Diesel là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về diesel

Diesel là một loại nhiên liệu lỏng có nguồn gốc từ dầu mỏ, được sử dụng rộng rãi trong các động cơ đốt trong hoạt động theo cơ chế tự đánh lửa do nén. Không như động cơ xăng yêu cầu tia lửa từ bugi, động cơ diesel đốt cháy nhiên liệu bằng nhiệt sinh ra từ quá trình nén không khí với tỷ số nén cao. Nhờ đặc tính này, hiệu suất của động cơ diesel thường vượt trội hơn so với động cơ xăng, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu mô-men xoắn lớn và hoạt động liên tục.

Nhiên liệu diesel được đặt theo tên của kỹ sư Rudolf Diesel, người phát minh ra nguyên lý động cơ diesel vào năm 1893. Kể từ đó, diesel trở thành nguồn năng lượng chủ đạo trong các ngành công nghiệp vận tải đường dài, cơ khí nặng, nông nghiệp và sản xuất điện dự phòng. Tầm quan trọng của diesel đặc biệt rõ rệt ở các quốc gia đang phát triển, nơi hệ thống cơ sở hạ tầng điện khí hóa chưa hoàn chỉnh, nên máy phát điện diesel vẫn đóng vai trò then chốt.

Một số lĩnh vực dựa nhiều vào diesel:

• Vận tải đường dài bằng xe tải, container, tàu hỏa
• Hàng hải, vận tải biển và tàu đánh cá
• Thiết bị công trình: xe ủi, máy xúc, cần cẩu
• Máy phát điện cho bệnh viện, sân bay, trung tâm dữ liệu

Thành phần hóa học và tính chất vật lý

Diesel là hỗn hợp của các hydrocarbon có số nguyên tử carbon từ C10 đến C20, bao gồm các phân tử dạng paraffin, naphthene và một tỷ lệ nhỏ aromatic. Thành phần hóa học của diesel ảnh hưởng đến khả năng cháy, hiệu suất và mức độ phát thải của động cơ. Một chỉ số quan trọng phản ánh khả năng tự bắt cháy của diesel là chỉ số cetan (Cetane Number – CN). Chỉ số này càng cao thì thời gian trễ cháy càng thấp, động cơ vận hành êm và hiệu quả hơn.

Diesel có độ nhớt cao hơn xăng, điều này giúp bôi trơn tốt hơn cho hệ thống bơm và vòi phun nhiên liệu, nhưng cũng đòi hỏi tiêu chuẩn chất lượng nghiêm ngặt để tránh tích tụ cặn và giảm khả năng phun sương. Ngoài ra, điểm bốc cháy của diesel thường trên 52°C, giúp giảm nguy cơ cháy nổ trong bảo quản và vận chuyển so với xăng.

Các đặc tính chính của diesel được tóm tắt trong bảng dưới đây:

Thông số	Giá trị đặc trưng	Ý nghĩa
Mật độ	0.82–0.85 g/cm³	Ảnh hưởng năng lượng theo thể tích và phun nhiên liệu
Nhiệt trị	~45.5 MJ/kg	Năng lượng sinh ra khi đốt cháy hoàn toàn
Chỉ số cetan	40–55	Khả năng tự cháy nhanh và vận hành êm
Hàm lượng lưu huỳnh	<10 ppm (ULSD)	Ảnh hưởng khí thải và thiết bị xử lý phát thải

Nguyên lý hoạt động của động cơ diesel

Động cơ diesel hoạt động dựa trên chu trình Diesel, một chu trình nhiệt động học có hiệu suất cao hơn chu trình Otto của động cơ xăng. Không khí được hút vào xi-lanh và nén với tỷ số nén từ 14:1 đến hơn 22:1. Sự gia tăng áp suất này làm nhiệt độ trong buồng đốt tăng mạnh, đủ để nhiên liệu diesel tự bốc cháy khi được phun sương trực tiếp vào buồng đốt. Hệ thống phun hiện đại sử dụng kim phun điều khiển điện tử, giúp tối ưu hóa sự hòa trộn nhiên liệu–không khí theo thời gian thực.

Hiệu suất nhiệt động học lý tưởng của chu trình Diesel được mô tả bởi công thức:

$\eta = 1 - \frac{1}{r^{\gamma - 1}} \cdot \frac{\rho^{\gamma} - 1}{\gamma(\rho - 1)}$

Trong đó:

• $r$: tỷ số nén
• $\rho$: tỷ lệ thể tích trong giai đoạn đốt
• $\gamma$: tỉ lệ nhiệt dung của khí

Hiệu suất của động cơ diesel trong thực tế có thể đạt 35–45%, cao hơn mức 25–30% của động cơ xăng, giúp giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ và tăng quãng đường vận hành cho mỗi lít nhiên liệu.

Phân loại nhiên liệu diesel

Diesel được phân loại theo nguồn gốc sản xuất và đặc điểm hóa lý khác nhau. Sự đa dạng này giúp lựa chọn phù hợp với yêu cầu môi trường, chi phí và hiệu suất động cơ. Diesel khoáng và diesel sinh học là hai nhóm chủ đạo hiện nay.

Các loại diesel phổ biến:

1. Diesel khoáng (Petrodiesel): chiết xuất và tinh chế từ dầu mỏ, sử dụng nhiều nhất trong giao thông và công nghiệp.
2. Diesel sinh học (Biodiesel): được sản xuất từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật thông qua phản ứng transester hóa, ký hiệu B5–B100 tùy theo tỷ lệ pha.
3. Diesel tổng hợp (Synthetic Diesel): tạo từ sinh khối hoặc khí tự nhiên thông qua quy trình Fischer–Tropsch, có tiềm năng giảm phát thải.

Mỗi loại có sự khác biệt về độ nhớt, khả năng tự cháy, khả năng làm sạch động cơ và hiệu quả giảm khí thải như NOx và bụi mịn.

Ứng dụng của diesel trong thực tiễn

Diesel là nguồn năng lượng chủ lực trong các lĩnh vực đòi hỏi hiệu suất cao, độ bền và khả năng hoạt động lâu dài trong điều kiện khắc nghiệt. Với mô-men xoắn lớn và khả năng vận hành ổn định ở tải trọng cao, động cơ diesel là lựa chọn ưu tiên cho các ngành công nghiệp và giao thông vận tải nặng.

Một số lĩnh vực ứng dụng điển hình:

• Vận tải đường bộ: xe tải hạng nặng, xe buýt liên tỉnh, đầu kéo container
• Đường sắt: tàu hỏa diesel tại các khu vực chưa điện khí hóa
• Máy móc công trình: xe ủi, máy xúc, máy san, cần cẩu
• Hàng hải: tàu đánh cá, tàu chở hàng, phà
• Năng lượng dự phòng: máy phát điện cho bệnh viện, sân bay, trung tâm dữ liệu

Khả năng vận hành lâu dài, tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn so với xăng khi chạy tải nặng là lý do diesel vẫn chiếm ưu thế trong những môi trường yêu cầu tính ổn định và hiệu quả nhiên liệu cao.

Vấn đề môi trường và phát thải

Một trong những nhược điểm chính của động cơ diesel là phát thải khí độc và hạt bụi mịn. Quá trình đốt cháy ở nhiệt độ cao tạo ra oxit nitơ (NOx), trong khi nhiên liệu chưa cháy hoàn toàn sinh ra các hạt carbon đen (PM2.5), ảnh hưởng đến sức khỏe hô hấp và hệ tim mạch.

Thành phần khí thải chính của động cơ diesel:

Chất ô nhiễm	Tác động
NOx	Kích ứng đường hô hấp, góp phần hình thành mưa axit
PM2.5	Thâm nhập sâu vào phổi, tăng nguy cơ bệnh tim mạch
CO	Giảm khả năng vận chuyển oxy trong máu
Hydrocarbon chưa cháy (HC)	Tạo ozone tầng thấp, gây ô nhiễm quang hóa

Để giảm thiểu tác hại môi trường, các công nghệ kiểm soát khí thải đã được áp dụng rộng rãi:

• Hệ thống EGR: tuần hoàn khí xả để giảm nhiệt độ buồng đốt, giảm NOx
• Bộ lọc DPF: giữ lại và đốt sạch hạt bụi mịn trước khi thải ra môi trường
• Hệ thống SCR: dùng dung dịch urea (AdBlue) để chuyển NOx thành N₂ và H₂O

Các tiêu chuẩn khí thải như Euro 6 (EU), Tier 4 Final (Mỹ) ngày càng nghiêm ngặt, buộc các nhà sản xuất liên tục cải tiến công nghệ động cơ và chất lượng nhiên liệu để đạt mức phát thải thấp hơn.

So sánh diesel với các loại nhiên liệu khác

Diesel thường được so sánh với xăng, điện và hydro về hiệu suất, phát thải và chi phí vận hành. Mặc dù diesel có ưu thế về hiệu suất nhiệt và mô-men xoắn, nhưng nhược điểm về khí thải đang làm giảm dần vai trò của nó trong các khu vực đô thị và quốc gia có chính sách môi trường nghiêm ngặt.

Bảng dưới đây tổng hợp một số tiêu chí so sánh:

Tiêu chí	Diesel	Xăng	Điện	Hydro
Nhiệt trị (MJ/kg)	~45.5	~44.4	---	~120
Phát thải CO₂	Cao	Cao	Thấp (tùy nguồn điện)	0 (khi dùng hydro sạch)
Hiệu suất động cơ	35–45%	25–30%	~90%	40–60%
Chi phí đầu tư ban đầu	Trung bình	Thấp	Cao	Rất cao

Mặc dù điện và hydro đang được đẩy mạnh, diesel vẫn giữ ưu thế trong các ứng dụng cần tải trọng lớn, phạm vi hoạt động dài và hạ tầng nhiên liệu sẵn có.

Tiêu chuẩn chất lượng và đánh giá

Nhiên liệu diesel thương mại phải tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế để đảm bảo chất lượng đốt cháy, độ sạch, và khả năng vận hành ổn định trong các điều kiện khí hậu khác nhau. Hai tiêu chuẩn chính được sử dụng phổ biến là ASTM D975 (Hoa Kỳ) và EN 590 (Châu Âu).

Một số thông số kiểm định bao gồm:

• Chỉ số cetan: phản ánh khả năng tự cháy, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất
• Hàm lượng lưu huỳnh: càng thấp càng thân thiện môi trường (ULSD < 10 ppm)
• Độ nhớt: ảnh hưởng đến khả năng bôi trơn và độ bền kim phun
• Điểm đông đặc: xác định tính ổn định ở vùng khí hậu lạnh

Các tổ chức quy chuẩn như ASTM International, Ủy ban châu Âu và API thường xuyên cập nhật tiêu chuẩn để theo kịp công nghệ và yêu cầu môi trường.

Xu hướng chuyển dịch và tương lai của diesel

Trước sức ép từ biến đổi khí hậu và các cam kết trung hòa carbon, nhiều quốc gia đã đề xuất cấm hoặc hạn chế xe diesel trong đô thị, đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang năng lượng sạch. Dù vậy, diesel vẫn chưa thể thay thế hoàn toàn trong các lĩnh vực như vận tải đường dài, hàng hải, khai khoáng và nông nghiệp.

Một số hướng phát triển:

1. Pha trộn nhiên liệu sinh học: sử dụng B5–B20 để giảm phát thải
2. Diesel tổng hợp: tạo từ sinh khối hoặc CO₂ tái chế (e-diesel)
3. AI và điều khiển điện tử: tối ưu hóa quá trình phun nhiên liệu, giảm tiêu hao

Trong tương lai gần, diesel có thể tiếp tục tồn tại như một giải pháp “cầu nối” trong quá trình chuyển đổi năng lượng, đồng thời kết hợp với các công nghệ lọc khí thải và nhiên liệu tái tạo để giảm thiểu tác động môi trường.

Tài liệu tham khảo

1. ASTM D975 Standard Specification for Diesel Fuel Oils
2. European Commission – Diesel and Gasoline
3. Alternative Fuels Data Center – U.S. Department of Energy
4. ScienceDirect – Comparative Study of Diesel and Biodiesel
5. American Petroleum Institute – Diesel Standards
6. U.S. EPA – Emission Standards Reference Guide