Động cơ diesel hai kỳ là động cơ diesel sử dụng đánh lửa nén trong chu trình đốt cháy hai kỳ. Nó được Hugo Güldner phát minh ra vào năm 1899.
Trong quá trình đánh lửa do nén, trước tiên không khí được nén và làm nóng; nhiên liệu sau đó được bơm vào xi lanh, khiến nó tự bốc cháy. Điều này mang lại một hành trình mạnh mẽ mỗi khi pít-tông nâng lên và hạ xuống mà không cần thêm hành trình xả và hành trình hút của chu trình bốn kỳ.
Lịch sử động cơ Diesel 2 kỳ
Theo kỹ sư đã vẽ ra thiết kế của Rudolf Diesel cho động cơ diesel hoạt động đầu tiên, Động cơ 250/400, Imanuel Lauster, Diesel ban đầu không có ý định sử dụng nguyên lý hai kỳ cho động cơ diesel. Hugo Güldner đã thiết kế thứ được cho là động cơ diesel hai kỳ hoạt động đầu tiên vào năm 1899, và ông đã thuyết phục MAN, Krupp và Diesel tài trợ cho việc chế tạo động cơ này với ℳ 10.000 mỗi chiếc. Động cơ của Güldner có một xi-lanh công tác 175 mm và một xi-lanh quét 185 mm; cả hai đều có hành trình 210 mm. Công suất đầu ra được chỉ định là 12 PS (9 kW; 12 mã lực). Vào tháng 2 năm 1900, lần đầu tiên động cơ này chạy bằng năng lượng của chính nó. Tuy nhiên, với công suất đầu ra thực tế chỉ 6,95 PS (5 kW; 7 mã lực) và mức tiêu thụ nhiên liệu cao 380 g/PS·h (517 g/kW·h), nó đã không chứng tỏ được thành công; Dự án động cơ diesel hai thì của Güldner đã bị bỏ rơi vào năm 1901.
Năm 1908, MAN Nürnberg cung cấp động cơ diesel hai kỳ pít-tông tác dụng đơn cho mục đích hàng hải, động cơ pít-tông tác dụng kép đầu tiên của MAN Nürnberg được sản xuất vào năm 1912 cho một nhà máy điện. Phối hợp với Blohm + Voss ở Hamburg, MAN Nürnberg đã chế tạo động cơ hai kỳ pít-tông tác dụng kép đầu tiên cho mục đích hàng hải vào năm 1913/1914. Paul Henry Schweitzer lập luận rằng động cơ diesel hai kỳ pít-tông đối lập ban đầu được phát minh bởi Hugo Junkers. Trong Chiến tranh thế giới thứ nhất, MAN Nürnberg đã chế tạo động cơ diesel hai kỳ, sáu xi-lanh, tác dụng kép với công suất định mức 12.400 PS (9.120 kW; 12.230 mã lực). MAN đã chuyển bộ phận động cơ diesel hai kỳ của họ từ Nürnberg đến Augsburg vào năm 1919.
Đến năm 1939, một số loại động cơ diesel hai kỳ đã được sử dụng rộng rãi và những loại khác đang được phát triển cho các ứng dụng công suất cao.
Trong số một số khái niệm động cơ diesel máy bay hai kỳ, Junkers Jumo 205 là loại duy nhất được sản xuất với số lượng đáng kể, với khoảng 900 chiếc tất cả. Được giới thiệu vào năm 1939, khái niệm thiết kế lần đầu tiên được đề xuất vào năm 1914. Thiết kế được sản xuất theo giấy phép ở một số quốc gia. Những tiến bộ sau đó trong công nghệ phun nhiên liệu xăng đã khiến động cơ máy bay hai kỳ trở nên lỗi thời. Mặc dù Napier Culverin, một phiên bản được cấp phép của Jumo 204 lớn hơn, không được đưa vào sản xuất, Napier Deltic sau này đã kết hợp một cách sắp xếp hình tam giác được thiết kế lại với ba xi lanh trên mỗi dãy, và đã được áp dụng thành công trong các ứng dụng hàng hải và đầu máy, cho đến thời kỳ hậu chiến.
Từ năm 1923 đến năm 1982, MAN đã sử dụng phương pháp quét ngược dòng cho động cơ hai kỳ hàng hải của họ. Từ năm 1945, một van trượt cho hiệu ứng cảm ứng ram đã được lắp đặt, và từ năm 1954, việc tăng áp dòng khí liên tục với hệ thống làm mát trung gian đã được sử dụng. Quá trình tăng áp đạt được nhờ sự kết hợp của bốn phương pháp tăng áp: bộ siêu nạp kiểu Roots dẫn động bằng trục khuỷu, bộ siêu nạp turbo, mặt dưới của pít-tông động cơ và bộ siêu nạp chạy bằng động cơ điện. Van trượt cho hiệu ứng cảm ứng ram cuối cùng đã được chứng minh là dễ bị hỏng và trở nên lỗi thời do tăng tốc độ siêu nạp vào đầu những năm 1960. Vào đầu những năm 1980, tất cả các nhà sản xuất động cơ diesel hai kỳ lớn đã chuyển từ quét ngược dòng sang quét một dòng, bởi vì loại sau, mặc dù phức tạp hơn, cho phép hiệu suất động cơ cao hơn và do đó tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn.
Charles F. Kettering và các đồng nghiệp, làm việc tại General Motors Research Corporation và công ty con của GM là Winton Engine Corporation trong những năm 1930, đã thiết kế động cơ diesel hai kỳ để sử dụng trên đường với tỷ lệ công suất trên trọng lượng và phạm vi đầu ra cao hơn nhiều so với động cơ diesel bốn kỳ hiện đại. Ứng dụng di động đầu tiên của động cơ diesel hai kỳ là với động cơ diesel tinh giản vào giữa những năm 1930. Công việc phát triển tiếp tục dẫn đến việc cải tiến động cơ diesel hai kỳ cho các ứng dụng đầu máy và hàng hải vào cuối những năm 1930. Công việc này đã đặt nền móng cho việc diesel hóa đường sắt vào những năm 1940 và 1950 ở Hoa Kỳ.
Đến cuối thế kỷ XX, sự quan tâm đến động cơ diesel máy bay đã hồi sinh, với các ví dụ hai kỳ như Superior Air Parts Gemini Diesel 100 đang được phát triển vào năm 2015.
Các đặc tính và hoạt động
Động cơ Diesel
Đặc điểm xác định của động cơ diesel là nó dựa vào sự đánh lửa do nén. Khi không khí bị nén, nó nóng lên. Nhiên liệu sau đó được phun vào không khí nóng, nén và tự bốc cháy. Điều này cho phép nó hoạt động với hỗn hợp nghèo bao gồm chủ yếu là không khí. Cùng với tỷ số nén cao, điều này làm cho nó tiết kiệm hơn so với động cơ Otto chạy bằng xăng. Nó cũng không yêu cầu bộ chế hòa khí để trộn không khí và nhiên liệu trước khi phân phối, hoặc bugi đánh lửa hoặc hệ thống đánh lửa khác. Để kiểm soát tốc độ và công suất đầu ra, luồng không khí không được điều chỉnh mà chỉ có lượng nhiên liệu được phun ở mỗi chu kỳ là khác nhau.
Chu trình hai kỳ
Trong chu trình hai kỳ, bốn giai đoạn hoạt động của động cơ đốt trong (nạp, nén, đánh lửa, xả) xảy ra trong một vòng quay 360° của trục khuỷu, trong khi ở động cơ bốn kỳ, chúng thực hiện hai vòng quay hoàn chỉnh. Do đó, trong chu trình hai kỳ, các giai đoạn trùng nhau trong hầu hết hoạt động của động cơ. Điều này làm cho các quá trình nhiệt động lực học và khí động học của nó trở nên phức tạp hơn. Công suất đầu ra của chu trình hai thì về mặt lý thuyết là gấp đôi. Tuy nhiên, tổn thất do quét khí làm cho lợi thế này khó đạt được trong thực tế.
Quá trình nạp bắt đầu khi pít-tông ở gần điểm chết dưới (BDC). Không khí được đưa vào xi lanh thông qua các lỗ trên thành xi lanh (không có van nạp). Tất cả các động cơ diesel hai kỳ đều yêu cầu hút khí nhân tạo để vận hành và sẽ sử dụng quạt gió điều khiển bằng cơ học hoặc máy nén tua-bin để nạp không khí vào xi lanh. Trong giai đoạn đầu của quá trình nạp, lượng khí nạp cũng được sử dụng để loại bỏ bất kỳ khí đốt nào còn sót lại từ hành trình sinh công trước đó, một quá trình được gọi là quét khí.
Khi piston đi lên, khí nạp được nén. Gần điểm chết trên, nhiên liệu được phun vào, dẫn đến quá trình đốt cháy do áp suất cực cao của nhiên liệu và nhiệt tạo ra do quá trình nén, đẩy pít-tông đi xuống. Khi pít-tông di chuyển xuống trong xi-lanh, nó sẽ đạt đến điểm mà cổng xả được mở để đẩy khí đốt áp suất cao ra ngoài. Tuy nhiên, hầu hết các động cơ diesel hai kỳ hiện nay đều sử dụng van poppet (xupap) gắn trên cùng và hệ thống quét khí đơn dòng. Tiếp tục chuyển động đi xuống của pít-tông sẽ làm lộ ra các cổng nạp khí trên thành xi-lanh và chu kỳ sẽ bắt đầu lại.
Động cơ Diesel 2 kỳ
Trong hầu hết các động cơ hai kỳ của EMD và GM (tức là Detroit Diesel), rất ít thông số có thể điều chỉnh được và tất cả những thông số còn lại đều được cố định bởi thiết kế cơ học của động cơ. Các cổng quét mở từ 45 độ trước BDC, đến 45 độ sau BDC. Tuy nhiên, một số nhà sản xuất làm cho thời gian cổng quét không đối xứng bằng cách đặt lệch trục khuỷu. Các thông số còn lại, có thể điều chỉnh, liên quan đến van xả và thời điểm phun (hai thông số này không nhất thiết phải đối xứng về TDC hoặc BDC), chúng được thiết lập để tối đa hóa khí thải đốt và tối đa hóa lượng khí nạp. Một trục cam duy nhất vận hành van xả kiểu poppet và kim phun, sử dụng ba thùy: hai thùy cho van xả (hai van trên động cơ nhỏ nhất hoặc bốn van trên động cơ lớn nhất và thùy thứ ba cho kim phun).
Cụ thể đối với động cơ hai kỳ EMD (567, 645 và 710):
- Hành trình công suất bắt đầu ở TDC ([0°]; phun nhiên liệu dẫn trước TDC 4° [356°], như vậy việc phun nhiên liệu sẽ được hoàn thành tại TDC hoặc rất nhanh sau đó; nhiên liệu bốc cháy nhanh như khi được phun) , sau kỳ công suất, các van xả được mở ra, do đó làm giảm đáng kể áp suất và nhiệt độ của khí đốt, đồng thời chuẩn bị xi lanh để làm sạch, trong khoảng thời gian của kỳ công suất là 103°.
- Quá trình quét khí bắt đầu sau 32°, tại BDC–45° [135°] và kết thúc tại BDC+45° [225°], trong khoảng thời gian quét là 90 độ; độ trễ 32° khi mở các cổng quét (hạn chế độ dài của hành trình sinh công), và độ trễ 16° sau khi các cổng quét được đóng lại (do đó bắt đầu hành trình nén), tối đa hóa hiệu quả quét khí, do đó tối đa hóa công suất đầu ra của động cơ, đồng thời giảm thiểu mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ.
- Khi kết thúc quá trình quét, tất cả các sản phẩm của quá trình đốt cháy đã bị đẩy ra khỏi xi lanh và chỉ còn lại “khí nạp” (việc quét có thể được thực hiện bằng máy thổi Roots, để nạp không khí cao hơn môi trường xung quanh hoặc máy nén tua-bin độc quyền của EMD, hoạt động như một máy thổi khí trong quá trình khởi động và như một bộ tăng áp trong điều kiện hoạt động bình thường, và để nạp khí nạp ở nhiệt độ cao hơn đáng kể so với môi trường xung quanh, và bộ tăng áp này cung cấp mức tăng công suất định mức tối đa 50 % so với các động cơ Roots-blown có cùng dung tích).
- Hành trình nén bắt đầu muộn hơn 16°, ở BDC+61° [241°], trong khoảng thời gian hành trình nén là 119°.
- Trong các động cơ được trang bị EFI, kim phun của bộ phận điều khiển điện tử vẫn được kích hoạt bằng cơ học; lượng nhiên liệu cấp vào bơm kim phun kiểu pít tông nằm dưới sự kiểm soát của bộ phận điều khiển động cơ (ở đầu máy, bộ điều khiển đầu máy), thay vì bộ điều tốc Woodward PGE truyền thống, hoặc bộ điều tốc động cơ tương đương, như với kim phun đơn vị thông thường.
Nhiên liệu
Nhiên liệu được sử dụng trong động cơ diesel 2 kỳ có thể bao gồm các loại dầu hydrocacbon nặng hơn xăng, khiến chúng ít bay hơi hơn với điểm chớp cháy cao hơn và mang lại cho chúng mật độ năng lượng cao hơn. Do đó, chúng dễ dàng và an toàn hơn để xử lý và chiếm ít thể tích hơn cho một lượng năng lượng nhất định. Động cơ diesel hai kỳ thường đốt cháy các loại dầu nhiên liệu nặng hơn so với nhiên liệu diesel tiêu chuẩn.
Trong động cơ diesel hàng hải hai kỳ dùng cho tàu biển, nhiên liệu phổ biến nhất là dầu cặn. Günter Mau lập luận rằng không tồn tại các tiêu chuẩn thống nhất cho các loại nhiên liệu như vậy, đó là lý do tại sao chúng có một số tên thông tục khác nhau, bao gồm Nhiên liệu trung gian hàng hải (Marine Intermediate Fuel), Dầu nhiên liệu nặng (Heavy Fuel Oil), Nhiên liệu Boong ke hàng hải (Marine Bunker Fuel) và Nhiên liệu Boong ke C (Bunker C Fuel). Dầu nhiên liệu nặng cũng được sử dụng trong động cơ máy bay diesel hai thì Jumo 205. Trong những năm 1960, dầu cặn được “pha chế trên cơ sở chất thải của nhà máy lọc dầu”. Dầu cặn có chất lượng rất thấp với độ nhớt cao và chỉ số cetane thấp, nhưng giá rẻ và do đó tiết kiệm khi sử dụng.
