Không nhiều người đặt câu hỏi vì sao động cơ diesel lại có tỷ số nén cao hơn so với động cơ xăng. Lý do thực ra khá đơn giản và bắt đầu từ đặc tính của nhiên liệu. Diesel ít bay hơi hơn xăng, nặng hơn và quá trình hóa hơi diễn ra chậm hơn, vì vậy thiết kế của hai loại động cơ này cũng khác nhau.
Vậy điều này liên quan thế nào đến tỷ số nén? Do diesel hóa hơi chậm, nó cần nhiều nhiệt hơn để bắt đầu quá trình cháy. Cách hiệu quả nhất để tăng nhiệt độ trong xi-lanh là nén không khí mạnh hơn.
Đây không phải đặc điểm riêng của động cơ diesel, bởi nhiều mẫu xe thể thao hiệu suất cao cũng sử dụng động cơ xăng với tỷ số nén lớn. Tuy nhiên, những động cơ này thường yêu cầu nhiên liệu có chỉ số octan cao để tránh hiện tượng kích nổ sớm (engine knock), vốn có thể gây hư hại nghiêm trọng cho động cơ.
Thông thường, động cơ diesel có tỷ số nén từ 14:1 trở lên, trong khi động cơ xăng dao động từ 8:1 đến 12:1. Một số công nghệ tiên tiến như Skyactiv-G của Mazda đạt tỷ số nén tới 14:1, rất ấn tượng đối với động cơ phổ thông vẫn sử dụng xăng RON 87.
Vậy tại sao không thể nén xăng giống như diesel? Để hiểu điều này, cần xem xét đặc tính hóa học của hai loại nhiên liệu.
Xăng và diesel khác nhau thế nào?
Tỷ số nén là tỷ lệ giữa thể tích xi-lanh khi piston ở điểm thấp nhất (ĐCT - điểm chết dưới) và thể tích khi piston ở điểm cao nhất (ĐCT - điểm chết trên). Ví dụ, tỷ số 13:1 nghĩa là hỗn hợp khí trong xi-lanh bị nén xuống còn 1/13 so với thể tích ban đầu.
Hai yếu tố quan trọng là nhiệt độ chớp cháy và nhiệt độ tự bốc cháy. Xăng là chất dễ bay hơi, có nhiệt độ chớp cháy thấp, dễ hóa hơi và bắt lửa ở nhiệt độ thấp (khoảng -45°F). Ngược lại, diesel ít bay hơi hơn.
Về nhiệt độ tự bốc cháy - mức nhiệt tối thiểu để nhiên liệu tự cháy mà không cần tia lửa - diesel đạt khoảng 410°F, trong khi xăng là 536°F.
Điều này cho thấy diesel có thể tự cháy nhờ nén mà không cần bugi, vì thế động cơ diesel sử dụng nguyên lý cháy do nén (compression ignition) thay vì đánh lửa bằng tia lửa (spark ignition).
Tóm lại, động cơ xăng không cần tỷ số nén quá cao vì nhiên liệu dễ cháy hơn. Tuy nhiên, tỷ số nén lớn giúp tăng công suất, cải thiện hiệu suất nhiệt và giảm tiêu hao nhiên liệu, đó là lý do động cơ diesel thường được đánh giá tiết kiệm hơn.
Ngoài ra, diesel còn có mật độ năng lượng cao hơn, góp phần vào hiệu quả vận hành.
