Bạn đang tìm hiểu việc mua một chiếc ô tô, hoặc bạn đang sở hữu rồi. Hay bạn đang tìm hiểu về kỹ thuật ô tô. Có lẽ bạn sẽ thấy rằng, trên ô tô có sử dụng hai loại động cơ là động cơ xăng và động cơ diesel. Vậy đặc điểm của hai động cơ này là gì? Nó khác nhau như thế nào và bạn nên chọn chiếc xe trang bị động cơ nào để phục vụ cho mục đích của bạn?
Ngày nay, trên ô tô hầu hết sử dụng hai loại động cơ là động cơ xăng và động cơ diesel. Và chúng đều là một cỗ máy, chuyển đôi từ hóa năng sang cơ năng, sinh công tại các bánh xe, giúp ô tô chuyển động theo mong muốn. Dưới đây là một vài đặc điểm kỹ thuật, sự giống và khác nhau của động cơ xăng và động cơ diesel.
1. Tất cả đều là động cơ đốt trong
Cả động cơ xăng và động cơ diesel đều là động cơ đốt trong, nó chuyển hóa năng lượng thành cơ năng thông qua nhiệt năng (quá trình đốt cháy). Với quá trình hoạt động đều tuân theo chu trình: hút – nén – nổ – xả (dù là 4 kỳ hay 2 kỳ cũng phải tuân theo chu trình này). Năng lượng cơ học chuyển động các piston lên và xuống bên trong xi lanh, tạo ra chuyển động quay làm quay các bánh xe ô tô.
Do vậy, chúng đều có các thành phần, chi tiết cơ bản giống nhau: xilanh, piston, thanh truyền, trục khuỷu, trục cam, xupap,… và cấu thành lên một động cơ hoàn chỉnh.
2. Nhiên liệu
Như tên gọi, động cơ xăng sử dụng xăng làm nhiên liệu và động cơ diesel thì sử dụng diesel làm nhiên liệu để đốt cháy và sinh công.
Cả hai loại nhiên liệu này (xăng và diesel) đều cơ bản là từ nguồn gốc dầu mỏ (trừ xăng và diesel sinh học). Về cơ bản cấu trúc nguyên tố gần đúng của một loại dầu thô trung bình bao gồm 84% cacbon, 14% hydro, 1-3% lưu huỳnh, và dưới 1% nito, nguyên tử oxy, kim loại và muối. Dầu thô bao gồm một loạt các hợp chất hydrocabon bao gồm ankan, anken, naphthenes và chất thơm (benzen). Do vậy, dầu thô này cần được chưng cất để sử dụng trong động cơ đốt trong. Quá trình chưng chất dầu thô tạo ra trung bình 30% xăng, 20 – 40% dầu diesel, 20% dầu nhiên liệu năng và 10 – 20 % các loại dầu nặng.
Quá trình chưng cất dầu thô, xăng thu được ở tầng nhiệt độ từ 40 – 200 độ C, diesel thu được ở tầng từ 200 – 425 độ C. Khối lượng riêng của xăng là ρ = 700–800 kg/m3, đối với diesel là ρ = 830–950 kg/m3.
Các đặc tính quan trọng nhất của nhiên liệu xăng là các đặc tính như độ bay hơi và khả năng chống kích nổ (trị số ốc tan), trong khi nhiên liệu diesel bắt buộc phải có các đặc tính nhiên liệu quan trọng như độ nhớt, sức căng bề mặt và xu hướng bắt lửa (số cetan).
3. Quá trình đốt cháy nhiên liệu
Do các thành phần cũng như tính chất của mỗi loại nhiên liệu, giữa xăng và diesel có các thông số quyết định như Điểm chớp cháy và Nhiệt độ tự bốc cháy. Nhiệt độ tự bốc cháy của xăng (280°C) cao hơn của diesel (210°C). Điểm chớp cháy của xăng −43°C, trong khi của diesel là >52°C, điểm chớp cháy thể hiện khả năng bốc cháy của hơi nhiên liệu nếu có nguồn lửa.
Với đặc tính dễ bay hơi, và điểm chớp cháy thấp, xăng phù hợp với việc hòa trộn với không khí dạng phun sương, sau đó nhận nguồn lửa bên ngoài và bốc cháy. Do đó, động cơ xăng sẽ cần bugi đánh tia lửa làm nguồn lửa mồi cho quá trình đốt cháy. Đặc tính nhớt và khả năng tự cháy cao giúp cho nhiên liệu diesel được phun vào buồng đốt với áp suất và nhiệt độ cao sẽ tự bốc cháy.
Động cơ xăng, hỗn hợp không khí và nhiên liệu (hòa khí) được nén thông qua kỳ nén, đến một thời điểm nhất định, bugi bật tia lửa điện, đốt cháy nhiên liệu, lúc này ngọn lửa sẽ bùng cháy và lan truyền khắp buồng đốt động cơ.
Đối với động cơ diesel, chỉ không khí được nén trong xilanh thông qua kỳ nén, sau đó nhiên liệu cao áp được phun vào bằng kim phun, gặp nhiệt độ thích hợp, nhiên liệu bốc cháy ngay lập tức, và quá trình cháy bùng phát trong buồng đốt.
Có một vấn đề cũng là đặc điểm là động cơ kích nổ (do cháy) chỉ xảy ra ở động cơ xăng, do có nhiều hơn 1 nguồn lửa mồi, còn động cơ diesel thì không xảy ra hiện tượng này.
4. Thành phần và kết cấu động cơ
Từ các đặc điểm trên, thành phần và kết cấu của hai loại động cơ này cũng sẽ khác nhau đáng kể. Đối với động cơ xăng, sẽ cần thêm hệ thống đánh lửa, bướm ga; đối với động cơ diesel thì thành phần bơm cao áp và kim phun là bắt buộc một số loại động cơ diesel được trang bị thêm bướm gió). Lưu ý là ở đây không đề cập đến các hệ thống hiện đại như phun xăng điện tử hay Common Rail (đơn giản bởi vì nó vẫn hoạt động theo nguyên lý chung).
Động cơ xăng: Do nhiên liệu được đốt cháy cưỡng bức, do đó hệ thống đánh lửa là bắt buộc. Nhiệt độ yêu cầu ở kỳ nén thấp, do đó tỷ số nén thấp (8:1 đến 12:1), áp suất cũng thấp hơn. Do vậy, kết cấu của động cơ xăng sẽ không đòi hỏi mạnh mẽ (độ bền) như động cơ diesel, xilanh, piston, thanh truyền của động cơ xăng cũng sẽ ngắn hơn (khi so sánh cùng thể tích công tác). Khối động cơ xăng thường làm bằng hợp kim nhôm, nhẹ, xilanh thường là liền khối và không thể thay thế.
Động cơ diesel: Do nhiên liệu tự bốc cháy, do đó hệ thống đòi hỏi áp suất và nhiệt độ cao trong buồng cháy, áp suất phun dòng nhiên liệu cũng cần phải cao để có thể tự bốc cháy. Do vậy, tỷ số nén của động cơ diesel sẽ cao hơn (14∶1 đến 23∶1), thanh truyền, piston, xilanh cũng sẽ dài hơn. Điều này sẽ đòi hỏi vật liệu, kết cấu vững chắc hơn so với động cơ xăng. Khối động cơ diesel thường làm bằng gang, xilanh thường là các ống lót ướt, rời và có thể thay thế.
5. Sức mạnh: Công suất và Mô-men xoắn
Từ kết cấu cũng như đặc tính của hai loại động cơ, ta thấy ngay rằng động cơ xăng sẽ quay với tốc độ cao hơn động cơ diesel (do hành trình piston động cơ xăng ngắn hơn, nên nó hoàn thành một chu trình làm việc nhanh hơn). Nhưng ngược lại, ta thấy rằng khuỷu trục của động cơ diesel lại dài hơn của động cơ xăng (do tỷ số nén lớn, cần hành trình piston lớn, do đó khuỷu trục phải tương xứng). Do đó lực làm quay khuỷu trục (mô men xoắn) sẽ lớn hơn của động cơ xăng.
Công suất thì đại diện cho tốc độ sinh công, còn mô men xoắn lại đại diện cho lực sinh công.
Như vậy, động cơ xăng sẽ có công suất cao hơn, tốc độ cũng cao hơn động cơ diesel. Do đó động cơ xăng thường được trang bị ở trên các xe đua, xe thể thao.
Động cơ diesel thì có mô men xoắn cao hơn, chạy ở dải tốc độ chậm hơn. Do đó, động cơ diesel thường được trang bị trên các xe hạng nặng, xe tải, xe địa hình.
6. Hiệu suất nhiệt của động cơ
Động cơ xăng và động cơ diesel đều là động cơ đốt trong, thực hiện quá trình đốt cháy, chuyển hóa nhiệt năng (từ hóa năng) thành cơ năng, sinh công làm quay trục khuỷu.
6.1. Động cơ xăng
Động cơ xăng hiện đại có hiệu suất nhiệt tối đa hơn 50%, nhưng ô tô chạy hợp pháp trên đường thì chỉ khoảng 20% đến 35% khi được sử dụng để cung cấp năng lượng cho ô tô. Nói cách khác, ngay cả khi động cơ đang hoạt động ở điểm đạt hiệu suất nhiệt lớn nhất, trong tổng năng lượng nhiệt do xăng tiêu thụ, thì có khoảng 65-80% tổng công suất được tỏa ra dưới dạng nhiệt mà không được biến thành công có ích, tức là làm quay trục khuỷu. Khoảng một nửa lượng nhiệt bị loại bỏ này được khí thải mang đi, và một nửa đi qua thành xi lanh hoặc đầu xi lanh vào hệ thống làm mát động cơ, và được truyền vào khí quyển qua bộ tản nhiệt của hệ thống làm mát. Một số công tạo ra cũng bị mất đi như ma sát, tiếng ồn, nhiễu loạn không khí và công được sử dụng để làm quay các thiết bị và dụng cụ của động cơ như máy bơm nước và dầu và máy phát điện, chỉ còn lại khoảng 20-35% năng lượng do nhiên tạo ra sinh công để di chuyển phương tiện.
6.2. Động cơ diesel
Động cơ sử dụng chu trình Diesel thường hiệu quả hơn, mặc dù bản thân chu trình Diesel kém hiệu quả hơn ở các tỷ số nén bằng nhau. Vì động cơ diesel sử dụng tỷ số nén cao hơn nhiều (nhiệt nén được sử dụng để đốt cháy nhiên liệu diesel cháy chậm), tỷ lệ cao hơn đó bù đắp cho tổn thất bơm không khí trong động cơ.
Các động cơ diesel trên đường hiện tại có hiệu suất nhiệt xấp xỉ 42% khi đầy tải, với 28% năng lượng nhiên liệu bị lãng phí trong khí thải (bao gồm 4% tổn thất do bơm), 28% năng lượng tiêu hao nhiên liệu đến phương tiện làm mát khi loại bỏ nhiệt môi trường xung quanh (bao gồm 4% do ma sát cơ học và các phụ kiện ký sinh), và 2% là thất thoát nhiệt khác.
Động cơ turbo-diesel hiện đại sử dụng hệ thống phun nhiên liệu common-rail được điều khiển điện tử để tăng hiệu suất. Với sự trợ giúp của hệ thống nạp turbo biến đổi hình học (mặc dù phải bảo dưỡng nhiều hơn), điều này cũng làm tăng mô-men xoắn của động cơ ở tốc độ động cơ thấp (1200-1800 RPM). Động cơ diesel tốc độ thấp như MAN S80ME-C7 đã đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng tổng thể là 54,4%, đây là mức chuyển đổi nhiên liệu thành công suất cao nhất đối với bất kỳ động cơ đốt trong nào. Các động cơ diesel trong xe tải lớn, xe buýt và ô tô diesel mới hơn có thể đạt hiệu suất cao nhất khoảng 45%.
Như vậy, hiệu suất nhiệt của động cơ diesel lớn hơn nhiều so với động cơ xăng, điều này cũng cho thấy, động cơ xăng sẽ tiêu hao nhiên liệu nhiều hơn động cơ diesel. Do dó, chi phí sử dụng của động cơ xăng lớn hơn động cơ diesel.
7. Tuổi thọ động cơ
Điểm khác biệt giữa động cơ xăng và diesel là tuổi thọ động cơ. Động cơ xăng thường có tuổi thọ ngắn hơn động cơ diesel.
Do nhiều yếu tố, trong đó quá trình làm việc là một đặc trưng đánh giá tuổi thọ của hai loại động cơ này. Động cơ xăng thường quay ở tốc độ (RPM) cao hơn động cơ diesel, điều này khiến tốc độ mài mòn các chi tiết chuyển động của động cơ xăng cũng cao hơn, buồng đốt sẽ đốt cháy nhiều lần hơn so với động cơ diesel, do vậy tuổi thọ của động cơ xăng sẽ thấp hơn động cơ diesel.
Động cơ xăng khi chạm mốc 200.000 đến 250.000 km thì các xilanh sẽ bắt đầu bị mài mòn, làm giảm đáng kể hiệu suất. Trong khi động cơ diesel được biết đến với vòng đời dài – một số động cơ được đánh giá đến hàng triệu kilomet. Đặc biệt, các động cơ disel thường được thiết kế ống lót xilanh rời, có thể thay thế. Khi động cơ đạt đến 350.000 đến 500.000 km thì có thể thay ống lót xilanh mà không cần thay thế toàn bộ động cơ.
Mặt khác, động cơ diesel thường được chế tạo với kết cấu, vật liệu bền (đáp ứng tỉ số nén, áp suất, mô men khi làm việc), do đó, nó có tuổi bền lớn hơn.
8. Phanh động cơ
Phanh động cơ xảy ra khi lực hãm trong động cơ được sử dụng để giảm tốc độ xe, thay vì sử dụng các cơ cấu phanh bổ sung bên ngoài như phanh ma sát hoặc phanh từ tính.
8.1. Động cơ xăng
Thuật ngữ “phanh động cơ” đề cập đến hiệu quả phanh xảy ra trong động cơ xăng khi bàn đạp ga được nhả. Điều này làm cho quá trình phun nhiên liệu ngừng lại và van tiết lưu (bướm ga) đóng gần như hoàn toàn, hạn chế đáng kể luồng khí nạp vào xilanh. Quá trình này gây ra độ chân không ống góp mạnh mà các piston và xi-lanh phải làm việc chống lại nó – loại bỏ phần lớn năng lượng tiềm năng ra khỏi hệ thống theo thời gian và tạo ra phần lớn hiệu ứng phanh động cơ. Hiệu ứng ống góp chân không này thường có thể được khuếch đại bằng sự dịch chuyển xuống, điều này tạo ra chuỗi truyền động quay nhanh hơn để gắn kết với động cơ.
8.2. Động cơ diesel
Động cơ diesel trong ô tô cá nhân ít cung cấp khả năng phanh động cơ vì chúng không được trang bị thân van tiết lưu (bướm ga) và do đó không thể hút chân không trong đường ống nạp.
Trong các loại xe hạng nặng, động cơ thường được tạo ra để cung cấp thêm lực phanh để giảm bớt sức căng cho hệ thống phanh thông thường của xe và giúp tránh nó quá nhiệt.
Phanh xả
Ở dạng đơn giản nhất, nó bao gồm một van bướm ngăn dòng khí thải. Đây được gọi là phanh xả hay phanh khí thải và chủ yếu được tìm thấy trên các xe tải cũ. Ở hệ thống này, đường xả của động cơ sẽ bị đóng lại, gây ra một áp suất ngược làm hạn chế chuyển động của piston. Điều này tạo ra lực cản từ động cơ đến hệ thống truyền lực và tạo hiệu ứng phanh.
Phanh nhả nén
Phanh nhả nén (còn được gọi là phanh Jacobs hoặc “phanh jake”), là loại phanh thường bị nhầm lẫn nhất với phanh động cơ thật; Nó được sử dụng chủ yếu trong các xe tải diesel lớn và hoạt động bằng cách mở van xả ở đầu hành trình nén, do đó lượng lớn năng lượng tích trữ trong khí nén đó không được quay trở lại trục khuỷu mà được thải ra ngoài.
Thông thường, trong hành trình nén, năng lượng được sử dụng khi piston đi lên nén không khí trong xi lanh; Khi đó khí nén đóng vai trò như một lò xo bị nén và đẩy pittong đi xuống (quá trình đốt cháy). Tuy nhiên, khi phanh jake đang hoạt động, khí nén đột ngột được giải phóng ngay trước khi piston bắt đầu đi xuống. (Sự giải phóng khí nén đột ngột này tạo ra các sóng âm thanh nghe được tương tự như khí nở ra từ họng súng.) Do mất năng lượng tích trữ trong khí nén, không có “lực đàn hồi lò xo trở lại” nên động cơ phải tiêu hao nhiều năng lượng hơn để kéo piston xuống.
