu đạt tiêu chuẩn khí thải lên tới Euro IV, xe cũng phải sử dụng loại nhiên liệu đáp ứng được tiêu chuẩn Euro IV cho nhiên liệu. Khi chạy xe với nhiên liệu kém chất lượng, tuổi thọ và các chức năng của bộ lọc khí độc sẽ hoạt động không như thiết kế ban đầu. Các bộ xúc tác đắt tiền có khả năng loại bỏ lưu huỳnh bám vào theo chu kỳ nhất định. Tuy vậy, quá trình này có thể có phản ứng phụ, tạo ra các khí có mùi trứng thối như H2S.

Với xe đạt tiêu chuẩn khí thải Euro II, các phụ phẩm rắn của quá trình cháy như lưu huỳnh sẽ bám vào thành ống xả. Khi xe hoạt động ở tốc độ cao, nhiệt độ khí xả cũng sẽ cao, các phản ứng phụ sinh ra khí H2S có thể dễ dàng xảy ra hơn.

Kết luận

Ngày nay ô nhiễm môi trường đang là một vấn đề nhức nhối đối với con người, trong đó, một phần nguyên nhân không nhỏ bắt nguồn từ động cơ ôtô. Các biện pháp xử lí và giảm thiểu khí thải độc hại đã và đang được sử dụng. Mỗi biện pháp đều có những ưu, nhược điểm khác nhau, trong đó, với khả năng dễ thay thế, bảo dưỡng và có tác dụng triệt để thì bộ xúc tác ba thành phần là phương pháp thụ động tối ưu.